Morphology, size and location of intracellular organelles are evolutionarily conserved and appear to directly affect their function. Understanding the molecular mechanisms underlying these processes has become an important goal of modern biology. Here we show how these studies can be facilitated by the application of quantitative techniques.
morphogenesis पर सबसे अध्ययन कैसे शारीरिक लक्षण विशिष्ट जीन और आनुवंशिक रास्ते के विघटन से प्रभावित हैं गुणात्मक विवरण पर भरोसा करते हैं। मात्रात्मक वर्णन शायद ही कभी प्रदर्शन कर रहे हैं, हालांकि आनुवंशिक जोड़तोड़ प्ररूपी प्रभाव की एक श्रृंखला का उत्पादन और बदलाव भी नियंत्रण समूहों के भीतर व्यक्तियों के बीच मनाया जाता है। सबूत से पता चलता उभरते आकृति विज्ञान, आकार और अंगों का स्थान एक पहले से underappreciated, सेल समारोह और अस्तित्व में अभी तक मौलिक भूमिका निभाते है। यहाँ हम ड्रोसोफिला लार्वा neuromuscular जंक्शन (NMJ) पर phenotypes के मात्रात्मक विश्लेषण प्रदर्शन करने के लिए कदम दर कदम निर्देश प्रदान करते हैं। हम कई विश्वसनीय इम्युनो-histochemical जैव इमेजिंग तकनीक और morphometric विशिष्ट सेलुलर प्रक्रियाओं पर आनुवंशिक परिवर्तन के प्रभाव की जांच करने के लिए विश्लेषण के साथ संयुक्त मार्कर का उपयोग करें। विशेष रूप से, हम आकृति विज्ञान, आकार और एन की स्थिति को प्रभावित phenotypes के मात्रात्मक विश्लेषण पर ध्यान केंद्रितuclei ड्रोसोफिला लार्वा की धारीदार मांसपेशियों के भीतर। ड्रोसोफिला लार्वा NMJ संरचना और neuromuscular प्रणाली के समारोह, दोनों स्वास्थ्य और रोग में अंतर्निहित आणविक तंत्र की जांच के लिए एक मूल्यवान प्रयोगात्मक मॉडल है। हालांकि, के तरीके में हम यहाँ वर्णन अन्य प्रणालियों के रूप में अच्छी तरह से बढ़ाया जा सकता है।
Qualitative analysis restricts the focus of most experimental studies to the examination of genetic manipulations leading to large phenotypic effects or to phenotypes that are not amenable to quantification, e.g., absence/presence. Quantification of phenotypes is not usually performed and variations present within members of a phenotypic group are not taken into consideration. Additionally, without mathematical descriptions of morphologies, it may be difficult to determine whether fine scale phenotypic changes are the result of genetically induced alterations or whether observed changes are simply due to random fluctuations.
We propose that for an accurate and unbiased analysis of phenotypic defects due to gene disruption, quantitative methodologies should accompany more traditional qualitative approaches. Quantitative evaluation of phenotypes is particularly beneficial for structures such as synapses that present a high degree of variability due to their intrinsic morphological and functional plasticity. We have selected examples of quantitative analyses applied to areas of investigation with which we are most familiar, namely the Drosophila larval neuromuscular junctions (NMJs). However, concepts and principles apply equally well to other experimental systems.
The larval NMJ is an excellent model system to study synaptic development and function because of the highly stereotyped nature of its structure. Each hemi-segment of the larval neuromuscular system contains 32 identifiable motor neurons forming synaptic contacts with their postsynaptic target muscle. Every hemi-segment also contains a fixed number of muscles visible as multinucleated fibers attached to the internal surface of the cuticle1. Another advantage of using the larval neuromuscular system is the power and versatility of Drosophila genetics that easily allows the generation of a number of mutant alleles and the possibility to modify gene expression in a time- and tissue-restricted manner. Finally, 75% of the human genes causing a disease have an evolutionarily conserved orthologue in Drosophila2. Indeed, entire genetic pathways are conserved between flies and humans. Because of this, the Drosophila larval neuromuscular system is a very popular experimental model to elucidate the molecular mechanisms underlying a number of human diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS)1.
