כאן, אנו מציגים זרימת עבודה מהירה, בעלות נמוכה, עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה של עיני דרוזופילה בוגרות כדי לכמת דפוסי דפוס ופגמי גדילה. אנו מתארים את הפרוטוקול שלנו להכנת דגימות על ידי הרכבה נקודתית, רכישת תמונה ברזולוציה גבוהה וניתוח תמונה.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
כאן, אנו מציגים זרימת עבודה מהירה, בעלות נמוכה, עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה של עיני דרוזופילה בוגרות כדי לכמת דפוסי דפוס ופגמי גדילה. אנו מתארים את הפרוטוקול שלנו להכנת דגימות על ידי הרכבה נקודתית, רכישת תמונה ברזולוציה גבוהה וניתוח תמונה.
עין תרכובת דרוזופילה היא רקמה בעלת תבנית מדויקת שחשפה מנגנונים מולקולריים ותהליכים ביולוגיים המניעים מורפוגנזה. זהו מבנה פשוט של עיני יחידה חוזרות, המכונה ommatidia, המשמש לאפיון אינטראקציות גנטיות ותפקודי גנים. מוטציות המשפיעות על ארכיטקטורת העין ניתן לזהות ולנתח בקלות; לפיכך, מערכת זו משמשת לעתים קרובות במוסדות חסרי משאבים. ניתוח פנוטיפי נוסף כולל לעתים קרובות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) כדי להפיק תמונות בהגדלה גבוהה המתאימות לניתוח כמותי. עם זאת, SEMs הם יקרים ודורשים ריאגנטים יקרים; הכנת הדגימה משתרעת על פני ימים; ולעתים קרובות, הם זקוקים לצוות במשרה מלאה להכנת דגימות ותחזוקת מכשירים. זה מגביל את התועלת שלהם במוסדות חסרי משאבים או במהלך צנע תקציבי. באנטומולוגיה, השימוש בטכנולוגיית הדמיה דיגיטלית ברזולוציה גבוהה הוא פרקטיקה נפוצה לזיהוי ואפיון מינים. מאמר זה מתאר שיטה המשלבת אסטרטגיות ומאפשרת הדמיה דיגיטלית ברזולוציה גבוהה של מבני דרוזופילה בוגרים וניתוח כמותי באמצעות התוכנה הפתוחה ImageJ. זרימת העבודה היא חלופה מהירה וידידותית לסטודנטים המתקנת את המגבלות של מתקני מחקר תת-ממומנים ותת-משאבים עם גישה חסכונית ומהירה לניתוח פנוטיפי כמותי.
Drosophila melanogaster הוא אורגניזם מודל גנטי רב עוצמה המשמש במשך עשרות שנים כדי להבהיר מסלולי איתות מולקולרי והתנהגויות תאיות. רבים ממסלולי האיתות שהשתמרו אבולוציונית וחיוניים להתפתחות רב-תאית זוהו לראשונה ומנגנון הפעולה שלהם הוגדר בדרוזופילה. כ 65-75% מכל הגנים הקשורים למחלות אנושיות יש אורתולוגים Drosophila 1,2. עין הדרוזופילה הבוגרת היא מודל חשוב שאיפשר בדיקות גנטיות בלתי משוחדות שאפשרו גילוי גנים שמורים חשובים המעורבים במחלות אנושיות, כולל סרטן 3,4, ניוון עצבי 5 והפרעות מטבוליות6.
עין הדרוזופילה מורכבת מ~800 עיני יחידה, הנקראות אומטידיה, המסודרות במדויק בתבנית משושה על פני השטח של העין הבוגרת7. כל אומטידיום מורכב משמונה נוירונים קולטי אור התופסים מיקום מובחן בתוך טרפז א-סימטרי. אלה נתמכים על ידי ארבעה תאי חרוט לא עצביים ושני תאי פיגמנט ראשוניים המפרישים עדשה ופסאודו-חרוט כדי למקד אור על הרבדומרים קולטי האור של נוירוני קולטני האור. אומטידיה שכנה מופרדת על ידי שורה אחת של תאי סריג אינטראומטידיאלים, המורכבים מתאי פיגמנט משניים, תאי פיגמנט שלישוניים וקומפלקסי זיפים מכנו-סנסוריים 8,9,10.
