1. Verkrijgen van embryo's voor de photoconversie-assay
Na inteelt van transgene zebravis die een PCFP tot expressie brengen, worden de helderste embryo's (die homozygoot zijn) geselecteerd en gekweekt bij 28.5 °C tot het gewenste embryonale stadium15.
Opmerking 1: Deze preselectie maakt het mogelijk om embryo's te scannen met een laag laservermogen, waardoor fototoxiciteit en fotobleking worden voorkomen.
Opmerking 2: Wij raden aan om licht van lage intensiteit te gebruiken bij het visualiseren van embryo's en om deze in het donker te bewaren vanwege de hoge gevoeligheid van PCFP's, zoals Kaede en KikGR, voor lichtblootstelling, inclusief daglicht.
2. Inbedding
- Dechorioneer embryo's onder een stereomicroscoop met behulp van een pincet in een glazen bak met ei-water.
- Anestheseer embryo's door een gedechorioneerd embryo over te brengen naar een 0,16 mg/ml Tricaine (3-amino benzoic acidethylester, Sigma-Aldrich) oplossing (40 μl van een 4 mg/ml stockoplossing in 1 ml E3 medium 1X).
Opmerking 1: Verplaats de embryo's met een glazen pipet of een pipet met afgeknipt uiteinde (P1000) om het risico op beschadiging van de embryo's te minimaliseren.
Opmerking 2: Jonge gedechoreioneerde embryo's mogen niet aan de lucht worden blootgesteld of naar het water/lucht-grensvlak worden getild, aangezien de eieren gemakkelijk scheuren bij mechanische stress.
- Verplaats het geanestheseerde embryo naar de overkapping van een kweekschaal en houd het embryo in het kleinst mogelijke volume medium.
- Transfer het embryo in agarose door het embryo te pipetteren met 1% agarose met een laag smeltpunt (LMA, Lonza) bij 30 °C bevatten 0,16 mg/ml Tricaine, en plaats het op het dekglas van een kweekschaal met een glazen bodem (MatTek Corp. Ashland MA USA). Orienteer het embryo vervolgens met behulp van een gladde plastic tip (bijv. een afgesneden Microloader Pipette Tip, Eppendorf) en bedek de agarose met 0,16 mg/ml Tricaine-oplossing zodra de LMA is gepolymeriseerd.
Opmerking 1: Smelt 1% LMA bij 60 °C en houd de gesmolten agarose op 30 °C.
3. Fotoconversie
- Visualiseer het monster op een geïnverteerde confocale microscoop uitgerust met een 405 nm, 488 nm en 561 nm laserbron, zoals de Zeiss LSM 710, door middel van een z-Stack scan die de gehele structuur van het specimen beslaat dat later zal worden gefotoconverteerd en gevolgd, gebruikmakend van de 488 nm laser (i.e., 30 mW Ar laser, bij 5-7 % intensiteit, detector ingesteld op 493-540 nm) en de 561 nm laser (i.e., 10 mW DPSS 561 laser, bij 7-9 % intensiteit, detector ingesteld op 587-651) om het weefsel/orgaan te scannen op respectievelijk groene en rode fluorescentie van de fotoconverteerbare eiwitten.
Opmerking 1: Voor de scan vóór fotoconversie hebben we een Plan Apochromat 20x/NA 0,8 objectief gebruikt.
Opmerking 2: Scan altijd voorafgaand aan het experiment op rode fluorescentie om uit te sluiten dat er per ongeluk gegenereerd rood geconverteerd PCFP aanwezig is.
- Selecteer de tool Time series en stel deze in op 2 cycli zonder interval (één voor vóór en één voor na de photoconversie).
- Selecteer de tool Regions en definieer één of meer regio's van belang (ROI) voor de photoconversie.
