Ten artykuł przedstawia wygodną i szybką metodę wizualizacji różnych populacji komórek nerwowych w ośrodkowym układzie nerwowym zarodków Xenopus za pomocą barwienia immunofluorescencyjnego na skrawkach.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten artykuł przedstawia wygodną i szybką metodę wizualizacji różnych populacji komórek nerwowych w ośrodkowym układzie nerwowym zarodków Xenopus za pomocą barwienia immunofluorescencyjnego na skrawkach.
Pierwotna neurogeneza to dynamiczny i złożony proces podczas rozwoju embrionalnego, który tworzy początkowy układ ośrodkowego układu nerwowego. Podczas tego procesu część nerwowych komórek macierzystych ulega różnicowaniu i daje początek pierwszym populacjom zróżnicowanych neuronów pierwotnych w powstającym ośrodkowym układzie nerwowym. Kilka modelowych organizmów kręgowców wykorzystano do zbadania mechanizmów specyfikacji, wzorców i różnicowania losu komórek nerwowych. Wśród nich jest afrykańska żaba szponiasta, Xenopus, która zapewnia potężny system do badania mechanizmów molekularnych i komórkowych odpowiedzialnych za pierwotną neurogenezę ze względu na szybki i dostępny rozwój oraz łatwość manipulacji embriologicznych i molekularnych. W tym miejscu przedstawiamy wygodną i szybką metodę obserwacji różnych populacji komórek nerwowych w ośrodkowym układzie nerwowym Xenopus. Za pomocą barwienia przeciwciałami i immunofluorescencji na skrawkach zarodków Xenopus jesteśmy w stanie obserwować lokalizacje nerwowych komórek macierzystych i zróżnicowanych neuronów pierwotnych podczas pierwotnej neurogenezy.
U kręgowców rozwój ośrodkowego układu nerwowego składa się z kilku charakterystycznych, ale następujących po sobie etapów. Pierwszym krokiem jest indukcja neuronalna, kiedy naiwne komórki ektodermalne są skierowane na los neuronalny, a nie naskórkowy. Na tym etapie w Xenopus i innych systemach modelowych 1,2 zaangażowanych jest kilka powiązanych ze sobą mechanizmów regulacyjnych. Proces ten jest przede wszystkim koordynowany przez czynniki wydzielane przez leżącą poniżej mezodermę, takie jak chordyna, noggin i folistatyna 3-7. Po indukcji neuronalnej podzbiór neuronalnych komórek progenitorowych opuszcza cykl komórkowy i zaczyna różnicować się w procesie zwanym neurogenezą pierwotną. Nie wszystkie prekursory neuronalne różnicują się w tym czasie. Pozostałe nerwowe komórki prekursorowe nadal się namnażają, utrzymując w ten sposób pulę komórek macierzystych potrzebną do dalszego wzrostu ośrodkowego układu nerwowego przez cały okres rozwoju i do dorosłości.
Te proliferujące neuronalne komórki prekursorowe charakteryzują się ekspresją genu SRY (region determinujący płeć Y)-box 3 (sox3) 8-11. Druga populacja komórek, które opuszczają cykl komórkowy i zobowiązują się do zróżnicowanego losu, jest identyfikowana na podstawie ekspresji markerów genów różnicowania, tubuliny, beta 2B klasy IIb (tubb2b, N-tub) i czynnika transkrypcyjnego mieliny 1 (myt1) 12-14. Takie zróżnicowane komórki neuronalne ostatecznie dają początek różnym kategoriom neuronów, w tym między innymi neuronom ruchowym, między- i czuciowym umieszczonym w różnych obszarach cewy nerwowej 15-17.
Podczas gdy wiele wysiłku poświęcono na odkrycie mechanizmów regulacyjnych, które rządzą zdarzeniami determinującymi wzorce i losy w przedniej części neuroektodermy, mniej uwagi poświęcono badaniu zdarzeń neurogennych, które występują po początkowym etapie wzorcowania. Rzeczywiście, transdukcja sygnału, regulacje transkrypcyjne, a także modyfikacje potranslacyjne są zaangażowane w ten późniejszy etap, kontrolując zarówno czas, jak i specyfikację linii podczas neurogenezy 18-20. Dalsze badania nad tymi mechanizmami wymagają niezawodnej metody łatwej wizualizacji i rozróżniania różnych populacji komórek neuronalnych. Wyżej wymienione markery neuronalne, w tym Sox3, Myt1 i N-tub, mogą zapewnić środki do identyfikacji tych różnych populacji komórek, zapewniając w ten sposób niezbędne podstawy do ujawnienia mechanizmów leżących u podstaw różnicowania neuronów 21-23.
