本实验方案的目的是将罗丹明标记的球状肌动蛋白注射到Drosophila胚胎中,并在热应激后观察细胞核内肌动蛋白棒状结构的组装过程。
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本实验方案的目的是将罗丹明标记的球状肌动蛋白注射到Drosophila胚胎中,并在热应激后观察细胞核内肌动蛋白棒状结构的组装过程。
本实验方案的目的是观察活细胞内形成的核内肌动蛋白束 黑腹果蝇 热激后的胚胎。肌动蛋白棒状结构是保守的、可诱导的肌动蛋白应激反应(Actin Stress Response, ASR)的标志性特征,该反应与包括神经退行性疾病在内的多种人类病理状态相关。此前,我们已证明ASR会导致发育中胚胎的形态发生失败和存活率降低。本实验方案使得在一种非常适合成像、遗传学和生物化学研究的模式系统中,持续深入研究肌动蛋白棒状结构组装及ASR的潜在机制成为可能。胚胎被收集后固定在盖玻片上,以准备显微注射。使用罗丹明标记的球状肌动蛋白(G-actin)红色) 被稀释后加载至微针中,对每个胚胎的中心进行单次注射。注射后,将胚胎在较高温度下孵育,随后通过共聚焦显微镜观察细胞核内的肌动蛋白束。可对肌动蛋白束进行光漂白后荧光恢复(FRAP)实验;细胞质中其他富含肌动蛋白的结构也可被成像。我们发现,G-肌动蛋白红色 像内源性G-actin一样发生聚合,且本身不会干扰正常胚胎发育。该方案的一个局限性在于注射过程中需格外小心,以避免对胚胎造成严重损伤。然而,经过练习后,注射G-actin红色 进入 黑腹果蝇 胚胎是可视化肌动蛋白杆状结构的一种快速可靠的方法,可轻松用于任何基因型的果蝇,也可结合缺氧和氧化应激等其他细胞应激条件使用。
本方案描述了如何注射G-actinRed以可视化热应激胚胎中核内肌动蛋白棒状结构的组装过程,这些胚胎正处于可诱导的肌动蛋白应激反应(ASR)1。我们开发该方案旨在促进对ASR的研究,因为在胚胎中,ASR会导致形态发生紊乱和存活率降低;而在成人的人类细胞类型中,ASR则与多种病理状态相关,包括肾功能衰竭2、肌肉肌病3以及阿尔茨海默病和亨廷顿病4,5,6,7,8。ASR可由多种细胞应激诱导,包括热休克9,10,11、氧化应激4,6、ATP合成减少12以及异常亨廷顿蛋白或β-淀粉样蛋白寡聚化4,5,6,7,9,13,14,15,16。ASR的一个典型特征是,在受影响细胞的胞质或细胞核内形成异常的肌动蛋白棒状结构,这一过程由应激诱导的肌动蛋白结合蛋白Cofilin过度活化所驱动1,5,6,10。然而,目前关于ASR仍存在若干关键的知识空白。例如,肌动蛋白棒状结构的功能尚不清楚;我们也不了解为何某些细胞类型的棒状结构形成于胞质,而其他细胞类型则形成于细胞核内。此外,尚不明确ASR对于经历应激的细胞或胚胎而言是保护性反应还是适应不良性反应。最后,Cofilin过度活化及肌动蛋白棒状结构组装的详细机制仍不清楚。因此,本方案提供了一种快速且多功能的检测方法,可通过在活体果蝇胚胎这一高度可操作的实验系统中观察肌动蛋白棒状结构的形成与动态变化来深入探究ASR。
将G-actinRed显微注射到活体Drosophila胚胎中的实验方案最初是为了研究组织形成过程中正常胞质肌动蛋白结构的动力学17。在这些研究中,我们发现G-actinRed注射对胚胎早期发育过程(包括胞质分裂或原肠作用)没有不利影响17,18。随后我们对该方案进行了改进,调整了胚胎处理和G-actinRed注射步骤,以便对经历热应激并发生ASR的胚胎中的肌动蛋白棒状结构进行成像1。除G-actinRed注射外,还有其他方法可用于在胚胎中可视化肌动蛋白。这些方法依赖于表达荧光蛋白(FPs)标记的肌动蛋白或肌动蛋白结合蛋白结构域,例如Utrophin-mCherry、Lifeact、F-tractin-GFP和Moesin-GFP(综述见19)。然而,使用这些荧光蛋白探针需谨慎,因为它们可能稳定或破坏某些肌动蛋白结构,不能均等地标记所有肌动蛋白结构20,而对于actin-GFP而言,其表达水平往往过高——这给棒状结构组装的分析带来问题,因为棒状结构的形成不仅依赖于应激,也依赖于肌动蛋白浓度1。因此,在果蝇胚胎的棒状结构研究中,G-actinRed是首选探针,且由于胚胎体积较大,易于进行显微注射。
本实验方案的工作流程与其他已建立的显微注射技术类似,这些技术已被用于将蛋白质、核酸、药物和荧光指示剂注入Drosophila胚胎21,22,23,24,25,26,27。然而,在本实验中,显微注射G-actinRed后,胚胎会经历轻度热应激处理,以诱导ASR及核内肌动蛋白杆状结构的组装。对于具备果蝇资源和显微注射装置的实验室而言,该方法可直接实施,并可根据ASR相关研究的具体需求进行调整,例如研究不同应激条件下的ASR诱导,或在不同遗传背景下ASR的调控机制。
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1. 准备胚胎收集杯和苹果汁琼脂平板
