1. Pozyskiwanie embrionów do testu fotokonwersji
Po krzyżowaniu wewnątrz linii transgenicznych danio-przewodników (zebrafish) wykazujących ekspresję PCFP, wybierane są najjaśniejsze embriony homozygotyczne, które następnie hodowane są w temperaturze 28.5 °C aż do osiągnięcia pożądanego stadium embrionalnego15.
Uwaga 1: Ta wstępna selekcja pozwoli na skanowanie embrionów przy niskiej mocy lasera, zapobiegając tym samym fototoksyczności i fotobleachingowi.
Uwaga 2: Sugerujemy stosowanie światła o niskim natężeniu podczas wizualizacji embrionów oraz utrzymywanie ich w ciemności ze względu na wysoką wrażliwość PCFP, takich jak Kaede i KikGR, na ekspozycję na światło, w tym na światło dzienne.
2. Oddawanie w blok
- W szklanym naczyniu z wodą do jaj przeniesie się embriony pod stereomikroskopem i usunie błonkę naskórkową (dechorionizacja) za pomocą pęsety.
- Zanurzyć embriony w roztworze Tricaine (3-amino benzoic acidethylester, Sigma-Aldrich) o stężeniu 0.16 mg/ml w celu ich znieczulenia (40μl roztworu stokowego 4 mg/ml w 1 ml medium E3 1X).
Uwaga 1: Przenosić zarodki za pomocą szklanej pipety lub pipety o ściętym końcu (P1000), aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia zarodków.
Uwaga 2: Młode embriony po dechorionizacji nie powinny być wystawiane na działanie powietrza ani wynoszone do granicy woda/powietrze, ponieważ jaja łatwo pękają pod wpływem stresu mechanicznego.
- Przenieś znieczulony embrion na pokrywkę naczynia hodowlanego, utrzymując go w jak najmniejszej objętości medium.
- Przenieś embrion do agarozy, pipetując go w 1% agarozie o niskiej temperaturze topnienia (LMA, Lonza) o temperaturze 30 °C zawierającej 0,16 mg/ml Tricaine, a następnie umieść go na szkiełku podstawowym naczynia hodowlanego z podstawką ze szkła kryształowego (MatTek Corp. Ashland MA USA). Następnie zorientuj embrion za pomocą gładkiego plastikowego końcówki (np. przyciętej końcówki pipety Microloader, Eppendorf), a po spolimeryzowaniu LMA przykryj agarozę roztworem 0,16 mg/ml Tricaine.
Uwaga 1: Rozpuść 1% LMA w temperaturze 60 °C i utrzymuj roztopiony agarozę w temperaturze 30 °C.
3. Fotokonwersja
- Za pomocą odwróconego mikroskopu konfokalnego wyposażonego w źródła laserowe 405 nm, 488 nm i 561 nm, takiego jak Zeiss LSM 710, zwizualizuj próbkę poprzez skan z-Stack obejmujący całą strukturę preparatu, który ma zostać poddany fotokonwersji i późzemu śledzeniu, wykorzystując laser 488 nm (t.j. laser Ar 30 mW, przy intensywności 5-7 %, detektor ustawiony na 493-540 nm) oraz laser 561 nm (t.j. laser DPSS 561 10 mW, przy intensywności 7-9 %, detektor ustawiony na 587-651), aby przeskanować tkankę/organ w kierunku odpowiednio zielonej i czerwonej fluorescencji białek fotokonwertowalnych.
Uwaga 1: Do skanowania przed fotokonwersją zastosowano obiektyw Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
Uwaga 2: Przed eksperymentem zawsze należy przeprowadzić skanowanie w poszukiwaniu fluorescencji czerwonej, aby wykluczyć obecność przypadkowo wytworzonego, przekształconego PCFP o czerwonej fluorescencji.
- Wybierz narzędzie Time series i ustaw 2 cykle bez odstępu czasowego (jeden dla etapu przed i jeden dla etapu po fotokonwersji).
- Wybierz narzędzie Regions i zdefiniuj jeden lub więcej obszarów zainteresowania (ROI) do fotokonwersji.
Uwaga 1: Zalecamy, aby w pierwszej kolejności określić precyzję, z jaką obszar faktycznie poddany fotokonwersji przez laser skanujący w ROI pokrywa się z obszarem ROI wybranym w oprogramowaniu, mierząc powierzchnię tkanki/komórek poddanych fotokonwersji we wszystkich trzech kierunkach (xy i z) w utrwalonym preparacie, w którym nie przewiduje się ruchu komórek ani białek. Dla ustawień opisanych w niniejszym zastosowaniu ROI pokrywało się z obszarem poddanym fotokonwersji z dużą precyzją, jednak zależy to od użytego obiektywu oraz ilości światła laserowego zastosowanego do fotokonwersji. Rozmiar ROI może zostać zredukowany do rozmiaru pojedynczej komórki, w zależności od apertury numerycznej obiektywu, stopnia powiększenia oraz ilości światła laserowego wykorzystanego do fotokonwersji.
