この記事では、ショウジョウバエのphiC31インテグラーゼ媒介トランスジェネシスを例に、トランスジェニックフライを作成するための重要なステップである胚マイクロインジェクションの最適化されたプロトコルを紹介します。
方法論記事
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この記事では、ショウジョウバエのphiC31インテグラーゼ媒介トランスジェネシスを例に、トランスジェニックフライを作成するための重要なステップである胚マイクロインジェクションの最適化されたプロトコルを紹介します。
ショウジョウバエのトランスジェネシスは、生物レベルで遺伝子機能を研究するための重要なアプローチです。胚マイクロインジェクションは、トランスジェニックフライの構築にとって重要なステップです。マイクロインジェクションには、マイクロインジェクター、マイクロマニピュレーター、倒立顕微鏡、実体顕微鏡など、いくつかの種類の機器が必要です。プラスミドミニプレップキットで単離されたプラスミドは、マイクロインジェクションに適しています。核が共通の細胞質を共有する前胚盤葉期または合胞体胚盤葉期の胚は、マイクロインジェクションを受けます。細胞ストレーナーは、胚の解体プロセスを容易にします。胚の解体と乾燥の最適な時期は、実験的に決定する必要があります。胚マイクロインジェクションの効率を高めるためには、プーラーで調製した針をニードルグラインダーで面取りする必要があります。針を研削する工程では、針先の毛細管現象を避けるために、圧力計付きのフットエアポンプを利用します。各プラスミドに対して120〜140個の胚を定期的に注入し、プラスミドの約85%に対して少なくとも1つのトランスジェニックラインを取得します。この記事では、ショウジョウバエのphiC31インテグラーゼ媒介トランスジェネシスを例にとり、ショウジョウバエのトランスジェネシスのための胚マイクロインジェクションの詳細なプロトコルを紹介します。
ショウジョウバエDrosophila melanogasterは、遺伝子操作と遺伝子分析に非常に適しています。トランスジェニックショウジョウバエは、生物学研究で広く使用されています。1980年代初頭に開発されて以来、P-elementトランスポゾンを介したトランスジェネシスはショウジョウバエの研究に不可欠でした1。いくつかのシナリオでは、piggyBacやMinosなどの他のトランスポゾンがショウジョウバエのトランスジェネシスにも使用されています2。トランスポゾンを介した導入遺伝子は、ショウジョウバエのゲノムにランダムに挿入され、異なるゲノム遺伝子座における導入遺伝子の発現レベルは位置効果により異なる場合があり、したがって比較することはできません2。これらの欠点は、phiC31を介した部位特異的トランスジェネシス3によって克服されました3。バクテリオファージphiC31遺伝子は、ショウジョウバエ3のattB部位とattP部位間の配列特異的な組換えを媒介するインテグラーゼをコードしています。多くのattPドッキングサイトが特徴付けられており、ブルーミントンショウジョウバエストックセンター3,4,5,6,7,8,9で利用できます。
ショウジョウバエのphiC31トランスジェネシスシステムは、ハエコミュニティで広く使用されています。attPドッキング部位のうち、X染色体上のattP18、第2染色体上のattP40、および第3染色体上のattP2は、通常、各染色体上の導入遺伝子統合に適した部位です。なぜなら、3つの部位の導入遺伝子は、基礎発現のレベルが低い一方で、誘導可能な発現のレベルが高いためです5。しかし最近、van der Graafらは、Msp300遺伝子座に近いattP40部位とattP40に統合された導入遺伝子が、ショウジョウバエ10の幼虫の筋核クラスタリングを引き起こすことを発見しました。最近の別の研究では、Duan氏らは、ホモ接合型のattP40染色体が、ショウジョウバエ11のOr47b嗅覚受容体ニューロンクラスの正常な糸球体組織を破壊することを発見しました。これらの知見は、実験を設計し、データを解釈する際には、厳密な管理を含めるべきであることを示唆している。
ショウジョウバエは、ライフサイクルが短く、低コストで、メンテナンスが容易なため、遺伝子機能のin vivo調査に理想的なモデル生物です。ゲノムワイドな遺伝子スクリーニングは、ショウジョウバエ12,13,14,15のゲノムワイドなトランスジェニックライブラリーの構築に依存しています。私たちはこれまでに、Drosophila Genomics Resource Center(DGRC)Gold Collection16でヒトに保存されているショウジョウバエ遺伝子の83%をカバーする、バイナリGAL4/upstream activating sequence(GAL4/UAS)システムに基づく5551のUAS-cDNA/ORFコンストラクトを生成しました。UAS-cDNA/ORFプラスミドは、ショウジョウバエのトランスジェニックUAS-cDNA/ORFライブラリーの作成に使用できます。効率的な胚マイクロインジェクション技術は、トランスジェニックフライライブラリの作成を加速することができます。
