Se ha presentado un protocolo para la obtención de imágenes de los microtúbulos dinámicos in vivo utilizando la proteína de unión al extremo etiquetada fluorescentemente. Describimos los métodos para etiquetar, obtener imágenes y analizar los microtúbulos dinámicos en la neurona del microtúbulo lateral posterior (PLM) de C. elegans.
En las neuronas, la orientación de los microtúbulos ha sido un evaluador clave para identificar los axones que tienen microtúbulos y dendritas de extremo superior que generalmente tienen una orientación mixta. Aquí describimos métodos para etiquetar, obtener imágenes y analizar la dinámica y el crecimiento de los microtúbulos durante el desarrollo y la regeneración de las neuronas táctiles en C. elegans. Usando reporteros fluorescentes codificados genéticamente de puntas de microtúbulos, tomamos imágenes de los microtúbulos axonales. Los cambios locales en el comportamiento de los microtúbulos que inician la regeneración del axón después de la axotomía se pueden cuantificar utilizando este protocolo. Este ensayo es adaptable a otras neuronas y antecedentes genéticos para investigar la regulación de la dinámica de los microtúbulos en diversos procesos celulares.
Las neuronas tienen una arquitectura elaborada con compartimentos especializados como dendritas, cuerpos celulares, axones y sinapsis. El citoesqueleto neuronal está constituido por los microtúbulos, microfilamentos y neurofilamentos y su organización distinta soporta los compartimentos neuronales estructural y funcionalmente1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . A lo largo de los años, la organización de los microtúbulos se ha identificado como un determinante clave de la polaridad y función neuronal. A medida que las neuronas experimentan una remodelación estructural durante el desarrollo o la regeneración, la dinámica y la orientación de los microtúbulos determinan la identidad, el transporte polarizado, el crecimiento y el desarrollo de varios compartimentos neuronales7. Por lo tanto, es imperativo evaluar la dinámica y la orientación de los microtúbulos in vivo para correlacionarlos con el proceso de remodelación neuronal.
Los microtúbulos están compuestos por protofilamentos de α y β heterodímeros de Tubulina con extremos más dinámicos y extremos menos relativamente estables11,12. El descubrimiento del complejo de punta más y las proteínas de unión final asociadas han permitido una plataforma para evaluar la organización de los microtúbulos13. Las proteínas de unión al final (EBP) se asocian transitoriamente con los extremos de crecimiento más del microtúbulo y su dinámica de asociación se correlaciona con el crecimiento de los protofilamentos de microtúbulos14,15. Debido a la frecuente asociación y disociación del complejo de punta más con el microtúbulo, la función de dispersión puntual del EBP marcado con GFP aparece como un “cometa” en una película de lapso de tiempo15,16. Desde la observación pionera en neuronas de mamíferos16,las proteínas de unión final marcadas con proteínas fluorescentes se han utilizado para determinar la dinámica de microtúbulos a través de diferentes sistemas modelo y tipos de neuronas17,18, 19,20, 21,22,23.
Debido a su sistema nervioso simple y cuerpo transparente, C. elegans ha demostrado ser un excelente sistema modelo para estudiar la remodelación neuronal durante el desarrollo y la regeneración in vivo. Aquí describimos métodos para etiquetar, obtener imágenes y analizar la dinámica y el crecimiento de los microtúbulos durante el desarrollo y la regeneración de las neuronas táctiles en C. elegans. Utilizando EBP-2::GFP codificado genéticamente, tomamos imágenes de los microtúbulos en la neurona PLM, lo que nos permitió determinar la polaridad de los microtúbulos en dos neuritas diferentes de esta neurona24. Este método permite la observación y cuantificación de los cometas EBP como medida de la dinámica de los microtúbulos en diferentes contextos celulares, por ejemplo, los cambios locales en el comportamiento de los microtúbulos que inician la regeneración de los axones después de la axotomía se pueden evaluar utilizando nuestro protocolo. Este ensayo se puede adaptar para investigar la regulación de la dinámica de los microtúbulos en diversos procesos celulares en diversos tipos de células y antecedentes genéticos.
1. Cepa reportera: Cultura y mantenimiento
NOTA: Para medir la dinámica y orientación de los microtúbulos en las neuronas PLM, utilizamos la cepa de gusano que expresa EBP-2::GFP bajo el promotor específico de la neurona táctil mec-4 (alelo juIs338) 18,25,26. Utilizamos métodos estándar de cultivo y mantenimiento de gusanos para esta cepa27.
