本文介绍了一种将活体成像与自动化分析工具相结合的实验方案,用于分析果蝇(Drosophila)卵母细胞中的微管动态。该工作流程能够高效且可重复地测量微管的行为,包括生长、取向、速度和空间组织,并可在优化后适用于其他细胞类型。
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍了一种将活体成像与自动化分析工具相结合的实验方案,用于分析果蝇(Drosophila)卵母细胞中的微管动态。该工作流程能够高效且可重复地测量微管的行为,包括生长、取向、速度和空间组织,并可在优化后适用于其他细胞类型。
微管(MT)细胞骨架对于多种细胞功能至关重要,包括细胞形态、极性、迁移和分裂。在分裂的动物细胞中,中心体作为主要的微管组织中心(MTOC),而许多分化细胞(包括Drosophila卵母细胞)则依赖无中心体途径来组装微管网络。与增殖细胞中微管组织的广泛研究相比,目前对无中心体条件下微管网络如何组装仍知之甚少。Drosophila卵母细胞为研究无中心体微管的组织与动态提供了有力的模型。然而,其致密的微管网络给传统成像带来了挑战。活体成像可实现实时观察微管的生长与取向,但目前仍缺乏标准化的分析方法。本文介绍了一种基于活体成像的实验方案,利用末端结合蛋白1(EB1)-绿色荧光蛋白(GFP)——一种可标记活跃微管聚合位点的正端追踪蛋白——来分析Drosophila卵母细胞中的微管生长动态。高分辨率Airyscan共聚焦显微镜可用于检测EB1彗星状信号,结合定制的Fiji宏和Python脚本,可高效、可重复地量化彗星密度、速度、长度和取向。我们通过将对照组卵母细胞与经低温诱导微管去聚合的样本进行比较,并以Patronin突变体(人类中的CAMSAP)作为阳性对照——该蛋白是一种保守的微管负端稳定因子,也是非中心体微管组织中心(ncMTOC)的核心组分——验证了该方法的有效性。我们的分析揭示了区域特异性的微管动态特征,包括EB1彗星在前部区域的富集以及特征性的取向偏倚,并证实该工作流程能够灵敏地检测微管生长中的细微扰动。该方法为研究卵母细胞中微管行为提供了可靠且易于使用的框架。该分步操作方案可用于在此背景下探究微管调控因子,并在适当优化后可能适用于其他分化细胞类型(如神经元和上皮细胞)。更广泛而言,该方法支持开展机制性研究及遗传筛选,以探究不同微管结构如何支撑特定的细胞功能。
微管(MT)细胞骨架是真核细胞的基本组成部分,在建立和维持细胞形态、极性和分裂过程中发挥着关键作用。微管聚合物的动态行为以生长和缩短为特征,对许多基于微管的过程至关重要1,2。不同类型微管阵列的组装依赖于微管组织中心(MTOCs)的协同作用,微管由此被成核,以及多种微管调控蛋白的活性,这些蛋白控制微管的稳定性、取向和动态性1,2,3。研究最为深入的MTOC是中心体,它可形成辐射状微管阵列,对间期细胞形态和极性的调控以及有丝分裂期纺锤体的组装具有重要意义4,5。然而,在退出有丝分裂或发生分化时(如神经元和上皮细胞),中心体MTOC活性通常会减弱,而在某些极端情况下(如卵母细胞),该活性甚至可能完全消失6,7。这种情况常伴随着细胞类型特异性的微管细胞骨架重塑,MTOC功能被分配到其他细胞位点2,3,8,通常称为非中心体微管组织中心(ncMTOCs)。尽管在阐明有丝分裂细胞中微管组织方面已取得显著进展,但关于动物细胞在退出有丝分裂或进行分化过程中微管如何被成核、稳定及空间排布,目前所知仍相对有限2。值得注意的是,在生物体内,大多数细胞处于非分裂状态,即已退出细胞周期和/或完成分化。因此,理解在这些情况下微管细胞骨架如何组装和调控至关重要。这一知识对于揭示不同微管结构如何建立以支持特定细胞功能具有重要意义。
