Podstawowy schemat postępowania w wizualizacji dynamiki aktyny podczas ekstruzji komórek w naskórku rozwijającego się danio pręgowanego
Epidermis rozwijającego się danio pręgowanego składa się z dwóch odrębnych warstw: warstwy powierzchniowej (perydermy) oraz warstwy podstawnej komórek, które kontaktują się z błoną podstawną2. Komórki zewnętrznej warstwy powierzchniowej ulegają apoptozie i są usuwane z tkanki poprzez ekstruzję3 (Ryc. 1). Aby zwizualizować ten proces w czasie rzeczywistym, wstrzykujemy do zarodków transgenicznych danio pręgowanego na etapie jednej komórki, wykazujących ekspresję zielonego białka fluorescencyjnego (GFP) pod promotorem cytokeratyny 8 dla nabłonka wielowarstwowego6, RNA kodujące czerwone białko fluorescencyjne połączone z domeną homologii kalponiny utrofiny, białka wiążącego aktynę (RFP-UtrCH) 4,5 (Ryc. 2A). Chociaż po wstrzyknięciu RNA białko RFP-UtrCH jest wyrażane powszechnie w całym organizmie, skupiamy się na powierzchniowych komórkach epidermy wykazujących ekspresję zarówno RFP, jak i GFP, aby śledzić dynamikę aktyny specyficznie w naskórku (Ryc. 2B). Następnie traktujemy larwy G418, aby wywołać apoptotyczną ekstruzję komórek, a następnie obrazujemy epidermis i filamenty aktynowe przy użyciu konfokalnego mikroskopu z dyskiem wirującym i pozyskujemy zbiory danych 4D.
Przed rozpoczęciem eksperymentu
- Przeprowadź transkrypcję RNA in vitro z linearyzowanego matrycowego DNA przy użyciu zestawu mMessage mMachine SP6 (Ambion), a następnie oczyść RNA z czapeczką za pomocą zestawu RNeasy Mini (Qiagen). Rozcieńcz RNA do stężenia ˜60ng/ul w sterylnej wodzie, przygotuj aliquoty po 3-5μl i przechowuj w temperaturze -80°C do momentu wstrzyknięcia. Uwaga: Unikaj wielokrotnego zamrażania i odmrażania, aby zapobiec degradacji RNA.
- Przygotuj formę do unieruchamiania embrionów podczas wstrzykiwania, wlewając 40mL 2% agarozy w podłożu E3 dla embrionów (E3) do płytki hodowlanej 10 x 15mm i umieszczając w niej formę do mikroiniekcji (Adaptive Science Tools, # I-34). Po zestaleniu się agarozy wyjmij formę, aby odsłonić wgłębienia w agarozie. Przechowuj płytkę w temperaturze 4°C do momentu użycia.
- Wytraw igły kapilarne do wstrzykiwania z borokrztalowego szkła z włóknami (OD 1.0mm, ID 0.78, długość 10cm) za pomocą wyciągacza pipet Sutter P-97 przy następujących ustawieniach (Heat 485, Pull 50, Velocity 60, Delay/Time 90, Pressure 20). Uwaga: Różne rodzaje szkła będą wymagały optymalizacji wymienionych parametrów.
- Przygotuj 1% agarozy o niskiej temperaturze topnienia (Low Melt, LM) w podłożu E3 i przechowuj aliquoty po 1mL w temperaturze 42°C. Należy zachować ostrożność, ponieważ odparowanie E3 z zapasów może zwiększyć stężenie agarozy.
- Utrzymuj dorosłe rybki danio w standardowych warunkach laboratoryjnych, z regularnym cyklem światła i ciemności: 14 godzin światła i 10 godzin ciemności7. Wieczorem, dzień przed eksperymentem, przygotuj ryby do rozrodu, umieszczając 3 samice i 2 samce w zbiorniku przedzielonym przegrodą. Następnego ranka wymień wodę w zbiorniku i usuń przegrodę w momencie zapalenia świateł.