Here we show that the availability of several reliable immuno-histochemical markers, combined with bio-imaging techniques and accurate morphometric analyses can describe anatomical traits that are likely to play an important functional role3,4,5. Among the cellular processes that are amenable to quantitative analyses, we focus on changes in shape, size and position of intracellular structures such as the nuclei. All these are processes that we know very little about.
The challenge for molecular geneticists in the coming decades will be to extend our current knowledge by analyzing the effect of genetic mutations that produce very subtle phenotypic defects. Quantitative methodologies that allow researchers to meticulously explore the effects of genetic mutations can provide a more comprehensive understanding of how genotypes relate to phenotypes, especially for poorly understood cellular processes.
अतीत में, के भीतर और प्रयोगात्मक समूहों के बीच रूपात्मक बदलाव के शायद ही कभी ध्यान में रखा गया। हालांकि, मात्रात्मक तरीकों के आवेदन अब बनता जा रहा है आकृति विज्ञान और संरचनात्मक रूपों की गणितीय विवरण के तुलनात्मक अध्ययन में आदर्श गणना कर रहे हैं। मात्रात्मक का उपयोग विशिष्ट सेलुलर प्रक्रियाओं पर आनुवंशिक जोड़तोड़ के प्रभाव का आकलन करने में विश्लेषण करती है, रूपात्मक परिवर्तन का पता लगाने के लिए हमारी क्षमता को बढ़ाने में और सटीकता के साथ जो इन परिवर्तनों वर्णित हैं सुधार लाने में वादा पकड़। इसके अलावा, मात्रात्मक डेटा का सांख्यिकीय विश्लेषण हमें मूल्यांकन करने के लिए phenotypes के बीच मनाया मतभेद महत्वपूर्ण हैं या नहीं।
धारीदार मांसपेशियों में, नाभिक एक अलग गोल संरचना दिखा रहे हैं और समान रूप से मांसपेशी फाइबर के साथ वितरित कर रहे हैं। हालांकि आणविक स्थापित करने और बनाए रखने के आकार, आकृति और नाभिक की वास्तुकला तंत्र नहीं जाना जाता है, इन परमाणु सुविधाओं की संभावना टी रहे हैंओ मांसपेशी समारोह को नियंत्रित करने में एक मौलिक भूमिका निभाते हैं। दरअसल, कई myopathies मांसपेशियों के भीतर नाभिक की आकृति विज्ञान और स्थिति को विनियमित करने के जीन में उत्परिवर्तन के कारण होता है। आकार और एक कोशिका के भीतर नाभिक के वितरण के कार्यात्मक महत्व की मांसपेशियों के लिए सीमित नहीं है। सबूत जमते से पता चलता है कि परमाणु दोष भी ऐसे पार्किंसंस रोग 18,24 के रूप में neurodegenerative रोगों के साथ जुड़े रहे हैं। इसके अतिरिक्त, हम उस आकृति विज्ञान, आकार और जालिका और माइटोकॉन्ड्रिया कार्यात्मक परिणाम हो सकते हैं सहित अन्य अंगों के intracellular वितरण की सराहना करने लगे हैं। उदाहरण के लिए, mitochondrial आकृति विज्ञान में परिवर्तन ऐसे ऑप्टिक शोष टाइप -1 (OPA1) और Charcot-Marie-टूथ प्रकार 2A न्यूरोपैथी 25 के रूप में मस्तिष्क संबंधी बीमारियों के साथ जुड़े रहे हैं।
इन महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं अंतर्निहित आणविक तंत्र elucidating की प्रक्रिया में सहायता करने के लिए, हम उच्च संकल्प confocal गठबंधन करने का प्रस्तावइमेजिंग सॉफ्टवेयर और morphometric के साथ डेटा मात्रात्मक मूल्यांकन करने के लिए कैसे आनुवंशिक जोड़तोड़ मांसपेशी फाइबर के भीतर आकार, आकार, और नाभिक के स्थान को प्रभावित कर सकते विश्लेषण करती है। बिजली और एक साथ ड्रोसोफिला आनुवंशिकी की चंचलता ड्रोसोफिला लार्वा में neuromuscular प्रणाली के अत्यधिक टकसाली प्रकृति के साथ लार्वा NMJ विश्लेषण के इस प्रकार के लिए विशेष रूप से उपयुक्त एक प्रयोगात्मक मॉडल बनाते हैं। लार्वा NMJs में प्ररूपी विश्लेषण के लिए एक एकल अन्तर्ग्रथन संकल्प एक सटीक विश्लेषण morphometric जहां NMJs की संख्या में एक ही मक्खी के भीतर का अध्ययन किया जा सकता है और यहां तक कि एक ही पहचान योग्य NMJ अलग जीनोटाइप 3,4 की मक्खियों के बीच तुलना की जा सकती इजाजत देने पर किया जा सकता है।