Drosophila melanogaster 卵母细胞为研究无中心粒的微管(MT)组织与功能提供了一个强有力的体系。在卵子发生中期,中心粒的活性被削弱9,微管由定位于卵母细胞前侧皮层的非中心体微管组织中心(ncMTOCs)生成(图1B)。该微管网络对于母源mRNA、蛋白质和细胞器的定位至关重要,而这些定位过程又对将来胚胎轴线的建立和发育具有关键作用10,11。先前的研究表明,卵母细胞的ncMTOCs由微管负端结合蛋白Patronin组成,该蛋白与定位于皮层肌动蛋白细胞骨架的spectraplakin家族蛋白Shot形成复合物。有研究提出,微管可能从由Katanin等剪切酶产生的短微管片段上生长,这些片段可作为进一步微管聚合的“种子”12。类似机制也在其他中心粒活性降低的分化细胞(如神经元)中被提出13。然而,剪切过程如何生成复杂的微管网络(如卵母细胞中的网络)仍不清楚。目前尚不明确在这些情况下,微管主要是通过基于剪切的重排形成,还是通过剪切与从头微管成核共同作用形成。Drosophila 卵母细胞微管网络的复杂性使其成为研究非经典中心体背景下微管生成与组织机制的理想系统。值得注意的是,这也给成像与分析带来了挑战:卵母细胞内密集的微管网络使得利用传统的免疫染色或静态成像方法难以分辨单个微管2,14。
活体成像极大地提升了研究微管(MT)网络的能力,因为它能够实时可视化微管聚合事件,从而为微管生长的动态行为和方向性提供关键见解。 先前的研究已成功利用对微管正端标记物的活体成像来分析卵母细胞中的微管生长动态14,15,16。然而,在许多情况下,用于量化微管动态的图像分析流程仅被简要描述,依赖于自定义或实验室特有的实现方式,或未公开提供,从而限制了其可重复性和广泛应用。我们的方法在这些已有研究的基础上,提供了一套完全文档化、开放获取且用户友好的分析流程,能够对不同数据集和实验条件下微管生长参数进行标准化量化。在本实验方案中,微管动态的成像发生在卵子发生中期,此时微管细胞骨架由无中心粒的微管网络组织。通过EB1-GFP(一种微管正端追踪蛋白)17,18来可视化生长中的微管,并采用配备阵列探测器的激光扫描共聚焦显微镜以高速模式进行图像采集。本方法的创新之处在于其图像分析部分:一套完全文档化、操作简便、分步指导的分析流程,用户仅需选择感兴趣区域即可。图像处理与量化通过定制的Fiji宏和Python脚本实现,可高效、可重复地检测EB1彗星轨迹,并提取包括生长方向、速度和空间分布在内的各项参数。该框架为在不同实验条件下比较微管动态提供了标准化且易于使用的工具。
在本文中,我们应用该方法比较对照卵母细胞与经低温处理去聚合的卵母细胞中微管的生长情况。这既可用于验证该实验方案,也可为未来研究候选蛋白在微管调控中的作用提供支持。
1. 果蝇遗传学
注意:为了在卵母细胞中可视化微管(MTs),本方案使用了一种公开可用的转基因品系(材料表),该品系表达与绿色荧光蛋白(GFP, Green Fluorescent Protein)标签融合的微管正端追踪蛋白 EB119。EB1-GFP 特异性结合正在生长的微管正端,在显微图像中呈现为沿聚合方向移动的荧光“"彗星"”状信号17,18。这使得能够对微管的生长动态进行可视化和定量分析,包括生长方向、速度以及在卵母细胞内的空间分布14,20。
2. 卵巢解剖
3. 活体成像
4. 图像处理
执行以下工作流程,以生成图表和统计数据,量化与微管(MT)动力学相关的各种参数。可通过宏/脚本自动执行每一步骤,或按照协议手动操作(图2)。本工作流程中使用的所有Fiji宏、追踪脚本和Python分析代码均作为补充代码文件1–7提供。
