기본 및 응용 연구에 널리 사용되는 전형적인 미세 소관 억제제는 세포에 광범위한 영향을 미칩니다. 최근에, 포토스타틴은 미세소관의 순간적, 가역적, 공간적으로 정밀하게 조작할 수 있는 광전환 가능한 미세소관 억제제의 부류로 부상하였다. 이 단계별 프로토콜은 3D 라이브 이식 전 마우스 배아에서 포토스타틴의 적용을 자세히 설명합니다.
방법 논문
기본 및 응용 연구에 널리 사용되는 전형적인 미세 소관 억제제는 세포에 광범위한 영향을 미칩니다. 최근에, 포토스타틴은 미세소관의 순간적, 가역적, 공간적으로 정밀하게 조작할 수 있는 광전환 가능한 미세소관 억제제의 부류로 부상하였다. 이 단계별 프로토콜은 3D 라이브 이식 전 마우스 배아에서 포토스타틴의 적용을 자세히 설명합니다.
미세 소관 세포 골격은 세포의 틀을 형성하며 세포 내 수송, 세포 분열 및 신호 전달의 기본입니다. 예를 들어, 노코다졸을 사용하는 유비쿼터스 미세 소관 네트워크의 전통적인 약리학적 파괴는 모든 세포에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 가역적으로 광전환가능한 미세소관 억제제는 약물 효과가 시공간적으로 조절된 방식으로 구현될 수 있게 함으로써 한계를 극복할 수 있는 잠재력을 갖는다. 이러한 약물 계열 중 하나는 아조 벤젠 기반 포토스타틴 (PSTs)입니다. 이들 화합물은 어두운 조건에서 비활성이며, 자외선으로 조명될 때, 이들은 β-튜불린의 콜히친-결합 부위에 결합하고 미세소관 중합 및 동적 턴오버를 차단한다. 여기서, 3차원(3D) 생이식 전 마우스 배아에 PSTs의 적용은 세포하 수준에서 미세소관 네트워크를 교란시키는 것으로 개시된다. 이 프로토콜은 실험 설정에 대한 지침뿐만 아니라 라이브 셀 공초점 현미경을 사용하는 PST에 대한 광 활성화 및 비활성화 매개 변수를 제공합니다. 이것은 재현성을 보장하고 다른 사람들이이 절차를 연구 질문에 적용 할 수있게합니다. PST와 같은 혁신적인 광 스위치는 동적 세포 내 미세 소관 네트워크에 대한 이해를 높이고 실시간으로 세포 골격을 비 침습적으로 조작하는 강력한 도구로 진화 할 수 있습니다. 또한, PST는 오가노이드, 블라스토이드 또는 다른 종의 배아와 같은 다른 3D 구조에서 유용하다는 것을 입증 할 수 있습니다.
미세소관 구조는 다양한 기능(1,2)을 지원하기 위해 다양한 세포 유형에 따라 크게 다릅니다. 성장과 수축의 역동적 인 특성은 세포 외 및 세포 내 단서에 신속하게 적응하고 끊임없이 변화하는 세포의 요구에 대응할 수있게합니다. 따라서, 그것은 세포 정체성에서 중요한 역할을하는 "형태 학적 지문"으로 간주 될 수 있습니다.
소분자 억제제를 이용한 미세소관 세포골격의 약리학적 표적화는 발달생물학, 줄기세포생물학, 암생물학 및 신경생물학 3,4,5,6,7에서 많은 근본적인 발견을 가져왔다. 이 접근법은 필수 불가결하지만 독성 및 오프 타겟 효과와 같은 다양한 한계를 제시합니다. 예를 들어, 가장 널리 사용되는 미세소관 표적화 제제 중 하나인 노코다졸은 강력한 미세소관-탈중합 약물(8)이다. 그러나, 노코다졸과 같은 소분자 억제제는 적용 시부터 활성이며, 많은 중요한 세포 기능에 미세소관 세포골격의 본질적인 성질을 고려할 때, 미세소관의 글로벌 탈중합은 오프 타겟 효과를 생성할 수 있으며, 이는 많은 응용에 부적합할 수 있다. 또한, 노코다졸 처리는 샘플이 약물로부터 세척되지 않는 한 돌이킬 수 없으며, 따라서 지속적인 라이브 이미징을 방지하고, 따라서 개별 미세소관 필라멘트의 정확한 추적을 방지한다.