Chociaż w innych organizmach modelowych wykazano różnicowe znakowanie populacji komórek neuronalnych, stosunkowo niewiele badań w pełni wykorzystało system Xenopus w tym zakresie. Wynika to głównie z braku kompatybilnych przeciwciał, które niezawodnie identyfikują różne populacje komórek nerwowych w cewie nerwowej. W tym miejscu opisujemy metodę wizualizacji różnicowania neuronów we wczesnych zarodkach Xenopus za pomocą barwienia immunologicznego, która zapewnia solidne i wygodne podejście do badania pierwotnej neurogenezy u Xenopus. Protokół ten powinien stanowić wystarczające wytyczne dla badaczy zainteresowanych wczesnym rozwojem ośrodkowego układu nerwowego Xenopus między stadium 26 a 45.
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Centrum Dobrostanu Zwierząt Uniwersytetu w Manchesterze i były objęte licencją brytyjskiego Ministerstwa Spraw Wewnętrznych.
1. Pobieranie i utrwalanie zarodków Xenopus
2. Dopasowywanie i kriosekcja zarodków Xenopus
3. Barwienie immunologiczne wyciętych zarodków Xenopus
Reprezentatywne wyniki przedstawiają przekroje poprzeczne embrionów Xenopus w stadium 30 na różnych poziomach, mianowicie: przedmózgowia, śródmózgowia, rądmózgowia i rdzenia kręgowego, zabarwione różnymi przeciwciałami (Rysunek 4). Jak wspomniano, populacja neuronalnych komórek progenitorowych znakowanych Sox3 znajduje się w pobliżu światła rurki neuralnej, podczas gdy zróżnicowane neurony pierwotne znakowane MyT1 migrują na zewnątrz i lokalizują się w pobliżu warstwy marginalnej (blaszki podstawnej) rurki neuralnej. Przeciwciała przeciwko acetylotubulinie znakują aksony w zróżnicowanych neuronach, które można zaobserwować w całej rurce neuralnej.
Stronniczy knockdown lub nadekspresja genów jest powszechnie stosowaną metodą w neurobiologii, służącą do oceny, czy modulowanie ekspresji konkretnego genu lub genów zaburza wzrost i różnicowanie komórek neuronalnych. W takich przypadkach do jednego z dwóch blastomerów w stadium dwukomórkowym wstrzykuje się morfolino (MOs) lub konstrukty DNA zawierające geny sterowane przez promotor 23. Alternatywnie można je wstrzyknąć do komory mózgu, a następnie przeprowadzić elektroporację, co doprowadzi do knockdownu lub nadekspresji pożądanych genów 27. W obu przypadkach efekty będą ograniczone do jednej strony zarodka, co czyni przeciwległą stronę zarodka nieleczoną kontrolą wewnętrzną.
Po utrwaleniu, sekcjonowaniu i immunobarwieniu, wpływ wyciszenia/nadekspresji genów jest kwantyfikowany poprzez zliczenie i porównanie liczby komórek różnych populacji po obu stronach zarodka. Dzięki zgromadzeniu tych danych z kilku zarodków można przeprowadzić analizę statystyczną. W naszych reprezentatywnych wynikach w zarodkach nie wprowadzono żadnych zaburzeń. Przykłady zaburzeń genów i ich wpływ na różne populacje komórek neuronalnych można znaleźć w literaturze 20,23.

