Het artikel beschrijft de optimalisatie van de acquisitieparameters van fluorescentiemicroscopie om het axonale transport van endogene gelabelde ladingen met een resolutie van één neuron in een levende nematode te visualiseren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Het artikel beschrijft de optimalisatie van de acquisitieparameters van fluorescentiemicroscopie om het axonale transport van endogene gelabelde ladingen met een resolutie van één neuron in een levende nematode te visualiseren.
Axonaal transport is een voorwaarde om axonale eiwitten van hun syntheseplaats in het neuronale cellichaam naar hun bestemming in het axon te brengen. Bijgevolg schaadt verlies van axonaal transport de groei en functie van neuronen. Het bestuderen van axonaal transport verbetert daarom ons begrip van neuronale celbiologie. Met recente verbeteringen in CRISPR Cas9-genoombewerking is endogene etikettering van axonale ladingen toegankelijk geworden, waardoor het mogelijk is om verder te gaan dan op ectopische expressie gebaseerde visualisatie van transport. Endogene etikettering gaat echter vaak ten koste van een lage signaalintensiteit en vereist optimalisatiestrategieën om robuuste gegevens te verkrijgen. Hier beschrijven we een protocol om de visualisatie van axonaal transport te optimaliseren door acquisitieparameters te bespreken en een bleekbenadering om het signaal van endogene gelabelde lading over diffuse cytoplasmatische achtergrond te verbeteren. We passen ons protocol toe om de visualisatie van synaptische blaasjesprecursoren (SVP's) gelabeld door groen fluorescerend eiwit (GFP)-gelabeld RAB-3 te optimaliseren om te benadrukken hoe fijnafstemmingsacquisitieparameters de analyse van endogeen gelabelde axonale lading in Caenorhabditis elegans (C. elegans) kan verbeteren.
Gedurende het hele leven zijn neuronen afhankelijk van axonaal transport om eiwitten, lipiden en andere moleculen van het cellichaam naar hun eindbestemming in het axon te brengen. Bijgevolg wordt verslechtering van het axonale transport geassocieerd met een verlies van neuronale functie en is het vaak betrokken bij de pathologie van neurodegeneratieve aandoeningen 1,2. Daarom is het van groot belang om de mechanismen te begrijpen die ten grondslag liggen aan axonaal transport.
Decennialang onderzoek naar axonaal transport heeft veel belangrijke inzichten opgeleverd in de moleculaire machinerie die dit transport bemiddelt, hun samenstelling en regulerende mechanismen. Axonaal transport over lange afstand vindt plaats op het cytoskelet van de microtubuli, dat bestaat uit gedeeltelijk overlappende polymeren van microtubuli die typisch met hun plus-uiteinde in axonen zijn georiënteerd3. Bijgevolg wordt anterograde transport gemedieerd door motoreiwitten die naar het plus-uiteinde van microtubuli, kinesines, lopen, terwijl retrograde transport afhankelijk is van de min-end gerichte dyneïnemotor. Hoewel er veel aspecten van het transport zijn onthuld, blijft het voor veel axonale eiwitten nog steeds onduidelijk, hoe ze in de transportmachines worden geladen, hoe individuele transportpakketten zijn georganiseerd en hoe dit transport wordt gereguleerd3.
Axonaal transport werd aanvankelijk bestudeerd in experimenten met radiolabeling, waarbij radioactief gelabelde aminozuren in het somatische compartiment werden geïnjecteerd, waar ze werden opgenomen in ontluikende endogene eiwitten en in de loop van de tijd konden worden getraceerd in het axonale compartiment door autoradiografie4. Hoewel experimenten met radiolabeling de studie van axonaal transport van endogene eiwitten in vivo mogelijk maakten, maakt het geen directe follow-up van het gedrag van individuele vracht mogelijk om mechanistische inzichten te krijgen4. Deze beperking werd overwonnen met het gebruik van fluorescentiemicroscopie. axonaal transport wordt echter vaak niet gevisualiseerd op endogene eiwitten, maar in plaats daarvan door expressie van een fluorescerend gelabelde kopie. Vooral voor eiwitten met een lage expressie zorgt overexpressie voor hogere signaalintensiteiten die visualisatie mogelijk maken, bij voorkeur met een resolutie van één neuron. Bovendien omzeilt ectopische expressie van het fluorescerend gelabelde eiwit de noodzaak en uitdagingen van genoombewerking. Omgekeerd is betoogd dat het gedrag van ectopisch tot expressie gebrachte lading kan verschillen van het gedrag van de endogene lading5.
Recente verbeteringen in genoombewerking hebben endogene etiketteringsstrategieën gemakkelijker toegankelijk gemaakt. Vandaar dat een lagere signaalintensiteit de belangrijkste beperking is geworden om axonaal transport van een lading te bestuderen door ectopische expressie in plaats van endogene etikettering. Zorgvuldige overwegingen in de endogene etiketteringsstrategie in combinatie met een optimalisatie van de acquisitievoorwaarden kunnen deze uitdaging overwinnen.
