Ten artykuł opisuje adaptowalny protokół ex vivo do wizualizacji Ca2+ podczas aktywacji jaj u Drosophila.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten artykuł opisuje adaptowalny protokół ex vivo do wizualizacji Ca2+ podczas aktywacji jaj u Drosophila.
Aktywacja jaj to uniwersalny proces, który obejmuje serię zdarzeń, które pozwalają zapłodnionemu jaju zakończyć mejozę i zainicjować rozwój embrionalny. Jednym z aspektów aktywacji jaj, zachowanym we wszystkich badanych organizmach, jest zmiana wewnątrzkomórkowego stężenia wapnia (Ca2+) często nazywana "falą Ca2+". Podczas gdy prędkość i liczba oscylacji fali Ca2+ różni się w zależności od gatunku, zmiana wewnątrzkomórkowego Ca2 + ma kluczowe znaczenie dla wywołania wydarzeń niezbędnych dla rozwoju embrionalnego. Zmiany te obejmują wznowienie cyklu komórkowego, regulację mRNA, egzocytozę ziarnistości korowej i rearanżację cytoszkieletu.
W dojrzałym jaju Drosophila, aktywacja następuje w jajowodzie samicy przed zapłodnieniem, inicjując serię zdarzeń zależnych odCa2+. W tym miejscu przedstawiamy protokół obrazowania fali Ca2+ u Drosophila. Podejście to zapewnia manipulowalny system modelowy do badania mechanizmu fali Ca2+ i związanych z nią dalszych zmian.
Zmiana wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+ przy aktywacji jaja (oocytu) jest zachowanym składnikiem wszystkich badanych organizmów 1,2. Zdarzenie to inicjuje szeroki zakres procesów zależnych odCa2+, w tym wznowienie cyklu komórkowego i translację przechowywanych mRNA. Ze względu na to zapotrzebowanie na Ca2+, wizualizacja przejściowych zmian w wewnątrzkomórkowych stężeniach Ca2+ była kluczowa dla celu.
Historycznie, organizmy modelowe były wybierane do badań nad aktywacją jaj na podstawie wielkości i dostępności ich jaj. Zastosowano różne podejścia do wizualizacji w celu śledzenia i ilościowego określania zmian w wewnątrzkomórkowych stężeniach Ca2 + w tych systemach, w tym: fotoproteiny aequorin w rybach medaka 3; Ca2+ wrażliwe barwniki fluorescencyjne, takie jak Fura-2 w jeżowcu i chomiku 4,5; i zieleń wapniowa-1-dekstran w Xenopus 6.
Generowanie i ulepszanie genetycznie kodowanych wskaźników wapnia (GECI) zmieniło zdolność do wizualizacji dynamiki Ca2+ in vivo 7. Te konstrukty genetyczne ulegają ekspresji w określonych tkankach i ograniczają potrzebę stosowania inwazyjnych preparatów tkankowych 8.
GCaMPs to klasa GECI oparta na zielonym białku fluorescencyjnym (GFP), która okazała się bardzo skuteczna ze względu na ich wysokie powinowactwo do Ca2+, stosunek sygnału do szumu i możliwość dostosowania do 9-11. W obecnościCa2+ kompleks GCaMP ulega szeregowi zmian konformacyjnych, począwszy od wiązania Ca2+ z kalmoduliną, co skutkuje zwiększoną intensywnością fluorescencji składnika GFP 9.
GCaMPs były szeroko wykorzystywane w badaniach nad neuronami Drosophila do wizualizacji zmian w wewnątrzkomórkowym wapniu12. Niedawne zastosowanie technologii GCaMP do wizualizacji Ca2+ w dojrzałych jajach Drosophila ujawniło pojedynczą przejściową falę Ca2+ przy aktywacji jaj 13,14. Falę Ca2+ można uwidocznić w małym powiększeniu podczas owulacji in vivo 13 lub w większym powiększeniu za pomocą testu aktywacji ex vivo 13,14. W teście ex vivo poszczególne dojrzałe oocyty są izolowane z jajników i aktywowane za pomocą roztworu hipotonicznego, określanego jako bufor aktywacyjny, który, jak wykazano, podsumowuje zdarzenia aktywacji in vivo 15-17.
Ten test ex vivo umożliwia łatwą wizualizację fali Ca2+ w wysokiej rozdzielczości w różnych warunkach eksperymentalnych, w tym przy zakłóceniach farmakologicznych, manipulacjach fizycznych i genetycznych mutantach. W artykule przedstawiono przygotowanie dojrzałych jaj Drosophila do aktywacji ex vivo i późniejszą mikroskopię wykorzystywaną do wizualizacji fali Ca2+ za pomocą GCaMP. Podejście to można wykorzystać do przetestowania inicjacji i kontroli fali Ca2+ oraz do zbadania dalszych wyników.
Uwaga: Wykonuj wszystkie kroki w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
1. Przygotowanie do sekcji
Uwaga: Opisane tutaj kroki są zgodne z E. Gavis, Princeton University & Weil et. al. 18. Wykonaj następujące czynności na dwa dni przed obrazowaniem.
