Wir beschreiben Methoden zur Visualisierung der entstehenden Transkription während der zygotischen Genomaktivierung in Einzelzellen während der frühen Embryogenese.
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Methodenartikel
Wir beschreiben Methoden zur Visualisierung der entstehenden Transkription während der zygotischen Genomaktivierung in Einzelzellen während der frühen Embryogenese.
Die frühe Embryogenese erfordert den mütterlichen zu zygotischen Übergang (MZT), der die zygotische Genomaktivierung (ZGA) notwendig macht. Während der ZGA werden Hunderte bis Tausende von Genen transkribiert, was für verschiedene Prozesse in der frühen Embryonalentwicklung unerlässlich ist, darunter die Aufrechterhaltung des embryonalen Überlebens, die Bestimmung des Zellschicksals und die Bildung der Keimschicht. Eine große Herausforderung bei der Untersuchung von ZGA bestand darin, ZGA direkt in einzelnen Zellen früher Embryonen zu visualisieren. Hier beschreiben wir eine Methode, um ZGA direkt in einzelnen Zellen früher Embryonen zu visualisieren, indem die metabolische Markierung entstehender Transkripte mit 5-Ethynyl-Uridin (5-EU) durchgeführt wird, gefolgt von der Konjugation der entstehenden EU-RNAs mit Fluorophoren mittels Klickchemie und deren Visualisierung in Ganzmontageembryonen mittels Konfokalmikroskopie, anhand von Xenopus laevis als Modell. Diese Methode ermöglichte es uns, Einzelzell-ZGA in Whole-Mount-Embryonen zu verfolgen und den heterogenen Beginn von ZGA in Raum und Zeit während der frühen Embryogenese aufzuzeigen. Es kann in anderen embryonalen Systemen oder Geweben verwendet werden, um Gentranskription und Genomregulation auf Einzelzellebene zu untersuchen.
Während der frühen Entwicklung durchläuft der Embryo den mütterlichen zu zygotischen Übergang (MZT), bei dem die Entwicklungskontrolle allmählich von den mütterlichen Faktoren auf die zygotischen Gene umgestellt wird. Das MZT erfordert die Aktivierung des zunächst ruhenden zygotischen Genoms, ein Prozess, der als zygotische Genomaktivierung (ZGA) bezeichnet wird; die während ZGA exprimierten Gene sind für die frühe Zellschicksalsspezifikation, Gastrulation und Achsenbildung 1,2 erforderlich. Wichtig ist, dass ZGA in allen Metazoen konserviert ist und der Zeitpunkt der ZGA streng kontrolliert ist, obwohl dies zwischen Arten 3,4 variiert. Eine Dysregulation von ZGA kann schwerwiegende Folgen haben, von Entwicklungsdefekten bis hin zu embryonalem Tod wie Fehlgeburten. Daher ist das Studium der Mechanismen von ZGA nicht nur wichtig, um die Grundlagen der Genregulation zu verstehen, sondern hat auch bedeutende klinische Implikationen.
Eine große Herausforderung bei der Untersuchung von ZGA bestand darin, das großflächige ZGA direkt in frühen Embryonen zu visualisieren und dessen Mechanismen auf Einzelzell-Ebene zu untersuchen. Wir haben diese Herausforderung überwunden, indem wir eine Methode entwickelten, die die metabolische Markierung entstehender Transkripte während ZGA mit 5-Ethynyl-Uridin (5-EU) verwendet, gefolgt von der Konjugation der entstehenden EU-RNAs zu Fluorophoren mittels Klickchemie und der Visualisierung in Ganzmontageembryonen mittels konfokaler Mikroskopie, wobei Xenopus laevis als Modell verwendet wird. Der große Xenopus-Embryo (~1,2 mm im Durchmesser) enthält einen Zellgrößengradienten, und das großräumige ZGA tritt etwa in den mittleren Blastula-Stadien auf (mit Beginn um Stadium 7 und Höhepunkt um Stadium 9), was es zu einem idealen Modell zur Untersuchung von Mustern von ZGA5 macht. Durch die Verwendung der 5-EU-Markierung in frühen Xenopus-Embryonen konnten wir die großflächige ZGA in einzelnen Zellen von Whole-Mount-Frühembryonen direkt visualisieren und quantifizieren, was uns dazu führte, ein neues raumzeitliches Muster von ZGA zu entdecken, das hauptsächlich durch Zellgröße 5,6 reguliert wird.
Hier beschreiben wir die Details dieses Ansatzes, der aus früheren Arbeiten mit Optimierungen 5,7 übernommen wurde, einschließlich der Fixierung von Embryonen nach der metabolischen Markierung entstehender Transkripte mit 5-EU, der Konjugation entstehender EU-RNAs mit einem Fluorophor mittels einer Klickreaktion8 sowie der Immunfärbung für subzelluläre Marker, gefolgt von der Freigabe der Embryonen für konfokale Bildgebung. Diese Methode kann auf andere embryonale Systeme angewandt werden, darunter Zebrafish 9,10, oder bei der Sequenzierung zur Profilierung des entstehenden Transkriptoms11, was seine allgemeine und breite Anwendung in verschiedenen Probentypen und Analysen unterstützt. Insgesamt bietet diese Methode ein neues, wichtiges Mittel zur Untersuchung der regulatorischen Mechanismen des Genoms in Einzelzellen.
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Die hier beschriebenen Tierarbeiten wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der University of South Carolina genehmigt.
1. Vorbereitung vor Beginn des Protokolls
HINWEIS: Bereiten Sie vor Beginn des Protokolls die folgenden Lösungen mit RNase-freiem Wasser vor.
