Od kilku lat oocyt Drosophila stanowi modelowy system do badania migracji jądra komórkowego. Oocyt Drosophila rozwija się w wielokomórkowej strukturze zwanej komorą jajową. Komory jajowe obejmują 16 komórek linii zarodkowej (15 komórek pielęgnujących i oocyt) otoczonych nabłonkową warstwą somatycznych komórek pęcherzykowych. Rozwój komory jajowej został podzielony na 14 stadiów (Rycina 1A), podczas których oocyt rośnie i gromadzi rezerwy niezbędne do wczesnego rozwoju zarodka. W trakcie rozwoju, w wyniku reorganizacji mikrotubul i asymetrycznego transportu determinantów matczynych, oocyt polaryzuje się wzdłuż osi przednio-grzbietowej i grzbietowo-brzusznej. Osie te determinują późniejsze osie polarności zarodka i osobnika dorosłego powstającego w wyniku zapłodnienia tego oocytu1. Podczas oogenezy jądro przyjmuje asymetryczną pozycję w oocycie. W stadium 6 jądro znajduje się w centrum komórki. Pod wpływem jeszcze nie zidentyfikowanego sygnału emitowanego przez tylne komórki pęcherzykowe i odbieranego przez oocyt, jądro migruje w kierunku przecięcia przedniej i bocznej błony plazmatycznej w stadium 7 (Rycina 1B)2,3. Ta asymetryczna pozycja jest niezbędna do indukowania determinacji osi grzbietowo-brzusznej.

Rycina 1: Komory jajowe Drosophila melanogaster. (A) Utrwalona owariola z much transgenicznych wykazujących ekspresję Fs(2)Ket-GFP, który znakuje otoczki jądrowe, oraz ubi-PH-RFP, który znakuje błony plazmatyczne. Owariola składa się z rozwijających się komór jajowych na różnych stadiach. Stopień dojrzałości wzrasta wzdłuż osi przednio-tylnej, przy czym germarium znajduje się na przednim końcu (lewo), gdzie bytuje komórka macierzysta linii zarodkowej, a starsze stadia na końcu tylnym (prawo). (B) Projekcja Z żywej komory jajowej wykonana za pomocą konfokalnej mikroskopii dyskowej w stadium 6 oogenezy (lewo), w którym jądro znajduje się w centrum oocytu. Jądro przemieści się, przyjmując asymetryczną pozycję w stadium 7 (prawo), w kontakcie z przednią błoną plazmatyczną (między oocytem a komórką pielęgnującą) oraz boczną błoną plazmatyczną (między oocytem a komórkami pęcherzykowymi). Pozycja ta zaindukuje determinację strony grzbietowej, a tym samym osi grzbietowo-brzusznej komory jajowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Przez wiele dziesięcioleci migrację jądra badano w utrwalonych tkankach za pomocą immunobarwienia. Podejście to pozwoliło w szczególności wykazać, że proces ten zależy od gęstej sieci mikrotubul4,5. Niedawno opracowaliśmy protokół zapewniający warunki kompatybilne z obrazowaniem oocytu na żywo przez kilka godzin, co umożliwiło dynamiczne badanie tego procesu6.
Zatem, po raz pierwszy udało nam się opisać, że jądro wykazuje preferencyjne i charakterystyczne trajektorie podczas migracji – jedną wzdłuż przedniej błony plazmatycznej (APM) oraz drugą wzdłuż bocznej błony plazmatycznej (LPM) oocytu (Rysunek 2). Te najnowsze wyniki podkreślają znaczenie protokołów obrazowania na żywo podczas badania procesów dynamicznych, takich jak migracja jądra.