ड्रोसोफिला लार्वा NMJ में परमाणु स्थिति, आकार और आकार की प्ररूपी लक्षण वर्णन एंटीबॉडी कि मांसपेशियों के भीतर मांसपेशियों और नाभिक पर प्रकाश डाला साथ विच्छेदित NMJs के immunostaining प्रदर्शन से शुरू होता है। प्रोटोकॉल में थी में उल्लिखितकागज, myonuclei, Lamin, परमाणु लिफाफा के एक मार्कर के खिलाफ पॉलीक्लोनल एंटीबॉडी के साथ दाग थे एक परमाणु मार्कर पूरे मांसपेशियों दाग DVAP के लिए विशिष्ट परमाणु आंतरिक और साथ एंटीबॉडी पर प्रकाश डाला साथ। Lamin इन प्रयोगों में इस्तेमाल किया एंटीबॉडी कृपया पॉल फिशर 19-22 द्वारा प्रदान किया गया लेकिन विरोधी Lamin एंटीबॉडी के वैकल्पिक स्रोतों का इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, परमाणु लिफाफा के लिए विशिष्ट अन्य एंटीबॉडी के एक नंबर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं। अंत में, इस तरह के DAPI और propidium आयोडाइड के रूप में परमाणु मार्कर, भी उपलब्ध हैं, जबकि मांसपेशियों विरोधी actin या विरोधी ट्यूबिलिन एंटीबॉडी के साथ धुंधला द्वारा देखे जा सकते हैं। इस प्रयोगात्मक प्रक्रिया में इस्तेमाल उन लोगों की तुलना में अन्य एंटीबॉडी कार्यरत रहे हैं, तो immunostaining प्रोटोकॉल अतिरिक्त कदम जिसमें निर्धारण की स्थिति और नई एंटीबॉडी के लिए काम कर रहे सांद्रता अनुकूलित करने की आवश्यकता होगी की आवश्यकता होगी। इस प्रोटोकॉल है, खासकर जब मात्रा renderings विश्लेषण करने की आवश्यकता में एक महत्वपूर्ण कदम है, ध हैई स्लाइड पर नमूने के बढ़ते। इस मामले में, यह स्लाइड और coverslip इतना है कि नमूनों कुचल नहीं मिलता बीच spacers शामिल करने के लिए महत्वपूर्ण है। सेल्यूलोज टेप के तीन बैंड coverslip के दोनों किनारों पर स्लाइड के चारों ओर लिपटा spacers बनाने का एक आसान तरीका प्रतिनिधित्व करते हैं।
ImageJ 2 डी छवियों के लिए इस्तेमाल किया गया था, वहीं 3 डी मल्टी चैनल छवि का सबसे इस अखबार में प्रस्तुत विश्लेषण, क्योंकि अपने घर में उपलब्धता की Imaris का उपयोग करके किया गया था। हालांकि, किसी भी अन्य इसी तरह के वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर पैकेज इन अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
वहाँ कई खुला स्रोत (उदाहरण के लिए, ImageJ, CellProfiler, Vaa3D, बर्फीले, KNIME और दूसरों के लिए) और वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर प्लेटफार्मों confocal छवियों के विश्लेषण के लिए उपलब्ध हैं। ImageJ 26, एनआईएच या उसके अधिक बढ़ाया संस्करण, फिजी 27 के रूप में जाना से मुक्त सॉफ्टवेयर, दुनिया भर में इमेजिंग संचार के लिए उपलब्ध आयात फिल्टर, मैक्रोज़ और plugins की एक बड़ी संख्या हैTy। इन plugins के अधिकांश एक टुकड़ा-टुकड़ा द्वारा एक तरीके के बारे में जानकारी के प्रसंस्करण पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। वहाँ भी दृश्य और मल्टीचैनल 3 डी छवियों के विश्लेषण के लिए उपलब्ध plugins रहे हैं। हालांकि, वे अक्सर एक विशेष कार्य के लिए तैयार कर रहे हैं और उपयोगकर्ताओं को अपने स्वयं की जरूरत को बढ़ाने या इन plugins अनुकूल करने की आवश्यकता हो सकती है। दूसरी ओर, वाणिज्यिक प्लेटफार्मों अपेक्षाकृत अनुभवहीन उपयोगकर्ताओं को निशाना बनाने और अक्सर आसानी से उपयोग, अविश्वसनीय गति के साथ छवि प्रसंस्करण कार्यों के व्यापक कवरेज पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं।
