뮤린 신경 발생 시 노치 신호 역학의 실시간 생물 발광 이미징
Summary
신경 줄기/전구 세포는 세포 이벤트의 다른 결과로 이끌어 내는 노치 신호 분대의 각종 표현 역학을 전시합니다. 이러한 동적 발현은 유전자 발현의 급격한 변화를 시각화할 수 있는 매우 민감한 생물 발광 이미징 시스템을 사용하여 정적 분석이 아닌 실시간 모니터링을 통해 밝혀질 수 있습니다.
Abstract
노치 신호는 세포-세포 상호 작용에 의해 신경 줄기/전구 세포의 유지 를 조절합니다. 노치 시그널링의 구성 요소는 동적 표현을 나타낸다. 노치 시그널링 이펙터 Hes1 및 노치 리간드 델타 유사1(Dll1)은 신경 줄기/전구 세포에서 진동 방식으로 발현된다. 이들 유전자의 진동 발현 기간이 매우 짧기 때문에(2시간), 그들의 순환 발현을 모니터링하기가 어렵다. 유전자 발현 또는 단백질 역학의 이러한 급격한 변화를 검토하기 위해서는 빠른 반응 리포터가 필요합니다. 그것의 빠른 성숙 역학 및 높은 감도 때문에, 생물 발광 리포터 luciferase는 살아있는 세포에 있는 급속한 유전자 발현 변경을 감시하기 위하여 적당합니다. 우리는 단세포 분해능에서 단백질 역학의 시각화를 위해 프로모터 활성을 모니터링하기 위해 불안정한 루시퍼라제 리포터와 루시퍼라제 융합 리포터를 사용했습니다. 이러한 생물 발광 리포터는 빠른 회전율을 보여주고 매우 약한 신호를 생성합니다. 따라서, 우리는 그러한 희미한 신호를 검출하기 위해 매우 민감한 생물 발광 이미징 시스템을 개발했습니다. 이 방법을 사용하면 실제 세포 상태를 이해하는 데 도움이되는 중요한 정보인 살아있는 세포 및 조직에서 다양한 유전자 발현 역학을 모니터링 할 수 있습니다.
Introduction
포유류 뇌는 다양한 유형의 뉴런 및 신경교 세포로 구성되어 있습니다. 모든 세포는 신경 줄기 / 전구 세포 (NPC)에서 생성되며, 이는 먼저 그 수를 확장하기 위해 증식한 다음 뉴런으로 분화하기 시작하고 마지막으로 신경교세포1,2,3,4,5를발생시다. 일단 세포가 뉴런으로 분화되면, 그(것)들은 증식하거나 그들의 수를 증가할 수 없고, 그러므로, 나중 단계까지 NPC의 유지보수가 중요합니다. 세포-세포 상호 작용을 통한 노치 신호는 NPC6,7을유지하는 데 중요한 역할을 한다. 노치 리간드막 단백질, 노치, 이웃 세포의 표면에 상호 작용하고 노치 단백질을 활성화합니다. 활성화 후, 노치 단백질의 단백질 해가 발생하여 세포막에서 노치 (NICD)의 세포 내 도메인을 핵8,9,10으로방출합니다. 핵에서 NICD는 Hes1 및 Hes5 (Hes1/5)의프로모터 영역에 결합하고 이러한 유전자의 발현을 활성화합니다. Hes1/5 는 신경성 유전자 Ascl1 및 Neurogenin1/2 (Neurog1/2)11,12,13,14의발현을 억압한다. 신경성 유전자는 신경 분화를 유도하기 때문에 Hes1/5는 NPC 를 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 더욱이, 신경성 유전자가 노치 리간드 델타유사1(Dll1)의 발현을 활성화시킬 수 있기 때문에, Hes1/5는 또한 Dll1의발현을 억압한다. 따라서, Dll1의 발현은 노치 시그널링을 통해 Dll1에 대해 음수인 인접 세포를 이끈다. 이와 같이, 세포는 인접한 세포가 동일한 운명을 따르는 것을 억제하며, 횡식 억제8로알려진 현상이다. 개발 뇌에서, 측면 억제 다양 한 다른 세포 종류를 생성하는 역할을 한다.