Rycina 1: Układ i orientacja zarodków w formie do sekcjonowania. (A) Schematyczne przedstawienie zespołu montażowego; należy zwrócić uwagę, że tacka została opisana datą, stadium oraz orientacją zarodków. (B) Zdjęcie przedstawiające rzeczywisty wygląd zespołu montażowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Orientacja i położenie bloku żelatynowego na dysku do mocowania próbek. (A) Schematyczny rysunek przedstawiający zestaw bloku do sekcjonowania; należy zwrócić uwagę, że embriony znajdują się w pozycji „głowami do góry”, a blok żelatynowy jest mocno przymocowany do dysku do mocowania próbek za pomocą medium do mrożenia tkanek u podstawy (patrz Rysunek 2B). (B) Zdjęcie przedstawiające rzeczywisty wygląd zestawu bloku do sekcjonowania; zwróć uwagę na nagromadzenie medium do mrożenia tkanek pomiędzy blokiem żelatynowym a dyskiem do mocowania próbek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Cięcie seryjne. (A) Model komory do cięcia. Tarczę trzymającą próbkę należy obrócić i ustalić w pozycji, w której strona z embrionem jest skierowana do góry. Po wykonaniu kilku (6-10) cięć, długi pasek seryjnych plastrów jest delikatnie oddzielany od ostrza (niebieski) za pomocą cienkiego pędzla, a następnie obracany o 90° na płytce mocującej. Następnie szkiełko w temperaturze pokojowej, naładowane dodatnio, jest mocno dociskane do paska plastrów stroną dolną i natychmiast podnoszone w celu zebrania gotowych pasków. (B) Zazwyczaj każde szkiełko może pomieścić 2 równoległe linie pasków, jak pokazano na rysunku. Należy pamiętać o sporządzeniu szczegółowych zapisów na etykiecie szkiełka za pomocą ołówka. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4: Przekrój kijanek X. laevis w stadium 30 i barwienie tkanki nerwowej, powiększenie 20X. (A) Schematy wskazujące względne położenie (przedmózgowie, śródmózgowie, rombencefalon i rdzeń kręgowy) płaszczyzn przekroju u kijanek Xenopus. (B) Odpowiadające im przekroje barwione przeciwciałami anty-Sox3 (czerwony), anty-acetylotubuliną (zielony) oraz DAPI (niebieski), pokazujące względne rozmieszczenie pul komórek macierzystych neuronów oraz neurofilamentów w obrębie cewy nerwowej. (C) Odpowiadające im przekroje barwione przeciwciałami anty-MyT1 (czerwony) oraz DAPI (niebieski), pokazujące względne rozmieszczenie zróżnicowanych neuronów pierwotnych w obrębie cewy nerwowej. Pasek skali = 20 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Tutaj pokazujemy wygodną i skuteczną metodę wizualizacji pierwotnej neurogenezy w zarodkach Xenopus . Metoda ta pozwala na ocenę różnych typów komórek nerwowych, w tym neuronalnych komórek macierzystych i zróżnicowanych neuronów pierwotnych przy użyciu markerów specyficznych dla typu komórki.
Protokół jest ogólnie solidny i ma bardzo wysoki poziom odtwarzalności. W przypadku zarodków, które znajdują się w fazie przed wykluciem (tj. do stadium 28), zalecamy ręczne usunięcie błony witeliny przed utrwaleniem, ponieważ pozwala to na pełne rozwinięcie zarodków przed utrwaleniem. Jest to szczególnie ważne przy pobieraniu zarodków na stosunkowo wczesnych etapach (przed wykluciem), ponieważ wygięte zarodki są niezwykle trudne do ułożenia w pożądanej orientacji wewnątrz komory montażowej. Nie doświadczyliśmy utraty immunogenności po utrwaleniu MEMFA lub PFA, dlatego dodatkowy etap pobierania antygenu nie jest konieczny w przypadku tego protokołu. Ponadto tę procedurę barwienia immunologicznego można przeprowadzić w próbkach z hybrydyzacji chromogenicznej/fluorescencyjnej in situ. W takim scenariuszu zaleca się pominięcie etapu leczenia proteazą K podczas protokołu hybrydyzacji in situ. Po reakcji chromogenicznej/fluorescencyjnej substratu próbki można przemyć TBS i zanurzyć w roztworze żelatyny rybnej w podobny sposób, jak w przypadku próbek utrwalonych MEMFA/PFA. Fiolki z próbkami można chronić przed światłem, owijając je folią aluminiową, jeśli fluorescencyjna hybrydyzacja in situ zostanie później zobrazowana wraz z barwieniem immunofluorescencyjnym.
W niektórych przypadkach zarodki mogą nadmiernie się kurczyć po penetracji żelatyny. Jest to najprawdopodobniej spowodowane albo niewystarczającą fiksacją, albo niewystarczającą ekstrakcją TBS-Triton. Upewnij się, że zarodki zostały utrwalone w PFA/MEMFA przez co najmniej 2-3 godziny lub najlepiej przez noc w temperaturze 4 °C. Jeśli problem będzie się powtarzał, wydłuż czas prania TBS-Triton do 3 przez 1 godzinę.