5. 统计分析:
注意:由于追踪数据不符合高斯分布,所有比较均采用非参数统计检验。
本方案已成功用于分析卵子发生中期黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)卵母细胞中微管(MT)的生长动态和极性,实验中使用了EB1-GFP这一标记活跃微管聚合位点的正端追踪蛋白17,18。通过激光扫描共聚焦显微镜成像时,EB1-GFP表现为明亮、点状的“彗星”结构,其移动方向与微管生长方向一致17,18(图3A;补充视频1)。对这些彗星结构进行追踪和定量分析,可精确评估卵母细胞内微管的成核、延伸及组织方式。利用本工作流程,我们在对照组卵母细胞以及微管网络受到实验性干扰的卵母细胞中评估了微管动态。具体而言,EB1彗星行为在三种条件下进行了比较:未经处理的对照组卵母细胞、经低温处理的对照组卵母细胞,以及经低温处理的杂合patronin突变型卵母细胞12,26。低温处理可诱导微管去聚合,从而便于评估恢复过程中的微管重新聚合情况。杂合patronin突变型(+/patr05252)卵母细胞被用作微管动态受损的阳性对照。Patronin是一种保守的微管负端稳定蛋白27,也是卵母细胞12及其他组织2中非中心体微管组织中心(ncMTOC)的核心组分。先前研究表明,在经历微管去聚合后,patronin突变体会在微管重新聚合阶段出现EB1彗星数量显著减少的现象12。因此,引入杂合patronin突变体可将本方法与已知的微管再聚合缺陷背景进行比对验证。实验选取第7–8期卵母细胞进行成像,此时中心粒已退化,微管通过无中心粒途径生成。
与先前的观察结果一致,卵母细胞的前部区域检测到最高密度的EB1彗星结构,向后部区域逐渐减少14,15 (图5B;表1;补充表1和2)。为了区分真实的微管聚合事件与静止信号或离焦平面信号,本方案通过区分检测到的EB1-GFP荧光斑点总数与其中可动斑点的子集来进行判别。不可动组分可能代表静止的彗星状结构,或主要在轴向平面内运动的彗星状结构。图5A,B)。微管轨迹长度和生长速度的分析仅针对可移动的 EB1-GFP 斑点进行,以避免纳入静止信号或轴向移动,这些因素可能干扰轨迹长度和速度的估算。总 EB1-GFP 斑点数与可移动组分在不同的图中分别呈现,以便对整体检测结果与动态行为进行直接比较(图 5A,B在对照组卵母细胞中,该方案测得 EB1 运动彗星为 0.189 ± 0.02 SEM/µm2 (18.9 个EB1彗星/100 µm)2在前部区域,EB1运动性彗星数量分别为0.064 ± 0.02 SEM和0.043 ± 0.01 SEM /µm2 分别在中段和后段区域(6.4 和 4.3 条 EB1 彗星/100 µm)2) (图5B;表1;补充表1和表2。 先前的一项研究28 在相同发育阶段检测到每100µm有48.54个EB1彗星2,这高于本研究中检测到的运动性 EB1-GFP 斑点的数值。然而,若考虑检测到的 EB1-GFP 斑点总数,则测量值具有一致性图5A;表1;补充表1和2)。该研究的材料与方法部分未明确说明用于卵母细胞成像的z轴层扫数量,因此分析中可能包含了多个z轴层扫图像,这可能导致检测到的EB1-GFP彗星数量偏高。另一个可能影响报告数值的因素是用于彗星定量的卵母细胞区域选择。如果所选感兴趣区域更靠近EB1彗星密度最高的最前端极区,则可能导致平均彗星密度高于本研究中的测量值。尽管如此,本研究所获得的结果与先前报道的数值处于同一数量级,并且一致反映出EB1彗星密度向后端区域递减的趋势。14,15.