Opmerking 1: Wij raden aan om eerst de precisie te bepalen waarmee het gebied dat daadwerkelijk door de scanlaser in de ROI is gefotoconverteerd overeenkomt met de in de software geselecteerde ROI, door het oppervlak van gefotoconverteerd weefsel/cellen in alle drie de richtingen (xy- en z-richting) te meten in een gefixeerd monster waarin geen cel- of eiwitbeweging wordt verwacht. Voor de instellingen die in deze applicatie worden beschreven, kwam de ROI met grote precisie overeen met het gefotoconverteerde gebied, maar dit is afhankelijk van het gebruikte objectief en de hoeveelheid laserlicht die voor fotoconversie is toegepast. De grootte van de ROI kan, afhankelijk van de numerieke apertuur van het objectief, de zoomfactor en de hoeveelheid laserlicht die voor fotoconversie wordt gebruikt, worden teruggebracht tot de grootte van een enkele cel.
- Selecteer de Bleken instrumentarium en set voor het starten van het bleken na scan 1 van 2. We gebruikten een 405 nm diodelaser van 30 mW voor fotoconversie en optimaliseerden dit zorgvuldig voor de minimale hoeveelheid laserlicht die nodig is voor volledige fotoconversie, wat voornamelijk werd bereikt door de intensiteit van het laserlicht, de scaniteraties van de ROI en de pixeltijd te variëren (d.w.z., scansnelheid).
Opmerking 1: Voor fotoconversie hebben wij een Plan Apochromat 20x/NA 0,8 objectief gebruikt.
Opmerking 2: Het vermogen van de laser en het aantal iteraties moeten empirisch worden bepaald voor elke experimentele setting en moeten zorgen voor een volledige fotoconversie van groen naar rood PCFP binnen de ROI met de minimale benodigde hoeveelheid laserlicht om fototoxiciteit te verminderen. We raden aan om tests te starten met een laag laservermogen (bijv. 3 %, wat overeenkomt met 0,03 mW in het objectiefplan) in combinatie met een laag aantal iteraties (bijv. 20), en vervolgens het laservermogen te verhogen tot volledige fotoconversie is bereikt, wat in onze praktijk bij 10% laservermogen was (overeenkomend met 0,1 mW in het objectiefplan). Onder deze omstandigheden overleefden alle geteste embryo's het behandelingsplan. Desondanks hebben we waargenomen dat het eigeelmembraan gevoelig is voor laserpulsen en gemakkelijk beschadigd kan raken, wat leidt tot de dood van het embryo. Om deze reden kan embryoletaliteit na fotoconversie optreden als de positie van het doelweefsel dicht bij het eigeel lichaam ligt.
- Scan het monster via een z-stack met lasers van 488 nm en 561 nm om eventuele resterende groene en de photoconverteerde rode fluorescentie van het PCFP te visualiseren.
Opmerking 1: Voor de scan na fotoconversie hebben we een Plan Apochromat 20x/NA 0.8 gebruikt.
4. Verwijder het embryo uit de agarose
- Gooi de oplossing weg en verwijder het embryo voorzichtig uit de 1% LMA met behulp van een naald of een gladde plastic tip.
- Houd het embryo in eitjeswater in het donker bij 28.5 °C tot het gewenste ontwikkelingsstadium is bereikt.
Opmerking 1: Het is belangrijk dat de embryo's hun ontwikkeling voortzetten in eiwater, met name tijdens de eerste dagen van de ontwikkeling tijdens de verlenging van het embryonale lichaam. Sommige embryonale weefsels/organen veranderen namelijk van positie tijdens de ontwikkeling en vereisen daarom specifieke oriëntaties tijdens het inbedden, afhankelijk van het betreffende weefsel/orgaan van belang en het gewenste ontwikkelingsstadium van de analyse.
5. Opnieuw inkapselen
- Ga te werk zoals beschreven onder punt 2.) van dit protocol.
6. Volgen van fotoconverterd weefsel in latere embryonale stadia
- Scan van het interessegebied (z-stack) met lasers voor 488 nm en 561 nm voor respectievelijk groene en rode fluorescentiesignalen.