광활성화 화합물의 개발은 광미적 분자의 생성과 함께 시작되었으며, 미세소관 성장 억제의 효과를 정밀하고 시공간적으로 제어되는 방식으로 표적화하고 모니터링하는 새로운 시대를 예고했다. 가역적으로 광전환 가능한 약물의 한 군인 포토스타틴(PSTs)은 콤브레타스타틴 A-4의 스틸벤 성분을 아조벤젠9로 대체하여 개발되었다. PST는 자외선으로 조명될 때까지 비활성이며, 이에 의해 비활성 트랜스-구성은 가역적 이성체화에 의해 활성 시스-구성으로 변환 된다. Cis-PST는 β-튜불린의 콜히친 결합 부위에 결합하여 미세소관 중합을 억제하고, β-튜불린과의 계면을 차단하고, 미세소관 성장(10)에 필요한 이량체화를 방지한다. PST의 코호트 중에서, PST-1P는 가장 높은 효능을 가지며, 완전히 수용성이며, 조명 후 생체 활성의 빠른 발병을 보여주기 때문에 납 화합물로 부상했다.
PST의 가장 효과적인 트랜스- 시스-이성체화는 360-420 nm 사이의 파장에서 발생하며, 이는 PST 활성화를 위한 이중 옵션을 가능하게 한다. 전형적인 공초점 현미경 상의 405nm 레이저 라인은 미세소관 성장 억제의 최적의 공간 표적화를 위해 투여될 수 있다. 405nm 레이저 조명을 통해 PST 활성화의 위치와 타이밍을 정확히 파악할 수 있는 기능은 정밀한 시간 및 공간 제어를 용이하게 하여 초 미만의 응답 시간(9) 내에 세포 이하 수준에서 미세소관 역학의 붕괴를 허용한다. 대안으로, 저렴한 LED UV 광은 전체 유기체 조명이 미세 소관 구조의 유기체 전체 파괴를 유도하도록 허용합니다. 이것은 공간 타겟팅보다는 정확한 시간 억제의 발병이 목표인 연구자들에게 비용 효율적인 대안이 될 수 있습니다. PST의 또 다른 특징은 510-540 nm 범위9에서 파장의 녹색 빛을 적용하여 주문형 불활성화입니다. 이는 PST 매개 성장 억제 전, 도중, 및 후에 미세소관 필라멘트의 추적을 가능하게 한다.
PST는 여전히 비교적 최근의 설계이지만, 아메보이드(12)에서의 세포 이동의 새로운 메카니즘 조사, 신생아 마우스(13)의 뇌로부터 분리된 뉴런, 초파리 멜라노가스터(14)에서의 날개 상피 발달 등을 포함하여 다양한 연구 분야(11)에 걸친 수많은 시험관내 응용에 사용되어 왔다. . 다른 빛 반응성 약물은 세포 기능의 표적 파괴에 유용한 도구임이 입증되었습니다. 예를 들어, 블레비스타틴의 유사체인 아지도블레비스타틴이 조명15,16 하에서 향상된 미오신 억제를 위해 사용되었다. 이것은 시공간 적으로 조절 된 세포 기능 억제 능력 때문에 새로운 발견의 잠재력을 강조합니다.
살아있는 3D 유기체는 생리적 조건 하에서 전체 동물, 단일 세포 또는 세포 이하 수준에서 미세 소관 역학을 조작하는 탁월하면서도 섬세한 시스템을 제공합니다. 특히, 이식 전 마우스 배아는 유기체(17) 내의 세포간 관계뿐만 아니라 세포의 내부 작용에 대한 탁월한 통찰력을 제공한다. PSTs의 활성화 및 비활성화의 시간적 및 공간적으로 표적화된 연속적인 사이클은 이식 전 마우스 배아(16)에서 비중심성 미세소관-조직화 중심으로서 세포간 사이토카인증 구조인 상간 브릿지의 특성화에 기여하였다. 유사한 실험 셋업은 배반포 형성 18을 허용하기 위해 마우스 배아의 밀봉에서 성장하는 미세 소관의 관여를 입증하였다18. 또한, PSTs는 또한 뒷뇌19에서 세포의 서브세트에서 미세 소관 성장을 억제함으로써 신경 세포 이동을 조사하기 위해 전체 제브라 피쉬 배아에 사용되었다.