1. Iniekcja RNA kodującego białko wiążące aktynę z fluorescencyjnym znacznikiem
- Rozmrozić RNA na lodzie. Dodać czerwień fenolową 0,5% do RNA w stosunku 1:1, aby uzyskać końcowe stężenie RNA ok. 30ng/μl, a następnie napełnić 1μl roztworu do wyciągniętej igły kapilarnej metodą wstecznego napełniania.
- Zebrać ok. 75 embrionów CK:GFP w stadium jednego komórki8 w medium E3. Przenieść zebrane embriony do formy do mikrowstrzykiwania za pomocą pipety Pasteura 5 ¾ i delikatnie ustawić embriony w rynience pęsetą FST Dumont #5. Uwaga: Należy pracować szybko, aby uniknąć wstrzyknięcia w embrion w stadium wielokomórkowym, co może prowadzić do mozaikowej ekspresji wstrzykniętego RNA.
- Pod standardowym laboratoryjnym stereomikroskopem sekcyjnym wstrzyknąć RNA do żółtka embrionów, używając mikrowstrzykiwacza z kontrolą ciśnienia (Harvard Apparatus PLI-10 Pico-Injector). Po wstrzyknięciu w embrionie powinna być widoczna czerwona kropka (czerwień fenolowa). Wstrzyknąć RNA do co najmniej 50 embrionów dla każdego eksperymentu. (Szczegółowy protokół wstrzykiwania RNA do embrionów danio przełamanego znajduje się w poprzednim protokole JoVE9).
Uwaga:
- Do wstrzykiwania RNA do embrionów w stadium jednej komórki należy użyć objętości ok. 2nl. Aby określić ilość wstrzykniętego RNA, należy wydać bolus RNA do kropli oleju mineralnego na skalibrowanym szkiełku z mikrometrem lub pod mikroskopem z wbudowaną skalą w okularach. Kropla RNA powinna mieć kształt idealnej sfery. Ilość dostarczonego materiału obliczyć za pomocą wzoru: Objętość (w nl) = 4/3πr3. Dostarczoną objętość można regulować, zmieniając ciśnienie wstrzykiwania lub czas trwania procesu w urządzeniu.
- Należy również dbać o to, aby wstrzyknąć najmniejszą ilość RNA umożliwiającą wizualizację fluoroforu, ponieważ wysokie stężenia RNA mogą być toksyczne dla rozwijającego się embrionu. W celu ustalenia odpowiedniego poziomu ekspresji przed rozpoczęciem właściwego eksperymentu należy przeprowadzić badanie krzywej dawka-odpowiedź.
- Posegregować embriony, usuwając niezapłodnione lub uszkodzone jaja, a pozostałe embriony umieścić w temperaturze 28,5°C.
- Po 24 godzinach, za pomocą fluorescencyjnego mikroskopu sekcyjnego, wybrać embriony danio przełamanego wykazujące wysoki poziom fluorescencji GFP (naskórek) i RFP (aktyna). Wybrane embriony przechowywać w temperaturze 28,5°C aż do rozpoczęcia podawania leku indukującego apoptozę.
2. Indukcja ekstruzji komórek w larwach danio pręgowanego przy użyciu G418
Stwierdziliśmy, że ekspozycja na antybiotyk aminoglikozydowy G418, znany również jako Geneticin, wywołuje apoptozę i ekstruzję komórek epidermalnych w rozwijających się larwach zebrafish3 poprzez nieznany mechanizm. Co istotne, zabieg ten działa jedynie w przypadku larw w 4. dniu po zapłodnieniu i starszych. Zaobserwowaliśmy, że w dowolnym momencie w nabłonku płetwy larw zebrafish traktowanych G418 można znaleźć ˜ 5-25 ekstrudujących komórek. Ponieważ liczba apoptotycznych komórek ulegających ekstruzji może się różnić między osobnikami, zalecamy montowanie kilku ryb do obrazowania.