इस प्रोटोकॉल में उल्लिखित मात्रात्मक प्ररूपी विश्लेषण के साथ प्रयोगात्मक प्रक्रिया एक साथ, organelle आकृति विज्ञान और एक कोशिका के भीतर उनके वितरण को नियंत्रित करने के आणविक तंत्र elucidating में सहायता कर सकते हैं। हालांकि, इस दृष्टिकोण एक विशिष्ट अंत बिंदु पर इन प्रक्रियाओं का विश्लेषण करने के स्पष्ट सीमा है। आकृति विज्ञान और अंगों के वितरण को नियंत्रित करने की प्रक्रिया बहुत गतिशील हो और न केवल अलग सेल Ty के बीच भिन्नता होने की संभावना हैपी इ एस लेकिन यह भी विकास या शारीरिक स्थिति पर निर्भर करता है एक ही कोशिका के भीतर। इस विश्लेषण का एक और कार्यान्वयन के समय चूक इमेजिंग परमिट कि organelle आकृति विज्ञान और स्थिति में परिवर्तन के समय के साथ निरीक्षण किया जा रहा द्वारा प्रतिनिधित्व किया जाएगा।
The authors have nothing to disclose.
We are grateful to Dr. Andrea Chai for her insightful comments on the manuscript. This work was supported by the Wellcome Trust (grant number: Pennetta8920) and by the Motor Neuron Disease Association (grant number: Pennetta6231).
Micro-Forceps 0.3×0.25 mm | Fine Science Tools | 11030-12 | |
Sylgard dissection plates | SIGMA-ALDRICH | 76103 | Mix the pre-weighed elastomer base with curing agent. Poor the mixture into a 5 cm Petri dish. Let cure it at 60ºC for at least 24 hours |
Stainless/Steel Minutien Pins 0.1 mm diameter | Fine Science Tools | 26002-10 | |
Microdissection scissors (ultra-fine) | Fine Science Tools | 15200-00 | |
1x PBS (Phosphate Buffered Saline). Composition: 3mM NaH2PO4, 7mM Na2HPO4, 130mM NaCl, pH 7 | NaH2PO4 (SIGMA-S8282), Na2HPO4 (SIGMA-S7907), NaCl (SIGMA-S7653) | ||
Bouin's Solution. Composition: Picric Acid, Formaldehyde, Acetic Acid (15:10:1) | Picric Acid (SIGMA 197378), Formaldehyde (F8775), Acetic Acid (SIGMA-1005706) | ||
1x PBT (Phosphate Buffered Saline with Triton). 1xPBS +0.1% Triton | Triton-X100. SIGMA-T8787 | ||
Normal Goat Serum | SIGMA | G9023 | |
Guinea Pig anti-DVAP antibody | Provided by Dr. Giuseppa Pennetta (University of Edinburgh, UK). Use at !:200 dilution in 5% NGS | ||
Rabbit anti-HRP (Horseradish peroxidase) | Jackson ImmunoResearch | 123-065-021 | Use at 1:500 dilution in PBT containing 5% NGS |
Rabbit anti-Lamin antibody | Provided by Dr. Paul Fisher (State Univeristy of New York at Stony Brook). Use at 1:500 dilution in PBT containing 5% NGS | ||
TO-PRO-3 | Molecular Probes | T3605 | |
Goat anti-rabbit antibody, Alexa Fluor488, conjugated | Jackson ImmunoResearch | bs-295G-A555-BSS | Use at 1:500 dilution in PBT containing 5% NGS |
Goat anti-guinea pig IgG antibody, Cy3, conjugated | Jackson ImmunoResearch | bs-0358G-Cy3-BSS | Use at 1:500 dilution in PBT containing 5% NGS |
Vectashield mounting medium for fluorescence | Vector laboratories | H-1000 |