冷诱导微管再生后,对照组卵母细胞的EB1彗星数量与未处理对照组相当,表明微管恢复良好。相比之下,与先前报道一致12,patronin突变体在前部区域(ROI1)的运动性EB1彗星数量相较于两个对照组均显著减少(图5B;表1;补充表1和表2)。尽管在中部和后部区域(ROI 2和ROI 3)的彗星数量也呈下降趋势,但这些差异无统计学意义(图5B)。此处观察到的减少程度较基于诺考达唑的实验中所报道的更为轻微12。这可能反映了本研究使用的是杂合型patronin突变体,仅有一个等位基因发生突变。此外,冷诱导去聚合方案可能未能完全解聚所有微管,且从冰上取出至成像之间的5–15分钟间隔很可能允许部分微管在数据采集前重新成核并再生长。相比之下,基于诺考达唑的实验是在秋水仙胺失活后立即通过显微镜紫外激光进行的12。尽管如此,这些结果表明,本方案能够检测到具有生物学意义的、区域特异性的微管组织改变。结果也与非中心体微管组织中心(ncMTOC)及其核心组分Patronin在卵母细胞前部富集的现象相一致。中部和后部区域彗星数量减少程度较弱,也可能反映了在这些发育阶段ncMTOC和Patronin被排除在后皮层之外12。
对照卵母细胞中EB1轨迹长度的分析显示,卵母细胞前部区域的彗星状轨迹较长(0.613 µm ± 0.04 SEM),而中部和后部区域的彗星状轨迹较短(分别为0.463 µm ± 0.04 SEM和0.488 µm ± 0.05 SEM)(图5C;表1;补充表1和表2)。该结果与先前的研究数据一致,表明微管(MTs)在后极的持续时间短于前极,提示后极的微管较短14。在经低温处理的杂合patronin突变体卵母细胞中,前部和后部区域的EB1彗星长度相较于低温处理的对照组显著缩短。在中部区域也观察到类似的非统计学显著趋势(图5C;表1;补充表1和表2),提示微管稳定性部分降低。综上所述,这些结果支持Patronin作为微管负端稳定因子的已知功能,并与先前在Drosophila培养细胞中的观察结果一致,即Patronin缺失会导致微管纺锤体变短12,27。这些发现还凸显了本实验方案在检测微管动态中细微但具有生物学意义的扰动方面的敏感性。
在测量对照组卵母细胞中EB1彗星的运动速度时,分析结果显示,前部、中部和后部区域的平均速度分别为0.208 ± 0.01 µm/sec、0.207 ± 0.01 µm/sec和0.202 ± 0.01 µm/sec(图5D;表1;补充表1和表2),该结果与先前的研究一致14,15。对照组卵母细胞中微管生长速度从前部到后部呈现轻微下降趋势。这可能反映了非中心体微管组织中心(ncMTOCs)以及可能存在的其他尚未明确的微管相关蛋白(MAPs)在前外侧区域的富集,这些因子促进微管的生长和延伸,从而导致后部区域观察到的速度降低。在低温处理的卵母细胞中,patronin杂合突变体相较于对照组表现出微管生长速度轻微降低的趋势,但该差异未达到统计学显著性(图5D;表1;补充表1和表2)。该发现与先前在表达patronin突变体的黑腹果蝇神经干细胞中的观察结果一致29。
ncMTOC 定位于卵母细胞的前外侧区域,同时被排除在后部区域之外,导致大多数微管(MT)的负端锚定于前外侧皮层并由此生长。因此,在卵母细胞内形成了从前到后的微管梯度,并表现出适度的方向偏向:60% 的微管向后部生长,40% 向前部生长14。我们的实验方案成功检测到对照组卵母细胞在各个区域均存在这种方向偏向(图5E)。与先前报道一致14,微管方向偏向在后部区域更为显著。值得注意的是,在对照组及杂合型 patronin 突变体卵母细胞经冷处理后,后部区域的方向偏向富集现象消失(图5E、F)。在冷处理的对照组卵母细胞中,所有区域的微管生长方向均转向以朝向前部为主。该趋势在前部和中部区域表现为非显著性变化,而在后部区域达到统计学显著性(图5F)。对于后部方向偏向的丧失,一种可能的解释是:在冷处理条件下,新聚合的微管可能需要更长时间才能与微管相关蛋白(MAPs),如马达蛋白等结合,从而促进微管的稳定化和/或交联。这些因子招募的延迟可能阻碍了朝向后部微管的强化。综上所述,本实验方案可实现对卵母细胞内微管生长、长度、速度和方向的敏感且定量的分析。该方法能够可靠地检测与先前研究一致的、具有生物学意义的区域特异性微管动态变化,并展现出分辨微管行为细微差异的敏感性,这一点在杂合型 patronin 突变体中的观察结果中得到了印证。

