細胞分裂は細胞分裂であり、セルの遺伝物質が 2 つの娘細胞の間均等に分割されます。分裂は、その染色体などの細胞の成分が視覚的にはっきり特性を示すそれぞれの中に、六つの段階に分けることができます。蛍光の進歩ライブ細胞イメージング科学者のこのプロセスは、どのようにそれは癌などの病気でうまくいかないかもしれない生物的防除に重要な洞察を提供する非常に詳細にこのプロセスを調査することができた。
このビデオをまず有糸分裂の段階を破壊し、生きているセルイメージ投射を使用して、プロセスの最適な可視化のためのいくつかの重要な考慮事項を紹介しています。次はイメージング実験ライブ細胞分裂を実行するための手順を歩くし、モンタージュや映画の 3 D レクリエーションの世代を含む、さまざまな分析方法を話し合います。最後は細胞生物学の質問に答えるに有糸分裂のプロセスの可視化を適用する方法を見てください。
細胞分裂は細胞周期中に発生する核量の非常に整頓されていた、制御部門です。有糸分裂は適切な個体の開発、および組織の増殖、保守、および修理のために根本的に重要です。このプロセスの混乱は、がんのような特定の病気にされています。タイムラプス蛍光顕微鏡でライブセル イメージングは、ラボでの有糸分裂を調査する今日の最も一般的な方法の 1 つです。
このビデオで、有糸分裂の段階をご紹介し、この細胞プロセスの生きているセルイメージ投射の実験的考慮事項をについて説明します。詳細なデータ集録/解析プロトコルが表示され、私達はこの手法のいくつかのアプリケーションを包むでしょう。
科学者がこれらのイメージング実験で探しているものを理解、最初、有糸分裂の段階を通って歩きます。
細胞周期は、細胞の成長と分裂の全体的なプロセスを説明します。分裂期は六つの段階に分けることできますこのサイクルの 1 つの短い部分を表す: すなわち前期、prometaphase、中期、後期、終期、および細胞質分裂。
前期の間に DNA 凝縮して妹に染色分け体は動原体で参加しています。質で 2 つのキー中心微小管構造の組み立てを開始すると呼ばれる細胞小器官-紡錘繊維としてよく知られている-車輪のようなパターンで。
次の段階は、prometaphase、原子膜の破壊と、セントロメアで動原体として知られている蛋白質の複合体のアセンブリが表示されます。このフェーズは、動原体と紡錘繊維のリンケージを目撃します。
染色、染色体は、中期のプレートは、2 つのセントロメアから等距離にある仮想平面でラインアップします。後期では、間に染色体”離れて”破る個々 の妹、セントロメアで染色分け体セルの反対側に移行します。終期、紡錘を逆アセンブルし、クロマチンが脱凝縮したりし始めます。最後に、細胞質分裂時に-「胸の谷間ファロー」を形成するアクチン/ミオシン リングの収縮を介して — 親細胞が 2 つの娘細胞に分裂します。
このような細胞分裂の進行の理解、ライブセル イメージングを使用して、このプロセスを表示するための実用的な考慮事項を見てをみましょう。
求める最初の質問は: 有糸分裂を視覚化するために細胞をラベルする方法ですか?この実験のための最も一般的に使用される「タグ」は、1 つの波長の光を吸収し、別の波長の光を発する蛍光分子です。
核酸ラベルするために、1 つは細胞透過性 DNA 結合色素、ヘキストのようなを使用できます。微小管などタンパク質をラベルには、1 つは蛍光付けられた抗体を使用できます。これらは一般に不浸透性、膜で、サンプルにそれらを挿入するマイクロインジェクション技術を採用するため。
別の戦略は遺伝標識細胞分裂、染色体などに積極的に関与するコンポーネントのラベルの蛍光付けられた蛋白質を表現する細胞を操作ことができます。蛍光分子を操作する場合は、光退色を避けるために過度の暴露を避ける必要があります。
右の顕微鏡を選択は重要です。2 つの最も一般的に使用される顕微鏡、epifluorescent および共焦点。Epifluorescent または広視野顕微鏡共焦点顕微鏡による単一点に光を集中するレーザーを使用しますが、全体視野を光を渡します。
Epifluorescent 顕微鏡は通常より安く、ポイント照明提供増加の光学解像度、鮮明な画像を生成するので、共焦点顕微鏡が優先されます。照明の一点も、光毒性を軽減または光に過度の露出によって引き起こされる細胞死を増加します。
今ではいくつかの実験的考察を確認しましたところ、ライブセル イメージング有糸分裂を可視化する実験を実行する方法を見てみましょう。
ガラス底培養皿または coverslips 有糸分裂の最高の可視化を可能にする、細胞を培養する必要があります。次に、ラベル付けが実行されるまで制御された環境ではこのフィールドに維持する必要があります。前述のとおり、標識法の選択は、手での実験によって異なります。ラベル付け後に顕微鏡を専用チャンバーに細胞培養皿を配置します。これにより、細胞イメージング中維持する培養条件。
次に、ラベリングの分子によって顕微鏡を励起し、発光波長を設定します。データ集録のセットアップ時間ポイント、イメージの位置をキャプチャします。ここで、タイム ポイント、画像がすべて分裂段階のビジュアルを完全にカバーを提供するために取得するインスタンスです。位置は培養皿上の X と Y 座標を参照してください。さらに、各位置の 1 つはフィールドの異なる深さで画像を取得できます。各画像は、z 軸上の光学的スライスを表します。したがって、彼らは総称して Z スタックと呼ばれます。すべてのパラメーターを入力した後設定をテストして、後ろに座るし、お楽しみください!