2. 为显微注射制备G-actinRed 的工作液
注意:此步骤仅制备 2 μL 浓度为 5 mg/mL 的 G-actinRed 工作液,因此如果操作者对显微注射技术尚不熟练,建议跳过此步骤直接进入步骤 3,先使用中性 pH 缓冲液进行显微注射练习,以节省珍贵的工作液。供应商提供的 10 μg G-actinRed 原装品可置于原包装中,放入带有约 500 g 干燥剂的 16 盎司螺口瓶内,于 4 °C 保存,最长可保存 6 个月。
3. 收集胚胎并制备显微注射
4. 注射胚胎并进行热激处理以促进肌动蛋白杆状结构的形成
注意:所有注射均在温度控制为 18 °C 的房间内进行。
5. 通过共聚焦显微镜观察热应激胚胎中的肌动蛋白棒状结构
6. 替代成像实验
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胚胎操作的示意图见图1,典型实验的时间安排见表1。对良好实验结果的预估是:每注射10个胚胎,至少有一半被观察的胚胎处于正确的发育阶段、无损伤,并在32 °C热应激条件下表现出强烈的ASR反应。这种ASR反应的特征是细胞核内肌动蛋白棒状结构的形成,如图2A(右图)中胚胎代表性表面图像所示。肌动蛋白棒可在细胞核内以多种方向(平行或垂直于成像平面)存在,并可通过多个焦平面进行成像。相比之下,在18 °C孵育的对照组胚胎则不会出现肌动蛋白棒(Figure 2A,左图)。含有棒状结构的细胞核百分比可进行量化分析,如图2B所示。此外,还可对肌动蛋白棒进行FRAP实验(图2C)。关于FRAP数据的一种推荐量化方法参见文献1,图2D
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该方法的意义在于,它利用了在果蝇(Drosophila)胚胎中已建立完善的显微注射技术21,22,23,24,25,26,27,从而推动关于ASR及其伴随的肌动蛋白杆状结构组装的新研究。将G-actinRed注射入活体胚胎的主要优势在于,可以在多种不同条件下研究ASR。在后续研究中,这些条件可包括向其他基因型的胚胎注射以进行突变体筛选,或将已注射的胚胎暴露于不同的应激环境(如氧化应激)4,32。尽管此处未详细描述,该注射技...
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作者们衷心感谢刘柳郑和增辉薛在Sokac实验室中对该技术的早期探索工作,同时也感谢Hasan Seede在数据分析方面的协助。本研究工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助(项目编号:R01 GM115111)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三磷酸腺苷(ATP) | Millipore-Sigma | A23835G | G缓冲液组分 |
| 苹果汁,Mott's,64液盎司 | Mott's | 014800000344 | 苹果汁培养基板组分 |
| Bacto琼脂 | BD | 214010 | 苹果汁培养基板组分 |
| 漂白剂,PureBright杀菌型,6.0%次氯酸钠 | KIK International | 059647210020 | 用于胚胎去壳 |
| 氯化钙 | Millipore-Sigma | C1016500G | G缓冲液组分 |
| 细胞筛网,70 μm | Falcon | 352350 | 用于收集去壳胚胎 |
| 共聚焦显微镜,LSM 880 34通道带Airyscan | Zeiss | 0000001994956 | 用于成像核内肌动蛋白棒状结构 |
| 干燥剂 | Drierite | 24001 | 用于胚胎干燥处理 |
| 解剖显微镜,Stemi 508体视显微镜,8:1变焦 | Zeiss | 4350649000000 | 用于在琼脂楔上排列胚胎 |
| 解剖针,5英寸 | Fisher Scientific | 08965A | 用于在琼脂楔上排列胚胎 |
| 二硫苏糖醇(DTT) | Fisher Scientific | BP1725 | G缓冲液组分 |
| 双面胶带,Scotch永久型,0.5英寸×250英寸 | 3M | 021200010323 | 用于制备胚胎胶 |
| 胚胎收集笼 | Genessee Scientific | 59100 | 用于饲养成虫果蝇并收集胚胎 |
| 精细镊子,Dumont镊子,5号型号 | Electron Microscopy Sciences | 72701D | 用于在琼脂楔上排列胚胎 |
| 玻璃毛细管,硼硅酸盐玻璃,细型1 mm × 0.75 mm | World Precision Instruments, Inc. | TW1004 | 用于制作显微注射针 |
