Imaging the dynamic behavior of organelles and other subcellular structures in vivo can shed light on their function in physiological and disease conditions. Here, we present methods for genetically tagging two organelles, centrosomes and mitochondria, and imaging their dynamics in living zebrafish embryos using wide-field and confocal microscopy.
In vivo imaging provides unprecedented access to the dynamic behavior of cellular and subcellular structures in their natural context. Performing such imaging experiments in higher vertebrates such as mammals generally requires surgical access to the system under study. The optical accessibility of embryonic and larval zebrafish allows such invasive procedures to be circumvented and permits imaging in the intact organism. Indeed the zebrafish is now a well-established model to visualize dynamic cellular behaviors using in vivo microscopy in a wide range of developmental contexts from proliferation to migration and differentiation. A more recent development is the increasing use of zebrafish to study subcellular events including mitochondrial trafficking and centrosome dynamics. The relative ease with which these subcellular structures can be genetically labeled by fluorescent proteins and the use of light microscopy techniques to image them is transforming the zebrafish into an in vivo model of cell biology. Here we describe methods to generate genetic constructs that fluorescently label organelles, highlighting mitochondria and centrosomes as specific examples. We use the bipartite Gal4-UAS system in multiple configurations to restrict expression to specific cell-types and provide protocols to generate transiently expressing and stable transgenic fish. Finally, we provide guidelines for choosing light microscopy methods that are most suitable for imaging subcellular dynamics.
In vivo görüntüleme en fizyolojik bağlamda hücresel davranışları doğrudan görselleştirme sağlar. Zebra balığı embriyolarının, onların hızlı ve dış gelişme ve floresan etiketleme izin genetik araçları zengin bir dizi şeffaflık tüm anahtar gelişimsel olayların dinamiklerini aydınlatmak için in vivo mikroskopi artan kullanımına katkıda bulunmuştur. Zebra balığı sinir sistemi gelişiminin görüntüleme çalışmaları, örneğin büyük ölçüde nöral progenitör hücrelerin davranışları ve sonraki göç, farklılaşma ve devre entegrasyonu 1-8 da dahil olmak üzere kendi döl kader bilgimizi genişletti var.
Sahne şimdi bu hücresel davranışları altında yatan hücre içi dinamiğini incelemek için ayarlanır. Nitekim, Zebra balığı zaten in vivo hücre biyolojisi araçları olarak istismar ediliyor. Golgi 15, mitokondri 9-11 görselleştirmek için artık mümkün 2,8,12-14 sentrozomMikrotübül 4 ve aktin 16 hücre iskeleti, 17 endozom-lann ve in vivo Zebra balığı embriyolarının diğer hücre içi yapılar arasında, 1,18 apikal membran komponentleri karmaşık. Şimdiye kadar, bu organellerin işlevi hakkında bilinenlerin çok kültürlü hücrelerde davranışlarını inceleyerek geliyor. In vitro çalışmalar, hücre biyolojisi içine muazzam bir fikir vermiştir ederken, kültür hücreleri tamamen in vivo durumun karmaşıklığını temsil etmemektedir ve bu nedenle zorunlu olarak işlev ve in vivo hücre içi organellerin dinamiklerini yansıtmak zorunda değildir. Zebra balığı embriyolar hücre içi dinamikleri incelenerek in vivo alternatif olarak uygulanabilir bir teklif.
Omurgalılar olarak, zebra balığı, memeli türlerde bulunan kişilerce homolog olan bir çok organ sistemini (örneğin, nöral retinanın) sahiptirler. Ayrıca, Zebra balığı embriyolar giderek insan hastalıkları 19,20 modellemek için kullanılmaktadır </syukarı>, centrosomal fonksiyonu (örneğin, mikrosefali 21 ve Leber'in konjenital amarozu 22) ve mitokondriyal fonksiyon (örneğin, Parkinson hastalığı 23, 10,24 ve Barth sendromu 25 tauopatıler) ile ilgili olanlar da dahil olmak üzere. hücresel ve hücre içi düzeyde in vivo görüntüleme bu durumlarda bu patolojik durumları altında yatan hücre biyolojisi daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.