2. Wycinanie jajników Drosophila
Uwaga: Opisane tutaj kroki są zgodne z Weil et al. Rozdział 18.
3. Izolowanie poszczególnych dojrzałych jaj
4. Przygotowanie do obrazowania
5. Obrazowanie Ex Vivo Aktywacja komórek jajowych
6. Przetwarzanie obrazu po akwizycji
W niniejszej pracy zademonstrowaliśmy sposób przygotowania dojrzałych jaj Drosophila do aktywacji ex vivo. Jaja wykazujące ekspresję GECI umożliwiają obrazowanie dynamiki Ca2+ podczas aktywacji jaja oraz na początku rozwoju embrionalnego (Rycina 1). Należy zauważyć, że w zależności od zastosowanego GCaMP, a w szczególności od obecności grupy mirystoilowej, wyniki mogą wykazywać niewielkie różnice jakościowe13 14. Zademonstrowaliśmy również rolę funkcjonalnej aktyny podczas aktywacji jaja poprzez dodanie do buforu aktywacyjnego cytochalazyny D, inhibitora polimeryzacji aktyny (Rycina 2) 14.
Konieczność udziału cytoszkieletu podczas aktywacji jaja jest cechą konserwatywną. U C. elegans po zapłodnieniu składniki cytoszkieletu ulegają reorganizacji, aby przygotować jednokomórkowy embrion do pierwszego podziału asymetrycznego 21,22. Wykazano, że u jeżowca zaburzenie reorganizacji cytoszkieletu po aktywacji wpływa na cykl komórkowy poprzez zapobieganie tworzeniu się pierścienia kurczliwego 23. Rola aktyny w pośredniczeniu fali Ca2+ oraz jej późniejsza funkcja podczas aktywacji jaja u Drosophila nie została jeszcze w pełni wyjaśniona.
U Drosophila współwizualizacja fali Ca2+ i cytoszkieletu aktynowego jest możliwa dzięki zastosowaniu tego testu aktywacji ex vivo. Można pozyskiwać serie czasowe z wielu kanałów, a dynamikę wewnątrzkomórkowego Ca2+ dopasować do zmian w organizacji aktyny w oocycie (Rycina 3).

Rysunek 1: Pojedynczy jon Ca2+2+ Fala w Muszka owocówka Aktywacja komórki jajowej. Szereg czasowy ex vivo dojrzały Muszka owocówka jajo wykazujące ekspresję UASt-myrGCaMP5 po dodaniu buforu aktywującego (A-H)Wzrost stężenia Ca2+ w cytoplazmie2+ rozpoczyna się na biegunie tylnym (B) i namnaża (B-F) z przeciętną prędkością wynoszącą około 1.5 µm/secRozpoczęcie fali jest zazwyczaj obserwowane w ciągu 3 min od dodania buforu aktywacyjnego. Po aktywacji wewnątrzkomórkowe poziomy wapnia w dojrzałym oocyte powracają do wartości sprzed aktywacji. (G,H)Patrz film uzupełniający 1 (czas całkowity 33 min). Paski skali = 50 µmMaksymalna projekcja = 40 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ilustracji.

Rysunek 2: Dodanie cytochalazyny D do buforu aktywacyjnego zaburza poziom Ca2+2+ Propagacja fal. Szeregi czasowe ex vivo dojrzały Muszka owocówka jajo wykazujące ekspresję UASt-myrGCaMP5 po dodaniu buforu aktywacyjnego zawierającego 10 µg/ml stężenie końcowe cytochalazyny D (A-H)Podczas gdy Ca2+ fala rozpoczyna się w biegunie tylnym (A)jest on upośledzony i nie dociera do przedniej części jaja (F) (białe groty strzałek wskazują czoło fali). Brak dalszego Ca2+ obserwowano zmiany w ciągu 30 min). Patrz: dodatkowy film 2 (całkowity czas 30 min). Paski skali = 50 µmMaksymalna projekcja = 40 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Współwizualizacja aktyny i Ca2+ podczas aktywacji oocytu w Muszka owocówka. Szeregi czasowe ex vivo dojrzały Muszka owocówka jajo wykazujące ekspresję UASt-myrGCaMP5 (Cyjan) oraz UASp-F-Tractin.tdTomato (Magenta) po dodaniu buforu aktywującego (A-H). Ca2+ fala rozpoczyna się od bieguna tylnego i powraca w sposób analogiczny do Rycina 1Aktyna wydaje się zmieniać w czasie, białe groty strzałek (A kontra H) Brak Ca2+ wykrycie sygnału w centrum dojrzałej komórki jajowej wynika z przemieszczania się próbki podczas przechwytywania obrazu. Paski skali = 50 µmMaksymalna projekcja = 40 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Pierwszym krytycznym krokiem w tym protokole jest odizolowanie dojrzałych jaj bez uszkodzenia. Można to osiągnąć poprzez delikatne manewrowanie jajami za pomocą sondy preparucyjnej. Praktyka umożliwi wykonanie tej manipulacji bez uszkodzenia jaj. Drugim kluczowym krokiem jest uniknięcie utraty próbki po nałożeniu buforu aktywacyjnego na dojrzałą komórkę jajową w oleju. Nakładanie buforu aktywacyjnego powinno odbywać się powoli i bez kontaktu ze szkiełkiem nakrywkowym. Ten etap może być trudny, jeśli konfiguracja mikroskopu nie pozwala na łatwy dostęp do próbki. Wskazane jest poruszanie pachowych części mikroskopu, takich jak inkubator temperatury.
