キイロショウジョウバエの胚と幼虫の収集、準備法

JoVE Science Education
Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Science Education Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans
Drosophila melanogaster Embryo and Larva Harvesting and Preparation

52,299 Views

08:14 min
April 30, 2023

Overview

キイロショウジョウバエの胚と幼虫は、操作がしやすく成長が早いという特徴を持ちます。そしてその発生メカニズムはヒトを含む他の生物と類似しています。こういった理由から、ハエの胚と幼虫は、行動から発生生物学に至るまで様々な分野の研究に貢献しています。しかしながら、これらを用いた実験を行うには、まずその胚と幼虫の収集が不可欠となります。

このビデオではまず寒天培地上のショウジョウバエ胚を収集するための「産卵カップ」の使用法について説明しています。その後胚の採取、dechorionationという胚の外膜を取り除く工程をご覧いただきます。次に、胚期に続く3段階の幼虫期でのショウジョウバエの識別、操作方法を説明しています。最後に、これらショウジョウバエ胚と幼虫の生物学実験への応用例をいくつか紹介しています。

Procedure

キイロショウジョウバエの胚と幼虫は操作がしやすく、また、哺乳類と発生過程が類似しています。 胚と幼虫の収集、準備方法を学ぶことは、行動生物学から発生生物学に至る多くの実験プロセスで大切な準備段階です。 このビデオでは、ショウジョウバエの胚と幼虫の収集、採取の標準的な手法と、この多彩なモデル生物の重要な適用について話していきます。

ショウジョウバエの胚は、卵母細胞内の勾配として発現するmRNAに始まり、前後体節形成ボディプランを形成する遺伝子に至るまで、どの遺伝子により発生が制御されているかを洞察するための研究材料となります。 例えばホメオボックス遺伝子のようないくつかの遺伝子は、昆虫と哺乳類の間で高度に保存されています。 豊かな自然界のショウジョウバエの 胚は、厳しい環境やケミカルにも強く、研究に極めて実用的です。

受精後、一匹のメスのハエは一日に100個の胚を作り出し、その12~15時間後には、幼虫にふ化します。

ショウジョウバエの胚を操作するためには、まず胚を収集しなくてはなりません。

胚は、産卵カップと呼ばれる産卵箱で収集します。 産卵カップは、容器に穴をあける、もしくは一部をカットし、そこを通気性のある多孔質材で覆います。 それから、りんご又はぶどうジュース寒天培地を用意し、酵母ペーストでストリーキングします。 酵母ペーストは産卵を誘導します。

素早くハエを産卵箱に入れ、箱をひっくり返します。 それにより培地が底になり、培養可能になります。 適切な時間培養したら、産卵箱を再びひっくり返し、台の上で数回叩きます。 ハエは底に落ち、軽く見当識障害を起こします 。 酵母ペーストで層をつくった新しい寒天培地に素早く交換します。 最も適した胚を収集するために、培地は1から3時間毎に交換します。 培地上、特に画線と酵母の近くに、何百もの胚を得ることができます。 メスとオスそれぞれ20匹のハエは、一時間で100から200個の胚を作り出します。

素早くハエを産卵箱に入れ、箱をひっくり返します。 それにより培地が底になり、培養可能になります。 適切な時間培養したら、産卵箱を再びひっくり返し、台の上で数回叩きます。 ハエは底に落ち、軽く見当識障害を起こします 。 酵母ペーストで層をつくった新しい寒天培地に素早く交換します。 最も適した胚を収集するために、培地は1から3時間毎に交換します。 培地上、特に画線と酵母の近くに、何百もの胚を得ることができます。 メスとオスそれぞれ20匹のハエは、一時間で100から200個の胚を作り出します。

胚の回収に必要な道具は、多様な大きさ、形状のろ過器又はふるい、絵筆、蒸留水です。 まず、培地を蒸留水に浸し、胚をほぐし、絵筆で表面を優しくブラッシングします。 次に、その混合物をふるいにかけ、液体を除去します。 胚を水で洗います。

その後dechorionationと呼ばれる、胚の硬い外膜である絨毛膜(じゅうもうまく)又はコリオンを取り除く作業をします。

Dechorionationとは、絨毛膜から胚を切り出すことです。 代わりに、50%漂白剤に胚を浸すこともできます。 絨毛膜が溶けるまで2分から10分かかります。 付属肢が消失するまで行います。 漂白剤による損傷が無いか確認するため、むき出しになった胚を蒸留水でしっかりと洗い流します。 Dechorionationは、マイクロインジェクションやライブセルイメージングをするために必須となります。