Burada anlatılan yöntemlerin genel amacı in vivo ışık mikroskobu kullanarak Zebra balığı embriyolarının içinde organelleri ve diğer hücre içi yapıları araştırmak için kapsamlı bir rehber sunmaktır. In vivo hücre içi yapıları görselleştirme ve izleme dahil tüm iş akışı açıklanmıştır – genetik etiketleme yaklaşımlarından, geçici üreten ifade ve istikrarlı transgenik balık, ve nihayet geniş alan ve konfokal mikroskopi kullanılarak görüntülenmesi için. Bu yordam, her daedures sayıda zebrabalıkları laboratuvarlar tarafından kullanılır, açıklanan protokoller optimize edilmiş ve hücre içi yapıların dinamiklerini araştırmak için aerodinamik vardır. Burada açıklanan çalışmanın iki özel yönleri söz eder: İlk olarak, spesifik hücre tiplerinde genetik etiket organellere çoklu yapılandırmalarda Gal4 UAS sentezleme sisteminin kullanılması. İkinci olarak, in vivo görüntü hücre içi yapılara geniş alan ve konfokal mikroskopi doğrudan karşılaştırılması.
Zebra balığı genetik etiket organellerin ve diğer hücre içi yapılara güncel yaklaşımlar ya yapmak promotör elemanları doğrudan füzyon proteinleri 9,14,15. In vitro transkripsiyonu şapkalı RNA sonuçları ifadesini tahrik başlıklı mRNA 1,4,8 veya DNA bazlı yapıların kullanımı hızlı ve geniş anlatım, o ancak doku-spesifik değildir. başlıklı RNA seyreltilmiş veya düşer Buna ek olarak, ifade seviyeleri zamanla azalır. RNA Böylece kullanım bazlı(Post-gübreleme genellikle en fazla 3 gün) gelişiminde daha sonraki aşamalarında organel dinamikleri sınırlı incelemek için oluşturur.
Bu sınırlamalar ifade mekansal ve zamansal kontrolünün spesifik promotör unsurlar tarafından belirlenir, DNA konstruktları kullanılarak aşılabilir. DNA bazlı yapılar transgen sentezleme seviyelerine Gal4 UAS sistemi önemli gelişmeler bağlamında kullanıldığı zaman 26,27 görülmektedir. raportör genler Gal4-bağlanma yukarı aktivasyon sırasının (UAS) akış aşağısında klonlanmış ise, bu iki parçalı sentezleme sisteminde, hücre tipi özel promotör elemanları, bir transkripsiyonel aktivatör Gal4 ekspresyonunu tahrik. Uygun Gal4 sürücüleri UAS muhabir birleştirerek, ifadesi farklı promoterler arkasında belirli bir ifade şablonu, istenen her zaman haberci genlerin klonlanması için ihtiyaç engellemeyi, spesifik hücre tipleri ile sınırlı olabilir. Ayrıca, birden fazla UAS haberci genlerin ekspresyonu olabilirTek bir Gal4 aktivatörü ile tahrik. Gal4 UAS sistemi böylece hücre içi etiketleme için çok yönlü ve esnek genetik bir yaklaşım sağlar.
Geniş alan ve konfokal mikroskoplar çoğu laboratuarların workhorses. Geniş alan sistemleri, tipik olarak bir ışık kaynağı olarak bir ark lambası kullanmak ve hafif yolunun sonuna yerleştirilir hassas bir kamera ile yayılan ışığı algılar. dışı odaklanan ışık kalın örneklerde bir odak bilgi gizler gibi bu görüntüleme yöntemi, tipik olarak, ince numune ile sınırlıdır. Konfokal mikroskoplar bunların odak (yani, "optik kesit") 28 üzerinden köken olanlar üzerinde odak düzlemi kaynaklanan sinyalleri lehine inşa edilir ki geniş alan sistemlerden farklıdır. optik olarak kısımlara elde etmek için, bir iğne deliği nokta ışık kaynağı için bir konjügat pozisyonda emisyonu yolu yerleştirilir. Lazer ışığı kaynakları olarak kullanılmaktadır ve sinyal foto-çoklayıcı tup (PMT) ile tespit edilir. Pratik olarak, bir lazerkiriş numune üzerinde nokta-nokta ve her nokta (piksel) floresan emisyon PMT tarafından tespit edilir kaydırılan.
