Floresan kalsiyum görüntülemeile in situ hibridizasyonunu birleştiren ve deneycinin kalsiyum aktivitesi modellerini tek hücreli düzeyde gen ekspresyonu profilleriyle ilişkilendirmesine olanak tanıyan iki parçalı bir protokol salıyoruz.
Spontan hücre içi kalsiyum aktivitesi çeşitli hücre tiplerinde görülebilir ve çeşitli fizyolojik süreçlerde kritik roller oynaması önerilmektedir. Özellikle, embriyogenez sırasında kalsiyum aktivite kalıplarının uygun düzenlenmesi uygun nöral tüp kapatma, sinaptogenez ve nörotransmitter fenotip özellikleri de dahil olmak üzere omurgalı nöral gelişim, birçok yönü için gereklidir. Kalsiyum aktivite kalıplarının hem frekans hem de genlik açısından farklılık gösterdiği gözlem, bu aksların kodlanmış sinyalleri aşağı akım efektörlerine iletebileceği ve gen ekspresyonunu düzenleyebileceği zorlayıcı bir mekanizmayı işaret etse de, mevcut nüfus düzeyindeki yaklaşımlar bu olasılığı daha fazla araştırmak için gereken hassasiyetten yoksundur. Ayrıca, bu yaklaşımlar hücre-hücre teması yokluğunda nöronal tayini devlet tayini yeteneği engelleyerek hücre-hücre etkileşimlerinin rolü çalışmaları sınırlamak. Bu nedenle, dissociated nöronal eksplorasyonların zaman atlamalı kalsiyum görüntülemesini yerinde hibridizasyon analizinde bir floresan ile eşleştiren deneysel bir iş akışı oluşturduk ve kalsiyum aktivite deseninin moleküler tek hücredüzeyinde fenotip. Bu yaklaşımı, sırasıyla nöral hücreler ve nöral progenitor hücreleri ayırt etmek ve karakterize etmek için başarılı bir şekilde kullanabildik; bunun ötesinde, ancak, bu makalede açıklanan deneysel çerçeve kolayca herhangi bir zaman serisi aktivite profili ve bir gen veya ilgi genlerin ekspresyonu arasındaki korelasyonları araştırmak için uyarlanabilir.
Serbest sitozolik kalsiyum, hücre çoğalması ve apoptosis ve otofaji1,2,3arasında değişen biyolojik süreçler çeşitli için önemlidir. Bu yollar içinde, kalsiyum protein aktivitesi ve etkileşimleri modüle konformasyonel değişiklikler eneden kalsiyum bağlayıcı etki alanları ile etkileşim egörebilirsiniz gen ekspresyonu üzerinde downstream etkileri uygulayabilirsiniz. Örneğin, Downstream Düzenleyici Element Antagonist Modulator (DREAM) olarak bilinen bir nöronal kalsiyum sensörü, kalsiyum ile bağlı olduğunda açılmamış bir ara konformasyon tutulur, onun protein ve DNA hedefleri ile etkileşimi engelleyen4. Basit bir sinyal molekülü olarak hizmet ötesinde, ancak, hücre içi kalsiyum geçici dinamik doğası bu aktivite desenleri daha karmaşık genlik kodlamak için izin verir- veya frekans tabanlı sinyalleri5,6. Aktive T-hücrelerinin transkripsiyon faktörü nükleer translokasyon (NFAT) yüksek frekanslı kalsiyum salınımları ile geliştirilmiş ancak düşük frekanslı salınımlar tarafından inhibe7. Zorlayıcı, son çalışma NFAT aslında kümülatif kalsiyum maruziyeti8yanıt verebilir ileri sürmüştür. Hem kalsinurin ve Ca2 +/ calmodulin bağımlı protein kizide II (CaMKII) da belirli bir frekans, süre veya genlik kalsiyum geçici farklı tepkiler sergiler9. Düzenleyici karmaşıklık ek bir düzey eklemek için, hesaplamalı modeller birçok downstream kalsiyum bağlayıcı proteinler inaktif proteinlerin varlığı veya bağlayıcı rakiplerin yokluğuna yanıt olarak daha fazla veya daha az frekansa bağımlı haleöneririz 10,11.
Gelişen sinir sistemi içinde, kalsiyum aktivite davranışlarının iki ana sınıf tanımlanmış ve belirli biyolojik süreçler ile ilişkili. Kalsiyum akınları, tek tek hücreler içinde meydana gelirse , beş saniye içinde bazal ~ % 400 bir pik yoğunluğuna ulaşmak ve çift üstel çürüme12sergileyen “sivri” olarak sınıflandırılır. Sinyal Bu tür öncelikle nörotransmitter fenotip özellikleri ile ilişkilidir13. Buna karşılık, “dalgalar” bir hücre içi kalsiyum konsantrasyonu otuz saniye veya daha fazla bir süre içinde bazal ~ % 200 yükselir, daha sonra birkaç dakika12üzerinde bozunur yavaş, daha az aşırı kalsiyum geçici olarak tanımlanır. Bu sinyaller genellikle birden fazla komşu hücreler arasında yayılır ve onların varlığı nötrit büyüme ve hücre çoğalması ile ilişkili olmuştur14,15. Ancak, bu iki sınıf karakteristik kinetik profillere göre tanımlanmış olsa da, bu desenlerin hangi özelliklerinin aslında hücreler tarafından algılandığı ve aşağı akım efektörleri tarafından tercüme edildiği tam olarak belirsizliğini korumaktadır.