胚マイクロインジェクションの場合、針先は通常、カバースリップ17に対して折れている。そのため、針が詰まったり、細胞質が大量に漏れたりすることが多く、これらの問題が発生した場合には、新たな針を用いなければなりません。面取り針はマイクロインジェクションの効率を高めることができますが、研削プロセス中に研削液が面取りされた先端に入ります。斜めの先端の粉砕液は、自然にすぐには蒸発しません。そのため、面取り直後のマイクロインジェクションには針を利用できません。 これらの要因は、胚マイクロインジェクション手順の効率を低下させます。ここでは、 ショウジョウバエ におけるphiC31を介した部位特異的トランスジェネシスを例に、 ショウジョウバエにおけるトランスジェネシスのための胚マイクロインジェクションのプロトコールを提示する。研削液が針に入らないように、エアポンプで針内に空気圧をかけることで、面取りした先端に研削液が入らないようにしています。面取りされた針は、面取り後すぐにサンプルのローディングとマイクロインジェクションの準備ができています。
1. プラスミドの調製
2.針を引く
3.研削針(図1)
4. プラスミドをロードするためのピペットの準備
5.胚の収集
6.胚の脱葉
7. 胚の整列
8.乾燥胚
9. 胚のマイクロインジェクション
10.幼虫の収集
11. トランスジェニックフライの入手
注射針の先端は、ニードルグラインダーによって面取りされます(図1)。1時間で50〜60本の針を面取りできます。DNAは、核が共通の細胞質を共有する胚盤葉前胚盤葉または合胞体胚盤葉期で胚の後部にマイクロインジェクションされます(図2A)。胚の後部は、胚の前方にあるマイクロパイルに基づいて容易に位置を特定できます(図2A)。細胞胚盤葉および原腸陥入期の胚は、これらの段階で各核が細胞膜に囲まれているため、トランスジェニックハエを得る可能性はほぼゼロであるため、注射には使用できません(図2B)。過度に乾燥した胚は、穿刺すると変形し、マイクロインジェクションには使用できません(図2C)。乾燥が不十分な胚は、針で突くと大量の細胞質が押し出される可能性があり(図2D)、胚の生存率が低下します。適切に乾燥された胚は、注入時に少量の細胞質を漏らす場合と漏らさない場合があります(図2E)。
phiC31インテグラーゼを発現し、このプロトコルで胚のマイクロインジェクションに使用されるattP2ドッキング部位を持つ ショウジョウバエ の系統には白目があり(図3A)、この遺伝子型の老化したハエは、眼に特異的に発現する蓄積された赤色蛍光タンパク質に起因するピンクの目を持っています(図3B)。 私たちは、ショウジョウバエのトランスジェネシスの選択的マーカーとしてミニホワイト遺伝子を使用し、トランスジェニックハエは淡黄色から赤色までの眼の色で識別されます。attP2ドッキング部位に導入遺伝子を持つトランスジェニックハエはオレンジ色の目をしており(図3C)、導入遺伝子を持たないハエと容易に見分けることができます。

図1:針の研削 (A) 圧力計付きのフットエアポンプを使用して、針に空気圧を加えます。(B)針は、研削板の表面に対して35°の角度でニードルグラインダーに取り付けられています。(C)粗い調整ノブを使用して針先を研削プレートの表面のすぐ上に配置し、次に微調整ノブを使用して先端の面取りを開始します。(D)引っ張った針の先端を顕微鏡で観察します。スケールバー = 10 μm. (E) 斜めの針を顕微鏡下に置いたところ。針の斜めの先端は矢印で示されます。スケールバー = 10 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:マイクロインジェクションに適した ショウジョウバエ の胚 (A)胚盤葉前または合胞体胚盤葉の段階にある ショウジョウバエ の胚は、赤い楕円で示される胚の後極に注入することができる。胚の前極にあるマイクロパイルは矢印で示されています。(B)細胞胚盤葉期の ショウジョウバエ の胚は、マイクロインジェクションには使用できません。(C)過度に乾燥した胚は変形して見えます。(D)胚の乾燥が不十分な場合、注入後に大量の細胞質漏出を引き起こします。(E)注射を成功させるために、少量の細胞質が漏れることがあります。スケールバー = 50 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:attP2ドッキング部位に導入遺伝子を持つトランスジェニック ショウジョウバエ の眼の色。 (A)phiC31インテグラーゼ(vas-phiC31;+;attP2)を発現するattP2注射ラインには白目があります。眼に特異的に発現するRFPは、phiC31導入遺伝子の選択的マーカーとして使用されます。(B)phiC31インテグラーゼを発現する老朽化したattP2注射ラインは、眼に蓄積したRFPタンパク質に起因するピンクアイを有する。(C)attP2ドッキング部位に統合された導入遺伝子を持つハエは、オレンジ色の目を有する。スケールバー = 100 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足表1:100の異なるプラスミドの胚マイクロインジェクションに起因する ショウジョウバエ のトランスジェネシス。 20 ng/μLから1683 ng/μLまでのさまざまな濃度の合計100種類のプラスミドを胚に注入し、100種類のプラスミドのうち85種類についてトランスジェニックフライを得ました。