Ti:Sapphireフェムト秒レーザー発振器からの2光子吸収を使用して、ケージされた蛍光タンパク質を含む単一細胞を光活性化する方法が説明されています。光活性化細胞の運命マッピングには、免疫組織化学が使用されます。 この手法は、どの細胞タイプにも適用できます。
方法論記事
Ti:Sapphireフェムト秒レーザー発振器からの2光子吸収を使用して、ケージされた蛍光タンパク質を含む単一細胞を光活性化する方法が説明されています。光活性化細胞の運命マッピングには、免疫組織化学が使用されます。 この手法は、どの細胞タイプにも適用できます。
単一細胞を鑑別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っています。例えば、造血系、リンパ系、血管系譜が発生中の胚でどのように発生するかを決定するには、未分化前駆細胞の運命マッピングと系統追跡が必要です。近年、Eos1, 2, PAmCherry3, Kaede4-7, pKindling8, KikGR9, 10などの光活性化性タンパク質が、細胞トレーシングプローブとして広く注目されています。これらの感光性タンパク質の蛍光スペクトルは、UV励起で容易に変換できるため、細胞の集団を隣接する細胞と区別することができます。しかし、活性化タンパク質の光効率は、長期的な細胞追跡を制限する可能性がある11。光活性化可能なタンパク質の代替として、ケージに入れられたフルオレセイン-デキストランは、胚モデルシステム7、12-14で広く使用されています。従来、フルオレセイン−デキストランをアンケージするためには、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た。しかし、そのような光源は、光活性化の空間分解能を制限する。ここでは、運命マップ、系統追跡、および単一標識細胞の検出のためのプロトコルを報告します。ケージに入れられたフルオレセイン-デキストランを注入した胚の単一細胞は、チタンサファイアフェムト秒レーザーから生成された近赤外レーザーパルスで光活性化されます。このレーザーは、この論文で使用したLSM 510 META NLO顕微鏡など、すべての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明であるため15、レーザーパルスは、選択された焦点面の上または下の細胞をアンケージすることなく、胚の深部に焦点を合わせることができる。したがって、非線形の2光子吸収は、単一細胞内のフルオレセイン-デキストランをアンケージするための幾何学的焦点でのみ誘導されます。ケージに入れられていないフルオレセイン-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ための簡単な免疫組織化学プロトコル16について説明します。このホワイトペーパーで紹介する活性化および検出プロトコルは汎用性が高く、どのモデルシステムにも適用できます。
注:このプロトコルで使用される試薬は、記事の最後に追加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(文献14より適応)
2. ケージドフルオレセイン-デキストランの胚採取とマイクロインジェクション
* この手順では、ゼブラフィッシュを動物モデルシステムとして使用します。
3. ケージ入りフルオレセイン-デキストランの二光子活性化
* 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顕微鏡に取り付けられたアルゴンイオン(488 nm)レーザー光源を使用して観察されます。単一のGFP陽性細胞を選択し、LSM 510に結合したMai Taiレーザー(フェムト秒レーザー)を使用して光活性化します。この手順は、非蛍光胚でも同じです。あるいは、白色光を使用して活性化する細胞を見つけ、続いてMai Taiレーザー光源を使用して活性化することもできます。
4. ケージに入れられていないフルオレセイン-デキストランの免疫検出(文献16より適応)
5. 代表的な結果:

Figure 1.ケージに入れられたフルオレセイン-デキストランの光活性化。(A,B)光活性化前の13/14体節期におけるゼブラフィッシュの胚の側面図の明視野および蛍光画像。(C,D)胚は、波長740 nm、スキャン時間31秒、平均レーザー出力47 mWの体節の1つ(矢印)の1つで、13/14体節の段階で光活性化されました。活性化後、(d)ケージに入れられていないフルオレセイン-デキストランからの蛍光が観察されます。向き:背側(右)、腹側(左)。スケールバー100μm。