ここまでで、胚の生態、収集、採取法について何となく理解できたと思います。 次のステージは、ショウジョウバエ幼虫期です。

ショウジョウバエの幼虫期は、さらに3段階に分かれます。 最初の1日は1齢、次の1日が2齢、その次の2日間が3齢幼虫です。 1齢、2齢幼虫は、交配後1日から3日バイアル中のエサ周辺に現れます。 4日目には、3齢幼虫が容器の壁を登り出します。そこで、 蛹になります。

幼虫は、成虫原基をもつため頻繁に実験に用いられます。 成虫原基とは、 部分的に発生した器官で、すでに成虫における発生運命が決定されています。 例えば、眼成虫原基は成虫のハエの眼に、触角原基は触角に、羽原基は羽になります。 羽成虫原基の研究は、ショウジョウバエのパターン形成に関するホメオボックス遺伝子の役割などの発見につながっています。

幼虫の収集は、ハエを移動させる必要がないので胚に比べ簡単です。

ピンセット又はスパチュラを使って、幼虫を移動させます。 大量に初期の幼虫を集めるときには、ショ糖液を用いた方法を使います。 ショ糖液の密度が高く、幼虫が浮くので、収集できます。

ショ糖液をバイアルに加えると、幼虫が浮き上がってきます。 ローテータでバイアル内の餌を除去します。 それからブラシかピペットを使って幼虫を移動させ、実験用に採取します。

ここまで、胚と幼虫の収集、採取方法について取り上げてきました。 次に実験への応用について見ていきましょう。

ショウジョウバエの幼虫は移動性が高く、行動実験に適用されます。

これは、クローリングアッセイです。 ある条件下でのショウジョウバエの自発運動を評価できます。 クローリングアッセイでは、幼虫の移動距離を測定し、運動機能における薬の効果を調べることができます。 収集した幼虫を、運動性を妨げるショ糖液に浸します。

マイクロインジェクションは、カスタマイズした環状プラスミドDNAを導入することで、遺伝子組み換えしたハエを作成する手法です。

胚を両面テープ上で転がし、絨毛膜を物理的にはずすことができ、化学物質等によるダメージの心配がありません。 それから、GFPのような蛍光レポータータンパク質がチューブリンに発現するようにコードされたプラスミドを導入します。 その後、そのトランスジェニックフライラインを用いて、有糸分裂などの細胞プロセスを観察できます。

蛍光in situ(イン サイチュ)ハイブリダイゼーション法で転写産物を観察できます。

この実験では、胚全部を使い、目的のmRNA転写産物を観察しています。 dechorionation用二層性溶液を用いることで、胚が固定され、そのまま染色できます。 胚は下層にいきます。 免疫蛍光染色後、蛍光顕微鏡で目的タンパク質の存在を確認できます。

今回のJove、胚と幼虫の収集、準備方法編では、胚と幼虫の採取と準備過程、そして初期の器官形成に関わる重要な研究応用について学びました。 ご覧いただきありがとうございました。

Transcript

Drosophila melanogaster embryos and larvae are easy to manipulate and their development is guided by mechanisms that exist in other organisms, including mammals. Learning to harvest and prepare embryos and larvae is a preliminary step in many experimental processes from behavioral to developmental biology. This video will cover the standard methods for collecting and harvesting Drosophila embryos and larvae, essential procedures in the use of this versatile model organism.

The study of the Drosophila embryo has provided great insight into the manner by which genes regulate development, from the mRNA that is expressed as a gradient in the oocyte, to the genes that form the anterior-to-posterior segmented body plan. Some of these genes, like the homeobox genes are highly conserved between this insect and mammals.

The hearty nature of Drosophila embryos allows them to withstand exposure to harsh environments and chemicals, which makes them extremely practical to study.

After fertilization one female fly can lay up to 100 embryos per day, which will hatch into larvae after 12-15 hours.

In order to manipulate Drosophila embryos, they must first be collected.

Embryos are collected in egg-laying chambers often referred to as “egg-laying cups”.