Podczas kriosekcji sztywność bloku próbki może się różnić, ponieważ różne partie żelatyny rybnej mają różne właściwości. Problem ten można częściowo skompensować, regulując temperaturę mikrotomu. Niższa temperatura spowoduje powstanie "twardszego" bloku próbki, jednak w zbyt niskiej temperaturze blok próbki stanie się ostry i trudny do pokrojenia. Pewne dostrojenie lub praktyka (przy użyciu próbnych bloków próbek bez zarodków) przed każdym cięciem może być korzystne przed użyciem na szczególnie cennych próbkach.
Często spotykanym problemem podczas cięcia jest to, że cienkie sekcje czasami mają tendencję do przyklejania się do grubej szklanej płyty, zamiast pozostawać płasko na stalowej scenie. Może to być szczególnie uciążliwe, ponieważ stale przerywa ciągły proces cięcia. Takie przypadki są zwykle spowodowane jedną z dwóch przyczyn: komora sekcyjnej i (zwłaszcza) gruba płyta szklana nie są wystarczająco zimne lub nadmierny ładunek elektrostatyczny na maszynie i operatorze, zwłaszcza przy suchej pogodzie. Ten pierwszy problem można rozwiązać, obniżając temperaturę komory sekcyjnej i pozostawiając szklaną płytkę w środku na dodatkowy czas (ewentualnie na noc); a to ostatnie poprzez odpowiednie uziemienie kriostatu. Podłączenie metalowej powierzchni kriostatu do metalowego kranu lub podobnego systemu rur wodnych wykonanych z metalu może być alternatywnym sposobem uwalniania ładunków elektrostatycznych. Po każdym użyciu grubą szklaną płytkę należy dobrze umyć niekorozyjnym detergentem (takim jak płyn do mycia naczyń), spłukać ultraczystą wodą, spryskać czystym etanolem i zawinąć w ręcznik, aby chronić powierzchnię i krawędzie przed uszkodzeniem.
Przeciwciała wymienione w protokole są na ogół swoiste i rzadko spotykamy się z niespecyficzną adsorpcją lub wysokim sygnałem tła. Należy zauważyć, że w przypadku stosowania inaktywowanej termicznie surowicy koziej/jagnięcej jako środka blokującego, należy unikać nadmiernej inaktywacji termicznej (co objawia się tworzeniem się puszystego osadu w surowicy), ponieważ ten środek strącający jest wysoce atrakcyjny dla przeciwciał drugorzędowych i może przyczyniać się do źródła wysokiego tła.
Możliwe, a czasem pożądane jest wykonanie podwójnego barwienia w celu jednoczesnej wizualizacji różnych populacji komórek neuronalnych. Takie podwójne barwienie jest możliwe i generalnie daje zadowalające rezultaty przy następujących kombinacjach: Sox3/N-tub lub Myt1/N-tub. Jednak podwójne barwienie Sox3 i Myt1 jest skomplikowane ze względu na fakt, że oba przeciwciała pochodzą od królika. Przetestowaliśmy kilka zestawów do bezpośredniego znakowania przeciwciał, jednak nie zaobserwowano zadowalających wyników (niski poziom sygnału do szumu), prawdopodobnie z powodu braku wzmocnienia sygnału z przeciwciał drugorzędowych. Jednym z możliwych podejść do obejścia tego problemu byłoby wyhodowanie linii transgenicznych w Xenopus, jak omówiono poniżej.
Jednym z głównych ograniczeń tego protokołu jest to, że chociaż protokół ten może wystarczająco rozróżnić dwie główne pule komórek neuronalnych, a mianowicie pulę neuronalnych komórek macierzystych eksprymujących Sox3 i zróżnicowane neurony eksprymujące Myt1, brakuje mu zdolności do ujawnienia różnych subpopulacji zróżnicowanych neuronów. Takie subpopulacje, które obejmują między innymi pierwotne neurony ruchowe, interneurony i neurony czuciowe, zwykle charakteryzują się genami markerowymi o zróżnicowanej ekspresji 28-30. Jak wspomniano powyżej, ostatnie postępy w rozwoju wielokolorowej hybrydyzacji in situ w połączeniu z metodą wykrywania immunofluorescencji opartą na przeciwciałach w zarodkach Xenopus mogą wypełnić lukę w ujawnieniu tych subpopulacji zróżnicowanych neuronów do potencjalnych badań 31. Alternatywnie, jak wykazano na modelu mysim, pożądane byłoby również wyhodowanie bardziej wszechstronnego zestawu przeciwciał specyficznych dla typu komórki w celu rozróżnienia takich różnych populacji komórek w Xenopus.
