延时显微镜是研究芽殖酵母减数分裂的有力工具。本实验方案结合了细胞周期同步化、延时显微镜观察以及目标蛋白的条件性耗竭方法,展示了如何研究特定蛋白在减数分裂染色体分离过程中的功能。
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延时显微镜是研究芽殖酵母减数分裂的有力工具。本实验方案结合了细胞周期同步化、延时显微镜观察以及目标蛋白的条件性耗竭方法,展示了如何研究特定蛋白在减数分裂染色体分离过程中的功能。
延时荧光显微镜技术通过提供固定细胞成像中通常无法观察到的时间和空间信息,彻底改变了人们对减数分裂细胞周期事件的理解。芽殖酵母作为研究减数分裂染色体分离的重要模式生物,其众多减数分裂相关基因具有高度保守性。对芽殖酵母减数分裂过程进行延时显微观察,可监测不同减数分裂突变体,揭示突变如何干扰减数分裂过程。然而,许多蛋白质在减数分裂的多个阶段均发挥功能。使用功能缺失型或减数分裂完全缺失型突变体可能干扰早期过程,从而阻断或扰乱后期事件,使得难以确定与各个独立功能相关的表型。为克服这一挑战,本实验方案描述了如何在减数分裂特定阶段,利用延时显微镜监测减数分裂事件的同时,条件性地将蛋白质从细胞核中去除。具体而言,本方案详细说明了如何将细胞同步于减数第一次分裂前期,如何应用“锚定去除”(anchor away)技术在减数分裂特定阶段将蛋白质从细胞核中去除,以及如何通过延时成像监测减数分裂染色体的分离过程。为展示该技术的应用价值,实验中在减数分裂不同时间点将着丝粒蛋白Ctf19从细胞核中去除,并在减数第二次分裂结束时分析染色质团块的数量。总体而言,本方案可被调整用于在监测减数分裂过程的同时,条件性去除细胞核内的多种不同核蛋白。
延时荧光显微镜是研究出芽酵母减数分裂过程中染色体分离动态的有力工具1,2。通过关键营养物质的饥饿处理,可诱导出芽酵母细胞进入减数分裂3。在减数分裂过程中,细胞经历一次染色体分离,随后进行两次分裂,最终形成四个减数分裂产物,并将其包裹在孢子中(图1)。利用该技术可对单个细胞在减数分裂各个阶段的动态过程进行连续观察,从而获得固定细胞成像难以捕捉到的空间和时间信息。本实验方案展示了如何将延时荧光显微镜技术与两种已建立的方法——可诱导的NDT80系统(NDT80-in)和“锚定移除”技术(anchor away technique)——相结合,用于研究特定蛋白质在减数分裂不同阶段中的功能。
的 NDT80-在系统是一种强大的减数分裂细胞周期同步工具,依赖于中期减数分裂转录因子的可诱导表达 NDT804,5. NDT80 表达是减数第一次分裂前期退出所必需的6,7。随着 NDT80-在系统中, NDT80 受……控制 GAL1-10 在表达雌激素受体融合的Gal4转录因子(Gal4-ER)的细胞中启动子4,5由于Gal4-ER仅在与β-estradiol结合时才能进入细胞核, NDT80-在缺乏β-estradiol的情况下,细胞停滞于第一次减数分裂前期,从而实现细胞在第一次减数分裂前期的同步化(图1。添加β-雌二醇可促进Gal4-ER转录因子向细胞核内转位,使其结合于核内靶位点 GAL1-10 驱动表达 NDT80,从而实现同步进入减数分裂。尽管可以不进行同步化而直接进行延时显微观察,但使用同步化的优势在于能够在细胞处于减数分裂特定阶段时添加抑制剂或药物。
