RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ten protokół opisuje spersonalizowane znakowanie fluorescencyjne oparte na przeciwciałach i wstrzykiwanie do wczesnych zarodków Drosophila, aby umożliwić obrazowanie na żywo białek o niskiej obfitości lub modyfikacji potranslacyjnych, które są trudne do wykrycia przy użyciu tradycyjnych metod GFP/mCherry-tag.
Wizualizacja białek w żywych komórkach za pomocą GFP (Zielone Białko Fluorescencyjne) i innych znaczników fluorescencyjnych znacznie poprawiła zrozumienie lokalizacji, dynamiki i funkcji białek. W porównaniu z immunofluorescencją, obrazowanie na żywo dokładniej odzwierciedla lokalizację białka bez potencjalnych artefaktów wynikających z utrwalenia tkanki. Co ważne, obrazowanie na żywo umożliwia ilościową i czasową charakterystykę poziomów i lokalizacji białek, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia dynamicznych procesów biologicznych, takich jak ruch lub podział komórek. Jednak głównym ograniczeniem metod znakowania fluorescencyjnego jest potrzeba wystarczająco wysokich poziomów ekspresji białek, aby osiągnąć udaną wizualizację. W związku z tym nie można wykryć wielu endogennie znakowanych białek fluorescencyjnych o stosunkowo niskich poziomach ekspresji. Z drugiej strony, ekspresja ektopowa przy użyciu promotorów wirusowych może czasami prowadzić do błędnej lokalizacji białek lub zmian funkcjonalnych w kontekstach fizjologicznych. Aby rozwiązać te problemy, przedstawiono podejście, które wykorzystuje wysoce czułe wykrywanie białek za pośrednictwem przeciwciał w żywych zarodkach, zasadniczo przeprowadzając immunofluorescencję bez konieczności fiksacji tkanek. Jako dowód zasady, endogenny receptor Notch znakowany GFP, który jest ledwo wykrywalny w żywych zarodkach, może być z powodzeniem uwidoczniony po wstrzyknięciu przeciwciała. Co więcej, podejście to zostało zaadaptowane do wizualizacji modyfikacji potranslacyjnych (PTM) w żywych zarodkach, co umożliwiło wykrycie czasowych zmian we wzorcach fosforylacji tyrozyny podczas wczesnej embriogenezy i ujawniło nową subpopulację fosfotyrozyny (p-Tyr) pod błonami wierzchołkowymi. Podejście to można zmodyfikować w celu uwzględnienia innych przeciwciał specyficznych dla białka, specyficznych dla znacznika lub specyficznych dla PTM i powinno być kompatybilne z innymi organizmami modelowymi lub liniami komórkowymi podatnymi na wstrzyknięcie. Protokół ten otwiera nowe możliwości obrazowania na żywo białek o niskiej liczebności lub PTM, które wcześniej były trudne do wykrycia przy użyciu tradycyjnych metod znakowania fluorescencyjnego.
Immunofluorescencja to podstawowa technika współczesnej biologii komórki, pierwotnie opracowana przez Alberta Coonsa, która umożliwia wykrywanie cząsteczek w ich natywnych przedziałach komórkowych i charakteryzowanie składu molekularnego subkomórkowych organelli lub maszynerii1. W połączeniu z manipulacjami genetycznymi, immunofluorescencja pomaga ugruntować obecnie dobrze akceptowaną koncepcję, że lokalizacja białka jest niezbędna dla jego funkcji2. Oprócz specyficznych przeciwciał pierwotnych i jasnych barwników fluorescencyjnych, sukces tej techniki opiera się na wstępnym procesie zwanym utrwalaniem i przepuszczalnością, który zachowuje morfologię komórkową, unieruchamia antygeny i zwiększa dostępność przeciwciał w przedziałach wewnątrzkomórkowych. Nieuchronnie proces fiksacji i przepuszczalności zabiłby komórki i zakończyłby wszystkie procesy biologiczne3. Dlatego immunofluorescencja dostarcza jedynie migawki z podróży życiowej białek. Jednak wiele procesów biologicznych, takich jak migracja i podziały komórek, ma charakter dynamiczny, co wymaga zbadania zachowań białek w sposób przestrzenno-czasowo rozwiązany4,5.