2. Preparación de la muestra: Montaje de gusanos para la obtención de imágenes de cometas EBP-2
NOTA: Para permitir la observación en vivo de los cometas EBP en las neuronas PLM, montamos los gusanos en almohadillas de agarosa para minimizar su movilidad sin comprometer la fisiología de la neurona. Entre los diversos métodos de inmovilización, hemos elegido una solución de perlas de poliestireno de 0,1 μm fácilmente disponible comercialmente. Hemos esbozado el procedimiento de montaje utilizado específicamente para la observación EBP-2::GFP.
3. Configuración y adquisición de imágenes
NOTA: Los cometas EBP viajan con una velocidad aproximada de 0,22 μm/s como se observa en las neuronas de mamíferos y PLM de C. elegans16,18. Para muestrear de manera óptima los eventos en una adquisición de lapso de tiempo según el criterio de Nyquist28,se requieren escalas espaciales y temporales de 0.09 μm y 0.43 s, respectivamente. Para la prevención de la fototoxicidad o el fotobleaching, se utilizó la adquisición de Spinning Disk. Hemos descrito nuestra configuración de imágenes y la configuración de adquisición a continuación.
4. Observación y análisis
La comprensión de la dinámica de los microtúbulos ha sido un enfoque clave en el campo de la investigación citoesquelética a lo largo de los años. Los microtúbulos sufren nucleación y catástrofe junto con un proceso continuo de inestabilidad dinámica44,45,46,47. Gran parte de esta información se ha obtenido a través de ensayos in vitro como lecturas de dispersión de luz de tubulina libre vs polimerizada, ensayos de crecimiento de microtúbulos de tubulina fluorescente, etc.48. Si bien la observación en vivo de microtúbulos fluorescentes y no fluorescentes es factible en células delgadas, las mediciones in vivo de la dinámica de los microtúbulos son un desafío.
Usando esta cepa transgénica, otras neuronas táctiles como PVM, ALM y AVM también se pueden evaluar para la orientación de los microtúbulos. Las imágenes y los procedimientos de análisis descritos aquí se pueden adaptar a otros tipos de neuronas en C. elegans con un reportero transgénico apropiado, sin embargo, se espera la variabilidad en la dinámica del cometa a través de diferentes neuronas49,50,51,52. Este método también es aplicable a los tipos de células no neuronales en C. elegans53,54,55,56. En tipos de células no neuronales como la epidermis o el embrión, la dinámica de los microtúbulos se observa en dos dimensiones53,54,55,56. Para tales eventos, las imágenes de la serie temporal se proyectan en una sola imagen utilizando imágenes de diferencia Z-projection o Stack para extraer el ROI de los kymographs.
Observamos que los anestésicos disponibles comercialmente como el clorhidrato de levamisol, el tetramisol no son adecuados para la inmovilización de los gusanos, ya que atenúan drásticamente la dinámica del cometa. Las microperlas en almohadillas de agarosa al 10% son una opción adecuada para la inmovilización durante la obtención de imágenes57,58. Sin embargo, una exposición más prolongada a un mayor porcentaje de agarosa y microperlas puede provocar estrés físico para los gusanos. Además, es aconsejable llevar la solución de microperlas a temperatura ambiente antes de montarla, ya que el choque frío puede provocar un cambio en la dinámica de los microtúbulos59,60,61,62,63. La humedad en las almohadillas de agarosa es un factor sensible para la inmovilización, ya que los gusanos pueden deseccarse en las almohadillas de agarosa más secas y las almohadillas de agarosa húmedas pueden no restringir la movilidad de los gusanos. El experimentador puede inspeccionar visualmente la almohadilla de agarosa para obtener una superficie lisa y nivelada antes de montar64. El procedimiento de montaje se puede mejorar aún más mediante la reducción de las bacterias asociadas con los gusanos. Las bacterias adherentes de la superficie dificultan la inmovilización del gusano, mientras que las bacterias intestinales dan lugar a la autofluorescencia que puede ocluir la señal de los cometas EBP-2::GFP. Por lo tanto, es preferible cultivar los gusanos en placas OP50 recién sembradas y eliminar las bacterias de la superficie colocando los gusanos en placas NGM sin sembrar o lavándolas con tampón M9 o flotación en solución de sacarosa65,66.