Burada görüntü hem mikroskopi yöntemleri doğrudan bir karşılaştırma sağlamak için geniş alan ve konfokal mikroskopi her ikisini de kullanarak zebrafish embriyolar yaşayan aynı hücre içi yapılar. Bu tür karşılaştırmalar sağlama temel amacı, eldeki belirli bir soru için en uygun mikroskopi tekniği seçimi için kurallar sunmaktır.
mitokondri ve sentrozom Gal4 UAS tabanlı genetik etiketleme gösteren Burada anlatılan yaklaşımları kullanarak. Bu organeller her görüntüleme yönteminin uygunluğunu göstermek için geniş alan ve konfokal mikroskopi kullanılarak sinir sistemi ve kas hücrelerinde farklı hücre tipleri içinde görüntülenmiş. Burada açıklanan yöntemler kolayca yaşayan zebrafish embriyo diğer organelleri ve hücre içi yapıları araştırmak için adapte edilebilir.
Burada, floresan etiket mitokondri, sentrozom ve zebra balığı embriyoların in vivo spesifik hücre tiplerinin hücre zarlarına Gal4 UAS sentezleme sisteminin kullanışlılığını göstermiştir. Diğer, organellerin veya hücre içi yapıları etiket çoğu halojen füzyon proteinleri literatürde bulunabilir ve ilgili laboratuarda, ticari kaynaklardan veya ticari olmayan plazmid tevdi (ör Addgene) elde edilebilir. Yeni bir flüoresan füzyon proteinini tasarlamak için birçok parametre AP ku…
The authors have nothing to disclose.
P.E. is supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Research Training Group 1373 and the Graduate School of the Technische Universität München (TUM-GS). G.P. was supported by TUM-GS. L.T. is supported by an EMBO fellowship (EMBO ALTF 108-2013). D.P.’s work on zebrafish was supported by the DFG through the Sonderforschungsbereich “Molecular Mechanisms of Neurodegeneration” (SFB 596); the Center for Integrated Protein Sciences (Munich) and the European Community’s Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under Grant agreement no. 200611 (MEMOSAD). He is currently a New York Stem Cell Foundation-Druckenmiller Fellow and was supported by a fellowship from the German Academy of Sciences Leopoldina. L.G. is supported by funding from the DFG through SFB 870 “Assembly and Function of Neuronal Circuits”, Project A11.
We are grateful to Kristina Wullimann for maintaining our fish facility, Yvonne Hufnagel for technical support and Thomas Misgeld for comments on the manuscript. We are grateful to R. Köster (Technische Universität Braunschweig) for providing the M1 Medusa vector (pSKmemmRFP:5xUAS:H2B-CFP:5xUAS:Centrin2-YFP) from which we cloned out Centrin-YFP and S.C. Suzuki and T. Yoshimatsu (University of Washington) for providing the 14xUAS:MA-cerulean cassette which we used to generate the reporter construct to make CentrinFish. We further thank S.C. Suzuki and T. Yoshimatsu (University of Washington) for the Otx2:Gal4 transgenic line, A. Sagasti for the Sensory:Gal4-VP16 construct (UCLA) and M. Nonet (Washington University in St. Louis) for the pCold Heart Tol2 vector. We acknowledge Bettina Schmid, Alexander Hruscha and Christian Haass (German Center for Neurodegenerative Diseases Munich – DZNE) for contributing to the development of MitoFish.