時間経過のデータを取得、それを提示するいくつかの方法があります。これらの方法のいくつかを説明しましょう。
モンタージュは、時間に基づいてグリッドのようなパターンで複数の画像を配置する場所、時間経過のデータを表示する最も一般的な方法の 1 つです。これらは明らかに細胞分裂の進行を表示することができます、個々 の細胞分裂の段階で費やされた時間などの情報を確認する研究者を許可します。「映画」を作るため、シーケンシャルにこれらの画像を組み合わせることはより動的なプレゼンテーションをすることができます。
最後に、サンプルの 3 D レクリエーションを提示する共焦点顕微鏡を用いて Z スタックを結合できます。これは正確に細胞分裂の機械の部分間の空間関係を明らかにできます。2 D で隣同士に見えるコンポーネントが 3 次元で遠く離れて実際にありますので、これは重要です。
今、ライブセル イメージング実験を実行する方法を知っていると、この手法のいくつかのアプリケーションを確認してみましょう。
有糸分裂は開発の重要な部分です。ここでは、研究者はマウス萌芽期の神経前駆細胞の細胞分裂を観察する脳を分離しました。これらの細胞の制御部門は、適切な脳の発育や機能に不可欠です。次の分離、脳は神経前駆細胞の有糸分裂を明確に可視化する vibratome、膜透過性の核酸結合色素で染色し、共焦点顕微鏡によるイメージングを使用して断面でした。
DNA 修復は細胞増殖と分裂に関与する重要な細胞プロセスです。この実験では、研究者は、DNA 損傷に応答で作成したフォームの巣、点状のスポットである DNA 修復タンパク質を研究しました。生細胞イメージング、3 D 解析の結果には、細胞分裂の過程で DNA 修復タンパク質の局在化が強調表示されます。
最後に、研究者の研究部門を続ける前に細胞の条件が評価されます「一時停止」のポイントである分裂チェックポイント。有糸分裂、紡錘アセンブリ チェックポイントまたは嚢、有糸分裂紡錘体と染色体との間の適切な接続を保証します。これを調査するには、科学者は、遺伝子組換えハエの胚に SAC を誘発する試薬を microinjected、ライブセル イメージングを使用して有糸分裂を分析します。結果は、逮捕された体、有糸分裂を経て進行する発生しているセルを示すを表示します。
有糸分裂の生きているセルイメージ投射のゼウスのビデオを見てきただけ。有糸分裂の段階については、次は、このビデオは生きているセルイメージ投射の重要な考慮事項とデータ解析技術を導入しました。最後に、この手法の適用が発表されました。生きている細胞イメージングは大幅に開発、組織維持、病気に関連する細胞分裂のメカニズムの理解の科学者を助けています。いつも見てくれてありがとう!
Mitosis is the highly organized and controlled division of nuclear contents that occurs during the cell cycle. Mitosis is fundamentally important for proper organismal development, and for tissue growth, maintenance, and repair. Disruption of this process has been indicated in certain diseases, like cancer. Live cell imaging via time-lapse fluorescent microscopy is one of the most common methods of studying mitosis in labs today.
In this video, we’ll briefly introduce the phases of mitosis, and then discuss experimental considerations for live cell imaging of this cellular process. A detailed data acquisition and analysis protocol will be shown, and we’ll wrap up with a few applications of this technique.
To better understand what scientists are looking for in these imaging experiments, let’s first walk through the stages of mitosis.
The cell cycle describes the overall process of cell growth and division. The mitotic phase represents one short portion of this cycle, which can be further broken down into six phases: namely prophase, prometaphase, metaphase, anaphase, telophase, and cytokinesis.
During prophase, the DNA condenses into sister chromatids joined at the centromere. In the cytoplasm, two key organelles referred to as centrosomes begin assembling microtubule structures—commonly known as spindle fibers—in a wheel-like pattern.
The next phase, prometaphase, sees the breakdown of the nuclear membrane, and assembly of a complex of proteins, known as the kinetochore, at the centromeres. This phase also witnesses the linkage of the spindle fibers with the kinetochore.