이 프로토콜은 이식 전 마우스 배아에서 PST-1P의 실험 설정 및 사용을 설명합니다. 여기에 제시된 지침은 또한 염색체 분리 및 세포 분열 연구, 세포 내화물의 밀매, 세포 형태 형성 및 이동과 같은 광범위한 목표에 대한 PST의 적용을 안내 할 수 있습니다. 또한, 이러한 연구는 오가노이드 시스템, 블라스토이드 및 Caenorhabditis elegans 및 Xenopus laevis와 같은 다른 배아 모델에서 PST의 구현을 돕고 잠재적으로 시험관 내 수정 기술에 대한 PST의 사용을 확대 할 것입니다.
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실험은 동물 윤리 번호 19143에 따라 Monash 동물 윤리위원회에 의해 승인되었습니다. 동물들은 윤리 지침에 엄격히 따라 동물 시설(Monash Animal Research Platform)에서 특정 병원균이 없는 동물 집 조건에 수용되었다.
1. 이식 전 마우스 배아 수집
2. 약물 및 이미징 접시 준비
참고: 2.1-2.10단계의 경우 의도하지 않은 PST-1P 활성화를 방지하기 위해 어두운 색 또는 빨간색 표시등 조건에서만 독점적으로 작업하십시오. 알루미늄 호일 또는 어두운 덮개는 PST가 포함 된 모든 튜브 및 접시에 사용해야합니다.
3. 라이브 이미징 및 PST-1P 광활성화
참고: 3.1-3.13단계는 눈사태 광 다이오드 검출기(APD) 및 어두운 환경 챔버가 장착된 레이저 스캐닝 공초점 현미경에서 수행됩니다. 이러한 지침은 구체적으로 재료 표에 설명된 수집 소프트웨어를 사용한 이미징 설정을 참조합니다. 그러나, 그들은 또한 다른 공초점 현미경 시스템에 적용될 수 있습니다.
4. 이미지 데이터 분석

도 1: PST-1P 이식 전 마우스 배아에서의 광활성화 및 비활성화의 개략적인 표현. 모든 실험은 완전한 어둠 (검은 배경) 또는 적색 조명 조명에 의해서만 수행됩니다. (a) EB3-dTomato를 발현하는 생이식 전 마우스 배아를 16-세포 단계로 배양한 다음, 이미징 챔버 슬라이드에서 40 μM PST-1P를 함유하는 KSOM의 액적으로 옮긴다. (B) 전체 배아의 3D 이미지는 EB3-dTomato 혜성의 분포를 시각화하여 미세 소관 성장을 평가할 수 있습니다. (c) 실험을 시작하기 위해, EB3-dTomato 혜성은 타임랩스 이미징을 사용하여 세포하 영역에서 추적된다. (d) 405 nm 레이저를 이용한 동일한 아세포 영역에서의 후속 PST-1P 광활성화는 EB3-dTomato 혜성(E)의 손실을 초래한다. 강화된 PST-1P 활성화는 필요한 경우 순차적 405nm 광 조명에 의해 구현될 수 있다. (F-G) PST-1P를 비활성 상태로 되돌리고 EB3-dTomato 혜성을 복원하기 위해 514nm 레이저를 동일한 세포 하위 영역에 적용합니다. 필요한 경우 여러 차례의 광활성화 및 비활성화를 수행 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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프로토콜에 따라, 이식 전 마우스 배아에 EB3용 cRNA를 미세주입하였고, 적색 형광 dTomato(EB3-dTomato)로 태그하였다. 이것은 EB3가 미세 소관 플러스 말단24를 중합하는 데 결합함에 따라 성장하는 미세 소관의 시각화를 가능하게합니다.
실험은 마우스 배아가 16개의 세포로 구성된 경우 수정 후 3일(E3)을 수행하였다. 다른 이식 전 발달 단계는 조사 할 과학적 질문에 따라 사용할 수 있습니다. 405 nm 레이저 광 활성화 프로토콜을 이용한 최소 광표백을 입증하기 위해, 처리되지 않은 배아를 사용한 대조군 실험이 도시된다(도 2A i). EB3-dTomato 밀도가 뛰어난 ROI는 배아의 획득 된 3D 이미지를 기반으로 선택됩니다. 이 예에서는 전체 셀의 단일 z-평면이 EB3-dTomato 고해상도 이미징에 사용됩니다. 그러나, ...
