Мы описываем здесь использование рН чувствительных зеленый флуоресцентный вариант белка, pHluorin, для изучения пространственно-временной динамики аксоновых рецепторов руководства торговли на поверхности клетки. Рецептор с тегами рГлуорина выражается как в клеточной культуре, так и в in vivo,с использованием электропорации эмбриона птенца.
Во время разработки рецепторы аксонового наведения играют решающую роль в регулировании чувствительности аксонов как к привлекательным, так и к отталкивающим сигналам. Действительно, активация рецепторов наведения является первым шагом сигнальных механизмов, позволяющих аксоновые наконечники, конусы роста, реагировать на лиганды. Таким образом, модуляция их наличия на поверхности клетки является одним из механизмов, которые участвуют в установлении чувствительности конуса роста. Мы описываем здесь метод точно визуализировать пространственно-височной динамики поверхности клеток аксонового рецептора как in vitro, так и in vivo в развивающемся спинном мозге птенца. Мы воспользовались рН-зависимой флуоресценции собственности зеленого флуоресцентного белка (GFP) вариант специально обнаружить долю аксонового рецептора руководства, который адресован плазменной мембраны. Сначала мы описываем in vitro проверки таких рН-зависимых конструкций, и мы более подробно их использование in vivo, в цыпленок спинного аккорда, для оценки пространственно-временной динамики аксон руководство рецептор интереса.
Во время навигации аксоны интегрируют несколько экологических сигналов, которые направляют их к цели. Эти сигналы активируют наведение рецепторов на поверхности аксоновых терминалов, конусов роста, которые, в свою очередь, инициируют соответствующий сигнальный путь. Таким образом, височное и пространственное регулирование распределения поверхности клеток рецепторов имеет решающее значение для установить чувствительность конуса роста1. В этом контексте, средней линии пересечения комиссариальных аксонов является отличной моделью для исследования регулирования уровней поверхности рецепторов клеток. В развивающемся спинном мозге, комиссаральные аксоны первоначально привлекают к брюшной пластины пола, где они пересекают средней линии. После пересечения, они теряют свою отзывчивость на пол пластины притягания и получить ответ на пол пластины репелленты, чтобы они могли выйти из пола пластины и перейти к их конечного пункта назначения в контралатеральной стороненервной системы 2,3. Регулирование доступности рецепторов на поверхности конуса роста является одним из механизмов, лежащих в основе переключения отзывчивости на сигналы среднейлинии 4,5. Таким образом, избирательный мониторинг рецепторов, присутствующих на плазменной мембране конусов роста, имеет первостепенное значение. Мы описываем здесь метод, основанный на рН-зависимых флуоресценции собственности зеленого флуоресцентного белка (GFP) вариант специально визуализировать аксон наведения рецепторов, которые адресованы плазменной мембраны in vitro и in vivo, в развивающихся цыпленок спинного мозга.
Ротман и его коллеги, разработанные точечными мутациями рН-чувствительных вариантов GFP, включая эклиптический рГлуорин6. Эклиптический рГлуорин имеет свойство быть нефлуоресцентным при воздействии кислого рН (<6), будучи флуоресцентным при нейтральном рН. Это позволяет отличить нефлуоресцентные рецепторы, локализованные во внутриклеточных кислых отсеках(т.е. эндосомы, оборот пузырьков) от флуоресцентных рецепторов, включенных в плазменную мембрану и, таким образом, подверженных внеклеточному нейтральномурН 7. Мы воспользовались этим для мониторинга локализации плазменной мембраны plexinA1, рецептора наведения аксона, окаймлив реакцию конуса роста на реакцию среднего репеллента семафорина 3B5 (Рисунок 1A). Мы описываем здесь in vitro характеристику конструкции pHluorin-plexinA1, вместе с в электропорации ово 8-10 этой конструкции в развивающемся спинном мозге цыпленка последованной за микроскопическим анализом cryosections которые позволяют последовать за динамикой рецептора наведения аксона in vivo с и пространственными и височные разрешения.
