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.
في مجال التصوير فيفو يوفر رؤية مباشرة من السلوكيات الخلوية في سياق أكثر الفسيولوجية. الشفافية في الأجنة الزرد وتطورها السريع والخارجية ومجموعة غنية من الأدوات الوراثية التي تسمح وضع العلامات الفلورية التي ساهمت في تزايد استخدام في الجسم الحي المجهري لتوضيح ديناميات الأحداث التنموية الرئيسية. دراسات التصوير تطوير النظام العصبي في الزرد لها على سبيل المثال توسع كبير معرفتنا سلوك الخلايا الاولية العصبية ومصير أولادهم بما في ذلك على الهجرة لاحقة، والتمايز والتكامل الدائرة 1-8.
يتم الآن تعيين المرحلة للتحقيق في ديناميات التحت خلوية الكامنة وراء هذه السلوكيات الخلوية. في الواقع، يجري بالفعل استغلال الزرد كأدوات للفي الجسم الحي بيولوجيا الخلية. أصبح من الممكن الآن لتصور الميتوكوندريا 11/09، جسيم مركزي 2،8،12-14، جولجي 15وأنيبيب 4 و الأكتين 16 الهيكل الخلوي، الإندوسومات 17 ومكونات غشاء قمي مجمع 1،18، بين الهياكل التحت خلوية أخرى في الأجنة الزرد في الجسم الحي. وحتى الآن، معظم ما هو معروف عن وظيفة هذه العضيات يأتي من دراسة سلوكهم في الخلايا المستزرعة. بينما في المختبر اعطت الدراسات البصيرة هائلة في بيولوجيا الخلايا، والخلايا في الثقافة لا تمثل تماما تعقيد الوضع في الجسم الحي، وبالتالي لا تعبر بالضرورة عن وظيفة وديناميات العضيات التحت خلوية في الجسم الحي. الأجنة الزرد تقدم قابلة للحياة في بديل الجسم الحي لدراسة ديناميات التحت خلوية.
كما الفقاريات، الزرد تمتلك العديد من أجهزة الجسم (على سبيل المثال، الشبكية العصبية) التي هي مثلي لتلك الموجودة في أنواع الثدييات. بالإضافة إلى ذلك، يتزايد استخدام الأجنة الزرد لنموذج الأمراض التي تصيب الإنسان 19،20 </sتصل>، بما في ذلك تلك التي تتعلق وظيفة centrosomal (على سبيل المثال، صغر الرأس 21 والخلقية بعمى جزئي 22 ليبر) وظيفة الميتوكوندريا (على سبيل المثال، مرض باركنسون 23، tauopathies 10،24 ومتلازمة بارث 25). وفي الجسم الحي التصوير على المستوى الخلوي والتحت خلوية في هذه الحالات سوف تسمح لفهم أفضل للبيولوجيا الخلايا الكامنة وراء هذه الحالات المرضية.
ويتمثل الهدف العام من الأساليب المذكورة هنا هو توفير دليل شامل للتحقيق في العضيات والهياكل التحت خلوية أخرى في الأجنة الزرد استخدام في ضوء الجسم الحي المجهري. يتم وصف كامل تدفق العمل المشاركة في تصور وتتبع الهياكل التحت خلوية في الجسم الحي – من نهج وضع العلامات الوراثية، لتوليد عابر التعبير والأسماك المعدلة وراثيا مستقرة، وأخيرا إلى التصوير باستخدام واسعة المجال والفحص المجهري متحد البؤر. في حين أن كل من هذه بروكيستخدم edures من قبل العديد من المختبرات الزرد، والأمثل البروتوكولات المذكورة ومبسطة للتحقيق في ديناميات الهياكل التحت خلوية. اثنان جوانب محددة من العمل الموصوف هنا تستدعي ذكر: أولا، استخدام نظام التعبير GAL4-UAS في تشكيلات متعددة لوراثيا العضيات التسمية في الخلية أنواع معينة. ثانيا، مقارنة مباشرة من الميدان واسعة والفحص المجهري متحد البؤر الهياكل التحت خلوية الصورة في الجسم الحي.
