We beschrijven methoden om beginnende transcriptie te visualiseren tijdens de activatie van het zygotische genoom in individuele cellen tijdens de vroege embryogenese.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
We beschrijven methoden om beginnende transcriptie te visualiseren tijdens de activatie van het zygotische genoom in individuele cellen tijdens de vroege embryogenese.
Vroege embryogenese vereist de maternale-naar-zygotische overgang (MZT) die de zygotische genoomactivatie (ZGA) noodzakelijk maakt. Tijdens ZGA worden honderden tot duizenden genen getranscribeerd, wat essentieel is voor verschillende processen in de vroege embryoontwikkeling, waaronder het behouden van embryonale overleving, cellotspecificatie en kiemlaagvorming. Een grote uitdaging bij het bestuderen van ZGA is geweest om ZGA direct te visualiseren in individuele cellen van vroege embryo's. Hier beschrijven we een methode om ZGA direct te visualiseren in individuele cellen van vroege embryo's door metabole labeling van beginnende transcripten met 5-ethynyluridine (5-EU), gevolgd door het conjugeren van de ontluikende EU-RNA's met fluoroforen via klikchemie en het visualiseren ervan in hele mount-embryo's met confocale microscopie, gebruikmakend van Xenopus laevis als model. Deze methode stelde ons in staat om enkelcellige ZGA in hele mount-embryo's te volgen en het heterogene ontstaan van ZGA in ruimte en tijd tijdens de vroege embryogenese te onthullen. Het kan worden gebruikt in andere embryonale systemen of weefsels om gentranscriptie en genoomregulatie op enkelcelniveau te bestuderen.
Tijdens de vroege ontwikkeling ondergaat het embryo de maternale-naar-zygotische overgang (MZT), waarbij de ontwikkelingscontrole geleidelijk wordt overgeschakeld van de maternale factoren naar die van de zygotische genen. De MZT vereist de activatie van het aanvankelijk slapende zygotische genoom, een proces dat zygotisch genoomactivatie (ZGA) wordt genoemd; de genen die tijdens ZGA tot expressie komen, zijn vereist voor vroege celbestemmingsspecificatie, gastrulatie en asvorming 1,2. Belangrijk is dat ZGA in alle metazoa behouden blijft, en de timing van ZGA streng wordt gecontroleerd, hoewel deze varieert tussen soorten 3,4. Ontregeling van ZGA kan ernstige gevolgen hebben, variërend van ontwikkelingsafwijkingen tot embryonaal dood, zoals een miskraam. Daarom is het bestuderen van de mechanismen van ZGA niet alleen belangrijk om de fundamenten van genregulatie te begrijpen, maar heeft het ook belangrijke klinische implicaties.
Een grote uitdaging bij het bestuderen van ZGA is geweest om grootschalige ZGA direct te visualiseren in vroege embryo's en de mechanismen ervan op enkelcellig niveau te onderzoeken. We overwonnen deze uitdaging door een methode te ontwikkelen die metabole labeling van beginnende transcripten tijdens ZGA gebruikt met 5-ethynyluridine (5-EU), gevolgd door conjugatie van de ontluikende EU-RNA's met fluoroforen via klikchemie en visualisatie in hele mount-embryo's met confocale microscopie, waarbij Xenopus laevis als model wordt gebruikt. Het grote Xenopus-embryo (~1,2 mm in diameter) bevat een celgroottegradiënt, en de grootschaal ZGA komt voor rond de mid-blastula-stadia (met aanvang rond stadium 7 en piek rond stadium 9), waardoor het een ideaal model is voor het bestuderen van patronen van ZGA5. Door gebruik te maken van 5-EU-labeling in vroege Xenopus-embryo's, konden we de grootschalige ZGA direct visualiseren en kwantificeren in individuele cellen van whole-mount vroege embryo's, wat ons leidde tot het ontdekken van een nieuw ruimtelijk-temporeel patroon van ZGA dat voornamelijk wordt gereguleerd door celgrootte 5,6.
Hier beschrijven we de details van deze benadering, aangepast uit eerder werk met optimalisaties 5,7, waaronder het fixeren van embryo's na metabole labeling van beginnende transcripten met 5-EU, het conjugeren van beginnende EU-RNA's met een fluorofoor via een klikreactie8, en immunokleuring voor subcellulaire markers, gevolgd door het vrijmaken van de embryo's voor confocale beeldvorming. Deze methode kan worden toegepast op andere embryonale systemen, waaronder zebravis 9,10, of gebruikt worden in sequencing om het beginnende transcriptoom11 te profileren, wat de algemene en brede toepassing ervan ondersteunt in verschillende soorten monsters en analyses. Al met al biedt deze methode een nieuw belangrijk hulpmiddel om genoomregulerende mechanismen in individuele cellen te bestuderen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het hier beschreven dierenwerk is goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de University of South Carolina.
1. Voorbereiding vóór het starten van het protocol
OPMERKING: Bereid vóór het starten van het protocol de volgende oplossingen voor met RNase-vrij water.
