已建立一种在培养的黑腹果蝇(Drosophila)脑外植体中重新激活静息态神经干细胞的方法。利用该方法,可在调控神经干细胞静息、进入及退出过程中,将系统性信号与组织内在信号分离开来。
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已建立一种在培养的黑腹果蝇(Drosophila)脑外植体中重新激活静息态神经干细胞的方法。利用该方法,可在调控神经干细胞静息、进入及退出过程中,将系统性信号与组织内在信号分离开来。
神经干细胞(NSCs)具有增殖、分化、凋亡以及进入和退出静息状态的能力。这些过程中的许多均由神经干细胞内在的遗传程序与局部及全身性的外在因素之间复杂的相互作用所调控。在遗传模式生物中, 黑腹果蝇,神经干细胞(NSCs),即神经母细胞(NBs),在胚胎向幼虫转变期间由静息状态转为增殖状态。在此期间,幼虫从卵壳中孵化并开始爬行,寻找食物营养。响应动物摄食,脂肪体——一种具有脂质储存能力的内分泌器官——产生信号并将其系统性释放到循环的血淋巴中。在脂肪体来源信号(FBDS)的刺激下, 果蝇 胰岛素样肽(Dilps)由脑部神经分泌性神经元和胶质细胞产生并释放,从而在神经母细胞(NBs)及其胶质和气管微环境中激活下游的PI3-激酶生长信号通路。尽管这是目前关于NBs从静息状态转换为增殖状态的主流模型,但前脑背侧结构(FBDS)来源的外在信号因子的本质仍不明确。为了更深入地理解外在系统性信号如何调控NBs退出静息状态,研究人员建立了一种在动物进食前体外培养早期幼虫脑组织的方法。利用该方法,可向培养基中添加外源性因子,并检测NBs退出静息状态的情况。我们发现,外源性胰岛素足以在全脑外植体中重新激活处于静息状态的NBs。由于该方法适用于大规模筛选,我们的目标是鉴定更多调控NBs静息与增殖决策的外在信号因子。鉴于调控神经干细胞(NSC)增殖决策的基因和通路在进化上高度保守,本实验的结果可能为临床再生治疗策略的优化提供重要启示。
干细胞因其在再生医学中的潜在应用而备受关注1,2。许多动物,尤其是长寿物种,会在成体组织中维持干细胞的存在。这些定居的干细胞具有维持组织稳态的功能,并在机体受到物理损伤或疾病侵袭后参与组织修复3,4。成年动物体内的大多数干细胞处于静息状态,这是一种相对静止的状态,其特征是细胞周期停滞以及生长信号通路的失活5。当接收到外界信号刺激时,干细胞会退出静息状态,进入细胞周期,并开始产生具有特定组织谱系的子代细胞。例如,为了启动有效的免疫应答,抗原呈递细胞可诱导静息的初始T细胞进入细胞周期并发生克隆扩增6。当骨骼肌受到损伤时,肌肉卫星干细胞会进入细胞周期,生成子代成肌细胞以替代受损的肌原纤维5,7。尽管已明确静息干细胞能够响应外界信号,但在许多情况下,这些外界刺激因子的具体性质及其诱导干细胞活化的机制仍不清楚。深入理解静息干细胞如何响应外界信号并进入细胞周期,将有助于推动临床干细胞治疗的发展,并增进相关科学认知。
几十年来,模式生物一直被用于揭示调控发育过程及成体阶段干细胞增殖的基因和细胞信号通路。在Drosophila中,神经干细胞(NSCs)被称为神经母细胞(NBs),在发育过程中持续分裂,产生所有最终整合形成脑功能所需神经环路的神经元和胶质细胞8,9。与其他干细胞类似,NBs通过不对称分裂实现自我更新,在某些情况下也通过对称分裂扩大干细胞池。NBs在胚胎发生过程中被确定,大多数在胚胎发育末期进入静止状态,这一时期与母源营养物质储备的减少相一致(图1)。胚胎发生完成后,幼虫孵化并开始摄食。随着动物进食,NBs从静止状态重新激活并恢复细胞分裂10,11,12,13,14,15,16。由于Drosophila中枢神经系统相对简单,且NBs在特定时间点进入和退出静止状态,因此利用Drosophila研究静止状态的调控机制(包括进入与退出过程)尤为理想。

图 1:中央脑神经母细胞(CB NBs,红色)与蘑菇体神经母细胞(MB NBs,蓝色)在发育过程中的相对增殖情况。 胚胎发育结束时,大多数神经母细胞(红线)停止增殖并进入静息状态。静息状态持续至新孵化的幼虫摄取首次完整食物后才被打破。本方法重点关注的时间点以红圈标出(1,静息状态;2,重新激活)。MB NBs(蓝色)是中央脑神经母细胞的一个亚群,在整个发育过程中持续分裂(每脑半球4个)。请点击此处查看该图的放大版本。