Aby zbadać dynamikę białek w organizmach żywych, opracowano metody obrazowania na żywo oparte na genetycznie kodowanych białkach fluorescencyjnych, takich jak zielone białko fluorescencyjne (GFP)6 oraz szybkie mikroskopy konfokalne. Krótko mówiąc, interesujące białko może być genetycznie manipulowane w celu fuzji z GFP7, a następnie ektopowo eksprymowane z promotorów wirusa lub drożdży, takich jak wirus cytomegalii (CMV)8 lub sekwencja aktywacji upstream (UAS)9. Ponieważ GFP ma charakter autofluorescencyjny, nie są wymagane przeciwciała sprzężone z fluoroforem, aby ujawnić lokalizację docelowych białek, co omija konieczność wstępnych procesów utrwalania lub przenikania. W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano znaczniki fluorescencyjne obejmujące całe spektrum długości fal10, umożliwiające wielokolorowe obrazowanie na żywo kilku docelowych białek w tym samym czasie. Jednak w porównaniu z chemicznie modyfikowanymi barwnikami fluorescencyjnymi, takimi jak AlexaFluor lub ATTO, autofluorescencja tych genetycznie kodowanych białek fluorescencyjnych jest stosunkowo słaba i niestabilna, gdy ulega ekspresji z endogennych promotorów, zwłaszcza podczas obrazowania na żywo w dłuższych skalach czasowych10. Chociaż niedobór ten można złagodzić poprzez nadmierną ekspresję znakowanych fluorescencyjnie białek docelowych, wiele z nich o aktywności enzymatycznej, takich jak kinazy i fosfatazy, poważnie zakłóca normalne procesy biologiczne, jeśli nie ulega ekspresji na poziomie fizjologicznym.
Ten protokół przedstawia metodę, która umożliwia fotostabilne oświetlenie celu na podstawie przeciwciał w konfiguracji obrazu na żywo, zasadniczo umożliwiając immunofluorescencję bez procesu fiksacji lub przenikania (
Eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi i zgodą Szkoły Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu SUSTech. Użyty organizm to Drosophila melanogaster, a genotypy to Notch-Knockin-GFP (chromosom X) i Sqh-sqh-GFP (chromosom II), hojnie dostarczone przez laboratoria odpowiednio dr Francois Schweisguth (Instytut Pasteura) i dr Jennifer Zallen (Instytut Sloan Kettering). Chociaż protokół ten koncentruje się głównie na aspektach znakowania przeciwciał i obrazowania na żywo, zapoznaj się z opublikowanymi raportami, aby uzyskać bardziej szczegółowe opisy pobierania i wstrzykiwania zarodków Drosophila15,16.
1. Fluorescencyjne znakowanie przeciwciał
2. Przygotowanie zarodków Drosophila
3. Wyrównanie i wysuszenie zarodka
4. Wstrzykiwanie przeciwciał i obrazowanie
Aby zademonstrować zalety metody wstrzykiwania przeciwciał w porównaniu z obrazowaniem na żywo opartym na znacznikach fluorescencyjnych lub immunofluorescencji, przedstawiono dwa studia przypadków, które charakteryzują dynamiczną lokalizację receptora transbłonowego o niskiej liczebności, Notch, oraz rodzaj modyfikacji potranslacyjnej zwanej fosforylacją tyrozyny w żywych zarodkach.
Aktywność sygnalizacyjna Notch odgrywa główną rolę w określaniu losu komórki podczas embriogenezy i homeostazy dorosłych organów18,19. Po aktywacji przez jego ligandy Delta/Jagged20, wewnątrzkomórkowa domena transbłonowego receptora Notch jest rozszczepiana i uwalniana do jądra21, inicjując dalsze programy transkrypcyjne w celu sterowania zmianami losu komórki22. Statyczna lokalizacja receptora Notch została dobrze scharakteryzowana przez immunofluorescencję w tkankach utrwalonych formaldehydem. Jednak dynamiczna lokalizacja Notch podczas wiązania liganda lub procesu rozszczepienia wewnątrzkomórkowego pozostaje w dużej mierze nieznana23, ze względu na brak metody obrazowania na żywo tego stosunkowo niskiego białka w szybki sposób. Tutaj wstrzyknęliśmy koniugowaną z AlexaFluor nanobody GFP do embrionów eksprymujących znakowany GFP Notch z endogennego locus20. Bez iniekcji Notch-GFP jest ledwo wykrywalny w standardowych warunkach obrazowania na żywo, a sygnał fluorescencyjny szybko blednie podczas obrazowania poklatkowego. Po wstrzyknięciu stosunek sygnału do szumu receptora Notch znacznie się poprawia, porównywalny z jakością sygnału immunofluorescencji (Rysunek 3A). Co więcej, wstrzyknięcie przeciwciała pozwala na czasową charakterystykę lokalizacji Notch w odstępach 45 s, bez widocznej utraty intensywności sygnału w ciągu 5-minutowego okna obrazowania (Figura 3B).