1. Стратегия клонирования для тегов PlexinA1 Рецептор с плюхлуорин
2. Характеристика рГлуорин-тегами Рецептор in vitro в клетках COS7
Способность белка синтеза достичь плазменной мембраны и ее обратимая потеря флуоресценции при снижении рН могут быть подтверждены с помощью следующей процедуры.
3. В ово Электропорация рГлуорина-плексина1 Конструкция
4. Встраивание эмбрионов и криозирование
5. Микроскопический анализ криозекции
Репрезентативные изображения экспрессии рГлуорин-плексина А1 и eGFP в спинном мозге эмбриона цыпленка показаны на рисунке 4.
Этот протокол обеспечивает пошаговую процедуру, чтобы следить за динамикой рецептора руководства аксона как в клеточной культуре, так и в контексте развития спинного мозга эмбриона цыпленка.
Для разработки белка с тегами de novo pHluorin необходимо учитывать две точки относительно стратегии клонирования. Во-первых, тег рГлуорин должен подвергаться воздействию люмена кислых эндосом, и, следовательно, внеклеточного отсека для визуализации плазменной мембраны рецепторов бассейна. Таким образом, правильное позиционирование последовательности рГлюорин относительно последовательности рецепторов напрямую зависит от типа изучаемого рецептора(т.е. подвергается ли N-терминальная или C-терминальная часть рецептора внеклеточному отсеку). Во-вторых, как поясняется в протоколе, положение рГлуорин последовательности по отношению к пептиду сигнала следует рассматривать, чтобы избежать последующего расщепления между плюхлуорин и рецептор интереса.
Ограничение техники связано с оборотом рецепторов после их активации на плазменной мембране. Как правило, рецепторы интернализированы и прогресс через эндоцитатический путь состоит из функционально и физически различных отсеков15. Из-за АТФ управляемых протонных насосов, эндосомы поддерживать кислый рН около 6 в начале эндосомы, около 5 в конце эндосомы, ниже, чем 5 в лизосомах, но только около 6,4 в рециркуляции эндосомы или 7,0 в кавеосомы позволяет флуоресценции в этих двух эндосомных отсеков. Эта проблема может быть решена в пробирке с помощью общей внутренней флуоресценции отражения (TIRF) микроскопии16. Второе ограничение, присущее этому методу, заключается в том, что из-за его относительно большого размера, тег pHluorin может нарушить активность рецепторов, в зависимости от места вставки тега.
Несмотря на свои преимущества, рГлуорин не был широко использован для изучения динамики и регуляции мембранных белков во время аксоновой навигации. Семенные работы использовали плюторин для изучения пространственно-временной динамики экзоцитоза во время роста конуса поворота in vitro17. В настоящем протоколе мы иллюстрим, как рГлуорин может быть использован для исследования распределения рецепторов на плазменной мембране аксонов in vivo. Поскольку рГлуориты генетически закодированы, они особенно подходят для анализа in vivo. Хотя мы описываем его использование в цыпленок после в ово электропорации, этот подход может быть использован в других видах. Действительно электропорация эффективно работает в различных моделяхживотных 18,19. Кроме того, рГлуодины были успешно использованы в C. elegans, Drosophila, или мыши трансгенныхживотных 20-23.
Так как рН-зависимые изменения происходят в миллисекундном диапазоне, рГлуорен особенно приспособлены дляживой визуализации 6,24. PHluorin слияния, например, были использованы для мониторинга динамики in vivo синаптобревин экзоцитоза в обонятельных сенсорных нейронов от трансгенныхмышей 23. In vivo живой визуализации фьюжн рГлуорин имеет значительные перспективы, как конфокальные микроскопы адаптированы к живой визуализации (быстрая визуализация и низкая фототоксичность) становятся более эффективнымии доступными 25. Live изображения in vivo также может быть объединена с восстановлением флуоресценции после фотоотливания (FRAP), так что экзоцитоз или диффузии могут быть оценены более непосредственно26.