图1: 果蝇 黑腹果蝇卵子发生 (A卵子发生过程概述 黑腹果蝇 卵巢 每个卵巢包含12–16条卵巢管,其功能类似于卵子生产线。卵子发生始于生殖囊,其中2–3个生殖系干细胞进行不对称分裂,产生一个干细胞和一个开始分化的子细胞。这些细胞经历4次有丝分裂,形成由环状通道连接的16细胞囊。在这16个细胞中,其中一个将发育为卵细胞,其余则作为滋养细胞,支持卵细胞的生长与发育,直至在卵巢后端形成14期卵细胞。 (B9期示意图 果蝇 卵室。微管由定位于卵母细胞前侧皮层的核周微管组织中心(ncMTOCs)生成,这些中心被排除在卵母细胞后侧区域之外。12. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:实验方案工作流程图。从卵巢解剖和活体成像到彗星轨迹追踪及定量分析的主要步骤概览。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:通过7–8期卵母细胞处理获得的代表性图像。 (A-E代表性图像,展示应用于对照组、对照组冷处理及杂合子7–8期卵母细胞的步骤1图像处理流程 patronin05252 经低温处理的卵母细胞。图中通道显示的是从每帧0.5秒、共150帧的时间序列录像中选取的2帧所生成的最大投影的代表性图像。 (A通道1,对应于从相应成像的卵母细胞生成去噪图像。B通道2,对应生成高斯差分图像。C通道3,用于生成EB1-GFP彗星信号增强的图像,以显示彗星的尖端。D通道2和通道3的合并,有助于可视化通道2处理后生成的彗星尖端。E使用FIJI中的Temporal Color Code插件对延时成像C生成EB1-GFP彗星轨迹,以展示微管动力学。颜色编码表示20帧的时间投影(帧间间隔0.50秒)。比例尺=10 µm。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 4:STEP 4 中 Jupyter Notebook 某一部分的截图。 该 Notebook 由 Markdown 单元格构成,提供自解释的操作说明,后接输出实时结果和日志的代码单元格。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:对照组与低温处理的 7–8 期卵母细胞中 EB1-GFP 彗星动态的分析。 数据表示每个 ROI(ROI1–ROI3)的平均值 ± 标准误(SEM),包括对照组、对照组低温处理以及 patronin05252 突变型低温处理的卵母细胞。EB1-GFP 彗星数据来自在 FIJI 中处理的时间序列图像;除非另有说明,所有分析均基于通道 3 处理后的图像进行。总 EB1-GFP 彗星数量的分析来自通道 2 图像(DoG 图像)。统计学显著性采用 Kruskal–Wallis 检验后接 Mann–Whitney 事后比较,或根据情况使用 Friedman 检验后接 Wilcoxon 配对样本检验(p < 0.05;p < 0.001;p < 0.0001)。(A) 散点图显示总 EB1-GFP 彗星数量的平均值。( B) 散点图显示可动 EB1-GFP 彗星数量的平均值。( C) 散点图显示 EB1-GFP 彗星轨迹长度的平均值。( D) 散点图显示 EB1-GFP 彗星速度的平均值。( E) 玫瑰图显示对照组(n = 14)、对照组低温处理(n = 12)和 patronin05252 突变型低温处理(n = 11)卵母细胞中 ROI1–ROI3 内 EB1-GFP 轨迹的方向分布。每种条件下各 ROI 中朝向卵母细胞前极(A)或后极(P)的轨迹平均百分比已标出。( F) 柱状图显示 EB1-GFP 彗星轨迹角度朝向卵母细胞前极和后极的平均百分比。百分比按每个卵母细胞计算,代表各 ROI 内彗星方向的相对分布。请点击此处查看该图的放大版本。
| 指标 | ROI | 对照组 (n=14) | 冷处理对照组 (n=12) | patronin05252 冷处理组 (n=11) |
| EB1-GFP 星状体总数 (#/µm²) | ROI 1 (前部) | 0.667 ± 0.18 | 0.691 ± 0.20 | 0.570 ± 0.17 |
| ROI 2 (中部) | 0.394 ± 0.11 | 0.532 ± 0.15 | 0.400 ± 0.12 | |
