Ti:Sapphireフェムト秒レーザー発振器による2光子吸収を用い、ケージド蛍光タンパク質を含む単一細胞を光活性化させる方法について記述します。光活性化された細胞の運命地図(フェイトマッピング)を作成するために、免疫組織化学法を用います。この手法は、あらゆる細胞型に適用可能です。
Ti:Sapphireフェムト秒レーザー発振器による2光子吸収を用い、ケージド蛍光タンパク質を含む単一細胞を光活性化させる方法について記述します。光活性化された細胞の運命地図(フェイトマッピング)を作成するために、免疫組織化学法を用います。この手法は、あらゆる細胞型に適用可能です。
単一細胞を特異的に標識する能力は、発生生物学において重要な意味を持ちます。例えば、発達中の胚において造血系、リンパ系、および血管系がどのようにして生じるかを決定するには、未分化な前駆細胞の運命マッピングおよび系譜追跡が必要です。近年、Eos1, 2、PAmCherry3、Kaede4-7、pKindling8、およびKikGR9, 10を含む光活性化タンパク質が、細胞追跡プローブとして広く関心を集めています。これらの光感受性タンパク質の蛍光スペクトルは、UV励起によって容易に変換でき、これにより特定の細胞集団を隣接する細胞から区別することが可能です。しかし、活性化タンパク質の光効率が、長期的な細胞追跡を制限する可能性があります11。光活性化タンパク質の代替として、ケージドフルオレセインデキストランが胚モデルシステムで広く利用されてきました7, 12-14。従来、フルオレセインデキストランを脱ケージングするには、蛍光ランプハウスからのUV励起または単一光子UVレーザーが使用されてきましたが、これらの光源は光活性化の空間分解能を制限します。本稿では、運命マッピング、系譜追跡、および単一標識細胞の検出を行うためのプロトコルを報告します。ケージドフルオレセインデキストランを注入した胚内の単一細胞を、チタンサファイアフェムト秒レーザーから生成される近赤外レーザーパルスで光活性化させます。このレーザーは、本論文で使用したLSM 510 META NLO顕微鏡のような、あらゆる2光子共焦点顕微鏡で一般的に使用されています。生体組織は近赤外線照射に対して透過性を持つため15、選択した焦点面の上方または下方の細胞を脱ケージングすることなく、レーザーパルスを胚の深部まで集光させることができます。したがって、幾何学的な焦点においてのみ非線形2光子吸収が誘導され、単一細胞内のフルオレセインデキストランが脱ケージングされます。脱ケージングされたフルオレセインデキストランを含む細胞を検出するために、活性化細胞を迅速に視覚化する簡便な免疫組織化学プロトコル16について説明します。本論文で提示する活性化および検出プロトコルは汎用性が高く、あらゆるモデルシステムに適用可能です。
注記: 本プロトコルで使用する試薬は、記事末尾に添付された表に記載されています。
1. ケージドフルオレセインデキストランの合成(参考文献14より改変)
2. 胚の回収およびケージドフルオレセイン-デキストランのマイクロインジェクション
* この手順では、動物モデルシステムとしてゼブラフィッシュを使用します。
3. ケージドフルオレセインデキストランの2光子活性化
* この手順は、胚がレポーターGFPを発現していることを前提としています。胚は、LSM 510 META NLO顕微鏡に搭載されたアルゴンイオン(48 nm)レーザー光源を用いて観察します。GFP陽性の単一細胞を選択し、LSM 510に接続されたMai Taiレーザー(フェムト秒レーザー)を用いて光活性化させます。非蛍光胚の場合も手順は同様です。あるいは、白色光を使用して活性化させる細胞を特定し、その後Mai Taiレーザー光源を用いて活性化させることも可能です。
4. ケージ解除済みフルオレセイン-デキストランの免疫検出(文献16より改変)
5. 代表的な結果:

図1. ケージドフルオレセイン-デキストランの光活性化。(A,B) 光活性化前における、13/14体節期のゼブラフィッシュ胚の側面像(明視野像および蛍光像)。(C,D) 13/14体節期の胚の体節の一つ(矢印)を、波長740 nm、スキャン時間31秒、平均レーザー出力47 mWで光活性化した。活性化後、(D) 脱ケージ化されたフルオレセイン-デキストランによる蛍光が観察される。方向:背側(右)、腹側(左)。スケールバー 100 μm.