Entre los parámetros de observación, las escalas espacial y temporal son críticas para muestrear de manera óptima los cometas28. EBP-2::GFP es sensible al fotobleaching, por lo que se debe evitar la exposición innecesaria a la luz. Las imágenes en vivo con sondas fluorescentes también causan daños fototóxicos debido a la producción de radicales libres. Esto podría obstaculizar la dinámica de los microtúbulos y puede ser fatal para el gusano. Se puede utilizar una configuración de adquisición de baja exposición para eludir los problemas de fotobleaching y fototoxicidad. Los parámetros de análisis también serán válidos para los movimientos multidimensionales de los cometas, sin embargo, es necesario determinar el punto de referencia correctamente.
Cada uno de los módulos descritos en este estudio se puede adaptar a otros reporteros que detectan los extremos negativos de los microtúbulos, un orgánulo vesicular dentro del axón o las dendritas, etc. Esta técnica también se puede aplicar a otros organismos o tejidos con la transgénesis adecuada y el sistema de imágenes. La información de la dinámica de los microtúbulos es válida en otros procesos celulares como la división celular, la migración celular, el mantenimiento de la arquitectura celular y otros procesos basados en microtúbulos. Diversas condiciones clínicas se han asociado con la organización y dinámica de los microtúbulos7,información precisa de las cuales puede fortalecer los enfoques farmacológicos.
The authors have nothing to disclose.
CZ18975 worm strain | Yishi Jin lab | CZ18975 | Generated by Anindya Ghosh-Roy |
Agarose | Sigma | A9539 | Mounting worms |
Coverslip (18 mm x 18 mm) | Zeiss | 474030-9010-000 | Mounting worms |
Dry bath with heating block | Neolab | Mounting worms | |
Glass slides (35 mm x 25 mm) | Blue Star | Mounting worms | |
Polystyrene bead solution (4.55 x 10^13 particles/ml in aqueous medium with minimal surfactant) | Polysciences Inc. | 00876 | Mounting worms |
Test tubes | Mounting worms | ||
OP50 bacterial strain | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | OP50 | Worm handling |
60mm petri plates | Praveen Scientific | 20440 | Worm handling |
Aspirator/Capillary | VWR | 53432-921 | Worm handling |
Incubator | Panasonic | MIR554E | Worm handling |
Platinum wire | Worm handling | ||
Stereomicroscope with fluorescence attachment | Leica | M165FC | Worm handling |
0.3% Sodium Chloride | Sigma | 71376 | Nematode Growth Medium |
0.25% Peptone | T M Media | 1506 | Nematode Growth Medium |
10mg/mL Cholesterol | Sigma | C8667 | Nematode Growth Medium |
1mM Calcium chloride dihydrate | Sigma | 223506 | Nematode Growth Medium |
1mM Magnesium sulphate heptahydrate | Sigma | M2773 | Nematode Growth Medium |
2% Agar | T M Media | 1202 | Nematode Growth Medium |
25mM Monobasic Potassium dihydrogen phosphate | Sigma | P9791 | Nematode Growth Medium |
0.1M Monobasic Potassium dihydrogen phosphate | Sigma | P9791 | 1X M9 buffer |
0.04M Sodium chloride | Sigma | 71376 | 1X M9 buffer |
0.1M Ammonium chloride | Fisher Scientific | 21405 | 1X M9 buffer |
0.2M Dibasic Disodium hydrogen phosphate heptahydrate | Sigma | S9390 | 1X M9 buffer |
Glass bottles | Borosil | Buffer storage | |
488 nm laser | Zeiss | Imaging | |
5X objective | Zeiss | Imaging | |
63X objective | Zeiss | Imaging | |
Camera | Photometrics | Evolve 512 Delta | Imaging |
Computer system for Spinning Disk unit | HP | Intel ® Xeon CPU E5-2623 3.00GHz | Imaging |
Epifluorescence microscope | Zeiss | Observer.Z1 | Imaging |
Halogen lamp | Zeiss | Imaging | |
Mercury Arc Lamp | Zeiss | Imaging | |
Spinning Disk Unit | Yokogawa | CSU-X1 | Imaging |
ZEN2 software | Zeiss | Imaging | |
Image J (Fiji Version) | Image analysis and processing | ||
Adobe Creative Cloud | Adobe | Image analysis and processing | |
Computer system for Image Analysis | Dell | Intel ® Core ™ i7-9700 CPU 3.00GHz | Image processing/Representation |