Rycina 2: Schematyczne przedstawienie różnych dróg migracji jądra komórkowego. W stadium 6 oogenezy oocyt jest dużą komórką z centralnie położonym jądrem. Na tym etapie ustalana jest oś polarności przednio-tylnej, gdzie tylna/boczna błona plazmatyczna oocytu styka się z komórkami pęcherzykowymi, a przednia błona plazmatyczna (zaznaczona na żółto) styka się z komórkami pielęgnującymi2. Wcześniej wykazaliśmy, że jądro może migrować wzdłuż przedniej błony plazmatycznej (APM), wzdłuż bocznej błony plazmatycznej (LPM) lub przez cytoplazmę (STAD, bezpośrednio do kory przednio-grzbietowej)6. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Migracja jądra oocytu jest zjawiskiem trwającym około 3 h6, a zdarzenie wyzwalające rozpoczęcie właściwej migracji pozostaje do tej pory nieznane. Początek migracji może być również opóźniony przez mutanty białek wykorzystywane do badania tego mechanizmu. Te nieznane zmienne skłoniły nas do pozyskiwania obrazów w długich odstępach czasu (10-12 h). Dlatego ważne jest zapewnienie przeżycia oocytów. W miarę rozwoju komora jajowa wydłuża się wzdłuż osi przednio-tylnej, zmieniając kształt z kulistego na eliptyczny. Wydłużenie to jest napędzane przez rotację komórek pęcherzykowych, która zachodzi od stadium 1 do stadium 8 prostopadle do osi przednio-tylnej7. Dodatkowo komory jajowe są otoczone rurkowatą pochewką mięśniową o właściwościach pulsujących. Jej funkcją fizjologiczną jest ciągłe przesuwanie rozwijających się pęcherzyków w stronę jajowodu8. Aby ograniczyć ruchy wywołujące oscylacje komór jajowych po ich wypreparowaniu, zaprojektowaliśmy mikrokomorę obserwacyjną o wysokości 150 µm (Rysunek 3A). Wysokość ta jest nieco większa niż rozmiar pęcherzyka w stadiach 10 i 11. Znacznie ogranicza to ruchy pionowe próbki, zachowując jednocześnie rotację komory jajowej, co skutkuje minimalnymi wadami w rozwoju pęcherzyka. Następnie przeprowadzamy obrazowanie na żywo przez 12 h wypreparowanych komór jajowych za pomocą wielopozycyjnej akwizycji time-lapse z użyciem konfokalnego mikroskopu z wirującym dyskiem. Poniżej opisujemy nasz protokół badania migracji jądra oocytu między stadiami 6 a 7.

Rycina 3: Schematyczna reprezentacja komory obserwacyjnej. (A) (Widok z góry) Dokładne wymiary aluminiowego szkiełka wraz z wysokością (A') i obwodem (A'') otworu wywierconego na środku szkiełka. (B) (Widok z dołu) Szkiełko nakrywka blokujące otwór jest uszczelnione ze szkiełkiem za pomocą smaru silikonowego. (C) (Widok z góry) Wypreparowane owariolki rozwijają się w medium obrazującym, które jest przykryte membraną przepuszczalną dla gazów. Do stabilizacji membrany użyto oleju halokarbonowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Aby śledzić migrację jądra i precyzyjnie ocenić trajektorie w oocycie, niezbędne są markery zarówno otoczki jądrowej, jak i błony plazmatycznej. W tym celu wybrano dwa transgeny o wysokim stosunku sygnału do szumu, których intensywność nie spada w trakcie obrazowania na żywo. Do znakowania błony plazmatycznej zaleca się użycie P[ubi-PH-RFP], który koduje domenę Pleckstrin Homology (PH) ludzkiej fosfolipazy C ∂1 (PLC∂1) połączoną z RFP. Domena PH ta wiąże się z fosfoinozytydem PI(4,5)P2 rozmieszczonym wzdłuż błony plazmatycznej oocytu9. W przypadku otoczki jądrowej szczep protein-trap P[PPT-un1]Fs(2)Ket-GFP, w którym GFP jest wstawione w gen kodujący ß-importynę Drosophila, wykazuje jednorodny i intensywny sygnał10. Młode muchy (w wieku 1-2 dni) umieszcza się w świeżych fiolkach zawierających suchy drożdże na 24-48 h przed wycięciem jajników.
Do tego badania z obrazowaniem na żywo wykorzystano kawałek aluminium o grubości 1 mm, który nie reaguje z próbką, docięty do wymiarów szkiełka przedmiotowego. W centrum szkiełka znajduje się otwór o średnicy 16 mm z pogłębieniem do 0,85 mm. W tym pogłębieniu wykonano dodatkowy otwór o średnicy 6 mm i głębokości 150 µm (Rycina 3A). Osłonkę szkiełka przyklejono smarem silikonowym (obojętnym dla próbki) do dna aluminiowej komory (Rycina 3B). Po umieszczeniu próbek w wypełnionym pożywką otworze, na pożywkę nałożono membranę przepuszczalną dla wymiany O2/CO2 i otoczono ją olejem halocarbonowym (Rycina 3C).
Do sekcji zaleca się użycie pęset ze stali nierdzewnej o wymiarach końcówki 0,05 x 0,02 mm oraz igieł o średnicy 0,20 mm do rozdzielania ovaroli (Rycina 4B,C). Migrujące jądra obrazowane są przy użyciu odwróconego mikroskopu konfokalnego z dyskiem wirującym CSU-X1 wyposażonego w kamerę. Obrazy z wielu pozycji pozyskiwano metodą time-lapse co 15 min w temperaturze 24 °C. 15-minutowy odstęp pozwala na przeprowadzenie akwizycji z wielu pozycji przy ograniczonym fotobleachingu białek fluorescencyjnych oraz fototoksyczności dla próbek. Ponadto krótszy odstęp nie dostarczyłby znacznie bardziej informatywnych danych do śledzenia trajektorii jąder. Filmy są przetwarzane i analizowane za pomocą oprogramowania Fiji11.