Figure 2.ケージに入れられたフルオレセイン-デキストランの免疫検出。図2は、18/19 hpfゼブラフィッシュ胚におけるケージ未使用のフルオレセイン-デキストランの免疫染色を示しています。10体節の段階では、図1で述べたのと同じレーザーパラメータを用いて、胚の小さな領域が側板中胚葉で活性化されました。免疫検出手順を使用して、矢印は最小限のバックグラウンド染色で活性化領域を特定します。向き:背側(上)、腹側(下)。スケールバー100μm。
この論文では、ケージされたフルオレセイン-デキストランの光活性化に基づく単一細胞運命マッピングのための汎用性の高い方法について説明します。単一細胞におけるケージされたフルオレセイン-デキストランのアンケージングは、Zeiss LSM 510 META共焦点顕微鏡に結合されたMai Taiフェムト秒レーザーからの2光子吸収を使用して達成されます。光活性化細胞中のケージされていないフルオレセイン-デキストランは、簡単な免疫組織化学手順を使用して迅速に視覚化されます。
このプロトコルでは、ケージされたフルオレセイン-デキストランの光活性化のための2光子吸収波長は740nmです。この波長は、ケージ内のフルオレセイン-デキストラン注入野生型胚を光活性化することによって実験的に決定されました。レーザー励起波長は600〜800nmの範囲で変化し、活性化後のフルオレセイン蛍光の有無を定性的に決定しました。活性化後、740 nmが最も強いフルオレセインシグナルを生成することがわかりました。理想的には、740 nm はすべてのモデル システムで機能する必要があります。ただし、サンプルに最適な2光子励起波長を決定するために、さまざまな波長をテストすることをお勧めします。
ケージ内のフルオレセイン-デキストラン注入野生型胚では、テストされた2光子励起波長ごとに、平均レーザー出力も変化させました。励起波長740nmの場合、平均レーザー出力47mWは、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シグナルを生成しました。平均レーザー出力が高いほど、より強いフルオレセインシグナルは生成されませんでしたが、組織のアブレーションが誘発されました。フェムト秒レーザーパルスは生体組織のアブレーションに効率的であるため15、組織アブレーションを回避する光活性化のしきい値平均レーザー出力を決定することをお勧めします。
二光子吸収は、小さな相互作用体積内で発生します。ケージされたフルオレセイン-デキストランの適切な活性化を確実にするには、細胞を適切な焦点にする必要があります。上記のプロトコルでは、GFP陽性細胞を白色光下で同時に画像化して、細胞の焦点を確認しました。したがって、他のチャネルに加えて白色光の取得が推奨されます。細胞の焦点を確認した後、私たちのプロトコルは、活性化された細胞を拡大することを提案します。ズーム係数は 50 から 70 が推奨されますが、この値は選択したセルのサイズによって異なります。ズームを大きくすると、活性化された細胞が隣接する細胞から分離され、2光子活性化のスキャン領域が制限されます。理想的には、スキャン領域はセルの広い領域をカバーする必要があります。
単一の活性化細胞を検出するには、バックグラウンド染色を最小限に抑える必要があります。上記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時間ブロックすることが重要です(ステップ4.13)。NBT / BCIPで開発する場合、ケージされていないフルオレセイン-デキストランは10〜20分で見えるはずです。バックグラウンド染色が強い場合は、ブロッキング時間を長くし、抗体を除去するための追加の洗浄をお勧めします(ステップ4.17)。
図1と図2は、光活性化と免疫検出の代表的な結果を示しています。図1では、初期の1〜2細胞期の野生型胚にケージされたフルオレセイン-デキストランを注射しました。胚は体体形成の中期に上昇し、横方向の低融点アガロースにマウントされました。図1(a、b)は、光活性化前の胚の明視野および蛍光画像を示しています。胚がケージに入れられていないという証拠は、図1(b)のフルオレセイン蛍光の欠如によって実証されています。体節内の小さな領域は、平均レーザー出力47mWを使用して、740nmの波長で31秒間活性化されました(図1(c;矢印)。活性化後、活性化領域からの蛍光によって示されるように、フルオレセイン-デキストランの2光子アンケージングが起こりました(図1(d;矢印)。体膜組織は無傷のままであったため、活性化はレーザーアブレーションを伴わなかった(図1(c)。図2は、ケージされていないフルオレセイン-デキストランの免疫検出を示しています。10体節期胚の外側プレート中胚葉の小さな領域は、図1に記載されているのと同じレーザーパラメータを使用して光活性化されました。胚は、ステップ4.1から4.20を使用して育てられ、処理されました。図2の矢印は、青色の沈殿物の蓄積によって示されるように、活性化された領域の位置を示しています。バックグラウンド染色を妨げることなく、活性化された場所のみが明確に検出されます。