図2。 ケージドフルオレセインデキストランの免疫検出。図2は、受精後18/19時間のゼブラフィッシュ胚におけるアンケージドフルオレセインデキストランの免疫染色を示している。10ソマイト期に、図1に記載されたものと同じレーザーパラメータを用いて、側板中胚葉の胚の一部を活性化した。免疫検出法を用いることで、矢印で示す活性化領域が、背景染色の極めて少ない状態で特定されている。方向:背面(上)、腹面(下)。スケールバー 100 μm.
本論文では、ケージ化フルオレセインデキストランの光活性化に基づいた、汎用性の高い単一細胞運命マッピング法について述べる。単一細胞内におけるケージ化フルオレセインデキストランの脱ケージ化は、Zeiss LSM 510 META共焦点顕微鏡に接続されたMai Taiフェムト秒レーザーによる二光子吸収を用いて行う。光活性化された細胞内の脱ケージ化フルオレセインデキストランは、簡便な免疫組織化学的手法を用いて迅速に可視化される。
本プロトコルでは、ケージドフルオレセインデキストランを光活性化するための2光子吸収波長として740 nmを使用しています。この波長は、ケージドフルオレセインデキストランを注入した野生型胚を光活性化させることで実験的に決定されました。レーザー励起波長を600 nmから800 nmまで変化させ、活性化後にフルオレセインの蛍光が認められるかどうかを定性的に判定しました。その結果、740 nmで活性化後のフルオレセイン信号が最も強く得られることがわかりました。理想的には、740 nmがすべてのモデルシステムで有効であるはずですが、ご使用のサンプルにとって最適な2光子励起波長を決定するために、範囲を変えて波長をテストすることをお勧めします。
ケージドフルオレセインデキストランを注入した野生型胚において、テストした各2光子励起波長に対して平均レーザー出力も変化させました。励起波長740 nmの場合、47 mWの平均レーザー出力では、より低い平均レーザー出力と比較して、活性化領域でより強いフルオレセイン信号が得られました。平均レーザー出力をさらに高くしても、フルオレセイン信号は強くなりませんでしたが、組織のアブレーションが誘導されました。フェムト秒レーザーパルスは生物学的組織のアブレーション効率が高いため15、組織のアブレーションを回避する光活性化の閾値となる平均レーザー出力を決定することを推奨します。
2光子吸収は小さな相互作用体積内で起こります。ケージドフルオレセインデキストランを適切に活性化させるには、細胞を正しくフォーカスさせる必要があります。上記のプロトコルでは、細胞のフォーカスを確認するために、GFP陽性細胞を白色光下で同時にイメージングしました。したがって、他のチャンネルに加えて白色光を取得することが推奨されます。細胞のフォーカスを確認した後、本プロトコルでは活性化させる細胞を拡大することを提案しています。ズーム倍率は50〜70倍が推奨されますが、この値は選択した細胞のサイズによって異なります。ズームを上げることで、活性化させる細胞を隣接する細胞から分離し、2光子活性化の走査領域を制限することができます。理想的には、走査領域は細胞の広い範囲をカバーするように設定してください。
単一の活性化細胞を検出するには、背景染まりを最小限に抑える必要があります。上述の免疫検出プロトコルでは、サンプルをブロッキングバッファーで5〜6時間ブロッキングすることが重要です(ステップ4.13)。NBT/BCIPで発色させた場合、ケージ解除されたフルオレセイン-デキストランが10〜20分で可視化されるはずです。背景染まりが強い場合は、ブロッキング時間を延長し、抗体を除去するための洗浄回数を増やすことを推奨します(ステップ4.17)。
図1および図2に、光活性化および免疫検出の代表的な結果を示す。図1では、野生型の1〜2細胞期の初期胚にケージ化フルオレセインデキストランを注入した。胚を分節形成中期まで成長させ、側方から低融点アガロースに固定した。図1(a,b)は、光活性化前の胚の明視野像および蛍光像である。図1(b)においてフルオレセインの蛍光が認められないことから、胚が非ケージ化状態に維持されていたことが示されている。分節の中の狭い領域を、平均レーザー出力47 mW、波長740 nmで31秒間照射して活性化した(図1(c);矢印)。活性化後、活性化領域からの蛍光に見られるように、フルオレセインデキストランの2光子脱ケージ化が起こった(図1(d);矢印)。分節組織が損なわれていないことから、活性化に伴うレーザーアブレーションは発生しなかった(図1(c))。図2は、脱ケージ化されたフルオレセインデキストランの免疫検出結果である。10分節期の胚の側板中胚葉の狭い領域を、図1で述べたものと同じレーザーパラメータを用いて光活性化した。胚を成長させ、ステップ4.1から4.20の手順に従って処理した。図2の矢印は、青色の沈殿物の蓄積によって示される活性化領域の位置を示している。干渉する背景染色はなく、活性化した部位のみが明確に検出されている。