Warto również wspomnieć, że jako dodatek do tej metody, najnowsze postępy w obrazowaniu optycznym i analizie obrazu, takie jak mikroskopia wielofotonowa, rekonstrukcja 3D i segmentacja, mogą być również stosowane po wstępnych ocenach w celu uzyskania bardziej kompleksowych obserwacji oocytów Xenopus , a także wczesnych zarodków, szczególnie w warunkach żywych 32,33. Dlatego, aby śledzić proliferację, różnicowanie i ruch komórek neuronalnych u żywych zwierząt, pożądane byłoby ustanowienie jednej lub więcej linii transgenicznych, które zawierają białka fluorescencyjne napędzane przez promotor specyficzny dla typu komórki, aby umożliwić obserwację na żywo takich populacji komórek we wczesnych zarodkach Xenopus . Ustanowienie linii X. laevis z neurospecyficznym promotorem β-tubuliny napędzającym tauGFP i jego zastosowaniami dostarczyło dobrego przykładu 23,34. Z pełnymi sekwencjami promotorowymi zarówno sox3 , jak i myt1 scharakteryzowanymi u kręgowców 35-37, powinno być stosunkowo łatwo ustalić dodatkowe linie transgeniczne w Xenopus , które powinny w znacznym stopniu przyczynić się zarówno do społeczności Xenopus , jak i bardziej ogólnej dziedziny pierwotnych badań neurogenezy.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Dziękujemy prof. Michaelowi Klymkowsky'emu z University of Colorado w Boulder i prof. Nancy Papalopulu z University of Manchester za uprzejme dostarczenie przeciwciał anty-Sox3 i anty-Myt1, odpowiednio. Dziękujemy członkom laboratorium Papalopulu za ich wnikliwe sugestie dotyczące opracowywania tego protokołu. Praca ta była wspierana przez dwa stypendia Fundacji Uzdrawiania dla SZ i JL, dwa granty projektowe od Fundacji Uzdrawiania odpowiednio dla SZ/EA i JL/EA, jeden grant programowy od Wellcome Trust dla EA (WT082450MA) oraz jeden grant Institutional Strategic Support od Wellcome Trust [097820/Z/11/Z].
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| gentamycyna | Sigma-Aldrich | G1397 | |
| Tris-HCl | Sigma-Aldrich | T3253 | |
| Tris-base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | 746436 | |
| MgSO4 | Sigma-Aldrich | 746452 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 793639 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| MOPS | Sigma-Aldrich | RDD003 | |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E3889 | |
| 37% formaldehydu | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| Żelatyna ze skóry ryb zimnowodnych | Sigma-Aldrich | G7765 | |
| Sacharoza | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| Forma bazowa jednorazowa 15 mm x 15 mm x 5 mm Simport | VWR | EMB-200-015A | |
| Forma bazowa jednorazowa 7 mm x 7 mm x 5 mm Simport | Prowadnice VWR | EMB-200-010K | |
| Superfrost Plus | ThermoFisher | 12-550-15 | |
| Medium do zamrażania tkanek (OCT) | Leica | ||
| Kriostat | Leica | CM3050 | |
| Rękawice | |||
| do suchego lodu | |||
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
| 85-90 &stopni; C Blok | |||
| Długopis | PAP Sigma-Aldrich | Z377821 | |
| Aceton, klasa | |||
| Słoik do barwienia ze stojakami na suwaki | |||
| Pudełko na żywność z zatrzaskiem o odpowiedniej wielkości (może pomieścić w środku 1-2 płytki 6-dołkowe) | |||
| rurka antyacetylowana | Sigma-Aldrich | T7451 | |
| Anty-mysie IgG (H+L), F(ab')2 Fragment (Alexa Fluor® 488 Sprzężony) | Sygnalizacja komórkowa | 4408 | |
| Anty-królicza IgG (H + L), F (ab') 2 Fragment (Alexa Fluor® 555 sprzężony) | Sygnalizacja komórkowa | 4413 | |
| Alexa Fluor® 647 Sygnalizacja komórkowa falloidyny | 8940 | ||
| Sygnalizacja komórkowa | DAPI | 4083 | |
| ProLong Gold Antifade | Mountant Life Technologies | P36930 |