2013年7月18日
我们提出了一个简单的协议来获得生长的酵母细胞的荧光显微镜的电影,和一个基于GUI的软件程序包,提取单细胞的时间序列数据。该分析包括自动沿袭和集成的跟踪数据的目视检查和手工curation分组表决的时间分配。
该程序的总体目标是获得生长的单个酵母细胞的荧光电影,并提取每个细胞的报告基因表达时间序列。这是通过首先在微流体室中培养单层细胞来实现的。第二步是对一个或多个报告基因进行延时荧光显微镜检查。
接下来,使用移植软件包处理电影,以跟踪和测量细胞随时间的变化。最后一步是分析细胞测量值和谱系分配,并导出每个整个细胞的报告基因表达时间序列。最终,从表达时间序列推断的瞬时转录速率用于显示细胞周期内转录的变化以及响应转录因子水平变化的变化。
这种方法可以帮助回答基因调控领域的关键问题,例如不同的启动子对活性转录因子的突然添加或减少的反应有多快。这种反应在细胞群中的差异有多大,不同的细胞特征(包括形态和细胞周期阶段)如何影响反应?此外,该方法可以探测活性转录因子的多次加减对基因表达的影响。
准备以营养丰富的稳定状态生长的酵母细胞,其密度适合加载到文本方案中的微流体装置中。然后,使用 onyx 灌注系统去除运输溶液后,用无菌水冲洗孔,从细胞 ASIC 制备 Y 零四 C 微流控培养板,将水以 6 PSI 流经 1 至 6 孔 5 分钟以冲洗通道,然后以 6 PSI 从装载井 8 流出 10 秒。从所有孔中去除水,并在入口孔中更换 250 μL SC 培养基,在 1 至 6 和 50 μL 细胞加载中更换制备的细胞培养物。
8 孔将 onyx 歧管密封到板上,并以 6 PSI 从 1 至 6 号入口孔流出,开始灌注通道和培养室,持续 2 分钟。然后,仅从入口孔流出,保持起始培养基至少 5 分钟。在 6 PSI 时,它持续流动,直到显微镜阶梯将板粘在载物台支架上,以防止其在整个实验过程中移动,以改善数据分析过程中的细胞跟踪,按照文本协议中的说明准备显微镜后,在物镜上滴几滴浸液并牢固地安装微流体装置。
在倒置显微镜的载物台中,使用嵌入的位置标记之一聚焦在第一培养室的最左侧三分之一处。在 5 秒内,以 6 PSI 关闭来自培养基入口井的液流和来自细胞加载井 8 的液流。移动载物台以在培养室中寻找细胞。
增加上样流速和压力,直到达到所需的细胞密度,但要避免新鲜培养基进入腔室时过载和堵塞最左侧的屏障。从含有 6 PSI 起始培养基的培养基入口孔开始流出。在 Metamorph 或其他显微镜自动化和控制软件中。
设置多维采集,以便随着时间的推移在多个载物台位置拍摄多张图像。设置时间点的数量和它们之间的间隔。然后选择几个具有大约 10 个单元格的载物台位置。每。
设置采集,以便在每个阶段位置和每个时间点,程序将使用 metamorphs 内置自动对焦方法聚焦在透射光明场图像上,在每个阶段开始时将自动对焦实现为自定义书面日志。位置可以更好地控制对焦精度。此外,将程序设置为在距焦平面正 1 微米处采集明场图像,并在距焦平面负 4 微米处采集明场失焦图像。
使用自定义书写日记根据需要更改图像之间的焦点。最后,设置程序。为焦平面上的每个荧光报告基因获取一张灰度图像。
使用针对快速采集进行了优化的设置,同时将照片漂白降至最低。在 onyx 控制软件中为实验准备流程。然后同时在 Metamorph 中启动采集程序,在 Onyx 控制软件中启动流程程序。
在 MATLAB 中运行格式化数据 M 文件以打开数据输入图形用户界面或 GUI。在顶部,指定或浏览到包含图像文件的文件夹以设置数据目录,然后使用 gooey 指定实验中记录的数据类型和图像文件。继续选择文本协议中所述的分段参数。
为明场图像的分割选择合适的参数可能很困难,并且会对生成的时间序列数据质量产生重大影响。我们专注于识别所有细胞区域,并优先考虑过度分割而不是低于分割区域。在视觉数据检查期间,分割区域可以合并在一起形成整个单元区域,但在分割区域下不能稍后分割。
设置不同的分割参数,并通过单击 test successfully 来测试分割质量。分段区域将为绿色,带有洋红色边框。当分段令人满意时,请务必使用滑块检查影片中的多个时间点。
选择 完成 将分段参数返回到格式数据 gui。按照文本中的说明选择颜色参数后,按下 auto threshold 按钮以自动确定阈值。使用 tzu 的方法,图像将突出显示保留的阈值以上区域。
可以使用编辑框手动调整阈值。使用滚动条确认阈值适用于所有时间点。如果满意,则按 done。
要将阈值返回到格式数据 gui,请按 add 和 segment.要创建颜色掩码,请按 Format data 读取图像文件,处理数据并在指定文件夹中创建一个点阵文件。此文件将用作流程时间序列 gui 的输入。
在 MATLAB 中运行过程时间序列 M 文件以打开跟踪 GUI。打开 GUI 后,首先设置腔室高度。这表示细胞被困在其中的腔室的高度。
它用作约束,将单元体积近似为基于单元区域的长轴和短轴的 3D 椭球体。然后设置每像素微米。这是用于校准图像中像素到微米距离的转换因子,以便横截面积和体积可以分别以平方微米和立方微米为单位进行校准。
接下来,使用滤镜面板设置最小和最大参数,以过滤掉蒙版中的垃圾区域。面积是区域面积(以像素为单位)。ECC 是偏心率因子,当值接近零时,它更循环。
