여기서, 배아의 고정, 면역 염색 및 절편화를 위해 최적화된 단계별 프로토콜이 제공되어 마우스 조직에서 사이토네임(cytonemes)이라고 불리는 특수한 신호전달 필로포디아(filopodia)를 검출한다.
발달 조직 패터닝 및 발달 후 조직 항상성은 모르포겐이라고 불리는 세포 신호의 조절된 전달에 의존한다. 모르포겐은 세포 운명을 지시하고 강화하는 별개의 전사 프로그램을 지정하기 위해 농도 및 시간 의존적 방식으로 작용합니다. 적절한 모르포겐 신호전달 역치가 보장되는 한 가지 메카니즘은 사이토네임(cytonemes)이라고 불리는 전문화된 필로포디아(filopodia)에 의한 신호전달 단백질의 전달을 통해서이다. Cytonemes는 매우 얇고 (직경 ≤200nm) 수백 미크론의 길이까지 자랄 수 있으므로 고정 이미지 분석을 위한 보존이 어렵습니다. 이 논문은 표준 공초점 현미경을 사용하여 세포네임의 시각화를 허용하기 위해 고정, 면역 염색 및 두꺼운 단면화를 위해 마우스 배아를 섬세하게 취급하는 세련된 방법을 설명합니다. 이 프로토콜은 마우스 신경관 발달 동안 별개의 세포 신호 구획을 연결하는 사이토네임을 시각화하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 이 기술은 또한 전례없는 해상도에서 발달 신호전달의 심문을 용이하게하기 위해 조직 유형 전반에 걸친 사이토네임을 검출하도록 적용될 수 있습니다.
배아 발달은 모르포겐 신호전달 경로의 조정된 활성화를 통해 조율된다. 모르포겐은 소닉 헤지호그(SHH)로 분류되는 작고 분비된 단백질로, 성장인자 β(TGF-β)/골형성 단백질(BMP), 날개 없는 관련 통합 부위(WNT), 섬유아세포 및 표피 성장 인자(FGF/EGF) 패밀리로 변형됩니다. 모르포겐은 조직 발달 동안 세포 조직 센터에서 생산 및 방출되며 조직 형태 형성 1,2,3,4,5를 알리기 위해 세포 조직 분야에 걸쳐 신호 구배를 수립합니다. 모르포겐 구배의 한 가지 표현은 발달하는 신경계에서 발견되며, 여기서 추정 중추 신경계는 모르포겐 경로 활성화를 통해 패턴화된다. 신경관이라고 불리는이 조직은 복부 – 가장 노토코드 및 바닥판에 의해 분비되는 SHH의 반대 구배와 등쪽 지붕판에서 분비되는 WNT / BMP로 구성되어 뚜렷한 신경 전구 영역6을 패턴화합니다. 신경관은 발달 연구에서 형태소 구배 무결성을 조사하는 데 일반적으로 사용됩니다.
모르포겐 구배 형성은 신호 분산의 엄격한 조절에 의존한다7. 이것이 발생하는 한 가지 세포 메커니즘은 신호 생성 세포에서 특정 표적 세포 집단으로의 모르포겐의 직접 전달을 촉진하는 사이토네임(cytonemes)이라고 불리는 긴 신호전달 필로포디아의 형성을 통해서이다. Cytonemes는 신호 수신 세포막 8,9에 모르포겐을 증착하기 위해 수백 마이크로미터를 확장하는 것으로 관찰되었다. 사이토네메 매개 모르포겐 수송의 중단은 파리와 척추동물 모두에서 발달 이상을 초래하며, 조직 패터닝10,11,12,13,14 동안 그 중요성을 강조한다.