الاستراتيجيات الحالية لوراثيا العضيات التسمية والهياكل التحت خلوية أخرى في الزرد إما الاستفادة من توج مرنا 1،4،8 أو يبني الحمض النووي إلى حيث العناصر المروج تدفع مباشرة للتعبير عن البروتينات الانصهار 9،14،15. كتب في المختبر توج نتائج الحمض النووي الريبي في السريع والتعبير واسع، وهذا ليس أنسجة محددة ولكن. بالإضافة إلى ذلك، مستويات التعبير يقلل بمرور الوقت يتم تخفيف الحمض النووي الريبي توج أو تدهور. وبالتالي استخدام الحمض النووي الريبي مقرهايبني لدراسة ديناميات عضية في مراحل لاحقة في التنمية محدودة (عادة ما يصل إلى 3 أيام بعد الإخصاب).
هذه القيود يمكن التغلب عليها باستخدام البنى الحمض النووي، حيث يتم تحديد السيطرة المكانية والزمانية التعبير من قبل عناصر المروج محددة. عندما تستخدم يبني الحمض النووي مقرها في سياق التحسينات نظام GAL4-UAS كبيرة في مستويات التعبير التحوير لوحظ 26،27. في هذا النظام التعبير الثنائي، من نوع الخلية عناصر المروج محددة بالسيارة التعبير عن منشط GAL4 النسخي، في حين يتم استنساخ الجينات مراسل المصب من تسلسل تفعيل المنبع ملزم GAL4 (UAS). من خلال الجمع بين UAS صحفيين مع السائقين GAL4 المناسبة والتعبير يمكن أن يقتصر على خلية أنواع معينة، التحايل على الحاجة إلى استنساخ الجينات مراسل وراء المروجين مختلفة في كل مرة هو المطلوب نمط التعبير محددة. وعلاوة على ذلك، والتعبير عن الجينات مراسل UAS متعددة يمكن أن يكونمدفوعا منشط GAL4 واحد. وبالتالي يوفر نظام GAL4-UAS نهجا وراثية متعددة ومرنة لوضع العلامات التحت خلوية.
واسع المجال، والمجاهر مبائر هي حقوله المنتجة من معظم المختبرات. أنظمة واسعة المجال وعادة ما تستخدم مصباح قوس كمصدر الضوء وكشف عن الضوء المنبعث مع كاميرا الحساسة التي يتم وضعها في نهاية مسار الضوء. ويقتصر هذا طريقة التصوير عادة لعينات رقيقة مثل الخروج من ضوء التركيز يحجب المعلومات في التركيز في عينات سمكا. المجهر متحد البؤر تختلف عن أنظمة واسعة المجال في أن يتم بناؤها لصالح الإشارات التي تنشأ من طائرة الوصل على تلك التي تنشأ من التركيز (أي، "باجتزاء البصري") 28. لتحقيق باجتزاء البصرية يتم وضع الثقب في مسار الانبعاثات في موقف المترافقة إلى مصدر الضوء نقطة. وتستخدم أشعة الليزر ومصادر الضوء ويتم اكتشاف الإشارات مع أنابيب مضخم (هذه الفرق). عمليا، ليزروتمريرها شعاع على عينة تم الكشف من قبل PMT نقطة بنقطة وانبعاث مضان في كل بقعة (بكسل).
نحن هنا صورة نفس الهياكل التحت خلوية في العيش الأجنة الزرد باستخدام كل واسعة المجال والفحص المجهري متحد البؤر لتوفير المقارنة المباشرة الطريقتين المجهر. والهدف الأساسي من تقديم مثل هذه المقارنات هو تقديم المبادئ التوجيهية لاختيار تقنية المجهر الأنسب للسؤال محدد في متناول اليد.
باستخدام النهج الموصوفة هنا علينا أن نبرهن GAL4-UAS وضع العلامات الوراثية على أساس من الميتوكوندريا وجسيم مركزي. يتم تصوير هذه العضيات في مختلف خلية أنواع من الجهاز العصبي وخلايا العضلات باستخدام واسعة المجال، والفحص المجهري متحد البؤر لإثبات مدى ملاءمة كل طريقة التصوير. يمكن بسهولة الأساليب المذكورة هنا يمكن تكييفها للتحقيق في العضيات الأخرى والهياكل التحت خلوية في الجنين الزرد الحية.
هنا، علينا أن نظهر براعة النظام التعبير GAL4-UAS إلى الميتوكوندريا العلامة fluorescently، جسيم مركزي والأغشية الخلوية من خلية أنواع محددة في الجسم الحي في الأجنة الزرد. العديد من البروتينات الانصهار فلوري أن تسمية العضيات الأخرى أو الهياكل التحت خلوية يمكن العثور عليها …
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 |