动物摄食后,神经母细胞(NBs)及其胶质和气管微环境中的PI3-激酶和TOR生长信号通路被激活10,11,15,16。当撤除饮食营养或PI3-激酶水平降低时,NBs无法重新激活,胶质细胞和气管的生长也相应减弱10,11,15,16。目前的模型认为,脂肪体将NB的重新激活与幼虫生长相偶联,在动物摄食后释放一种全身性信号12,17,18。该信号的具体性质尚不明确,但可能促进脑中黑腹果蝇胰岛素样肽(Drosophila insulin-like peptide, Dilps)的表达与释放,从而在NB及其胶质和气管微环境中下游激活PI3-激酶。为了更深入理解这种全身性信号分子的本质,我们建立了一种在离体培养的脑组织外植体中重新激活静息NB的方法。利用该方法,可在去除整体动物系统性信号的情况下检测NB的重新激活。外源性因子可被重新添加至培养基中,并通过胸腺嘧啶类似物EdU的掺入情况来评估NB的重新激活。通过该方法,我们确定外源性胰岛素足以在脑外植体中重新激活静息的NB。后续研究将致力于鉴定其他可调控脑外植体中NB静息状态的因子,这些因子在回补时可能起正向或负向调节作用。
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1. 果蝇 幼虫采集
注意:开始前请准备好酵母平板、葡萄糊以及果蝇饲养盒:

图 2:倒置果蝇瓶(“公寓”)中雄性和雌性 Drosophila 成虫的示意图。 塑料瓶上用18 G针头扎有微小穿孔,用于气体交换。瓶口用琼脂葡萄汁封口密封,倒置后置于25 °C培养箱中保存。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 培养基与工具准备
3. 解剖与脑组织培养

图3:含SSM的玻璃培养皿中的 Drosophila 幼虫。 镊子已正确放置,用于解剖。幼虫脑部(深灰色)位于口钩(黑色)后方,两者均显示在幼虫体内。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:脑组织培养与免疫染色。(A)置于含1 mL SSM的12孔培养板中的完整脑组织。将培养板放入25 °C培养箱中孵育24 h。(B)用于免疫染色过程中承载脑组织外植体的72孔小托盘。使用设定为10 μL的P20微量移液器进行脑组织的洗涤及溶液转移。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 增殖实验、脑组织固定与抗体染色
5. 脑组织的包埋与成像

图 5:显示载玻片、组织方向及幼虫脑中细胞类型的示意图。(A)展示用于固定幼虫脑并准备成像的显微镜载玻片的可视化表示。(B)同时示出用于组织定向的参考线。(C)准备在共聚焦显微镜上成像的显微镜载玻片。(D)卡通图示出幼虫脑中部分细胞类型。请点击此处查看该图的放大版本。
6. 数据分析
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将新孵化的OregonR野生型果蝇大脑解剖后,在含胰岛素的补充型Schneider培养基(SSM)中培养24小时。按照实验方案对组织进行固定和染色,使用抗Deadpan(Dpn)的一抗标记神经母细胞(NBs),抗Scribble的一抗标记细胞膜。加入胸腺嘧啶类似物5-乙炔基-2′-脱氧尿嘧啶核苷(Edu)以检测S期进入及神经母细胞的再激活。培养24小时后,我们观察到大量Edu阳性且Dpn阳性的大尺寸神经母细胞(图6A-C)。随后,将新孵化的OregonR野生型果蝇大脑在不含胰岛素的补充型Schneider培养基中培养24小时。培养24小时后,除4个蘑菇体神经母细胞和1个腹外侧神经母细胞外,未观察到其他大尺寸的Edu阳性且Dpn阳性的神经母细胞(图6D-F)。蘑菇体和腹外侧神经母细胞是中枢脑神经母细胞的一个亚群,在胚胎至幼虫转变期间持续分裂。我们得出结论:在Schneider培养基中培养...