현재까지 Drosophila, chick 및 zebrafish 모델에서 cytonemes가 문서화되었지만 포유류 배아 발달의 구조 이미징 은8,9,15에 여전히 도전적입니다. 현장에서 복잡한 포유류 조직에서 시토네임을 효과적으로 이미징하는 장애물은 얇고 깨지기 쉬운 성질이며, 이는 기존의 고정 방법8에 의해 손상되기 쉽습니다. 우리는 이전에 배양 된 세포에서 세포 내막을 보존하고 공초점 현미경16,17을 사용하여 연구를 가능하게하기 위해 변형 된 전자 현미경 고정 (MEM-fix)을위한 프로토콜을 개발하고 최적화했습니다.
MEM-픽스 기술의 사용은 SHH 유도된 시토네임 형성 및 기능 11,16,17에 관여하는 분자들 중 일부의 동정을 허용하였다. 그러나 신경관 패터닝의 생리 학적 관련 맥락에서 이러한 발견의 확인은 마우스 배아 조직을 수정하고 이미지화하는 새로운 기술의 개발이 필요했습니다. 사이토네임 완전성을 유지하고 공초점 분석을 위해 배아 조직의 면역 염색 및 후속 절편을 허용하는 방식으로 마우스 배아를 고정시키는 프로토콜이 여기에 요약되어 있습니다. 이 프로토콜은 발달하는 신경관에서 SHH 생성 세포로부터의 막 확장을 표지하기 위해 막 테더링된 녹색 형광 단백질 (GFP)을 사용하여 개발되었다. 이 프로토콜의 구현은 포유동물 시스템 개발에서 사이토네임의 보급 및 중요성에 관한 대답되지 않은 질문을 해결할 것이다.
이 프로토콜은 고분해능 형광 현미경을 위한 배아 조직 절편에서 섬세한 사이토네임의 보존을 위해 개발되었습니다. 지금까지, 다양한 모델 유기체에 걸친 조직에서의 사이토네임의 시각화는 주로 살아있는 조직 이미징을 이용한 형광 표지된 단백질의 자궁외 발현에 의존해 왔다. 불행히도, 형광 표지 된 라이브 이미징의 사용은 내인성 발현 단백질의 분석에 거의 도움이되지 않으며 시간 제약을 초래할 수 있으며 전문적인 이미징 단계 및 현미경이 필요합니다. 여기에 기술된 염색 및 절편 방법은 내인성으로 발현된 단백질의 최종 검출을 위한 면역조직화학을 허용하기 위해 사이토네임 및 기타 세포 확장을 보존한다. 이 기술은 모르포겐이 생체 내에서 다른 조직에 어떻게 전달되는지에 대한 새로운 통찰력을 촉진하고 시토네임이 연구 될 수있는 모델 시스템의 범위를 확장합니다.
이 프로토콜은 전체 마운트 염색 및 비브라톰 두께 단면화를 사용하며, 이는 글리세롤과 같은 평형 용액 또는 수크로오스와 같은 냉동 보호제 용액의 사용을 피한다. 그것은 세포 확장의 최대 보존을 허용하기 위해 절편 조직 취급을 최소화하는 것을 목표로합니다. 절편화 후 조직의 감소된 취급은 사이토네임의 전반적인 보존에 지속적으로 더 나은 결과를 제공하였다. 따라서, 배아의 절편화는 영상화 전의 최종 단계 중 하나이다.
배양된 세포의 세포관을 보존하기 위해 개발된 고정 기술인 MEM-fix는 글루타르알데히드와 PFA의 조합으로 구성되어 있어 살아있는 치수16,17에 필적하는 선천적 세포 구조의 향상된 3D 보존을 가능하게 합니다. 불행하게도, MEM-픽스는 글루타르알데히드가 자가형광을 띠고 높은 단백질 가교 활성22,23으로 인해 세포에서 항체 침투 및 에피토프 결합을 심각하게 제한할 수 있기 때문에 배아 고정에 유용하지 않았다. 따라서, PFA 고정 후 절편화 프로토콜은 배아 조직에서 세포 확장의 보존을 허용하도록 최적화되었다. PFA는 배아 조직에서 시토닌과 유사한 확장을 보존할 수 있지만, 이미지 분석은 신중하게 수행되어야 합니다. PFA는 개별 세포 및 조직의 부분적인 탈수를 일으킬 수 있으며, 이는 경미한 부피 감소 및 고정 조직 내의 작은 세포외 공간의 형성으로 이어질 수 있다.