Opmerking 1: Voor de scan x uur na photoconversie hebben we een Plan Apochromat 20x/NA 0,8 gebruikt.
Opmerking 2: Aangezien dit protocol de normale ontwikkeling van het embryo niet beïnvloedt, is het mogelijk om het fotogECONverteerde embryo in latere ontwikkelingsstadia te observeren (volg hiervoor de stappen zoals beschreven onder punten 4 - 6).
7. Representatieve resultaten
Een voorbeeld van een photoconversie-assay wordt getoond in Figuur 1. We hebben endotheelcellen gevolgd tijdens de ontwikkeling van de zebravis (zie16 voor een overzicht van de vasculaire anatomie van de ontwikkelende zebravis). Hiervoor hebben we een zebravis Tg(kdrl:nlsKikGR)hsc7 reporterlijn gebruikt die KikGR tot expressie brengt in endotheelkernen17. Homozygote embryo's met een sterke expressie werden gekweekt bij 28,5 °C tot 48 uur na bevruchting (hpf). Na dechorionering werden de embryo's geanestheseerd en ingebed in LMA, waarbij de anterieur-dorsale zijde van het embryo naar het dekglas werd gericht voor een betere visualisatie van de vaten in de kop. We maken gebruik van een inverted confocale microscoop (Zeiss LSM 710 Meta) uitgerust met lasers die werken op 405 nm, 488 nm en 561 nm, en een Plan Apochromat 20x/NA 0,8 objectief voor de photoconversie-assay en het verdere volgen van het photoconverteerde eiwit. Zoals getoond in Figuur 1A, werd KikGR vóór de photoconversie tot expressie gebracht in endotheelweefsel en was dit alleen detecteerbaar als groene fluorescentie met behulp van een 488 nm Argon-laser. Controle-scans met een 561 nm DPSS 561-10 laser voor rode fluorescentie detecteerden geen photoconverteerde KikGR voorafgaand aan de photoconversie (Figuur 1A). Vervolgens werd de ROI volledig photoconverteerd met behulp van een 405 nm Diode-laser (bij 10% intensiteit, 20 iteraties) en werden de vaten in de kop opnieuw gescand met de 488 nm en 561 nm lasers (Figuur 1B). Zoals getoond in Figuur 1B, was groene KikGR binnen de ROI volledig overgegaan naar rood. Na de photoconversie-assay werd het embryo uit de agarose verwijderd en gekweekt bij 28,5 °C in eitjeswater. Tot slot werd het embryo 24 uur na de photoconversie opnieuw geobserveerd, rond 72 hpf, om de photoconverteerde endotheelcellen in latere stadia te volgen (Figuur 1C). Hiervoor werd het embryo opnieuw ingebed in LMA en werd het monster opnieuw gescand met de 488 nm en 561 nm lasers. Zoals getoond in Figuur 1C, werden binnen het endotheelweefsel dat voortkwam uit de photoconverteerde ROI zowel niet- als photoconverteerde KikGR-eiwitten waargenomen, vanwege de stabiliteit van het rood fluorescerende photoconverteerde KikGR en de resynthese van nieuwe groene niet-photoconverteerde KikGR.

Figuur 1. Fotoconversie van KikGR tijdens de ontwikkeling van de zebravis. (A,B) Een specifiek gebied van de endotheliale vaatstructuur in de kop werd gefotoconverteerd bij 48 hpf in Tg(kdrl:nlsKikGR)hsc7 transgene embryo's en (C) opnieuw waargenomen 24 uur na fotoconversie (rond 72 hpf). De fluorescentie van KikGR (groen), gefotoconverteerde KikGR (rood) en samengevoegde kanalen worden getoond. Gestippelde cirkels geven de ROI aan vóór, tijdens en 24 uur na fotoconversie. De beelden zijn dorsale aanzichten van het zebravissenembryo, met de anterieure zijde onderaan. Schaalbalken: 50 μm.