단일 셀 수준에서 실시간 이미징은 NPC15,16,17에서노치 시그널링 성분의 동적 발현을 보여줍니다. 노치 시그널링은 Hes1의발현을 활성화하지만 Hes1 단백질은 자체 프로모터에 결합하고 자체 발현을 억압합니다. 또한, Hes1은 매우 불안정한 단백질이며, 유비퀴틴-프로테아좀 통로에 의해 분해됩니다. 따라서, 자신의 프로모터의 억압은 단지 짧은 수명이고 그 다음에 전사가 다시 시작된다. 이와 같은 방식으로, Hes1의 발현은 2시간주기(18)에서전사 및 번역 수준 모두에서 진동한다. Hes1의 진동 발현은, 차례로, 주기적인 억압을 통해 Ascl1, Neurog2, 및 Dll1과 같은 하류 표적 유전자의 발진 발현을 유도한다15,16,17,19. 신경성 유전자는 신경 분화를 유도할 수 있지만, 그들의 진동 발현은 신경 분화를 위해 충분하지 않습니다; 오히려 그들의 지속적인 된 표현은 신경 분화에 필수적이다. 신경성 유전자의 진동 발현은 신경 분화 유도보다는 NPC 유지에 중요하다14,15,16. Dll1의 발현은 신경 발생 및 소미토발생과 같은 다양한 형태 발생 동안 전사 및 번역 수준 모두에서 진동한다. Dll1의 동적 발현은 정상적인 형태 형성및 Dll1의 꾸준한 발현에 중요하며 신경발생 및 소미토제네시스(17)의 결함을 유도한다. 이 사실 인정은 유전자 발현과 단백질 역학의 역학이 각종 발달 사건의 규칙에 있다는 중요한 기능을 보여줍니다 (즉, 다른 발현 역학은 세포 행동에서 다른 출력을 생성합니다).
노치 시그널링의 역학을 분석하기 위해 조직과 세포의 정적 분석은 끊임없이 변화하기 때문에 충분하지 않습니다. 단일 세포의 실시간 이미징은 유전자 발현의 역학을 밝히는 강력한 도구입니다. 노치 신호 분자의 동적 발현은 2-3 시간 의 기간에 급속한 순환 반응을 겪습니다. 이러한 빠른 주기적 발현은 실시간 모니터링을 위한 두 가지 어려운 문제를 제시한다: (1) 분자의 발현이 낮은 수준으로 억제되고, (2) 빠른 회전율은 빠른 응답 리포터가 필요하다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 우리는 이전에 생물 발광 실시간 이미징 방법20을개발하였다. 생물 발광 리포터는 형광 리포터보다 더 높은 감도와 짧은 성숙 시간을 가지고 있기 때문에,이 전략은 우리가 살아있는 세포의 급속한 역학을 모니터링 할 수 있습니다. 실시간 시각화를 사용하여, 우리는 더 많은 유전자가 우리가 이전에 생각했던 것보다 동적 발현을 나타낸다는 것을 것을을 발견했습니다. 또한, 살아있는 세포에서발현 및 단백질 역학을 나타내는 보고의 수와 다양한 생물학적 사건에서 이러한 역학의 중요성이 증가하고, 유전자 발현에서역학의 근본적인 역할을 시사하는21,22.
이 보고서에서는 해리된 배양물과 피질 슬라이스 배양물 모두에서 NPC에서 노치 리간드 Dll1의 표현을 시각화하는 방법을 설명합니다. 단일 세포 수준에서 Dll1 전사의 역학을 모니터링하기 위해, 우리는 pDll1-Ub-Fluc 리포터를 운반하는 형질전환 마우스의 배아 텔렌살론에서 유래한 NPC의 해리된 배양을 생성했습니다, Dll1 프로모터 구동 불안정성 luciferase 기자. 생체 내에서 Dll1 단백질 역학을 모니터링하기 위해 Dll1-Fluc 융합 리포터를 피질 내 NPC에 도입하고 피질 슬라이스 배양에서 NPC에서 리포터의 표정을 시각화했습니다. 실시간 화상 진찰은 높은 시간 해결책에 살아있는 세포에 있는 유전자 발현 그리고 단백질 역학의 각종 특징을 붙잡을 수 있었습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
노치 시그널링의 구성 요소는 소미토 발생 시 동기화시 진동 발현을 나타내지만 신경 발생 시 동기화되지 않은 것으로 나타나며, 후자의 경우 정적 분석에 의한 발현 역학을 포착하는 데 어려움을 초래합니다. 따라서, 실시간 모니터링은 Hes1 및 Dll1과같은 노치 신호 구성 요소의 발현 역학을 밝히기 위해 요구된다. Hes1 및 Dll1 진동의 발현 기간이 매우 짧기 때문에 약 2-3?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이와모토 유미코에게 동영상 제작을 지원해 주신 것에 대해 감사드립니다. 또한 이미지 분석의 논의와 지원에 대한 이소무라 아키히로, 형질전환 동물 생성을 위한 기술 지원을 위한 미야치 히토시, 신조 유지(올림푸스 의학), 에가와 마사토시(올림푸스 의학), 이시즈 다쿠야() 올림푸스 의학)과 우인 쿠니타키(Andor Japan)는 생물 발광 이미징 시스템의 기술 지원 및 논의를 위해 이 작품은 진화 과학 기술에 대한 핵심 연구에 의해 지원되었다 (JPMJCR12W2) (R.K.), 혁신적인 영역에 대한 과학 연구를위한 보조금 에이드 (MEXT 24116705 H.S. 및 MEXT 16H06480 R.K.에 대한), 과학 연구를위한 보조금 지원 (C) (JPSPs) 18K06254) (H.S.), 다케다 재단 (R.K. 및 H.S.), 그리고 교육, 문화, 스포츠, 과학 기술, 일본에서 생활 시스템에 대한 동적 접근을위한 플랫폼.