溶液の調製:
1 X PBT (1 L)
10 X PBS 100 mL
BSA 2 g
20 % Tween 10 mL
10 X PBS (1 L)
80 g NaCl
2 g KCl
6.1 g Na2HPO4
1.9 g KH2PO4
ddH2Oで1 Lにする
pH 7.3に調整
4 % パラホルムアルデヒド (160 mL)
32 % パラホルムアルデヒド (10 mL バイアル 2本)
8 mL 20 X PBS
132 mL ddH2O
APバッファー ( 50 mL)
1 mL 5 M NaCl
2.5 mL 1 M MgCl2
5 mL 1 M Tris pH 9.5
250 μL 20 % Tween
41.25 mL ddH2O
抗体溶液(サンプル1検体分)
5.5 μL アセトンパウダー
40 μL PBT
0.8 μL LS
0.1 μL 抗フルオレセインAP抗体
2 % LS (サンプル1つにつき360 μL)
100 % LS 7.2 μL
PBT 352.8 μL
1 X Danieau培地 (1 L)‡
5 M NaCl 11.6 mL
1 M KCl 700 μL
1 M MgSO4 400 μL
1 M Ca(NO3)2 600 μL
1 M HEPES 5 mL
ddH2Oで1 Lまで調整
pH 7.6に調整
‡ Danieau溶液は、卵膜除去後のゼブラフィッシュ胚を飼育するための理想的な塩溶液です。適切に浸透圧が調整された(ゼブラフィッシュの場合、約 300 mOsm)等張溶液であれば、他の培地を使用することも可能です。
NBTストック溶液 (1 mL)
50 mg Nitro Blue Tetrazolium
0.7 mL 無水ジメチルホルムアミド
0.3 mL ddH2O
BCIPストック溶液 (1 mL)
5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate 50 mg
無水ジメチルホルムアミド 1 mL
NBT/BCIP 発色溶液
1 mL AP バッファー
4.5 μL NBT ストック溶液
3.5 μL BCIP ストック溶液
アセトンパウダー
利益相反はありません。
ケージド・フルオレセイン・デキストランの合成プロトコルを提供していただいたJ. Chen氏に感謝いたします。本研究は、March of Dimes賞(5-FY09-78)、アメリカ心臓協会(American Heart Association)賞(09BGIA2090075)、およびS.S.へのNIH/NHLBI賞(R01 HL107369-01)の支援を受けて行われました。また、顕微鏡観察のサポートをいただいたC. Closson氏に深く感謝いたします。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| CMNB-ケージドフルオレセイン SE | Invitrogen | C20050 | |
| 10 kDa アミノデキストラン | Invitrogen | D1860 | |
| Zeba Desalt Spin Column | Pierce, Thermo Scientific | 89889 | |
| 低融点アガロース | Amresco | 0815-100G | |
| ホウ酸ナトリウム | Amresco | 1131117-100G | |
| トリカインメチルスルホナート/ MS222 | Research Organics | 1347A | |
| 抗フルオレセイン-AP抗体 | Roche Group | 11376622 | |
| ブロッキングバッファー | Roche Group | 11 096 176 001 | |
| マレイン酸 | Sigma-Aldrich | MO375-500G | |
| パラホルムアルデヒド | Electron Microscopy Sciences | 15714 | |
| NBT | Sigma-Aldrich | I8377-250mg | |
| BCIP | Fisher Scientific | PI-34040 | |
| マイクロインジェクター | Harvard Apparatus | PLI-2000 | |
| LabTek チェンバー付きカバーガラススライド | Nalge Nunc international | 155380 | |
| プロテイナーゼ K | Invitrogen | AM2544 | |
| 羊血清 | Invitrogen | 16070096 | |
| LSM 510 META NLO | Carl Zeiss, Inc. | ||
| 20X 0.8 NA 空気アポクロマート対物レンズ | Carl Zeiss, Inc. | ||
| 透明黄色フィルター | Theatre House Inc. | Roscolux filter sheet Color: 312 |