הפרעות בהתפתחות העיניים נראות בעיניים בוגרות כגודל עיניים מוגדל או קטן, שפע חריג או מבנה של עדשות או זיפים, או כ"עין מחוספסת" שבה דפוס המשושה האינווריאנטי בדרך כלל משתבש כך שלא ניתן עוד לעקוב אחר שורה של אומטידיה על פני השטח של העין. ניתן להבקיע פנוטיפים אלה ברמת הרקמה הגסה באמצעות מיקרוסקופים מנתחים. ניתוח מפורט של פנוטיפים כולל באופן מסורתי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים ואחריו ניתוח תמונה כמותי11. עם זאת, סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים דורשת מכשור יקר, ריאגנטים יקרים, הכנת דגימות המתפרשת על פני ימים, ולעתים קרובות, צוות במשרה מלאה לתחזוקה.

איור 1: תהליך עבודה להדמיית מבני דרוזופילה בוגרים. (A) לאסוף ולתקן דרוזופילה בוגרת באתנול 70%. (B) הכינו דגימות להדמיה על ידי הרכבה נקודתית והצמדה לפינים. (C) קבל תמונות ברזולוציה גבוהה באמצעות ערימת מיקוד ושילוב. (D) כימות תמונות באמצעות FIJI. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
מאמר זה מציג תהליך עבודה זול יחסית, בעל זמן הכנת דגימה קצר, ניתן להציב אותו בקלות על ספסל מעבדה בגובה 3 מטרים, אינו דורש חומרים מסוכנים, ויכול להיות תוספת ארוכת חיים למעבדות מחקר דרוזופילה (איור 1). הרכבה נקודתית היא טכניקה אנטומולוגית המשמשת לייבוש באוויר ולשימור חרקים קטנים ובעלי גוף רך, כגון דרוזופילה12. שיטה זו מסתמכת על שילוב מטרות מיקרוסקופ עם מצלמות DSLR ברזולוציה גבוהה להגדלות יעילות של פי 10 עד פי 1,000. עומק השדה המוגבל הטבוע בצילום מאקרו מתגבר על ידי הערמת מיקוד: תפירת סדרה של תמונות כאשר מישור המוקד נע דרך הדגימה המעניינת13. שיטה זו מניבה תמונות ברזולוציה גבוהה המתאימה לכימות פנוטיפים וניתן להתאים אותה בקלות למבנים אחרים בעלי עניין, כגון כנף, רגל, בית חזה ובטן. תהליך העבודה של ניתוח התמונה משתמש בתוכנית ניתוח התמונות החינמית FIJI (NIH ImageJ). מתודולוגיה זו הופכת את הכנת הדגימות, הדמיה ברזולוציה גבוהה וניתוח לנגישים לסטודנטים לתואר ראשון ולמדענים במוסדות חסרי משאבים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. איסוף וקיבוע דרוזופילה למבוגרים
2. הכנת דגימה על ידי הרכבה נקודתית
הערה: דרוזופילה הם חרקים בעלי גוף רך שהופכים שבירים וקורסים כאשר הם מיובשים באוויר; לכן, פרוטוקול זה דורש שהדגימות יצולמו באותו יום שבו הן מותקנות. עבוד בקבוצות קטנות של ~5 זבובים בכל פעם כדי למנוע אובדן דגימה. הגדל את מספר הדגימות בקבוצה בהתבסס על יעילות. דגימות הדורשות זמן רב יותר לפני הדמיה יכולות להתייבש באמצעות סדרה של ריכוז הולך וגדל של hexamethyldisilazane (HMDS)14.