이 프로토콜은 슈크로스 또는 글리세롤 용액이 조직(24)의 경미한 재포화를 야기할 수 있기 때문에 동결보호 및 조직 소거를 위한 슈크로스 재포화의 추가적인 단계를 회피한다. 결과적으로 발생하는 경미한 팽창은 고정 된 세포 확장과 세포 간 및 조직 간 이동을 파괴 할 수 있습니다. 이것은 두꺼운 단면의 비브라톰을 cryostat 섹션과 비교할 때 분명했습니다. 조직 두께의 증가는 무손상 사이토네임의 보존을 개선시켰지만, 수크로스-재포화 냉동 절편은 지속적으로 검출가능한 사이토네임의 발생률이 낮았다.
이 프로토콜의 최적화는 100 μm 두께의 절편이 손상되지 않은 시토네임의 보존을 보장하는 데 가장 적합하다는 것을 보여주었습니다. 더 얇은 절편은 일반적으로 이미징에 사용되는데, 대부분의 공초점 현미경은25를 클리어링하지 않고 ~20-40 μm 깊이까지 세포 확장을 시각화하기에 충분한 해상도로만 이미징할 수 있기 때문입니다. 그러나, 얇은 부분을 절단하는 동안 블레이드에서 배아 세포에 가해지는 기계적 힘과 왜곡은 사이토 네임을 파괴합니다. 더 두꺼운 섹션은 조직 내에서 손상되지 않은 확장을 유지하면서 섹션 내에서 더 큰 깊이의 영역을 허용합니다. 추가적으로, 더 두꺼운 절편의 사용은 조직 절편의 과도한 접힘 또는 좌굴을 방지하기 위해 취급의 용이성을 허용한다.
이 프로토콜은 E8-10.5 마우스 배아의 조직에서 사이토네임의 최대 보존을 위해 최적화되었다. 절편화 후 조직의 최소 조작은 지속적으로 향상된 사이토네임 보존을 제공하였다. 크기 및 조직 복잡성 증가로 인해 후기 발달 단계 및 성인 조직 절편에 대한 기술을 적용하기 위해 추가 최적화가 필요할 가능성이 큽니다. 이를 위해서는 절편화에 이어 면역형광 염색이 필요할 것이다. 이러한 조직은 사이토네임-유사 연장을 보존하기 위해 절편화 동안 조직 취급의 추가적인 클리어링 단계 및 적응을 필요로 할 수 있다. 이러한 추가 단계는 이 프로토콜의 향후 적용을 위해 고려되고 해결되어야 합니다.
The authors have nothing to disclose.
이미지는 St. Jude Children ‘s Research Hospital의 Cell and Molecular Biology Imaging Core에서 유지 관리하는 현미경을 사용하여 획득되었습니다. 마우스 균주를 JAX로부터 수득하였다. 이 연구는 국립 보건원 보조금 R35GM122546 (SKO)과 세인트 주드 아동 연구 병원의 ALSAC에 의해 지원되었습니다.