Modyfikacje tego protokołu mogą być wprowadzone w celu wizualizacji innych czynników znakowanych fluorescencyjnie, zamiast Ca2+ podczas aktywacji jaja. Mówiąc bardziej ogólnie, za pomocą tego protokołu można analizować różne etapy rozwoju Drosophila lub wyniki dodania innego bufora.
Rozwiązywanie problemów może być wymagane, jeśli ustawienia mikroskopu nie są optymalne do wizualizacji sygnału z próbki. Można to osiągnąć poprzez zwiększanie lub zmniejszanie mocy lasera, zmianę zasięgu przechwytywania i dostosowanie parametrów stosu Z. Innym problemem może być konsekwentne przemieszczanie się jaj poza pole widzenia po dodaniu bufora aktywacyjnego. Jeśli zdarza się to regularnie, pozwól dojrzałym jajom osiąść na szkiełkach nakrywkowych przez dłuższy czas, od 15 do 20 minut. Należy pamiętać, że użycie oleju o wyższej lepkości zmieni wyporność oleju przez bufor aktywacyjny.
Ta przedstawiona tutaj technika jest ograniczona odległością roboczą obiektywu, odwodnieniem dojrzałych jaj i zdolnością do rozwarstwienia dojrzałych jaj bez uszkodzenia. Jednak w porównaniu z metodami obrazowania in vivo , w których dojrzały oocyt przechodzi przez dorosłą samicę i zostaje zdeponowany 13, nasza metoda umożliwia większą rozdzielczość przestrzenną, możliwość fizycznej manipulacji dojrzałą komórką jajową przed aktywacją oraz możliwość przetestowania roli aktywacji komórki jajowej bez zapłodnienia.
Istnieje wiele potencjalnych przyszłych zastosowań tej techniki, w tym testowanie konstruktów reporterowych dla komponentów komórkowych podczas aktywacji jaj i wizualizacja fali Ca2+ w zmutowanym tle 14,24. Wraz z narzędziami eksperymentalnymi i genetycznymi, przedstawiony tutaj test aktywacji jaj ex vivo umożliwia badanie wyzwalania, propagacji i dalszych skutków uniwersalnie konserwatywnej fali Ca2+ .
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Jesteśmy wdzięczni Laurze Bampton, Alexowi Davidsonowi, Richardowi Partonowi, Aricie Acharyi za pomoc podczas przygotowania tego rękopisu; Mariana Wolfner za dyskusje na temat aktywacji jaj; Matt Wayland za wsparcie w zakresie obrazowania; oraz Nan Hu za ogólne wsparcie w laboratorium.
Ta praca była wspierana przez Uniwersytet Cambridge, ISSF dla T.T.W. [numer grantu 097814].
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Drożdże czynne suche | Fleischman' s | #2192 | |
| Mikroskop preparacyjny | Leica | MZ6 | Różne będą działać |
| Lampa | Mircotec Światłowód | MF0-90 | Różne będą działać |
| Chusteczki medyczne | Kimberly-Clark Corporation | KLEW3020 | |
| Marker | Stabilo | 841/46 | OHPen uniwersalny, - dostępny w większości sklepów stacjonarnych. Bardzo drobna szerokość 0,4 mm |
| CO2 pad | Genesee Scientific | 59-114 (789060 Dutscher) | |
| Szkiełko nakrywkowe nr 1.5, 22 x 50 mm | międzynarodowe- Nr 1-VWR Kat=631-0137-22-50mm | Menzel-Glaser-22-50mm-MNJ 400-070T | |
| Olej halowęglowy, seria 95 | Halocarbon Products Corp. | Dystrybutor w Europie: | |
| Solvadis (GMBH) | |||
| Oil 10 S | VWR Chemicals | 24627.188 | Może być stosowany zamiast oleju halowęglowego, seria 95 |
| Kleszcze | Fine Science Tools | 11252-00 | Chociaż narzędzia te powinny być czyste, użycie autoklawu nie jest konieczne, etanol byłby wystarczający. |
| Sonda | Fine Science Tools | 10140-01 | |
| Pipeta szklana | Fisherbrand,FB50251 | Pasteur Pipety, szklane, bez zasilania, 150 mm długości | |
| Fiolka | Regina Industries | P1014 | GPPS 80 mm x 25 mm |