锚定远离技术(anchor away)是一种可诱导系统,通过添加雷帕霉素即可将蛋白质从细胞核中去除8。该技术非常适合研究芽殖酵母细胞分裂过程中的核蛋白,因为酵母细胞进行的是封闭式有丝分裂和减数分裂,期间核膜不会破裂。此外,该技术对于在减数分裂全过程具有多种功能的蛋白质尤其有用。与基因缺失、突变等位基因或减数分裂无效等位基因相比,在特定阶段将目标蛋白从细胞核中移除,不会影响该蛋白在早期阶段的功能,从而能够更准确地解释实验结果。锚定远离系统利用了核糖体亚基在核内成熟过程中于细胞核与细胞质之间穿梭的特性8。为了将目标蛋白从细胞核中耗竭,需在目标蛋白上标记FKBP12-雷帕霉素结合结构域(FRB),并在一个Rpl13A核糖体亚基被标记为FKBP12的菌株中进行实验。在无雷帕霉素存在时,FRB与FKBP12不发生相互作用,因此FRB标记的蛋白保留在细胞核内。加入雷帕霉素后,雷帕霉素与FKBP12和FRB形成稳定复合物,并由于与Rpl13A的相互作用而被转运出细胞核(图1)。为防止添加雷帕霉素后导致细胞死亡,细胞携带tor1-1突变,即TOR1基因的突变形式。此外,这些细胞还含有fpr1Δ,即S. cerevisiae中FKBP12蛋白的无效等位基因,以防止内源性Fpr1蛋白与Rpl13A-FKBP12竞争结合FRB和雷帕霉素。锚定远离系统的背景突变tor1-1和fpr1Δ不会影响减数分裂的时间进程或染色体分离2。
为了展示该技术的实用性,我们在减数分裂的不同时间点耗竭了着丝粒蛋白 Ctf19。Ctf19 是着丝粒的一个组分,在有丝分裂中非必需,但在减数分裂中对染色体的正确分离至关重要9,10,11,12,13。在减数分裂过程中,着丝粒在前期 I 被去除,而 Ctf19 对于着丝粒的重新组装具有重要作用9,14。在本实验方案中,使用携带 NDT80-in 系统的细胞进行同步化,并在前期 I 释放前后以及减数分裂 I 染色体分离后,利用锚定去除技术将目标蛋白 Ctf19 从细胞核中耗竭(图 1)。该方案可被调整用于在减数分裂或有丝分裂的任意阶段耗竭其他目标蛋白。
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1. 准备必要的材料
2. 酵母细胞的孢子形成
3. 利用锚定远离技术从细胞核中去除目标蛋白
4. 时间序列荧光显微镜观察
5. 染色质分离分析
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为了监测染色质的分离,组蛋白Htb2被标记上mCherry。在减数第一次分裂前期,染色质呈现为单一的Htb2团块。同源染色体在第一次减数分裂中分离后,染色质表现为两个明显分开的团块(图3A)。姐妹染色单体分离后,染色质则呈现为四个团块。如果某些染色体未能与纺锤体微管正确连接,则在减数分裂I或减数分裂II后可观察到额外的团块。
上述方法用于研究动粒组分Ctf19在保证芽殖酵母减数分裂过程中染色体正确分离中的作用。通过使用NDT80-in系统(tor1-1; fpr1Δ; RPL13A-FKBP12; CTF19-FRB; GAL1-10启动NDT80; GAL4-ER),将表达FRB标签化Ctf19的“锚定去除”酵母菌株同步于第一次减数分裂前期。作为对照,使用了具有“锚定去除”菌株背景但不表达FRB标签蛋白的NDT80-in菌株(tor1-1; fpr1Δ; RPL13A-FKBP12; GAL1-10启动ND...