Nematoden bieden een uitstekend onderzoeksmodel om axonaal transport in vivo te bestuderen vanwege hun transparantie en gemak bij genetische manipulaties. In dit protocol beschrijven we een onderzoeksstrategie om axonaal transport van endogene eiwitten met enkelvoudige neuronresolutie in levende Caenorhabditis elegans te visualiseren.We visualiseren het axonale transport van synaptische blaasjesprecursoren door gebruik te maken van een stam gegenereerd door het Jorgensen Lab6, waarin het blaasje geassocieerde RAB GTPase, RAB3, endogeen is gelabeld met GFP, in het motorneuron DA9. Door te vragen hoe kleine aanpassingen in verschillende acquisitieparameters en fotobleken de visualisatie van individuele transportgebeurtenissen kunnen verbeteren, geeft het protocol ideeën over hoe de beeldvormingsomstandigheden kunnen worden geoptimaliseerd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Voor een gedetailleerd protocol over het onderhouden en voorbereiden van nematoden voor beeldvorming van levende cellen, zie het werk van S.Niwa 7.
1. Generatie van wormstammen
Naast het genereren van nematodenstammen, bevat het Caenorhabditis Genetics Center (CGC)8 een groeiende verzameling nematodenstammen met endogeen fluorescerend gelabelde eiwitten die rechtstreeks van hun webpagina kunnen worden verkregen.
2. Hanteren van wormen en voorbereiding op beeldvorming
3. Levende-cel Microscopie
OPMERKING: Exacte waarden van de acquisitieparameters kunnen verschillen tussen microscopen. Trends voor elke acquisitieparameter moeten echter onafhankelijk zijn van de gebruikte microscoop. In dit protocol werd een confocale microscoop met een draaiende schijf gebruikt die was uitgerust met een aparte laserlijn voor bleken (zie Materiaaltabel voor details over de microscoop). Groene fluorescentie werd geëxciteerd door een laser van 488 nm en de emissie werd gefilterd door een ET525/36-emissiefilter. Het bleken werd uitgevoerd met behulp van een laserlijn van 488 nm.
4. Analyse van axonale transportgegevens
OPMERKING: Gebruik ImageJ/Fiji19 voor de volgende stappen voor beeldanalyse. Fiji is in staat om gegevens uit te lezen door alle gangbare microscopie softwarepakketten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Overzicht van het modelsysteem en de meetprocedure
Om axonaal transport van voorlopers van synaptische blaasjes te visualiseren, hebben we endogeen GFP-gelabeld RAB-3 getraceerd. Hier maken we gebruik van een recent gegenereerde GFP::Flip-on::RAB-3 stam6, waarin expressie van de recombinase Flippase onder een celspecifieke promotor (glr-4p) endogene RAB-3 labelt in het DA9 motorneuron. DA9 is een bipolair motorneuron, waarvan het celli...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Beperkingen van de methode en alternatieve methoden
In dit protocol hebben we acquisitieparameters geoptimaliseerd om het axonale transport van endogeen gelabeld RAB-3 te visualiseren, dat geassocieerd is met voorlopers van synaptische blaasjes. Om RAB-3 te visualiseren, hebben we gebruik gemaakt van een recent gepubliceerde FLIP-on::GFP::RAB-3 stam6 en de recombinase Flippase tot expressie gebracht onder een celspecifieke promotor (glr-4p)
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen concurrerende of financiële belangen die van invloed zouden kunnen zijn geweest op het werk dat in dit artikel wordt gerapporteerd.
De auteurs willen de laboratoria van Yogev en Hammarlund bedanken voor hun technische hulp, feedback en discussies. We willen in het bijzonder Grace Swaim bedanken voor haar begeleiding bij live celbeeldvorming en Grace en Brian Swaim voor het in eerste instantie opzetten van de handmatige kymograafanalyse in het laboratorium. OG wordt ondersteund door een Walter-Benjamin Scholarship gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) -Project# 465611822. SY wordt gefinancierd door de NIH-subsidie R35-GM131744.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| Cover slips (22 mm x 22 mm, No1); Gold Seal Cover Glass | Thomas Scientific | 6672A14 | |
| Levamisole | ChemCruz | sc-205730 | |
| Microscope: Nikon Ti2 inverted microscope, Yokogawa CSU-W1 SoRa Scanhead, Hamatsu Orca-Fusion BT sCMOS camera, Nikon CFI Plan Apo lambda 60x 1.4 NA oil immersion objective, Nikon photostimulation scanner at 488nm with an ET525/36 emission filter | Nikon | Spinning Disc Confocal Microscope | |
| NIS-elements AR | Nikon | Software voor de Nikon Ti2 | |
| Plain precleaned microscopy slides | Thermo Scientific | 420-004T | |
| Nematode strain | Identifier | Bron | |
| rab-3(ox699[GFP::flip-on::rab-3]) (II); shyIs43(glr-4p::FLP-NLSx2; odr-1p::RFP) (II) | Park et al. (DOI: 10.1016/j.cub.2023.07.052) | MTS1161 | Zal worden gedeponeerd bij CGC (https://cgc.umn.edu/) |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.