Agarose (2-hydroxyethylagarose) | Sigma-Aldrich | A4018-10G | Low-gelling temperature Type VII |
Block heater | Eppendorf | Thermomixer compact | |
Ca(NO3)2 Calcium nitrate hydrate, 99.996% | Aldrich | 202967-50g | To prepare 30x Danieau's |
CCD camera | Qimaging | Retiga Exi Fast 1394 | |
Ceramic Coated Dumont #5 Forceps | Dumont – Fine Science Tools | 11252-50 | #5 Forceps |
Confocal laser-scanning microscope | Olympus | FV1000 Fluoview | |
Culture dish heater | Warner Instrument Corporation | DH-35 | Heating ring |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfate salt | Fluka Analytical | A5040-100G | Tricaine (anesthetic) |
Fluorescence dissecting microscope | Leica | M205 FA | |
GeneClean kit | MP Biomedicals | 111001200 | |
Glass Bottom Culture Dishes | MatTek Corporation | P35G-0-14-C | 35mm petri dish, 14mm microwell, No. 0 coverglass |
Glass needles | World Precision Instruments Inc. | TW100F-4 | For microinjections |
HEPES | Sigma | H3375-250g | To prepare 30x Danieau's |
High vacuum grease | Dow Corning | DCC000001242 150g | Silicon dioxide grease |
Incubator | Thermo Scientific | Heraeus | To maintain zebrafish embryos at 28.5⁰ C |
KCl 99% | Sigma-Aldrich | S7643-5kg | To prepare 30x Danieau's |
MgSO4.7H2O Magnesium sulfate heptahydrate 98+% A.C.S reagent | Sigma-Aldrich | 230291-500g | To prepare 30x Danieau's |
Microinjector | Eppendorf | FemtoJet | |
Microloader tips | Eppendorf | 930001007 | 0.5-20uL |
Micromanipulator | Maerzhaeuser Wetzlar | MM33 Rechts/00-42-101-0000/M3301R | |
Micropipette holder | Intracel | P/N 50-00XX-130-1 | |
mMESSAGE mMACHINE SP6 Transcription Kit | Ambion | AM1340 | To transcribe PCS-Transposase |
NaCl BioXtra >99.5% | Sigma-Aldrich | P9541-1kg | To prepare 30x Danieau's |
Nanophotometer | To measure DNA/RNA concentration | ||
Needle puller | Sutter Instrument | P-1000 | Flaming/Brown |
NIR Apo 40x/0.80W | Nikon | Water-dipping-cone objective | |
N-Phenylthiourea Grade I, approx. 98% | Sigma | P7629-10G | PTU (prevents pigmentation) |
Petri dishes | Sarstedt AG | 821472 | 92 x 16mm |
Plastic molds | Adaptive Science Tools | TU-1 | For microinjections |
Plexiglas cover-with a hole | Custom-made | The hole in the Plexiglas cover should be 3 mm larger than the diameter of the water-dipping-cone objective | |
Tea-strainer (Plastic) | To collect zebrafish eggs | ||
Temperature controller | Warner Instrument Corporation | TC-344B | Dual Automatic Temperature Controller |
Transfer pipettes | Sarstedt AG | 86.1171 | 3.5mL plastic transfer pipettes |
UMPlanFI 100x/1.00W | Olympus | Water-dipping-cone objective | |
UMPlanFLN 20x/0.50W | Olympus | Water-dipping-cone objective | |
Widefield microscope | Olympus | BX51WI | |
PTU (50x Stock) | Dissolve 76 mg PTU in 50 ml distilled water Stir vigorously at room temperature Store at -20 oC in 1 ml aliquots Use at 1x working solution |
||
Tricaine (20x Stock) | Dissolve 200 mg Tricaine in 48 ml distilled water Add 2 ml 1M Tris base (pH9) Adjust to pH 7 Store at -20 oC in 1 ml aliquots Use at 1x working solution |
||
Danieau's Solution (30x Stock) | 1740 mM NaCl <21 mM KCl 12 mM MgSO4.7H2O 18 mM Ca (NO3)2 150 mM HEPES buffer Distilled water upto 1 L Store at 4 oC Use at 0.3x working solution |