2. Korrektur der 5-EU-mikroinjizierten Embryonen
3. Konjugation entstehender RNAs mit einem Fluorophor mittels Klickreaktion
4. Immunfärbung von Embryonen mit subzellulären Markern (optional)
5. Embryonen vor der konfokalen Bildgebung beseitigen
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Xenopus laevis-Embryonen im 1-Zell-Stadium wurden mit 5-EU mikroinjiziert, und Embryonen im Stadium 9 wurden fixiert, wenn großflächige ZGA im gesamten Embryo stattfand. Die Embryonen wurden nach dem oben beschriebenen Protokoll verarbeitet. Entjungierende RNAs in Embryonen wurden mit TAMRA-azid per Klickreaktion markiert, Histon H3 mit Antihiston H3-Antikörper und DNA mit TO-PRO-3. Die Embryonen wurden unter dem konfokalen Mikroskop mit dem 10×-Objektiv fotografiert. Wie in
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ZGA stellt einen der kritischsten Übergänge in den frühesten Stadien der Embryonalentwicklungdar 2,3. Hier haben wir detaillierte Verfahren zur Vorbereitung von Proben beschrieben, um ZGA direkt in Whole-Mount-Frühen Xenopus-Embryonen zu visualisieren, einschließlich der Fixierung von 5-EU-mikroinjizierten Embryonen, der Konjugation entstehender RNAs mit einem Fluorophor mittels Klickreaktion, der Immunfärbung subzellulä...
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Der Autor erklärt keine konkurrierenden Interessen.
Wir danken dem Matthew Good Labor an der University of Pennsylvania für die Ausbildung. Diese Arbeit wurde teilweise vom Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (R03HD105802) unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 16 % Paraformaldehyd (PFA) | EMS | 15710-S | Zur Herstellung der fixativen Lösung |
| 20& Mal; SSC | Mediatech | MT46-020-CM | Zur Herstellung der Bleichlösung |
| 3D-Nutationsmixer | VWR | 76595-802 | Für nutierende Embryonen |
| 9 mm Schraubgewinde-Phiolen (2 ml) | VWR | 46610-722 | Zur Verarbeitung von Embryonen |
| Antihiston-H3-Antikörper | Abcam | ab 1791 | Zur Immunfärbung |
| Ascorbinsäure | Sigma-Aldrich | A7506 | Um die Klickreaktion zu erzeugen |
| Benzylalkohol | Sigma-Aldrich | 305197 | Zum Entfernen von Embryonen |
| Benzylbenzoat | ACROS Organics | 105860010 | Zum Entfernen von Embryonen |
| Rinderserumalbumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A3059 | Zur Herstellung der Blocklösung |
| Kappen für 9-mm-Schraubgewinde-Fläschchen (2 ml) | VWR | 46610-712 | Zur Verarbeitung von Embryonen |
| Deckglas (24 mm & mal; 40 mm) | VWR | 48393-060 | Zur Herstellung von Bildkammern |
| CuSO4 | Sigma-Aldrich | 61230 | Um die Klickreaktion zu erzeugen |
| Ethylenebis (Oxyethylennitrilo)Tetraessigsäure (EGTA) | Thermo Fisher Scientific | AC409915000 | Zur Herstellung der fixativen Lösung |
| Fiji ImageJ | NIH | Für Bildverarbeitung | |
| Formamid | Thermo Fisher Scientific | AC181090010 | Zur Herstellung der Bleichlösung |
| Glas-Pasteur-Pipetten | VWR | 14673-010 | Für den Transfer von BABB |
| Ziegen-Kaninchen-Antikörper Alex Fluor 488 Sekundärantikörper | Thermo Fisher Scientific | A27034 | Zur Immunfärbung |
| Ziegenserum | Abcam | ab7481 | Zur Herstellung der Blocklösung |
| Wasserstoffperoxid | Sigma-Aldrich | H1009 | Zur Herstellung der Bleichlösung |
| Magnesiumsulfat (MgSO4) | Thermo Fisher Scientific | M65-500 | Zur Herstellung der fixativen Lösung |
| Methanol | Thermo Fisher Scientific | A4524 | Für die Trocknung von Embryonen |
| Methanol, wasserfrei | Sigma-Aldrich | 322415 | Für die Trocknung von Embryonen |
| MOPS | Thermo Fisher Scientific | AC172631000 | Zur Herstellung der fixativen Lösung |
| Multi-Mode-Nutationsmischer | VWR | 76595-812 | Für nutierende Embryonen |
| Kunststoff-Transferpipette | Thermo Fisher Scientific | 13-711-9 Uhr | Für den Transfer von Embryonen |
| Rasierklinge | Thermo Fisher Scientific | 18-100-970 | Zum Schneiden von Bändern |
| RNase-freies Wasser | Thermo Fisher Scientific | BP561-1 | Zur Herstellung von rnasefreien Lösungen |
| Roto-Mini PLUS (Rotator) | VWR | 470313-912 | Für das Roating von Embryonen |
| Tetramethylrhodamin (TAMRA)-Azid | Abcam | ab146486 | Um die Klickreaktion zu erzeugen |
| TO-PRO-3 | Thermo Fisher Scientific | T3605 | Zur DNA-Färbung |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 10789704001 | Zur Herstellung des Waschpuffers |
| Trizma-Basis (Tris-Basis) | Sigma-Aldrich | T1503 | Zum Erstellen des Tris-Puffers |
| VHB 3M GPH-110GF-Bänder (45 mm.) | VWR | 76524-608 | Zur Herstellung von Bildkammern |
| Zeiss LSM 700 Konfokalmikroskop | Zeiss | Für konfokale Bildgebung |
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