- Zebraikowe larwy w 4. dniu po zapłodnieniu (dpf), wykazujące fluorescencję GFP i RFP, zebrać i umieścić w naczyniu hodowlanym o wymiarach 35 x 10mm zawierającym 3 mililitry (mLs) medium E3. W naczyniu tej wielkości można poddać procesowi do 25 larw.
- Ostrożnie wymienić medium na 3mLs medium E3 zawierającego 1mg/mL G418 i inkubować larwy w obecności leku przez 4 godziny w temperaturze 28.5°C. Należy pamiętać, że G418 jest światłoczuły, dlatego należy zadbać o to, aby naczynie hodowlane było przykryte lub znajdowało się w ciemności.
- Usunąć medium i zastąpić je podgrzanym do 28.5°C medium E3 zawierającym 0.02% Tricaine, a następnie przystąpić do montowania larw.
3. Montowanie larw zebrafish do obrazowania
- Przenieś 3 larwy do probówki Eppendorf o pojemności 1,5 ml i usuń większość medium E3 po opadnięciu ryb na dno probówki. Ustalono, że przed zestaleniem się agarozy można poprawnie zamontować do 3 osobników.
- Używając przyciętego końcówki pipety, nanieś 120 µl 1% LM-agarozy (42°C) do probówki, wymieszaj, a następnie delikatnie nanieś mieszaninę larw i agarozy na szkiełko nakrywkowe znajdujące się na dnie naczynia hodowlanego MatTek.
- Używając uchwytu do szpilek FST z włożoną szpilką lub przymocowaną igłą wolframową, szybko ustaw larwy tak, aby leżały prosto i płasko przy szkiełku nakrywkowym naczynia MatTek.
Uwaga: Zazwyczaj najpierw używamy prostej szpilki do orientacji larw, a następnie szpilki w kształcie litery L, aby upewnić się, że przylegają one płasko do szkiełka nakrywkowego, zapobiegając jednocześnie uszkodzeniu preparatów.
- Po zestaleniu się agarozy delikatnie wypełnij naczynie medium E3 zawierającym 0,02% Tricaine.
Uwaga: Alternatywnie do medium E3 w naczyniu do obrazowania można dodać G418, aby kontynuować indukcję ekstruzji, choć długotrwała ekspozycja na 1 mg/mL G418 spowoduje śmierć larw.
4. Obrazowanie na żywo dynamiki aktyny i zachowań poszczególnych komórek nabłonkowych podczas ekstruzji komórkowej przy użyciu konfokalnego mikroskopu z dyskiem wirującym
Stwierdziliśmy, że cały proces ekstruzji komórek apoptotycznych z naskórka rozwijających się larw rybek zebrafish trwa około 20 minut3. W niniejszym materiale demonstrujemy, jak przygotować eksperyment obrazowania poklatkowego w celu zebrania serii płaszczyzn z w pojedynczej warstwie naskórka rybek zebrafish, aby zwizualizować proces ekstruzji. Zaobserwowaliśmy, że typowe fluorescencyjne mikroskopy szerokopolowe powodują znaczny fotobleaching filamentów aktynowych i nie pozwalają na obrazowanie poklatkowe. Dlatego, aby zmaksymalizować rozdzielczość i zapobiec fotobleachingowi, stosujemy konfokalny mikroskop z wirującym dyskiem. Poniżej opisujemy, jak przygotować eksperyment przy użyciu oprogramowania Andor IQ z mikroskopem Nikon, choć omówione zasady można zastosować w podobnych konfiguracjach mikroskopowych.
- W pierwszej kolejności włącz lasery argonowy (do wzbudzenia GFP przy 488nm) i HeNe (do wzbudzenia RFP przy 561nm), mikroskop, kamerę oraz lampę epifluorescencyjną.
- W oprogramowaniu Andor IQ (wersja 1.10.1) utwórz protokół serii czasowej zawierający wybrane długości fal do obrazowania, częstotliwość odstępów między kolejnymi ujęciami oraz liczbę powtórzeń procesu akwizycji.