12-well plate; Nunc Cell-Culture Treated | Thermo Scientific | 150628 (Fisher Scientific 12-565-321) | |
24-Well Plate, Round Nunc | Thermo Fisher Scientific | 142475 | |
60 mm dish | Corning, Falcon | 353004 (Fisher Scientific 08772F) | |
Absorbant towels (Professional Kimtech Science Kimwipes) | Kimberly-Clark KIMTECH | 34155 (Fisher Scientific 06666A) | |
Actin Red 555 ReadyProbes Reagent | Invitrogen | R37112 | |
Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Chicken IgY (IgG) (H+L) | Jackson Immunoresearch Lab Inc | 703-546-155 | 1:1,000 working concentration |
Bead Bath 6L 230V | Lab Armor | Item #12L048 (Mfr. Model #74220-706) | set to 55 °C |
chicken anti-GFP | Aves Labs | SKU GFP-1020 | 1:250 working concentration |
CO2 chamber | plexiglass chamber connected to a CO2 emitting line. | ||
Confocal laser-scanning microscope | Leica Microsystems | model: Leica TCS SP8 | |
DAPI Solution (1 mg/mL) | Thermo Fisher Scientific | 62248 | |
Dissecting scissors (Vannas Scissors) | World Precision Instruments | 14003 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium, high glucose, no glutamine | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11960044 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 0.1-2.5 µL | Eppendorf | 3123000012 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 0.5-10 µL | Eppendorf | 3123000020 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 100-1,000 µL | Eppendorf | 3123000063 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 20-200 µL | Eppendorf | 3123000055 | |
Feather Disposable Scalpel #10 | Fisher Scientific | Catalog No.NC9999403 | |
Fetal Bovine Serum, certified, United States | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 16000044 | |
Fisherbrand Fine Point High Precision Forceps | Fisher Scientific | 22-327379 | |
Fisherbrand Labeling Tape | Fisher Scientific | 15-954 | |
Formaldehyde, 16%, methanol free, Ultra Pure EM Grade | Polysciences | 18814-10 | |
Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 14025 | |
ImmEdge Hydrophobic Barrier Pap Pen | Vector laboratories | H-4000 | |
Leica Application Suite X (LAS X) with LIGHTNING | Leica Microsystems | Microscope software | |
L-Glutamine (200 mM) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 25030081 | |
Low Melting Point Agarose- UltraPure | Invitrogen | 16520 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11140050 | |
Moria MC 17 BIS Perforated Spoon | Fine Science Tools | 1037018 | |
Mounting media (ProLong Diamond Antifade Mountant) | Thermo Fisher Scientific, Invitrogen | P36961 | |
Mouse: B6.129X1(Cg)-Shhtm6Amc/J (ShhGFP/+) | The Jackson Laboratory | Strain #:008466 | |
Mouse: B6.Cg-Shhtm1(EGFP/cre)Cjt/J (Shh-Cre) | The Jackson Laboratory | Strain #:005622 | |
Mouse: C57BL/6J (B6) | The Jackson Laboratory | Strain #:000664 | |
Mouse: Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J (Rosa26 mTmG) | The Jackson Laboratory | Strain #:007576 | |
Normal Goat Serum | Jackson ImmunoResearch | 005-000-121 (Fisher Scientific NC9660079) | |
PBS + Ca2+ + Mg2+ | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 14040133 | |
Premium Microcentrifuge Tubes: 1.5 mL | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
SHARP Precision Barrier Tips, Extra Long for P-10 and Eppendorf 10 µL | Denville Scientific | P1096-FR | |
SHARP Precision Barrier Tips, For P-1000 and Eppendorf 1,000, 1,250 µL | Denville Scientific | P1126 | |
SHARP Precision Barrier Tips, For P-20 and Eppendorf 20 µL | Denville Scientific | P1121 | |
SHARP Precision Barrier Tips, For P-200 and Eppendorf 200 µL | Denville Scientific | P1122 | |
Sodium Azide | Sigma-Aldrich | S8032 | |
Sodium Pyruvate (100 mM) (100x) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11360070 | |
Super Glue | Gorilla | ||
SuperFrost Plus microscope slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
TPP centrifuge tubes, volume 15 mL, polypropylene | TPP Techno Plastic Products | 91015 | |
TPP centrifuge tubes, volume 50 mL, polypropylene | TPP Techno Plastic Products | 91050 | |
Transfer pipette, polyethylene | Millipore Sigma | Z135003 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | P1379 | |
Vari-Mix Platform Rocker | Thermo Fisher Scientific | 09-047-113Q | set to 20 RPM |
Vibratome | Leica Biosytems | VT1000 S |