溶液の調製:
1 x PBT(1 L)
100 mL 10 x PBS
BSA 2 g
10 mL 20 % トゥイーン
10 x PBS(1 L)
NaCl 80 g
2 グラム KCl
6.1 g Na2HPO4
1.9 g KH2PO4
ddH2O〜1 L
pHから7.3まで
4%パラホルムアルデヒド(160mL)
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(50mL)
1 mL 5 M NaCl
2.5 mL 1 M MgCl2
5 mL 1 M トリス pH 9.5
250 μL 20 % トゥイーン
41.25 mL ddH2O
抗体溶液(1検体分)
5.5 μL アセトン粉末
40 μL PBT
0.8 μL LS
0.1 μL 抗フルオレセイン-AP抗体
2 % LS(1サンプルで360 μL)
7.2 μL 100 % LS
352.8 μL PBT
1 X ダニオーメディア (1 L)‡
11.6 mL 5 M NaCl
700 μL 1 M KCl
400 μL 1 M MgSO4
600 μL 1 M Ca(NO3)2
5 mL 1 M HEPES
ddH2O〜1 L
pHを7.6に調整
‡ ダニオーは、脱絨毛膜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。適切な浸透圧(ゼブラフィッシュの場合は~300 mOsm)の等張溶液であれば、他の培地を使用することもできます
NBTストック(1mL)
50 mg ニトロブルー テトラゾリウム
0.7 mL ジメチルホルムアミド無水物
0.3 mL ddH2O
BCIPストック(1mL)
50 mg 5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリルリン酸
1 mL ジメチルホルムアミド無水物
NBT/BCIP開発ソリューション
1 mL APバッファー
4.5 μL NBT ストック
3.5 μL BCIP ストック
アセトンパウダー
利益相反は宣言されていません。
ケージドフルオレセイン-デキストラン合成プロトコルを提供してくださったJ.Chenに感謝します。この研究は、March of Dimes賞5-FY09-78、American Heart Association賞09BGIA2090075、およびNIH / NHLBI賞R01 HL107369-01 to S.S.の支援を受けました。C. Closson氏の顕微鏡観察の支援に特に感謝します。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| CMNBケージフルオレセイン SE | Invitrogen | C20050 | |
| 10 kDa Aminodextran | 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 | |
| Tricaineメチルスルホン酸/ MS222 | 研究用有機物 | 1347A | |
| 抗フルオレセイン-AP | ロシュ グループ | 11376622 | |
| ブロッキングバッファー | ロシュ グループ | 11 096 176 001 | |
| マレイン酸 | Sigma-Aldrich | MO375-500G | |
| パラホルムアルデヒド | 電子顕微鏡 科学 | 15714 | |
| NBT | Sigma-Aldrich | I8377-250mg | |
| BCIP | フィッシャーサイエンティフィック | PI-34040 | |
| マイクロインジェクター | ハーバード装置 | PLI-2000 | |
| LabTek チャンバーカバーガラススライド | ナルゲ Nunc 国際 | 155380 | |
| プロテイナーゼ K | Invitrogen | AM2544 | |
| ラム血清 | Invitrogen | 16070096 | |
| LSM510 META NLO | カールツァイス株式会社 | ||
| 20X 0.8 NA エアアポクロマート対物レンズ | Carl Zeiss, Inc. | ||
| 透明イエローフィルター | シアターハウス株式会社 | Roscoluxフィルターシートカラー:312 |
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