| 卤代烃油27 | Millipore-Sigma | H8773100ML | 用于胚胎保湿 |
| 加热载物台培养箱 | Zeiss | 4118579020000, 4118609020000, 4118609010000 | 用于共聚焦成像 |
| 实验室擦拭纸,KimWipes | Kimberly-Clark | 34155 | 实验室擦拭纸 |
| 倒置显微镜,Invertoskop 40C倒置相差显微镜,翻新 | Zeiss | 已停产 | 注射用显微镜 |
| 对羟基苯甲酸甲酯 | Millipore-Sigma | H36471KG | 苹果汁培养基板组分 |
| 显微注射仪,FemtoJet4x | Eppendorf | 5253000025 | 显微注射仪 |
| 微量加样枪头,epT.I.P.S. 20 μL | Eppendorf | 5242956003 | 用于向显微注射针中加样 |
| 显微操作仪及带x、y、z调节旋钮的注射载物台 | Bernard Instruments, Inc (Houston, TX) | 定制 | 用于进行显微注射 |
| 微电极拉制仪,P-97型,Flaming/Brown | Sutter Instruments | P97 | 用于拉制毛细管以制作显微注射针 |
| 显微镜盖玻片 24×50-1.5 | Fisher Scientific | 12544E | 用于固定胚胎 |
| 显微镜载玻片,Lilac Colorfrost,预清洁,25 × 75 × 1 mm | Fisher Scientific | 22037081 | 用于注射前固定胚胎 |
| 正庚烷(n-Heptane) | Fisher Scientific | H3601 | 胚胎胶组分 |
| 物镜,10倍 | Zeiss | 已停产 | 注射显微镜用10倍物镜 |
| 物镜,C-Apochromat 40x/1.2 W Korr. FCS | Zeiss | 4217679971711 | 共聚焦用40倍水镜 |
| 物镜,LD LCI Plan-Apochromat 25x/0.8 Imm Cor DIC M27,适用于油、水、硅油或甘油浸没(D=0-0.17mm)(WD=0.57mm,当D=0.17mm时) | Zeiss | 4208529871000 | 共聚焦用25倍混合浸没物镜 |
| 物镜,Plan-Apochromat 63x/1.40 Oil DIC f/ELYRA | Zeiss | 4207829900799 | 共聚焦用63倍油镜 |
| 画笔,Robert Simmons Expression E85尖头圆头2号 | Daler-Rowney | 038372016954 | 用于转移胚胎 |
| 纸巾,Kleenex C型折叠纸巾,白色 | Kimberly-Clark | 884266344845 | 用于吸干细胞筛网 |
| 巴斯德吸管,5又3/4英寸 | Fisher Scientific | 1367820A | 用于覆盖胚胎的油层 |
| 培养皿,玻璃,100 × 20 mm | Corning | 3160102 | 用作保湿培养室 |
| 培养皿,塑料,60 × 15 mm | VWR | 25384092 | 用于苹果汁培养基板 |
| 移液器,Eppendorf Reference 0.5–10 μL | Eppendorf | 2231000604 | 用于向显微注射针中加样 |
| 移液枪头,xTIP4 250 μL | Biotix | 63300006 | 用于向盖玻片添加胚胎胶 |
| 剃须刀片 | VWR | 55411050 | 用于切割琼脂楔、胶带和移液枪头 |
| 罗丹明标记的球状肌动蛋白,人血小板来源(非肌肉型;4×10 μg) | Cytoskeleton, Inc. | APHR-A | G-actin^Red |
| 闪烁瓶,20 mL 硼硅酸盐玻璃瓶,带聚乙烯衬垫和脲盖 | Fisher Scientific | 033377 | 用于制备胚胎胶 |
| 螺口瓶,16盎司 | Nalgene | 000194414195 | 用于胚胎干燥处理 |
| 载物台测微尺 | Electron Microscopy Sciences | 602104PG | 用于校准G-肌动蛋白注射体积 |
| 蔗糖 | Millipore-Sigma | 840971KG | 苹果汁培养基板组分 |
| Trizma碱 | Millipore-Sigma | T15031KG | G缓冲液组分 |
| 酵母,Lesaffre酵母公司,Red Star活性干酵母,32盎司 | Lesaffre Yeast Corporation | 117929157002 | 酵母糊组分 |
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