In metaphase, the chromosomes line up at the metaphase plate, an imaginary plane equidistant from the two centromeres. During anaphase, chromosomes “break apart” at the centromere, with individual sister chromatids migrating to the opposite ends of the cell. In telophase, the mitotic spindle disassembles and the chromatin begins to decondense. Finally, during cytokinesis—via contraction of an actin/myosin ring that forms the “cleavage furrow”—the parent cell divides into two daughter cells.
With this understanding of mitotic progression, let’s take a look at the practical considerations for viewing this process using live cell imaging.
The first question to ask is: how to label cells in order to visualize mitosis? The most commonly employed “tags” for this experiment are fluorescent molecules, which absorb light at one wavelength and emit light at another wavelength.
In order to label nucleic acids, one can use a cell permeable DNA binding dye, like Hoechst. For labeling proteins such as microtubules, one can use fluorescently tagged antibodies. These are generally membrane impermeable, and therefore microinjection techniques are employed to insert them into samples.
Another strategy is genetic labeling, in which cells can be manipulated to express fluorescently tagged proteins that label components actively involved in mitosis, such as chromosomes. When working with fluorescent molecules, you must avoid excessive exposure to light to avoid photobleaching.
Choosing the right microscope is an equally important decision. The two most commonly used microscopes are epifluorescent and confocal. Epifluorescent or wide field microscopy passes light over the entire field of view, while confocal microscopy uses lasers to focus light onto single points.
While epifluorescent microscopes are typically cheaper, confocal microscopes are preferred as the point illumination provides increased optical resolution, producing clearer images. The single point of illumination also reduces phototoxicity, or increased cell death caused by excessive exposure to light.
Now that we’ve reviewed some experimental considerations, let’s see how to run a live cell imaging experiment for visualizing mitosis.
Cells should be cultured on glass bottom dishes or on coverslips, which allows for the best visualization of mitosis. Next, they should be maintained in a controlled envioronment until labeling is performed. As mentioned earlier, the choice of labeling technique depends on the experiment at hand. After labeling, place the cell culture dish into the specialized chamber on the microscope. This allows cell culture conditions to be maintained during imaging.
Next, depending on the labeling molecule, set the excitation and emission wavelengths on the microscope. For data acquisition, setup time points and position for image capture. In this context, time points are the instances at which images will be acquired to provide complete visual coverage for all mitotic stages. Positions refer to the X-Y coordinates on the culture dish. In addition, for each position one can acquire images at different depths of field. Each image represents an optical slice on the Z-axis. Therefore, they are collectively known as Z-stacks. After entering all parameters, test the settings and then sit back and enjoy!
Having acquired the time-lapse data, there are several ways to present it. Let’s discuss a few of these ways.
A montage is one of the most common ways to present time-lapse data, where multiple images are arrayed in a grid-like pattern based on time. These can clearly show mitotic progression, and allow researchers to determine information such as time spent in individual mitotic phases. Combining these images sequentially to make a “movie” can be a more dynamic presentation.
Lastly, Z-stacks obtained using a confocal microscope can be combined to present a 3D recreation of a sample. This can accurately reveal spatial relationships between pieces of the mitotic machinery. This is important since components that look next to each other in 2D may actually be far apart in three dimensions.
Now that you know how to run a live cell imaging experiment, let’s review some applications of this technique.
Mitosis is an essential part of development. Here, researchers isolated embryonic mouse brains to observe mitosis in neural progenitor cells. Controlled division of these cells is critical for proper brain growth and function. Following isolation, brains were sectioned using a vibratome, stained with membrane permeable nucleic acid-binding dye, and imaged via confocal microscopy to clearly visualize mitosis of neural progenitor cells.
DNA repair is a critical cellular process that is involved in cell growth and division. In this experiment, researchers studied a DNA repair protein that forms foci, which are punctate spots created in response to DNA damage. Results of live cell imaging and 3D analysis highlighted the localization of the DNA repair protein throughout the cell division process.
Finally, researchers study mitotic checkpoints, which are “pause” points where cellular conditions are assessed before division continues. In mitosis, the spindle assembly checkpoint, or SAC, ensures proper connection between the mitotic spindle and the chromosomes. To study this, scientists microinjected SAC-inducing reagents into transgenic fly embryos, and analyzed mitosis using live cell imaging. Results show arrested kinetochores, demonstrating cells that fail to progress through mitosis.
You’ve just watched JoVE’s video on live cell imaging of mitosis. Following an introduction to the stages of mitosis, this video introduced important considerations and data analysis techniques for live cell imaging. Finally, applications of this technique were presented. Live cell imaging has substantially helped scientists in understanding mitotic mechanisms related to development, tissue maintenance, and disease. As always, thanks for watching!
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