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本文所述的脑组织外植体培养方法可在大多数实验室环境中进行。所需工具、操作步骤及数据收集过程均简单直接。利用该方法,可检验多种假设,包括与调控神经前体细胞(NB)重新激活和增殖相关的细胞信号级联反应及外源性因素有关的假设。在此,我们使用野生型OregonR动物发现,外源性胰岛素足以独立于其他个体特异性系统信号,重新激活处于静息状态的神经前体细胞。通过GAL4/UAS系统,还可实现细胞类型特异性的胰岛素通路组分的敲低或过表达,以更深入地理解PI3-激酶信号在神经前体细胞重新激活中的作用。除了遗传学手段外,还可通过调整培养基成分,进一步检验促进神经前体细胞重新激活和增殖的外源性信号或因子。例如,可验证添加类固醇激素蜕皮酮是否能够提高培养中神经前体细胞重新激活和增殖的比例。
尽管该方法较为直接,但我们早期遇到了一些技术难题。第一个技术难题是在更换培养基过程中对已解剖但未固定的脑组织造成的损伤。我们发现,与直接在孔内更换培养基相比,将脑组织转移至培养板的新孔中可减少组织损伤,因为当从孔中移除培养基时,脑组织会贴附在孔底,导致脑组织出现孔洞。为解决此问题,我们采用移液器将脑组织在液体中进行转移...
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我们感谢LSAMP博士桥接项目(CNK)以及美国国立卫生研究院/国家普通医学科学研究所(NIH/NIGMS,资助号:R01-GM120421 和 R35-GM141886)提供的经费支持。我们感谢Conor Sipe博士提供图1。同时感谢Siegrist实验室所有成员的持续支持与指导。我们特别感谢Chhavi Sood和Gary Teeters仔细审阅手稿并提出宝贵意见。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 µL 吸头 | 德文特科学公司 | P2102 | |
| 1000 µL 吸头 | 德内维尔科学 | P2103-N | |
| 1000 µL加样器 | Gilson | P1000 | |
| 16% 多聚甲醛(10 × 10 mL) | 电子显微镜科学公司 | 2912.60.0000 | 用于幼虫脑组织的固定 |
| 20 µL 移液管 | Gilson | P20 | |
| 200 µL 吸头 | 丹维尔科学 | 1158U56 | |
| 24孔多孔培养板 | Fisher Scientific | 50-197-4477 | |
| 35 mm 培养皿 | Fisher Scientific | 08-757-100A | 葡萄培养皿成分 |
| 4 °C型冰箱 | Fisher Scientific | 为……提供理想的温度 >抗体溶液中孵育 24 小时 | |
| 63倍物镜 | Lecia | ||
| 活性干酵母 | 大多数超市 | ||
| 琼脂糖 | Fisher Scientific | 214010 | 葡萄培养皿成分 |
| Click-iT EdU细胞增殖成像试剂盒,Alexa Fluor 647染料 | 赛默飞世尔科技 | C10340 | 标记增殖细胞 |
| 共聚焦显微镜 | Leica | SP8 | |
| 22 mm × 22 mm × 1 mm 盖玻片,每包10片,4盎司包装 | Fisher Scientific | 12-544-10 | 在显微镜载玻片的两端用瞬间胶粘上两张盖玻片。这可形成一个空间,使脑组织在成像时能够悬浮于抗荧光淬灭剂中。 |
| 盖玻片,22 mm × 50 mm × 1 mm | Fisher Scientific | 12-545E | 将盖玻片置于载玻片上的两个方形盖玻片之间,确保成像过程中抗荧光淬灭剂中的脑组织不会移动。 |