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表2: ショウジョウバエのトランスジェネシスに対する胚マイクロインジェクションの効率。 合計120種類のプラスミドを胚に注入し、120種類のプラスミドのうち101種類についてトランスジェニックハエを得ました。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ここでは、 ショウジョウバエのトランスジェネシスのための胚マイクロインジェクションのプロトコルを紹介します。phiC31を介した部位特異的トランスジェネシスについては、各プラスミドに対して120〜140個の胚を注入し、プラスミドの約85%に対して少なくとも1つのトランスジェニックラインを取得しました(補足表2)。私たちの経験では、ショ ウジョウバエのトランスジェネシスには、プラスミドミニプレップキットによって単離されたプラスミドDNAで十分です。20 ng/μLから1683 ng/μLの範囲のプラスミドDNA濃度は、ほとんどのプラスミドDNAがトランスジェニックフライを産生できるため、トランスジェネシスの成功率に明らかな影響を及ぼさない可能性があります(補足表1)。
注射針の調製は、効率的な胚マイクロインジェクションにとって重要です。注射針は、針引き手によって引っ張られた後、閉じられます。 ショウジョウバエにおける日常的なphiC31媒介性トランスジェネシスの場合、針の先端は通常、カバースリップによって折られます17。しかし、ランダムに折れた針は、詰まったり、大量の細胞質の漏出を引き起こしたりして、注入中に新しい針と交換しなければならないため、胚マイクロインジェクションにはあまり適していないことがよくあります。グラインダーで先端を面取りした注射針は、通常、詰まったり、大きな細胞質漏れを引き起こしたりしないため、針の交換頻度を減らすことができます。研削中に先端が開くと、研削液が針の斜めの先端に入る可能性があることに気づきました。一度針に入ると、粉砕液はすぐに自然に乾くことはありません。粉砕液の吸い上げを防ぐため、圧力計付きのフットエアポンプにインジェクションニードルを接続しています。 針先を研削する際には、エアポンプで針に空気圧をかけることで、面取りした先端に研削液が入るのを防ぎ、面取り針をすぐに使えるようにしています。一緒に、圧力計を備えたフットエアポンプは、特に多数のプラスミドについて 、ショウジョウバエ のトランスジェネシスを加速するのに役立つはずです。
胚盤葉前または合胞体胚盤葉の段階で胚を同定することは、マイクロインジェクション19,20にとって重要です。なぜなら、後の段階で胚を注入してもトランスジェニックハエはほとんど生成されないからです。生後10日未満のハエは、古いハエよりも多くの卵を産む傾向があるため、産卵に使用されます。胚を解体する過程では、細胞ストレーナーを利用して、胚の漂白剤処理と二重蒸留水すすぎを簡素化します。胚のすすぎ後、浮遊胚は卵殻が十分に処理され、その後のマイクロインジェクションに使用できることを示しています。胚のデコレーションと乾燥時間の両方がマイクロインジェクションにとって重要であり、デコレーションや乾燥時間が長くなると胚が死滅する可能性があるため、実験的に最適化する必要があります。脱毛と乾燥時間は、場所や時々異なる温度と湿度の影響を受けるため、胚の孵化率に基づいてそれに応じて調整する必要があります。
著者は何も開示していません。
この研究は、南中国大学のハイレベルタレントのための科学研究基金の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 100 μm セルストレーナー | ネスト | 258367 | |
| 3M 両面接着剤 | 3M | 415 | |
| ホウケイ酸ガラス | SUTTER | B100-75-10 | |
| ダイヤモンド研磨板 | SUTTER | 104E | |
| FLAMING/BROWN マイクロピペットプーラー | SUTTER | P-1000 | |
| 圧力計付きフットエアポンプ | 神豊 | SF8705D | |
| ハロカーボンオイル 27 | Sigma | H8773 | |
| ハロカーボンオイル 700 | Σ | H8898 | |
| 倒立顕微鏡 | ニコン | ECLIPSE Ts2R | |
| マイクロインジェクションポンプ | eppendorf | FemtoJet 4i | |
| マイクロマニピュレーター | eppendorf | TransferMan 4r | |
| マイクロピペット ベベラー | SUTTER | BV-10 | |
| 顕微鏡カバーガラス(18 mm x 18 mm) | CITOLAS | 10211818C | |
| 顕微鏡スライド(25 mm x 75 mm) | CITOLAS | 188105W | |
| シャーレ(90 mm x 15 mm) | LAIBOER | 4190152 | |
| Photo-Flo 200 | Kodak | 1026269 | |
| QIAprep Spin Miniprep Kit | Qiagen | 27106 | |
| ステレオ顕微鏡 | ニコン | SMZ745 |
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