Fosforylacja tyrozyny to główny rodzaj potranslacyjnej modyfikacji białka, która pośredniczy w transdukcji sygnału w wielu szlakach biologicznych24. Wysoce specyficzne przeciwciała monoklonalne (takie jak PY20 i 4G10) przeciwko fosfotyrozynie (p-Tyr) zostały opracowane w celu scharakteryzowania lokalizacji i poziomów ogólnej fosforylacji tyrozyny za pomocą immunofluorescencji i Western Blots25. Chociaż żadne znaczniki fluorescencyjne nie mogą śledzić zmian fosforylacji, tkanki lub komórki muszą być utrwalone i wybarwione lub zlizowane i osuszone w różnych punktach czasowych, aby zapewnić migawki stanu fosforylacji w czasie, aby zbadać kinetykę fosforylacji tyrozyny po aktywacji sygnału26 (np. leczenie czynnikiem wzrostu). Przedział czasowy tego podejścia jest co najmniej kilkuminutowy i z natury niedokładny ze względu na zmienny czas wymagany do procedur takich jak utrwalanie lub liza komórek.
Tutaj przedstawiono dowody na to, że metoda wstrzykiwania przeciwciał umożliwia bezpośrednią wizualizację stanu fosforylacji w żywych zarodkach, śledząc lokalizację i intensywność zmian fosforylacji tyrozyny w regularnych, sekundowych odstępach czasu. Przeciwciało PY20 sprzężone z AlexaFluor wstrzyknięto do zarodków eksprymujących łańcuch świetlny miozyny znakowany GFP i przeprowadzono dwukolorowe obrazowanie na żywo w odstępach 45 sekund. Jak wykazano wcześniej, fosforylacja tyrozyny jest wysoce wzbogacona w połączeniach trójkomórkowych27, wzór, który jest również rekapitulowany przez immunofluorescencję (Rysunek 4A). Co ciekawe, obrazowanie na żywo ujawniło również nową, drugą populację sygnału p-Tyr pod środkiem błony wierzchołkowej, która nie jest obserwowana za pomocą immunofluorescencji (Figura 4B). Dzięki dwukolorowemu obrazowaniu stwierdzono, że ta populacja sygnału p-Tyr znajduje się w bliskim sąsiedztwie przyśrodkowej miozyny (Rysunek 4B, zbliżenia), subpopulacji miozyny28, która jest podobnie wyraźna tylko w warunkach obrazowania na żywo, ale ledwo wykrywalna za pomocą immunofluorescencji. Ponadto, medialna populacja p-Tyr wykazuje podobne pulsacyjne wzorce koalescencji i dyssypacji (Rysunek 4C), jak wcześniej pokazano dla przyśrodkowej miozyny 28. Tożsamość i funkcja subpopulacji przyśrodkowej p-Tyr są nadal nieznane. Łącznie wyniki te pokazują, że metoda wstrzykiwania przeciwciał może znacznie uzupełnić tradycyjne podejścia do charakteryzowania zachowań białek o niskiej liczebności i ujawnić nowe wzorce lokalizacji, które mogły zostać zakłócone podczas procesu immunofluorescencji.

Rysunek 1: Przebieg pracy z wstrzykiwaniem przeciwciał. Schematyczny przebieg pracy ilustrujący etapy związane z metodą wstrzykiwania przeciwciał. Cały proces, od pobrania zarodka do wstrzyknięcia przeciwciał, trwa zwykle około 4-5 godzin. Po wstrzyknięciu przeciwciał zarodki mogą być inkubowane w komorze wilgotnościowej do pożądanego etapu rozwoju przed obrazowaniem na żywo. AEL, po złożeniu jaj; RT, temperatura pokojowa; Ab, przeciwciało. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Wyrównanie i wstrzyknięcie zarodka. (A) Przegląd przedmiotów wymaganych przed wstrzyknięciem, w tym szkiełko nakrywkowe, szkiełko podstawowe, pudełko do suszenia, pędzel, pęseta, sitko do komórek, komora wilgotnościowa i żel agarozowy. (B) Wyrównane zarodki przymocowane do kleju heptanowego w środku szkiełka nakrywkowego i umieszczone na wierzchu koralików wysuszających. (C) Wyrównanie osi przednio-tylnej zarodków równolegle do krawędzi żelu agarozowego. (D) Przegląd konfiguracji wtrysku. (E) Porównanie morfologii zarodka przed i po procesie wysuszenia, ze szczególnym uwzględnieniem zmarszczek błony witelowej po wysuszeniu. (F) Wielkość pęcherzyka iniekcyjnego po pojedynczym naciśnięciu pikopompy. (G) Porównanie morfologii zarodka przed i po wstrzyknięciu przeciwciała, ze szczególnym uwzględnieniem zaniku zmarszczek błonowych po wstrzyknięciu. (E-G) zostały uchwycone pod soczewką obiektywu o powiększeniu 10x przy użyciu mikroskopii jasnego pola. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Obrazowanie na żywo receptora Notch we wczesnych zarodkach. (A) Lokalizacja endogennego receptora Notch znakowanego GFP poprzez immunofluorescencję (po lewej), bezpośrednie obrazowanie na żywo oparte na autofluorescencji GFP (w środku) i wstrzyknięcie nanonoma GFP sprzężonego z AlexaFluor 594 (po prawej). (B) Dynamiczna lokalizacja Notch-GFP obrazowana w odstępach 45 s po wstrzyknięciu przeciwciała. Wszystkie obrazy zostały uzyskane z przednią częścią zarodków po lewej stronie i stroną brzuszną skierowaną w dół. Podziałka = 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Obrazowanie na żywo embrionalnych wzorców fosfotyrozyny. (A) Lokalizacja fosforylowanej tyrozyny (p-Tyr) w utrwalonych zarodkach poprzez immunofluorescencję. (B) Lokalizacja p-Tyr (magenta) w żywych zarodkach wykazujących ekspresję łańcucha świetlnego miozyny znakowanej GFP (zielony). Białe przerywane pole wskazuje zbliżenia na populację medialną fosfotyrozyny i miozyny pod błoną wierzchołkową. Podziałka = 10 μm. (C) Lokalizacja p-Tyr i GFP-miozyny obrazowana co 45 s w żywych zarodkach. Białe strzałki wskazują populację środkową p-Tyr i miozyny. Wszystkie obrazy zostały wykonane z przednią częścią zarodków po lewej stronie i stroną brzuszną skierowaną w dół. Podziałka = 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Ten protokół opisuje spersonalizowane znakowanie fluorescencyjne oparte na przeciwciałach i wstrzykiwanie do wczesnych zarodków Drosophila, aby umożliwić obrazowanie na żywo białek o niskiej obfitości lub modyfikacji potranslacyjnych, które są trudne do wykrycia przy użyciu tradycyjnych metod GFP/mCherry-tag.
Chcielibyśmy podziękować dr Jennifer A. Zallen za dostarczenie linii Sqh-GFP Drosophila i wsparcie dla początkowego rozwoju tej techniki, oraz dr Francois Schweisguth za dostarczenie linii Notch-GFP Drosophila. Praca ta była wspierana przez fundusze z Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (32270809) dla H.H.Yu, hojne wsparcie finansowe i kadrowe ze Szkoły Nauk Przyrodniczych, SUSTech oraz fundusze dla Y. Yana z Shenzhen Science and Technology Innovation Commission/JCYJ20200109140201722.
| Agaroza | Sangon Biotechnologia | A620014 | |
| Zestaw do znakowania przeciwciał Alexa Fluor 594 | Invitrogen | A20185 | Kolumna oczyszczająca z kroku 1.6 jest zawarta w tym zestawie |
| Mikroskop biologiczny | SOPTOP | EX20 | Soczewka okularu: PL 10X/20. Soczewka obiektywu: 10x/0,25 |
| Bleach | Clorox® | ||
| Kapilary ze szkła borokrzemianowego | World Precision Instruments | Wirówka TW100F-4 | |
| Eppendorf | 5245 | ||
| Sitko do komórek | FALCON | 352350 | |
| Komora suszenia | ZAMEK& LOCK | HSM8200 | 320ml |
| Mikroskop preparacyjny | Mshot | MZ62 | Soczewka okularu: WF10X/22mm. |
| Taśma dwustronna | Scotch | 665 | |
| Drobna super pęseta | VETUS | ST-14 | |
| Fisherbrand™ Okulary nakrywkowe: Prostokąty | Fisherbrand | 12-545F | |
| Fisherbrand™ Superfrost i handel; Szkiełka mikroskopowe Plus | Fisherbrand | 12-550-15 | |
| Kleszcz | VETUS | 33A-SA | |
| Olej halowęglowy 27 | Sigma-Aldrich | H8773-100ML | |
| Olej halowęglowy 700 | Sigma-Aldrich | H8898-100ML | |
| Heptane | Sigma-Aldrich | H2198-1L | Klej heptanowy wykonany jest z dwustronnej taśmy zanurzonej w heptanie |
| Odczynnik do odwadniania | TOKAI | 1-7315-01 | Napełnij do 90% objętości komory osuszania |
| Ręczny mikromanipulator | World Precision Instruments | M3301R | |
| Ściągacz do mikropipet | World Precision Instruments | PUL-1000 | Procedura: krok 1, Ciepło: 290, siła: 300, odległość: 1.00, opóźnienie: 50, Krok 2, ciepło: 290, siła: 300, odległość: 2.21, opóźnienie: 50 |
| Pneumatyczna pompa picopump | World Precision Instruments | PV 830 | Wyrzut: 20 psi; Zasięg: 100ms; Czas trwania: czasowy |
| PY20 | Santa Cruz | SC-508 | |
| Kwadratowe szalki Petriego | Biosharp | BS-100-SD | |
| GFP nanobody | Chromotek | gt |