| 解剖显微镜 | 蔡司 | Stemi 2000 | |
| 乙醇 200 proof(100%),Decon Labs,1 加仑瓶装 | Fisher Scientific | 2701 | 用于在将幼虫转入培养基中培养24小时之前清洗幼虫 |
| 胎牛血清(10%) | Sigma | F4135-100ML | 细胞培养基添加剂 |
| 用于解剖的精细镊子 | Fine Science Tools | 11295-20 | 用于解剖的镊子。锋利时使用效果最佳。 |
| 用于杂交的果蝇培养瓶 | Genessee Scientific | 32-130 | 该瓶子用作容器,使果蝇可在葡萄培养基平板上产卵。 |
| 玻璃解剖皿(3孔) | 这些已不再提供 | ||
| 谷胱甘肽 | Sigma | G6013 | 在细胞培养过程中提供氧化保护。 |
| 山羊血清 | Sigma | G9023-10ML | 封闭剂 |
| 葡萄培养皿 | 自制 | 自制 | 用于收集新孵化卵的葡萄汁/琼脂糖平板 |
| Image J | Imagej.net/fiji/downloads | 免费下载: https://fiji.sc | 用于细胞计数和EdU再激活成像的平台 |
| 培养箱 | 赛默飞世尔科技 | 确保实验过程中温度、湿度和光照条件完全一致。 | |
| 胰岛素 | Sigma | I0516 | 实验的自变量 |
| 层流罩 | 用于分装培养基 | ||
| L-谷氨酰胺 | Sigma | G7513 | 在细胞培养过程中提供支撑 |
| Nunc 72孔微型培养板 | Fisher Scientific | 12-565-154 | 在此托盘中进行免疫染色步骤 |
| Parafilm | Fisher Scientific | S37440 | 用于密封培养板以防止蒸发的封板膜 |
| 青霉素-链霉素 | Sigma | P4458-100ml | 用于防止细胞培养过程中细菌污染的抗生素。 |
| 磷酸盐缓冲液,pH 7.4 | 自制 | 自制 | 固定和染色步骤后用于清洗脑组织的溶剂 |
| 挑选 | Fine Science Tools | 10140-01 | 用于从葡萄培养基上挑取幼虫 |
| 丙酸 | Fisher Scientific | A-258 | 葡萄培养皿成分 |
| 兔子 405 | Abcam | ab175653 | 用于免疫染色的抗体 |
| 大鼠 555 | Abcam | ab150166 | 用于免疫染色的抗体 |
| Rb Scribble | 来自 Chris Doe 的礼物 | 用于免疫染色的抗体 | |
| Rt Deadpan | Abcam | ab195173 | 用于免疫染色的抗体 |
| 施耐德氏培养基 | Life Tech | 21720024 | 含有促进细胞生长和增殖的营养成分 |
| SlowFade Diamond 抗荧光淬灭封片剂(5 × 2 mL) | Life Tech | S36963 | 防止荧光淬灭的试剂 |
| 无菌水 | 高压灭菌自制 Milli-Q 水 | 溶液配制所需材料 | |
| 蔗糖 | Fisher | S2-12 | 葡萄培养皿成分 |
| Superfrost 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-544-7 | |
| 超级胶水 | 大多数超市 | ||
| Tegosept | Genesee Scientific | 20-259 | 葡萄培养皿成分 |
| Triton-X 100 | Sigma | T9284-100ML | PBT |
| Welch's 100% 葡萄汁 | 大多数超市 | 葡萄培养皿成分 |
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