- Delikatnie umieść naczynie MatTek z preparatem na stole mikroskopu i używając obiektywu 20x z oświetleniem przeświecającym, ustaw ostrość na larwy.
- Przesuń obiektyw immersyjny 40X w wodzie (N.A. 0,8) do odpowiedniej pozycji. Używając tego obiektywu, możemy filmować około 20-25 komórek w jednym polu widzenia, co pozwala na śledzenie zachowań komórkowych podczas ekstruzji przy jednoczesnej rozdzielczości dynamiki aktyny wewnątrzkomórkowej. Uwaga: Te same strategie montażu i obrazowania można zastosować w mikroskopach odwróconych, przy czym należy użyć obiektywu immersyjnego 40X w wodzie z długą odległością roboczą.
- Ostrożnie nałóż kroplę wody na górną część obiektywu 40x i szybko umieść na niej naczynie MatTek. Uwaga: Jeśli problemem jest odparowywanie wody, można zastosować roztwór immersyjny Zeiss Immersol.
- Zidentyfikuj preparat, korzystając z oświetlenia fazowego lub DIC, a następnie użyj epifluorescencji 48nm, aby precyzyjnie ustawić ostrość na skórę (epidermis) wykazującą pozytywną fluorescencję GFP.
- Przełącz urządzenie w tryb skanowania konfokalnego. Odpowiednio dostosuj intensywność lasera i czas ekspozycji dla każdego z kanałów (48nm i 561nm). Należy zachować równowagę między mocą lasera a czasem ekspozycji, aby uzyskać optymalną detekcję sygnału i zapobiec fotobleachingowi lub toksyczności.
- Aby zidentyfikować komórki podlegające ekstruzji, użyj epifluorescencji do wizualizacji skóry znakowanej GFP i znajdź grupę komórek ułożonych w klasyczny wzór rozety, składający się z zespołu komórek otaczających małą, okrągłą komórkę w centrum. W trybie skanowania konfokalnego widoczne powinno być również nagromadzenie aktyny znakowanej RFP w formie pierścienia wokół małej, okrągłej komórki w środku, co jest cechą charakterystyczną ekstruzji komórkowej. Po zidentyfikowaniu komórki podlegającej ekstruzji, szybko skonfiguruj mikroskop do akwizycji konfokalnych zbiorów danych 4D (X-Y-Z-Czas).
- Wyznacz górny i dolny punkt w płaszczyźnie z, aby zwizualizować pojedynczą warstwę skóry, w tym komórkę podlegającą ekstruzji, i wybierz wielkość kroku. Dla obrazowania time-lapse ustaw odstępy czasowe między ujęciami oraz liczbę powtórzeń. Przykładowo, zazwyczaj wykonujemy serię z w zakresie 5-10μm, z krokiem 1 μm, co 1-2 minuty przez okres 30 minut.
- Aby przejrzeć dane, zazwyczaj tworzymy projekcje 3D serii z i zapisujemy zbiór danych jako plik wideo zgodny z Quick Time (Apple). W ten sposób możemy wizualizować skurcz pierścienia aktynowego oraz zachowania nabłonka występujące wokół obumierającej komórki w czasie.
5. Reprezentatywne wyniki

Rycina 1. Schemat ekstruzji apoptotycznej komórki. Filamenty aktynowe zaznaczono kolorem czerwonym, komórki naskórka GFP-dodatnie kolorem zielonym.

Rysunek 2. Schemat eksperymentalny. A. Schemat przebiegu eksperymentu. BEkspresja RFP-UtrCH w naskórku 4-dniowych zarodków ryb zebrafish CK:GFP.

Rysunek 3. Klatki (projekcje osi z) z filmu time-lapse przedstawiającego dynamikę aktyny na żywo podczas procesu ekstruzji komórek nabłonkowych. Strzałki wskazują pierścień aktyny utworzony przez sąsiednie komórki, który kurczy się i zamyka w ciągu 2 minut.