2. Het vaststellen van de 5-EU-microgeïnjecteerde embryo's
3. Het conjugeren van beginnende RNA's met een fluorofoor via klikreactie
4. Immunokleuring van embryo's met subcellulaire markers (optioneel)
5. Het verwijderen van embryo's vóór confocale beeldvorming
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Xenopus laevis-embryo's in het 1-celstadium werden gemicroïnjecteerd met 5-EU, en embryo's in stadium 9 werden gefixeerd wanneer grootschalige ZGA door het hele embryo plaatsvond. De embryo's werden verwerkt volgens het hierboven beschreven protocol. Ontluikende RNA's in embryo's werden gelabeld met TAMRA-azide via een klikreactie, histon H3 werd gelabeld met antihiston H3-antilichaam, en DNA werd gelabeld met TO-PRO-3. Embryo's werden onder de confocale microscoop gefotografeer...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
ZGA vertegenwoordigt een van de meest kritieke overgangen tijdens de vroegste stadia van embryoontwikkeling 2,3. Hier hebben we gedetailleerde procedures beschreven voor het voorbereiden van monsters om ZGA direct te visualiseren in vroege Xenopus-embryo's in een hele mount, waaronder het fixeren van 5-EU-microgeïnjecteerde embryo's, het conjugeren van beginnende RNA's met een fluorofoor via klikreactie, immunokleuring v...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteur verklaart geen concurrerende belangen.
Wij danken het Matthew Good-lab aan de University of Pennsylvania voor de training. Dit werk werd deels ondersteund door het Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (R03HD105802).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 16% Paraformaldehyde (PFA) | EMS | 15710-S | Voor het maken van de fixatieoplossing |
| 20× SSC | Mediatech | MT46-020-CM | Voor het maken van de bleekoplossing |
| 3D nutating mixer | VWR | 76595-802 | Voor nutterende embryo's |
| 9 mm Screw-Thread Vials (2 mL) | VWR | 46610-722 | Voor het verwerken van embryo's |
| Anti-Histone H3 antibody | Abcam | ab1791 | Voor immunokleuring |
| Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A7506 | Voor het maken van de click reactie |
| Benzyl alcohol | Sigma-Aldrich | 305197 | Voor het verhelderen van embryo's |
| Benzyl benzoate | ACROS Organics | 105860010 | Voor het verhelderen van embryo's |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A3059 | Voor het maken van de blokkeringsoplossing |
| Caps for 9 mm Screw-Thread Vials (2 mL) | VWR | 46610-712 | Voor het verwerken van embryo's |
| Coverglass (24 mm × 40 mm) | VWR | 48393-060 | Voor het maken van de beeldvormingskamer |
| CuSO4 | Sigma-Aldrich | 61230 | Voor het maken van de click reactie |
| Ethylenebis (oxyethylenenitrilo)tetraacetic acid (EGTA) | Thermo Fisher Scientific | AC409915000 | Voor het maken van de fixatieoplossing |
| Fiji ImageJ | NIH | Voor beeldverwerking | |
| Formamide | Thermo Fisher Scientific | AC181090010 | Voor het maken van de bleekoplossing |
| Glass Pasteur pipets | VWR | 14673-010 | Voor het overbrengen van BABB |
| Goat anti-rabbit Alex Fluor 488 secondary antibody | Thermo Fisher Scientific | A27034 | Voor immunokleuring |
| Goat serum | Abcam | ab7481 | Voor het maken van de blokkeringsoplossing |
| Hydrogen peroxide | Sigma-Aldrich | H1009 | Voor het maken van de bleekoplossing |
| Magnesium sulfate (MgSO4) | Thermo Fisher Scientific | M65-500 | Voor het maken van de fixatieoplossing |
| Methanol | Thermo Fisher Scientific | A4524 | Voor het dehydrateren van embryo's |
| Methanol, anhydrous | Sigma-Aldrich | 322415 | Voor het dehydrateren van embryo's |
| MOPS | Thermo Fisher Scientific | AC172631000 | Voor het maken van de fixatieoplossing |
| Multi-mode nutating mixer | VWR | 76595-812 | Voor nutterende embryo's |
| Plastic transfer pipette | Thermo Fisher Scientific | 13-711-9AM | Voor het overbrengen van embryo's |
| Razor blade | Thermo Fisher Scientific | 18-100-970 | Voor het snijden van tapes |
| RNase-free water | Thermo Fisher Scientific | BP561-1 | Voor het maken van Rnase-vrije oplossingen |
| Roto-Mini PLUS (rotator) | VWR | 470313-912 | Voor het roeren van embryo's |
| Tetramethylrhodamine (TAMRA)-azide | Abcam | ab146486 | Voor het maken van de click reactie |
| TO-PRO-3 | Thermo Fisher Scientific | T3605 | Voor het kleuren van DNA |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 10789704001 | Voor het maken van de wasbuffer |
| Trizma Base (Tris Base) | Sigma-Aldrich | T1503 | Voor het maken van de Tris buffer |
| VHB 3M GPH-110GF Tapes (45 mil.) | VWR | 76524-608 | Voor het maken van de beeldvormingskamer |
| Zeiss LSM 700 confocal microscope | Zeiss | Voor confocale beeldvorming |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.