- Wybierz narzędzie Bleaching i ustaw rozpoczęcie wybielania po pierwszym z dwóch skanowań. Do fotokonwersji zastosowano laser diodowy o mocy 30 mW i długości fali 405 nm, a parametry starannie zoptymalizowano w celu uzyskania minimalnej ilości światła laserowego niezbędnej do pełnej fotokonwersji, co osiągnięto głównie poprzez zmianę natężenia światła laserowego, liczby iteracji skanowania ROI oraz czasu piksela (tj. prędkości skanowania).
Uwaga 1: Do fotokonwersji wykorzystano obiektyw Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
Uwaga 2: Moc lasera oraz liczba iteracji muszą zostać określone empirycznie dla każdego ustawienia eksperymentalnego i powinny zapewnić całkowitą fotokonwersję PCFP z zielonego na czerwony w obrębie ROI przy minimalnej niezbędnej ilości światła laserowego, aby ograniczyć fototoksyczność. Zalecamy rozpoczęcie testów przy użyciu niskiej mocy lasera (np. 3 %, co odpowiada 0,03 mW w płaszczyźnie obiektywu) w połączeniu z niską liczbą iteracji (np. 20), a następnie stopniowe zwiększanie mocy lasera aż do uzyskania całkowitej fotokonwersji, co w naszych badaniach nastąpiło przy mocy lasera 10% (co odpowiada 0,1 mW w płaszczyźnie obiektywu). W tych warunkach wszystkie badane embriony przeżyły plan zabiegu. Zaobserwowaliśmy jednak, że błona żółtka jest wrażliwa na impulsy laserowe i może zostać łatwo uszkodzona, co prowadzi do śmierci embrionu. Z tego powodu śmiertelność embrionów po fotokonwersji może wystąpić, jeśli położenie tkanki docelowej znajduje się blisko ciała żółtka.
- Wykonaj skan z-Stack próbki przy użyciu laserów o długości fali 488 nm i 561 nm, aby zwizualizować pozostałą zieloną oraz fotokonwertowaną czerwoną fluorescencję PCFP.
Uwaga 1: Do skanowania po fotokonwersji zastosowano obiektyw Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
4. Usunięcie zarodka z agarozy
- Wylać roztwór i ostrożnie wyjąć zarodek z 1% LMA za pomocą igły lub gładkiego plastikowego tipsa.
- Przechowywać zarodek w wodzie jajowej (egg water) w ciemności w temperaturze 28.5 °C aż do osiągnięcia pożądanego stadium rozwoju.
Uwaga 1: Ważne jest, aby embriony kontynuowały swój rozwój w wodzie jajowej, szczególnie w pierwszych dniach rozwoju podczas wydłużania ciała embrionalnego. Rzeczywiście, niektóre tkanki/organy embrionalne zmieniają swoje położenie w trakcie rozwoju i dlatego wymagają specyficznej orientacji podczas zatapiania, co zależy od konkretnej tkanki/organu oraz pożądanego stadium rozwoju poddanego analizie.
5. Ponowne zatapianie
- Postępuj zgodnie z instrukcjami zawartymi w punkcie 2.) niniejszego protokołu.
6. Śledzenie tkanki poddanej fotokonwersji w późniejszych stadiach embrionalnych
- Skanowanie obszaru zainteresowania (z-Stack) przy użyciu laserów o długości fali 488 nm oraz 561 nm odpowiednio dla zielonego i czerwonego sygnału fluorescencyjnego.
Uwaga 1: Do skanowania x godzin po fotokonwersji użyto obiektywu Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
Uwaga 2: Ponieważ protokół ten nie wpływa na prawidłowy rozwój zarodka, możliwe jest obserwowanie poddanego fotokonwersji zarodka na późniejszych etapach rozwoju (w tym celu należy postępować zgodnie z instrukcjami opisanymi w punktach 4 - 6).