Использование других вариантов, чувствительных к рН, и их комбинаций может еще больше расширить спектр применения. Динамическое распределение рецепторов в различных органеллах можно контролировать с помощью соотношенияметрического рГлуорина, который изменяет флуоресценцию в соответствии срН отсека 6,27. Аналогичным образом, добавление рН-нечувствительных флуоресцентных белков в мембранный белок, сливается с эклиптической рГлуорин может обеспечить важное понимание его оборота28. Кроме того, недавнее клонирование pHtomato29 позволит одновременно контролировать два рецептора. Это может дать важное представление о формировании рецепторных комплексов. Так как pHluorin также может быть использован для тега руководствасигналы 30, двойной визуализации лиганда, и его рецептор также возможно.
В этом протоколе, скорость экспрессии белка синтеза является критической точкой и особенно зависит от силы промоутера, стабильности белка синтеза и количества плазмиды, используемой для трансфекта клеток. Действительно, при переэкспрессии, синтез белков может накапливаться во внутриклеточных пузырьков и флуоресцентный фон может появиться. Таким образом, для достижения точной визуализации рГлуорин сплавленного белка на поверхности клетки может потребоваться несколько оптимизаций. Кроме того, использование белка рГлуорин-фьюжн в фиксированных тканях требует особого ухода во время и после фиксации. Действительно, стабилизация конформаций белков фьюжн рГлуорин может быть лишь временной. Таким образом, рН необходимо держать выше 7, чтобы предотвратить потерю сигнала рГлуорин. Кроме того, наблюдения должны быть проведены вскоре после фиксации. Оптимальное время, возможно, потребуется определить пользователям в соответствии с их конкретной рГлуорин синтез белка.
The authors have nothing to disclose.
COS7 cells | ATCC | CRL-1651 | |
DMEM GlutaMAX | GIBCO | 61965-026 | |
Sodium pyruvate | GIBCO | 11360-039 | |
Amphotericin B | Sigma | A2942 | |
Fetal bovine serum | GIBCO | 10270-106 | |
Penicillin/Streptomycin | GIBCO | 15140-122 | |
Exgen500 reagent | Euromedex Fermentas | ET0250 | |
PBS -Ca<sup>2+</sup> -Mg<sup>2+</sup> | GIBCO | 14190-094 | |
Fast green dye | Sigma | F7252 | |
32% Paraformaldehyde aqueous solution | Electron Microscopy | 15714-S | Dilute extemporaneously in PBS to achieve a 4% solution |
Gelatin from cold water fish skin | Sigma | G7041 | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Cryomount | Histolab | 00890 | |
Hoechst 34580 | Invitrogen | H21486 | |
Mowiol 4-88 | Fluka | 81381 | |
Consumables | |||
Bottom-glass 35 mm dish | MatTek | P35G-1.5-14-C | |
5 ml Syringe | Terumo | SS-05S | |
Needles 0.9 mm x 25 mm | Terumo | NN-2025R | |
Capillaries | CML | PP230PO | capillaries are stretched manually in the flame |
Superfrost Plus Slides | Thermo Scientific | 4951PLUS | |
Material | |||
Curved scissors | FST | 129-10 | |
Microscalpel | FST | 10316-14 | |
Forceps | FST | Dumont #5 REF#11254 | |
Equipment/software | |||
Time lapse microscope | Zeiss | Observer 1 | |
Temp module S | PECON for Zeiss | ||
CO<sub>2</sub> module S | PECON for Zeiss | ||
Metamorph software | Metamorph | ||
Eggs incubator | Sanyo | MIR154 | |
Electroporator apparatus | Nepa Gene CO., LTD | CUY21 | |
Electrodes | Nepa Gene CO., LTD | CUY611P7-4 | 4 mm platinum electrodes |
Fluorescence stereomicroscope | LEICA | MZ10F | |
Cryostat | MICROM | HM550 | |
Confocal microscope | Olympus | FV1000, X81 | |
Fluoview software | Olympus | ||
CLC Main Workbench software | CLC Bio |