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本实验方案结合了NDT80-in系统以实现细胞同步化、锚定移除技术以耗竭细胞核内的蛋白质,以及荧光延时显微镜技术对减数分裂过程中的芽殖酵母细胞进行成像。NDT80-in系统是一种用于减数分裂细胞周期同步的方法,其原理是利用第一次减数分裂前期的阻滞与释放4,8。尽管单个细胞在后续各个减数分裂阶段所经历的时间略有差异,大多数细胞在整个减数分裂过程中仍能保持高度的同步性。
锚定远离技术是一种适用于有丝分裂和减数分裂研究的灵活工具。通过改变锚定远离的目标蛋白以及雷帕霉素的添加时间,该方法可被用于研究酿酒酵母减数分裂任意阶段的多种蛋白。用于研究酿酒酵母有丝分裂的条件性突变体的常用方法并不总是适用于减数分裂研究。例如,使用可抑制启动子通常需要改变碳源以调控目标蛋白的表达,而这可能会干扰减数分裂20。温度敏感型突变体则依赖温度变化来降低或消除目标蛋白的活性。许多此类条件性突变体无法用于减数分裂研究...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
感谢印第安纳大学光镜成像中心。本研究得到了美国国立卫生研究院(GM105755)资助项目的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| β-雌二醇 | Millipore Sigma | E8875 | 用95%乙醇配制1 mM储备液 |
| 0.22 µm 螺纹式瓶顶滤器 | Millipore Sigma | S2GPT02RE | |
| 100% 乙醇 | 菲舍尔科技(Fisher Scientific) | 22-032-601 | |
| 10× PBS | 菲舍尔科技(Fisher Scientific) | BP399500 | 使用时按1:10稀释,作为ConA的溶剂 |
| 24 mm × 50 mm 盖玻片,No. 1.5 | VWR北美公司(VWR North American) | 48393241 | |
| 25 mm × 75 mm 显微镜载玻片 | VWR北美公司(VWR North American) | 48300-026 | |
| 腺嘌呤半硫酸盐 | Millipore Sigma | A9126 | 用于补充SC、SCA和1% Kac培养基 |
| 细菌琼脂(Bacto Agar) | BD | 214030 | |
| 刀豆蛋白A(Concanavalin A) | Millipore Sigma | C2010 | 用1× PBS配制成1 mg/mL溶液 |
| CoolSNAP HQ2 CCD相机 | Photometrics | 在第4.3节中使用 | |
| D-葡萄糖 | 菲舍尔科技(Fisher Scientific) | D16-10 | |
| 不含氨基酸的Difco酵母氮源基础培养基 | BD | 291920 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Millipore Sigma | D5879 | |
| Eclipse Ti2倒置显微镜 | 尼康(Nikon) | 在第4.4节中使用 | |
| Fiji | 美国国立卫生研究院(NIH) | 从 https://fiji.sc/ 下载 | |
| GE Personal DeltaVision显微镜 | Applied Precision | 在第4.3节中使用 | |
| L-色氨酸 | Millipore Sigma | T0254 | 用于补充SC、SCA和1% Kac培养基 |
| 模型黏土 | Crayola | 2302880000 | 用于固定载玻片上的盖玻片 |
| NIS-Elements AR 5.30.04成像软件 | 尼康(Nikon) | 在第4.4节中使用 | |
| ORCA-Fusion BT相机 | 滨松光子学(Hamamatsu) | C15440-20UP | 在第4.4节中使用 |
| 塑料移液器吸头架 | Dot Scientific | LTS1000-HR | 截取该产品支架部分的一个4格×4格的区域。 |
| 乙酸钾 | 菲舍尔科技(Fisher Scientific) | BP264 | |
| 雷帕霉素 | 菲舍尔科技(Fisher Scientific) | BP29631 | 用DMSO配制1 mg/mL储备液 |
| 硅酮密封胶 | Aqueon | 100165001 | 也称为水族箱胶。 |
| SoftWorx 7.0.0 成像软件 | Applied Precision | 在第4.3节中使用 | |
| 合成完全培养基混合物(Kaiser) | Formedium | DSCK2500 | |
| Type N浸油 | 尼康(Nikon) | MXA22166 |
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