7. Reprezentatywne wyniki
Przykład testu fotokonwersji przedstawiono na Rysunku 1. Śledziliśmy komórki śródbłonka podczas rozwoju danio pręgowanego (przegląd anatomii naczyniowej rozwijającego się danio pręgowanego znajduje się w16). W związku z tym zastosowaliśmy linię reporterową danio pręgowanego Tg(kdrl:nlsKikGR)hsc7 wykazującą ekspresję KikGR w jądrach komórek śródbłonka17. Embriony homozygotyczne o silnej ekspresji hodowano w temperaturze 28.5 °C do 48 h po zapłodnieniu (hpf). Po dechorionacji embriony znieczulono i zatopiono w LMA, ustawiając stronę przednio-grzbietową embrionu w stronę szkiełka podstawowego, aby lepiej uwidocznić naczynia głowy. Do testu fotokonwersji i dalszego śledzenia fotokonwertowanego białka wykorzystaliśmy odwrócony mikroskop konfokalny (Zeiss LSM 710 Meta) wyposażony w lasery pracujące w długościach fal 405 nm, 488 nm i 561 nm oraz obiektyw Plan Apochromat 20x/NA 0.8. Jak pokazano na Rysunku 1A, przed fotokonwersją KikGR był wykazujący ekspresję w tkance śródbłonka i był wykrywalny jedynie jako fluorescencja zielona przy użyciu lasera argonowego 488 nm. Skanowanie kontrolne laserem DPSS 561-10 561 nm w celu wykrycia fluorescencji czerwonej nie wykazało obecności fotokonwertowanego KikGR przed przeprowadzeniem fotokonwersji (Rysunek 1A). Następnie obszar ROI został całkowicie poddany fotokonwersji przy użyciu lasera diodowego 405 nm (przy intensywności 10%, 20 iteracji), a naczynia głowy ponownie przeskanowano laserami 488 nm i 561 nm (Rysunek 1B). Jak pokazano na Rysunku 1B, zielony KikGR w obszarze ROI całkowicie zmienił kolor na czerwony. Po teście fotokonwersji embrion usunięto z agarozy i hodowano w temperaturze 28.5 °C w wodzie do jaj. Na koniec embrion ponownie obserwowano 24 h po fotokonwersji, około 72 hpf, aby śledzić fotokonwertowane komórki śródbłonka w późniejszych stadiach (Rysunek 1C). W tym celu embrion ponownie zatopiono w LMA i przeskanowano laserami 488 nm i 561 nm. Jak pokazano na Rysunku 1C, w tkance śródbłonka pochodzącej z fotokonwertowanego ROI zaobserwowano zarówno białka KikGR niekonwertowane, jak i fotokonwertowane, co wynika ze stabilności czerwonej fluorescencji fotokonwertowanego KikGR oraz resyntezy nowego, zielonego, niekonwertowanego KikGR.

Rysunek 1. Fotokonwersja KikGR podczas rozwoju danio-pręgopławca. (A,B) Specyficzny region naczyń krwionośnych głowy śródbłonka został poddany fotokonwersji w 48 hpf w zarodkach transgenicznych Tg(kdrl:nlsKikGR)hsc7 i (C) ponownie zaobserwowany 24 h po fotokonwersji (około 72 hpf). Przedstawiono fluorescencję KikGR (zielona), fotokonwertowanego KikGR (czerwona) oraz kanały nałożone. Przerywane okręgi wskazują ROI przed, po oraz 24 h po fotokonwersji. Obrazy przedstawiają widok grzbietowy zarodka danio-pręgopławca, z częścią przednią skierowaną w dół. Paski skali: 50 μm.
| Białko (akronim) | Ex (nm) | Em (nm) | EC | QY | Struktura czwartorzędowa | Jasność | Zastosowanie | Ref |
| Kaede_G | 508 | 518 | 99 | 0.9 | tetramer | 259 | Śledzenie komórek | 2,6 |
| Kaede_R | 572 | 580 | 60 | 0.3 | tetramer | 59 |
| KikGR_G | 507 | 517 | 54 | 0.7 | tetramer | 112 | Śledzenie komórek | 3,6,8-10 |
| KikGR_R | 583 | 593 | 35 | 0.6 | tetramer | 68 |
| mKikGR_G | 505 | 515 | 49 | 0.7 | monomer | 101 | Dynamiczne śledzenie, obrazowanie superrozdzielcze | 13 |
| mKikGR_R | 580 | 591 | 28 | 0.6 | monomer | 53 |
| EosFP_G | 506 | 516 | 72 | 0.7 | tetramer | 150 | Śledzenie komórek | 5,20 |
| EosFP_R | 571 | 581 | 41 | 0.5 | tetramer | 67 |
| tdEos_G | 506 | 516 | 34 | 0.7 | dimer tandemowy | 165 | Obrazowanie superrozdzielcze | 12,14,21 |
| tdEos_R | 569 | 581 | 33 | 0.6 | dimer tandemowy | 59 |
| mEos2_G | 506 | 519 | 56 | 0.7 | monomer | 140 | Dynamiczne śledzenie, obrazowanie superrozdzielcze | 11,18 |
| mEos2_R | 573 | 584 | 46 | 0.7 | monomer | 90 |
| Dendra2_G | 490 | 507 | 45 | 0.5 | monomer | 67 | Dynamiczne śledzenie, obrazowanie superrozdzielcze | 4,11 |
| Dendra2_R | 553 | 573 | 35 | 0.55 | monomer | 57 |
Tabela I. Właściwości fotokonwertowalnych białek fluorescencyjnych. W tabeli przedstawiono powszechną nazwę i/lub akronim każdego PCFP, maksymalne długości fal pobudzenia (Ex) i emisji (Em), molowe współczynniki ekstynkcji (EC, 10-3 M-1 cm-1 ), wydajność kwantową (QY), fizjologicznie istotną strukturę czwartorzędową, względną jasność (jako % EGFP), zastosowanie oraz referencje. Tabela zaadaptowana z Day and Davidson, 20101.
| PCFP | Transgeniczne linie danio pręgowanego | Źródło |
| 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) | |
Tabela II. Transgeniczne linie danio pręgowanego wykazujące ekspresję PCFP. Dane uzyskane z bazy danych modelowych organizmów Zebrafish Model Organism Database (ZFIN, http://zfin.org/). Oznaczono dostępność linii w Zebrafish International Resource Center (ZIRC, http://zebrafish.org/zirc/).