איור 2: הכנת הדגימה. (A) דרוזופילה בוגרת ממוינת על פי סמנים פנוטיפיים ונאספת לצינורות מיקרוצנטריפוגות מסומנים המכילים 70% אתנול על קרח. הזבובים מאוחסנים בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס למשך הלילה. (B) נקודות כרטיס נייר מוכנות על ידי כיפוף הקצה הצר 90° משאר הכרטיס באמצעות זוג #5 מלקחיים. (C) זבובים מוחלצים מצינורות ומאפשרים להם להתייבש באוויר לזמן קצר. דבק הסתר נמרח על הקצה הקטן והמקופל של נקודת הקלף המוכנה ומודבק לזבוב הבוגר במקטעים 2-3 בבטן. (D) הדגימות מותקנות, עם תווית זיהוי, על סיכת חרק נירוסטה #3. (E) דגימות מוצמדות מאוחסנות בלוח דגימה עד שהן מוכנות לרכישת תמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
3. רכישת הדמיה בערימת מיקוד ברזולוציה גבוהה

איור 3: רכישת תמונה. (א) מכשיר הדמיה עם חלקים המסומנים כדלקמן: א) גוף מצלמת DSLR; ב) עדשת טלפוטו; ג) 20x Apo מיקרוסקופ מטרה ומתאם; ד) פלאש; ה) מפזרי עדשה וכיפה; ו) בקר Stackshot, מסילת מאקרו ושלב סיבובי; ז) גימבל במה אוניברסלי; ח) חצובה. (B) מכשיר הדמיה עם מפזר אור במקומו. (C) צילום תקריב של דגימה רכובה במקומה לצורך הדמיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
4. זרימת עבודה לניתוח FIJI לחישוב אזור העיניים למבוגרים

איור 4: ניתוח תמונות בפיג'י. (A) שינוי קנה מידה של התמונה המקורית. הורד את תמונת הכיול ומדוד את אורך הסרגל של 500 מיקרומטר. (B) התאם את קנה המידה באמצעות הפונקציה Set Scale . (C) פתח את התמונה המוערמת. (D) הגדל את התמונה כך שהעין תהיה ממורכזת וכמעט מסך מלא. (E) השתמש בכלי בחירה חופשית כדי לשרטט את העין בגבול שבין השורה החיצונית ביותר של אומטידיה לבין הקוטיקולה שמסביב. (ו) מדידת האזור באזור שנבחר מחושבת על ידי לחיצה על נתח | מדידה | אזור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
עין דרוזופילה היא מערכת מודל מצוינת לחקר דפוסי רקמות, בקרת גדילה ומוות תאי. לאחרונה פרסמנו מחקר החוקר כיצד pH תוך-תאי (pHi) משפיע על צמיחת רקמות. ראשית, ביססנו מערכת גנטית שבה ביטוי יתר של מחליף נתרן-פרוטונים DNhe2 (האורתולוג של יונקים NHE1) בעין המתפתחת גורם למומים בדפוס ולהתרבות מוגברת16. התפשטות מוגברת עם pHi גבוה יותר נצפית במינים שונים, משמרים ועד יונקים17. עם זאת, ראינו גם כי עם pHi מוגבר, העין הבוגרת נראתה קטנה יותר בגודל בהשוואה לבקרות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כאן אנו מתארים שיטה להכנת דגימה, הדמיה ברזולוציה גבוהה וניתוח של מבני דרוזופילה בוגרים. עין הדרוזופילה היא מערכת מודל גנטית שהניבה תובנות קריטיות לגבי מנגנונים מולקולריים העומדים בבסיס מחלות כולל סרטן19, ניוון עצבי20 ומחלות מטבוליות21. בפרט, נוצרים "אווטארים" של חולי סרטן שבהם נוצרות דרוזופילה טרנסגנית הנושאת מוטציות אונקוגניות וניתן להשתמש בהם לבדיקת תרופות בתפוקה גבוהה22...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.