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미세 소관 네트워크는 세포의 근본적인 내부 작동에 필수적입니다. 결과적으로, 이것은 살아있는 유기체에서 미세 소관 역학을 조작하는 데 어려움을 겪는데, 네트워크에 대한 교란은 세포 기능의 모든 측면에 광범위한 영향을 미치는 경향이 있기 때문입니다. 광전환 가능한 미세소관-표적화 화합물의 출현은 미세소관 성장 억제의 유도 및 역전에 대한 우수한 제어와 함께 세포 골격을 아세포 수준에서 정밀하게 조작하는 방법을 제시한다9. 이 프로토콜은 미세소관 중합이 어떻게 세포 하부 규모에서 광활성화된 PST-1P에 의해 이식 전 마우스 배아에서 그리고 시간적으로 정확한 방식으로 억제될 수 있는지를 입증한다. 추가적으로, 이러한 억제는 미세소관 네트워크의 단기간의 교란에 대한 조사를 허용하도록 역전될 수 있다.
제시된 프로토콜은 살아있는 이식 전 마우스 배아에 PST를 적용하는 데 최적화되어 있으며 다양한 다른 배양 시스템으로 사용을 확장하기위한 기초로...
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저자는 경쟁 또는 재정적 이익을 선언하지 않습니다.
저자는 Oliver Thorn-Seshold 박사와 Li Gao 박사에게 포토스타틴과 원고 준비에 대한 조언, 촬영 지원을위한 Monash Production 및 현미경 지원을위한 Monash Micro Imaging 박사에게 감사드립니다.
이 연구는 National Health and Medical Research Council (NHMRC) 프로젝트 보조금 APP2002507을 J.Z.에 지원하고 캐나다 고급 연구 연구소 (CIFAR) Azrieli 장학금을 J.Z.에 지원했습니다. Australian Regenerative Medicine Institute는 빅토리아 주 정부와 호주 정부의 보조금으로 지원됩니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 흡인기 튜브 | Sigma-Aldrich | A5177 | 입 흡인 장치 |
| 챔버 슬라이드용 - LabTek | Thermo Fisher Scientific | NUN155411 | |
| EB3-dTomato용 cRNA 인코딩 | 해당 없음 | mMessage in vitro Transcription kit를 사용하여 제조업체 지침에 따라 준비 | |
| 양 접시 - 35mm | Thermo Fisher Scientific | 150560 | |
| 인간 융모막 성장 호르몬 | Sigma-Aldrich | C8554 | |
| 인간 난관 유체 (HTF) 매체 | Cosmo-Bio | CSR-R-B071 | |
| Imaris 이미지 분석 소프트웨어 | 비트 플레인 | ||
| 이멀젼 오일 W 2010 | Carl Zeiss | 444969-0000-000 | 현미경 침지 대물 |
| LED 토치와 함께 사용 - 적색광 | Celestron | 93588 | |
| M2 중간 | Sigma-Aldrich | M7167 | |
| 마우스 - 야생형 FVB/N, 수컷 및 암컷 | N/A | /A | 암컷 8-9주. 수컷 2-6개월. |
| 미세모세관 피펫 - Kimble | Sigma-Aldrich | Z543306 | 구강 흡인 장치용 |
| 미세주입 버퍼 | N/A | N/A | 5 mM Tris, 5 mM NaCl, 0.1 mM EDTA, pH 7.4 |
| 미네랄 오일 | Origio | ART-4008-5P | |
| mMessage 체외 전사 키트 | Thermo Fisher Scientific | AM1340 | |
| NanoDrop 분광 광도계 | Thermo Fisher Scientific | ||
| Potassium Simplex Optimized Medium (KSOM) medium | Cosmo-Bio | CSR-R-B074 | |
| Pregnant mare serum gonadotrophin | Prospec Bio | HOR-272 | |
| PST-1P | N/A | /A | Borowiak, M. et al., Photoswitchable Inhibitors of Microtubule Dynamics Optically Control Mitosis and Cell Death. Cell. 162 (2), 403-411, doi:10.1016/j.cell.2015.06.049, (2015). |
| RNA 정제 키트 | Sangon | B511361-0100 | |
| 초순수 | Sigma-Aldrich | W1503 | |
| ZEN Black Software | Carl Zeiss |
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