To assemble the laying cup, first poke holes or cut out part of a container and cover it with porous material to allow for ventilation. Then obtain an apple or grape juice agar plate, streak it with yeast paste, and scratch the plates in the center. The presence of yeast paste will induce egg laying.

Quickly add flies to the egg-laying chamber, invert the chamber so the plate is at the bottom, and allow it to incubate. After the desired incubation time invert the egg chamber and bang it on the bench top a few times. The flies fall to the bottom and are briefly disoriented. Quickly replace the old agar plate with the fresh plate layered with the yeast paste. To acquire the best-aged embryos change the plates every 1-3 hours.

Plates will have hundreds of embryos, especially near the scratches and yeast.

20 flies of each sex should produce 100-200 embryos per hour. Now the embryos can be harvested.

The tools needed for embryo harvesting are a strainer or sieve, which can vary greatly in size and complexity, a paintbrush, and distilled water.

First, loosen embryos by immersing the plate with distilled water, gently brushing the surface with a paintbrush. Next, filter out liquid by pouring the mixture into the sieve. Rinse the embryos with water.

Rinsing is often followed by dechorionation — the removal of the hard outer membrane of the embryo, or chorion.

Dechorionation can be done manually via a dissection of the embryo out of the chorionic sheath. Alternatively, embryos can be placed into 50% bleach. It takes 2-10 minutes for the chorion to dissolve, as noted by the disappearance of the dorsal appendages. Rinse thoroughly with distilled water to make sure the naked embryo is undamaged by bleach. Dechorionation is a prerequisite to techniques like microinjection and live cell imaging.

Now that you have gotten a sense of embryo biology, collection, and harvesting, let’s move on to the next stage in the Drosophila life cycle: larvae.

Drosophila larvae have three “instar,” or molting, stages. The first instar lasts one day, the second another day, and the third two more days. First and second instar larvae are found in the food of the vial 1-3 days after setting up a cross. On the 4th day, third instar larvae migrate up, or “wander” up the sides of the container, where they will ultimately form cocoons called pupae.

Larvae are often used for experimentation because of their imaginal discs. Imaginal discs are partially developed organs that are known to become whole parts of the adult fly. For example, an imaginal eye disc will become an adult eye, antennal discs will become antennae, and imaginal wing discs will become wings. The study of imaginal discs has led to important discoveries in Drosophila, such as the role of homeobox genes in pattern formation.

Larvae collection is simpler than embryo collection, because it does not require the transfer of flies into special housing.

Individual larva can be removed with tweezers or a spatula. When collecting a large number of early stage larvae you can employ an alternative collection method using a sucrose solution, which is more dense than the larvae and causes them to float.

Add sucrose solution to the vial, which buoys larvae to the top. Dislodge the food by placing the vial on a rotator. Then remove larvae with a brush or pipette and harvest for experiments.

Now that we’ve covered collection and harvesting techniques for embryos and larvae, now let’s see how to apply them to experimentation.

Since they are mobile, Drosophila larvae can be used for behavioral experiments.

Here you see a “crawling assay”, which is used to evaluate Drosophila locomotor behavior under specific conditions. The crawling assay measures the distance the larva travels, in order to observe the effects of a drug on motor function. Collected larvae are immersed in a drugged sucrose solution that is predicted to interfere with motility.

Microinjection is a procedure for creating genetically modified fruit flies, known as transgenic mutants, by inserting customized genetic material in the form of a circular DNA plasmid.

These embryos are dechorionated by physically rolling them on double-sided tape so chemicals won’t damage them. Embryos can then be injected with plasmids that encode proteins, like tubulin, fused with fluorescent reporter proteins, like GFP. Experiments can then be performed to visualize cellular processes like mitosis from established transgenic fly lines.

Embryos can be used to visualize the presence of transcripts through fluorescent in situ hybridization.

In this experiment, whole embryos are observed for the presence of a desired mRNA transcript via fluorescence microscopy. The embryos are fixed using a biphasic solution that dechorionates, and therefore prepares the embryo for staining. The naked embryos are on the bottom layer. After immunofluorescent staining, the presence of the desired protein can be seen using fluorescence microscopy.

You’ve just watched JoVE’s embryo and larva harvesting and preparation video. We reviewed the collection, harvesting, and preparation of embryos and larvae and some important applications applied to the early stage organisms. Thanks for watching!