| ROI 3 (后部) | 0.353 ± 0.09 | 0.561 ± 0.16 | 0.378 ± 0.11 | |
| 运动性 EB1-GFP 星状体数量 (#/µm²) | ROI 1 (前部) | 0.189 ± 0.02 | 0.175 ± 0.03 | 0.099 ± 0.03 |
| ROI 2 (中部) | 0.064 ± 0.02 | 0.091 ± 0.02 | 0.056 ± 0.02 | |
| ROI 3 (后部) | 0.043 ± 0.01 | 0.104 ± 0.03 | 0.047 ± 0.02 | |
| EB1-GFP 星状体轨迹长度 (µm) | ROI 1 (前部) | 0.613 ± 0.04 | 0.621 ± 0.03 | 0.478 ± 0.07 |
| ROI 2 (中部) | 0.463 ± 0.04 | 0.535 ± 0.03 | 0.410 ± 0.05 | |
| ROI 3 (后部) | 0.488 ± 0.05 | 0.543 ± 0.04 | 0.393 ± 0.05 | |
| EB1-GFP 星状体运动速度 (µm/sec) | ROI 1 (前部) | 0.208 ± 0.01 | 0.198 ± 0.01 | 0.188 ± 0.01 |
| ROI 2 (中部) | 0.207 ± 0.01 | 0.199 ± 0.01 | 0.186 ± 0.01 | |
| ROI 3 (后部) | 0.202 ± 0.01 | 0.194 ± 0.01 | 0.177 ± 0.01 |
表1. 分析的卵母细胞中前后区域EB1-GFP彗星轨迹测量结果汇总。测量数据来自对照组、对照组冷处理以及杂合patronin05252冷处理的卵母细胞。感兴趣区域定义为ROI1(前部)、ROI2(中部)和ROI3(后部)。
补充表1. 不同实验条件下EB1-GFP彗星轨迹测量值的统计分析。 P值表示对照组、对照组冷处理以及杂合patronin05252冷处理卵母细胞在各ROI区域(ROI1-ROI3)之间的差异。三组条件间的总体比较采用Kruskal-Wallis检验,随后进行成对Mann-Whitney事后比较。请点击此处下载该文件
补充表 2. 每种实验条件下各 ROI 内 EB1-GFP 斑点测量值的统计学比较。 P 值表示对照组、对照组冷处理以及杂合 patronin05252 冷处理卵母细胞中 ROI1(前部)、ROI2(中部)和 ROI3(后部)之间的差异。每种条件下 ROI 间的总体差异采用 Friedman 检验进行评估。随后使用 Wilcoxon 匹配对符号秩检验进行 ROI 间的两两比较。请点击此处下载该文件
补充视频 1。 对照组 7–8 期卵母细胞中末端追踪蛋白 EB1-GFP 的延时成像,展示了一个适用于后续微管追踪分析的代表性图像采集结果(参见图 3)。请点击此处下载该文件
补充代码文件 1:File_1_Step1_MTs_macro.ijm。一个用于图像预处理的 Fiji/ImageJ 宏。该宏可自动完成光漂白校正、卡尔曼滤波以及使用高斯差分(DoG)滤波器进行背景扣除。此外,它还应用时间梯度增强(重新切片和一维卷积)以锐化微管尖端的前沿,从而提高追踪的准确性。请点击此处下载该文件
补充代码文件 2: File_2_Step2_MTs_macro.ijm。一个用于半自动定义感兴趣区域(ROI)的 Fiji/ImageJ 宏。该宏会提示用户定义卵母细胞边界,并自动将选定区域分割为等距的区域(在本示例中为 3 个区域:前部、中部和后部),以实现分析的区域分层。请点击此处下载该文件
补充代码文件 3:File_3_Step3_MTs_macro_tracking.py。一个在 Fiji/ImageJ 中运行的 Python 脚本,用于使用 TrackMate 对 EB1 星号进行自动追踪。该脚本可批量处理预处理后的图像,利用设定的质量参数检测星号,将其连接成轨迹,并将原始坐标数据导出为 CSV 文件。请点击此处下载该文件
补充代码文件 4:File_4_Step4_MTs_results.ipynb。这是一个 Jupyter Notebook 文件,作为定量分析的主要操作界面。它加载原始追踪数据,执行分析流程,并生成所有最终结果,包括玫瑰图、统计汇总表格,以及彗星密度、速度和寿命的比较图表。请点击此处下载该文件