| Proteïne (acroniem) | Ex (nm) | Em (nm) | EC | QY | Quaternaire structuur | Helderheid | Toepassing | Ref |
| Kaede_G | 508 | 518 | 99 | 0.9 | tetrameer | 259 | Celtracking | 2,6 |
| Kaede_R | 572 | 580 | 60 | 0.3 | tetrameer | 59 |
| KikGR_G | 507 | 517 | 54 | 0.7 | tetrameer | 112 | Celtracking | 3,6,8-10 |
| KikGR_R | 583 | 593 | 35 | 0.6 | tetrameer | 68 |
| mKikGR_G | 505 | 515 | 49 | 0.7 | monomeer | 101 | Dynamische tracking Superresolutiebeelden | 13 |
| mKikGR_R | 580 | 591 | 28 | 0.6 | monomeer | 53 |
| EosFP_G | 506 | 516 | 72 | 0.7 | tetrameer | 150 | Celtracking | 5,20 |
| EosFP_R | 571 | 581 | 41 | 0.5 | tetrameer | 67 |
| tdEos_G | 506 | 516 | 34 | 0.7 | tandem dimeer | 165 | Superresolutiebeelden | 12,14,21 |
| tdEos_R | 569 | 581 | 33 | 0.6 | tandem dimeer | 59 |
| mEos2_G | 506 | 519 | 56 | 0.7 | monomeer | 140 | Dynamische tracking Superresolutiebeelden | 11,18 |
| mEos2_R | 573 | 584 | 46 | 0.7 | monomeer | 90 |
| Dendra2_G | 490 | 507 | 45 | 0.5 | monomeer | 67 | Dynamische tracking Superresolutiebeelden | 4,11 |
| Dendra2_R | 553 | 573 | 35 | 0.55 | monomeer | 57 |
Tabel I. Eigenschappen van photoconverteerbare fluorescerende eiwitten. Naast de gangbare naam en/of het acroniem voor elke PCFP worden in de tabel de piek-excitatie- (Ex) en emissiegolflengten (Em), molaire extinctiecoëfficiënten (EC, 10-3 M-1 cm-1 ), quantumopbrengst (QY), fysiologisch relevante quartaire structuur, relatieve helderheid (als % van EGFP), toepassing en referenties weergegeven. Tabel aangepast naar Day and Davidson, 20101.
| PCFP | Transgene zebravislijnen | Bron |
| Kaede | Tg(elavl3:Kaede)rw0130a | Okamoto Lab |
| Tg(EPV.TP1-Mmu.Hbb:Kaede) | |
| Tg(ins:Kaede) | |
| Tg(isl1:Gal4-VP16,14xUAS:Kaede) | |
| Tg(lhx5:Kaede)b1204/+ | ZIRC |
| Tg(myl7:kaede) | |
| Tg(olig2:Kaede) | |
| Tg(UAS-E1b:Kaede)s1999t | ZIRC |
| Tg(UAS:Kaede)rk8 | ZIRC |
| Tg(vsx2:Kaede)nns2 | Higashijima Lab |
| KikGR | Tg(kdrl:nlsKikGR) | |
| Tg(krt4:NTR-KikGR) | |
| Tg(myl7:nlsKikGR) | |
| Tg(sox10:KikGR) | |
| Tg(UAS:KikGR) | |
| EosFP | Tg(sox10:EosFP) | |
| Tg(sox10:nlsEosFP) | |
| Dendra | Tg(-8mpx:Dendra2) | |
| Tg(UAS:Dendra-kras) | |
Tabel II. Transgene zebravislijnen die PCFP tot expressie brengen. Gegevens verkregen uit de Zebrafish Model Organism Database (ZFIN, http://zfin.org/). De beschikbaarheid van lijnen in het Zebrafish International Resource Center (ZIRC, http://zebrafish.org/zirc/) is aangegeven.