SF 是形状因子,随着值接近,它更加循环,单击一下文件输入输出面板中的加载图像,然后选择通过格式数据 GUI 输出的感兴趣的点垫数据文件。区域蒙版将应用于每个颜色通道,并进行许多不同的测量。然后,在选择轨道单元参数后保存数据文件,如文本中所述。
单击跟踪单元格以使用区域 OID 从一帧跟踪到下一帧的区域,为新出现的芽分配谱系并保存数据,根据需要更改弹出窗口中的参数。通过最小化推定芽和潜在母亲之间的距离来自动分配谱系。在每一帧中。
单击所选单元格信息面板上方的按钮,并使用文本协议中描述的各种粘稠工具或快捷键来管理分割不良的区域和 ID 或世系分配中的错误,以正确管理数据。合并任何过度分割的区域,删除任何未捕获整个单元格的区域,并确保正确分配母芽关系。此外,通过合并区域来消除任何绿色 ID。
修复 ID、将区域分配给母亲、不分配母亲或删除区域。由于在最终分析期间,芽数据将被添加到母亲的数据中。不要将芽区域合并到其母芽区域。
目视检查每个帧的数据,直到最后关注的时间。整个时间序列不需要它。如果不使用后面的帧,请务必在检查所有荧光通道的目标数据以及它们随时间变化的方式准备好输出后保存更改。
推送时间序列分析以分析整个单元格随时间变化的时间序列。计算细胞周期信息并获取衍生物。将打开一个窗口,允许选择感兴趣的测量值和输入分析参数,输入在粘液中策划的最后一个时间点。
默认的平滑和细胞周期分配参数适用于以 5 分钟为间隔成像的单倍体和二倍体菌株,但可能需要更改这些参数以获得最佳结果。设置完所有参数后,选择分析以导出文本协议中所述的单细胞时间序列数据,成功执行和分析的实验将为单个全细胞产生大部分连续的时间序列,具有实际分配的,但表达由 DH 一启动子的成分驱动的 Ian 荧光蛋白或 CFP 的集成拷贝的光晕酵母菌株的出现和分裂时间。从时间序列分析中获得随时间变化的全细胞测量值。
明场图像以蓝色显示分割的母细胞,以绿色显示其芽。连续的整个细胞以红色勾勒出,体积和表达都显示出对细胞周期的依赖性。在这里,磨碎区域显示细胞何时处于 SG 2 M 中,并且芽芽芽从 G 1 开始,从 S 从白色过渡到灰色。
芽形成后,阴影和细胞分裂发生在 M 到 G 的一个从灰色到白色阴影的过渡期。总组合体积比以前增加得更快,但在蛋白质浓度或平均强度略有降低时出现。与单独的母区相比,联合整合蛋白在出芽后也会加速。
这些结果表明了将芽的贡献正确纳入整个细胞测量的重要性,并强调了正确芽形成和分裂时间分配的必要性。差分时间序列可用于计算瞬时相对 mRNA 水平和转录速率,两者在出芽产生稳定时间的能力后也会增加。测量时间序列的导数也有利于使用文本协议中描述的可切换表达系统的动力学研究。
时间序列分析显示转录因子何时定位于细胞核以及靶基因何时开始和停止。此处显示的转录是具有可切换 YFP 融合 PHO 4 Tet R 反式激活剂的细胞的四个指示采集通道的显微照片。反式激活因子响应于低磷酸盐而定位于 RFP 标记的细胞核,并驱动 7 X Tet O 启动子 CFP 报告基因的表达。
推断的转录速率随平均和单细胞水平的定位而变化。按照此程序,可以对单细胞多维时间序列数据进行其他分析,以回答其他问题,包括表达如何随时间变化?外在波动的影响是多代遗传的吗?
基因激活动力学在重新激活后会发生变化吗?细胞周期是否起作用以及许多其他问题需要单细胞的基因表达、生长和谱系轨迹。
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本协议概述了一种获取生长中的酵母细胞荧光显微镜视频并提取单细胞时间序列数据的方法。该方法结合了自动化谱系跟踪和手动整理,以确保准确的数据分析。
This method enables high-resolution, single-cell analysis of gene expression dynamics in a genetically tractable model system, supporting mechanistic de-risking in early target validation. By quantifying transcriptional responses with temporal precision, it improves predictive confidence in pathway modulation studies. The approach bridges discovery biology and assay development by providing reproducible, lineage-resolved readouts for compound or genetic perturbation screening.
The method fits within early discovery workflows, supporting hypothesis testing in target validation and enabling assay-ready readouts for screening cascades.