补充代码文件 5:File_5_MTModule1.py。一个自定义的 Python 模块,包含用于数据提取和基本几何计算的基础实用函数。该模块包括查找 ROI 文件、计算瞬时速度以及计算基本角位移的函数。请点击此处下载该文件
补充代码文件 6:File_6_MTModule2.py。一个自定义的 Python 模块,包含高级分析和可视化功能。该模块包含取向分析流程(按基本方向与轴向分组)的算法、稳健的统计检验方法(采用 Pratt 方法的 Friedman/Wilcoxon 检验),以及生成适合发表的极坐标(玫瑰)图的功能。请点击此处下载该文件
补充代码文件 7:File_7_KalmanStackFilterCompiled.jar。在预处理宏的降噪步骤中,需要使用一个为 Fiji/ImageJ 编译的 Java 卡尔曼滤波插件。该独立版本无需另行安装 Java 开发工具包(JDK),从而简化了用户的软件配置。请点击此处下载该文件
卵母细胞中微管(MT)动态的活体成像面临独特挑战,因为需要高质量的数据集和定量分析才能提取有意义的信息。尽管先前的研究已报道了活体成像方法14,15,16,但图像分析步骤通常高度定制化,且现有方案缺乏足够的细节以实现可重复性。因此,缺乏深入成像或计算经验的研究人员在重复这些分析时可能面临障碍。为应对这些挑战,本研究开发了一种简化的流程,将高分辨率Airyscan活体成像与用户友好、自动化的宏和脚本相结合。该流程可高效检测并追踪EB1彗星,进而对微管的方向性、运动速度和空间组织进行定量分析。通过最大限度减少人工干预,并提供清晰、逐步的操作说明,该工作流程提高了卵母细胞中微管动态分析的可及性和可重复性。
卵巢解剖与样品制备是至关重要的初始步骤。必须小心解剖卵母细胞,以避免机械损伤,且成像时间应限制在90分钟以内以维持细胞活性20。卵母细胞发育阶段的选择非常重要:在卵子发生中期之后,卵母细胞体积增大,并在细胞质中积累卵黄,这使得EB1信号的可视化在第9阶段之后变得愈发困难。因此,不建议对第9阶段之后的样品进行成像20。此外,为了获得可重复的定量结果,应尽可能选用大小相近的卵母细胞,以确保在不同样品之间,所定义的兴趣区域对应于等效的前后位置。
温度控制对于实验可重复性至关重要。果蝇品系应维持在标准培养条件(25 °C)下,以保证正常发育以及EB1-GFP表达的一致性,尤其是在使用对温度波动敏感的GAL4/UAS系统时。成像过程中的温度稳定性同样重要,因为温度变化可能影响微管动力学。尽管无需使用温控培养室,但仍建议在数据采集期间避免温度波动。
在图像采集过程中,选择阵列探测器共聚焦成像,因其具有高灵敏度和改善的信噪比,从而最大限度减少采集后去噪的需求。应使用高数值孔径物镜(尽可能高)并结合适当的折射率匹配,以最大化横向和轴向分辨率,这对于分辨密集网络中的单个彗星结构至关重要。此外,应遵循奈奎斯特-香农采样准则30,在XYZ空间和时间维度上进行采样,以避免彗星追踪过程中精度损失。同样重要的是沿z轴方向仔细选择成像平面:成像过深会因光散射导致荧光信号损失,而仅限于皮层表面的采集则无法捕捉EB1彗星的完整动态行为。最具信息量的数据通常来自中间z位置。应避免选择细胞核位于所选成像平面内的卵母细胞,因为核区会占据大量细胞质空间且缺乏EB1轨迹,从而减少可检测到的彗星数量。
尽管本分析流程已针对基于阵列探测器的共聚焦成像进行了优化,但其与硬件无关,也可兼容其他成像模式,例如转盘共聚焦显微镜。然而,用户应注意,数值孔径(NA)或信噪比(SNR)较低的系统可能需要调整宏程序的预处理参数(例如噪声容忍度/DoG sigma值),并可能导致彗星检测密度低于本研究中报告的数值。尽管如此,尽管不同系统间的绝对数值可能存在差异,但实验条件与感兴趣区域(ROI)之间的相对变化趋势预期仍具有良好的稳健性。