Materials
| Bioluminescence Imaging System | |||
| Chilled water circulator (chiller) | Julabo | Model: F12-ED | |
| Cooled CCD camera | Andor Technology | Model: iKon-M 934 | |
| Incubator system | TOKAI HIT | Model: INU-ONICS | |
| Inverted microscope | Olympus | Model: IX81 | |
| Inverted microscope | Olympus | Model: IX83 | |
| LED illumination device | CoolLED | Model: pE1 | |
| MetaMorph | MOLECULAR DEVICES | Model: 40000 | |
| Mix gas controller | Tokken | Model: TK-MIGM OLO2 | |
| Objective lens | Olympus | Model: UPLFLN 40X O | |
| Preparations for Dissection | |||
| Dissection microscope | Nikon | Model: SMZ-2B | |
| Fluorescence stereoscopic microscope | Leica | Model: MZ16FA | |
| Fine forceps | DUMONT | INOX No.5 | |
| Scissors, Micro scissors | |||
| Forceps | |||
| Ring-shaped forceps | |||
| 10-cm plastic petri dish | greiner | 664160-013 | |
| 35-mm plastic petri dish | greiner | 627160 | |
| PBS | Nacalai Tesque | 14249-24 | |
| DMEM/F12 | invitrogen | 11039-021 | |
| Reagents for NPC dissociation culture | |||
| B27 supplement | invitrogen | 12587-010 | |
| bFGF | invitrogen | 13256-029 | Stock solution: 1 μg/ml in 0.1% BSA/PBS |
| D-luciferin | Nacalai Tesque | 01493-85 | Stock solution: 100mM in 0.9% saline |
| DNase | Worthington Biochemical Corporation | LK003172 | Stock solution: 1000U/ml in EBSS |
| EBSS | Worthington Biochemical Corporation | LK003188 | |
| Glass bottom dish | IWAKI | 3910-035 | |
| N2 supplement (100x) | invitrogen | 17502-048 | |
| N-acetyl-cystein | Sigma | A-9165-25G | |
| Papain | Worthington Biochemical Corporation | LK003178 | Stock solution: 7U/ml in EBSS |
| Penicillin/Streptmycine | Nacalai Tesque | 09367-34 | |
| Poly-L-lysine | Sigma | P-6281 | 40 mg/ml in DW |
| Preparations for in utero electroporation | |||
| 50-ml syringe | TERUMO | 181228T | |
| Electrode | Neppagene | 7-mm | |
| Electroporator | Neppagene | CUY21 EDIT | |
| Forceps | |||
| Gauzes | Kawamoto co. | 7161 | |
| Micro capillary | Made in-house | ||
| PBS | Nacalai Tesque | 14249-24 | |
| Pentbarbital | Kyoritsuseiyaku | Somnopentyl | |
| Ring-shaped forceps | |||
| Scissors, Micro scissors | |||
| Suture needle | Akiyama MEDICAL MFG. CO | F17-40B2 | |
| Xylazine | Bayer | Seractal | |
| Preparations for Slice culture | |||
| 10-cm plastic petri dish | greiner | 664160-013 | |
| 35-mm plastic petri dish | greiner | 627160 | |
| Culture insert | Millipore | PICM01250 | |
| DMEM/F12 | invitrogen | 11039-021 | |
| Fetal Bovine Serum | Sigma | 172012-500ML | |
| Fine forceps | DUMONT | INOX No.5 | |
| Forceps | |||
| Horse Serum | Gibco | 16050-122 | |
| Micro surgical knife | Alcon | 19 Gauge V-Lance | |
| Multi-gas incubator | Panasonic | MCO-5MUV-PJ | |
| N2/B27 media | Made in-house | ref. NPC dissociatioin culture | |
| PBS | Nacalai Tesque | 14249-24 | |
| Ring-shaped forceps | |||
| Scissors, Micro scissors | |||
| Silicon rubber cutting board | Made in-house |
References
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