המחברים רוצים להודות לחברי מעבדת גרילו-היל על הדיונים והתמיכה. אנו מודים לטים אנדריז, רנדי קירשנר, קיטי (נגוק-הונג) נגוין, מרקו פרנט, ג'וני שלוב וליברדו וליז על התמיכה הטכנית המצוינת. עבודה זו נתמכה על ידי פרסי NIH SC3GM132049 ו- 1R16GM153640 (BKGH), פרס מחקר של הפקולטה לביוטכנולוגיה של CSU (LM ו- BKGH), וקרנות הזנק מהמכללה למדעים והמחלקה למדעי הביולוגיה באוניברסיטת סן חוזה (FJL). ציון מיוחד מגיע לברנד בקר על תושייתם ועזרתם בתהליך זה. אנו מודים לקהילת BioIcons (https://bioicons.com/) על אספקת סמלים באיכות גבוהה עבור הדמויות שלנו ובמיוחד ל-Serviere עבור סמל הפיפט, ול-DBCLS עבור הסמלים של דרוזופילה, מלקחיים ומיקרוסקופ אלקטרונים שולחני המשמשים באיור 1 ובאיור 2, אשר מורשים תחת CC-BY 4.0 Unported. אנו מודים גם לקהילת SciDraw (https://scidraw.io/) על אספקת אייקונים באיכות גבוהה עבור הדמויות שלנו, במיוחד Diogo Losch De Oliveira (doi.org/10.5281/zenodo.3925953), אשר מורשים תחת רישיון Creative Commons 4.0 (CC-BY).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 1 מ"ל פיפטה סרולוגית | ThermoFisher Scientific | 170353N | |
| 1.7 מ"ל צינורות מיקרוצנטריפוגה | Genesee Scientific | 24-282LR | |
| 20x מיקרוסקופ אובייקטיבי | Mitutoyo Corp. | 378-804-3 | |
| ארכיון 65 פאונד כרטיסים | נינה בע"מ | 91901 | |
| Canon EF 70-200 מ"מ USM II עדשת טלפוטו | Canon | 3044C002 | |
| Canon EOS 6D Mark II DSLR גוף מצלמה | Canon | 1897C002 | |
| Diffuser Dome | פתרונות מקרוסקופיים | PA-DIF-GIM-SM | |
| מפזר עבור Mitutoyo M Plan APO יעדים | פתרונות מקרוסקופיים | mitutoyo-diffusers | |
| Drosophila בקבוקונים ותקעים | Genesee Scientific | 32-117BF | |
| Dumont #5 מלקחיים עדינים פישר | סיינטיפיק | NC9889584 | |
| נוצות אווז אמזון | B01CMMJI6U | ||
| חצובה אלומיניום אנודייז כבדה | דברים ממש נכונים, LLC | TFA-32G | |
| Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666A | רקמת מעבדה נטולת מוך |
| Levenhuk M1000 Plus מצלמה דיגיטלית | Levenhuk | 70358 | |
| סיכת הרכבה מס' 3 | אינדיגו אינסטרומנטס | 33414-3 | |
| Nutri-Fly בלומינגטון Drosophila media | Genesee Scientific | 66-113 | מזון זבוב |
| פוינט-פונץ' | M.C. Mieth Manufacturing, Inc. | 448פרט | |
| מהדק מברג | דברים ממש נכונים, LLC | SK-Clamp | לחיבור מסילת המאקרו לחצובה |
| בקר Stackshot ומסילת מאקרו | Cognisys Inc. | ||
| מתאם טבעת מוריד | מתאם עדשה 763461174207 מצלמת RAF | לחיבור מטרת המיקרוסקופ לעדשת המצלמה | |
| דבק טיטבונד | פרנקלין אינטרנשיונל | 5013 | |
| Yongnuo YN-24-EX מאקרו Twin Lite פלאש | שנזן Yongnuo ציוד צילום ושות'. | YN-24EX | |
| Software | |||
| Canon EOS Utility (v. 3.16.1). | תוכנת הרכישה | של Canon | |
| המכונים הלאומיים לבריאות | פיג'י | של פיג'י משוחררת כקוד פתוח תחת הרישיון הציבורי הכללי של GNU. FIJI גרסה 2.14.0/1.54f | |
| תוכנת GraphPad Prism | GraphPad, בוסטון, מסצ'וסטס ארה"ב | פריזמה גרסה 10.3.1 | |
| Zerene Stacker (v.1.04) | Zerene Systems, LLC | תוכנת ערימת פוקוס |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.