由于卵母细胞具有较大的三维结构,二维成像仅能捕获微管网络的一个光学切片。因此,沿z轴方向陡峭移动的彗星状结构可能很快移出焦平面,从而可能导致对轨迹寿命和绝对速度的低估(因为仅能测量速度矢量的xy分量)。然而,对整个卵母细胞进行高速三维体成像需要更小的视场(FOV)、更短的曝光时间以及更快的探测器响应时间,这会降低信噪比(SNR),并将采集时间分配到多个z层面上,从而损害追踪快速EB1彗星所需的高时间分辨率。为了消除静止不动的彗星信号及离焦伪影,应用了卷积滤波器和最小轨迹持续时间滤波器(排除少于<3帧的轨迹),以去除短暂穿过焦平面的斑点信号。此外,由于这种几何限制在所有实验条件下均一致存在,所观察到的彗星密度、速度和取向的相对差异仍然具有可靠性。尽管像光场显微镜这样的新兴技术理论上可同时捕获完整的三维结构,但目前尚未广泛普及。尽管如此,本研究测得的所有微管动力学参数值均与先前报道一致,表明该方案适用于在不同实验设置下研究微管动力学。
在使用本方案中的宏之前,建议先手动处理前几幅图像,以确保软件参数已正确优化。成像分辨率、放大倍数、信噪比、帧率以及数据是单平面图像还是z轴层扫图像等因素均会影响追踪的准确性。需在调整参数的同时目视检查生成的轨迹,通过迭代优化以尽量减少假阳性和假阴性结果。参数优化后,应在所有数据集中保持一致地应用,以确保实验的可重复性。
最后,需要注意一些与生物学解释相关的局限性。EB1-GFP 仅标记微管(MT)的生长正端,因此只能报告活跃微管聚合的位点,而不能反映整个微管群体的情况。在成像期间存在的稳定、非聚合状态的微管无法被该方法检测到。尽管在卵子发生中期的卵母细胞中这一局限性影响较小(因为此时大多数微管具有高度动态性),但在将该方案应用于其他含有大量稳定微管群体的细胞类型(如神经元)时,应充分考虑这一限制31。
综上所述,该工作流程可实现对果蝇(Drosophila)卵母细胞中微管(MT)动态的高分辨率、定量分析。通过整合优化的解剖技术、阵列探测器共聚焦活体成像以及自动化分析工具,该方法为在无中心体环境中研究微管调控因子提供了一种严谨且易于实施的技术路径。尽管该方法主要在卵母细胞中进行了验证,但其基本原理经过适当优化后可适用于其他细胞类型,包括神经元和上皮细胞等非分裂细胞,从而为微管组织的遗传筛选和机制研究提供一个可扩展的平台。
作者声明无利益冲突。
我们非常感谢法国雅克·莫诺研究所(Institute Jacques Monod)的Antoine Guichet慷慨提供了UASp-EB1-GFP果蝇品系。我们还感谢NOVA医学院显微镜平台的技术支持与协助,该平台由PPBI(POCI-01-0145-FEDER-022122)资助;同时感谢NOVA医学院果蝇平台的支持,该平台由CONGENTO(LISBOA-01-0145-FEDER-022170)资助。本研究工作获得了授予A.P.M.的经费支持(2024/158225/PEX)、研究单位UID/04462/2025:iNOVA4Health——转化医学项目,以及联合实验室LS4FUTURE(LA/P/0087/2020)的支持,上述项目均由科学技术基金会(Fundação Para a Ciência e Tecnologia, FCT)/教育部、科学与创新部提供资金支持。A.P.M.由FCT CEECInd计划下的研究员合同(CEECIND/02842/2020)支持,J.C.由FCT博士奖学金(2023/03665/BD)支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 杜蒙特 #5 镊子 | 精细科学工具公司 | 11252-20 | |
| EB1::GFP | 来自法国国家科学研究中心雅克·莫诺研究所 Antoine Guichet 博士 | 基因型:w; +/CyO; UASp-EB1::GFP/TM3 | |
| 玻璃底培养皿 | MatTek 公司 | P35G-1.0-14-C | |
| Matα4-Gal4-VP16 | 布卢明顿果蝇品系中心 | 7062 | 基因型:w[*]; P{w[+mC]=matalpha4-GAL-VP16}V2H |
| Voltalef 10S 油 | VWR 化学品公司 | 24627.188 | |
| Patronin 突变体 | 布卢明顿果蝇品系中心 | 16647 | 基因型:y[1] w[67c23]; P{y[+mDint2] w[+mC]=EPgy2}Patronin[EY05252]/CyO |
| w1118 | 布卢明顿果蝇品系中心 | 3605 | |
| 配备 Airyscan 2 的蔡司 LSM 980 显微镜 | 蔡司公司 |
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