Hücre içi kalsiyum salınımları ile gen ekspresyonu arasındaki ilişkinin anlaşılması, sinir sisteminin uygun gelişimini ve desenlemesini sağlayan düzenleyici mekanizmalardan birine önemli bir bakış açısı sağlayacaktır. Bu amaçla, embriyonik omurilik çalışmaları geliştirme sırasında artan kalsiyum başak aktivitesi inhibitör nöronların daha yüksek seviyeleri ile ilişkili olduğunu göstermiştir, azalmış kalsiyum başak aktivitesi uyarıcı nöronların daha yüksek seviyeleri ile ilişkili iken13. Ancak, bu popülasyon düzeyindeki tahliller kalsiyum aktivitesini tek hücredüzeyinde gen ekspresyonu ile ilişkilendirmek için kullanılmamıştır.
Bu sorulara tek hücre düzeyinde yaklaşmak önceki çalışmalara göre birkaç farklı avantaj sunar. İlk olarak, birçok hücredeki kalsiyum aktivitesini ve gen ekspresyonunu tek tek değerlendirebilme yeteneği, toplu seviye ölçümü ile gizlenmeden farklı aktivite kalıplarının tam repertoiresinin gözlenmesini sağlar. Ayrıca, bu ilişkilerin tek hücreli birincil kültürde incelenmesi, kalsiyum aktivitesi ile gen ekspresyonu arasındaki hücre özerk bağlarının korunacağı, hücre-hücre iletişimini gerektiren etkileşimlerin ortadan başlayacağı anlamına gelir. Bu nedenle, bu yaklaşım bu hücre özerk mekanizmaları izole çalışılmasına olanak sağlar. Ancak, aynı zamanda hücre özerk olmayan kalsiyum aktivitesinin rolünün açıklığa kavuşturulmasını ve sorgulanmasını sağlar. Örneğin, hücreler nöral plaka aşamasında bir embriyo dan kesilebilir, kardeş kontrolleri nöral tüp aşamasına ulaşana kadar kültürlü, ve daha sonra yeni bir nöral tüp aşamasından embriyo dan parçalanmış olan hücrelerle karşılaştırıldığında. Bu, hücre-hücre iletişiminin önemli bir gelişim dönemi boyunca tuttuğu hücrelerin hücre-hücre iletişiminin kaldırıldığı hücrelerle doğrudan karşılaştırılmasına olanak tanır.
Önceki deneysel yaklaşımların sınırlamalarını ele almak amacıyla, bireysel nöral progenitör hücrelerinde hem kalsiyum aktivitesinin hem de gen ekspresyonunun değerlendirilmesini sağlayacak ve belirli aktivite kalıplarının sonraki farklılaşma programları ile korelasyonunu kolaylaştıracak bir protokol geliştirdik. Nöral doku, nöral gelişimin çeşitli aşamalarında Xenopus laevis’ten kesildi, tek hücrelere bölündü ve floresan kalsiyum indikatunun varlığında konfokal mikroskopi ile görüntülendi. Canlı hücre görüntülemesinin ardından, numuneler bir genin veya ilginin izoformunu saptamak için floresan ile yerinde hibridizasyon (FISH) ile tespit edildi. Daha da önemlisi, her iki görüntüleme deneyi boyunca tek tek hücreler izlenebilir, yani bir hücrenin kalsiyum aktivite profili ve gen ekspresyonu düzeyi birbiriyle ilişkilendirilebilir(Şekil 1). Burada bildirilen protokol, Xenopus laevis’teembriyonik nörogelişim boyunca kalsiyum aktivite kalıpları ile gen ekspresyonu arasındaki ilişkileri araştırmak için tasarlanmıştır. Ancak, daha geniş deneysel çerçeve (FISH ve görüntü ortak kaydı nın ardından tek hücreli zaman-kurs görüntüleme) değiştirilebilir ve hemen hemen her hücre tipine, floresan muhabire ve ilgi genine uygulanabilir.
Gelişmekte olan sinir sistemini oluşturan hücrelerde karakteristik kalsiyum aktivitesi paternleri gözlenmiştir ve farklı nörogelişimsel süreçlerle ilişkili belirli aktivite türleri vardır. Ancak, bu bilgi yoğun aktivite kalıplarının transkripsiyonel yanıtlara çevrilme mekanizmalarının daha iyi anlaşılması, kalsiyum aktivitesi ve gen ekspresyonu hakkında bilgilerin tek hücreli çözünürlükle toplanmasını gerektirir. Olgun nöronlar gibi daha basmakalıp kalsiyum aktivitesi sergileyen sistemler toplu düzeyde makul bir şekilde tetkik edilebilirken, embriyonik sinir sistemini karakterize eden düzensiz desenler daha az hassas kayıtlarla kolayca maskelenir.
Bu protokolde yer alan deneysel çerçeve, çok çeşitli hücre tiplerine ve floresan muhabirlere kolayca uyarlanabilir. Hemen hemen herhangi bir hücre tipi veya hücre tiplerinin kombinasyonunu içeren doku, ilgi çekici bir organizmadan kesilebilir ve tek hücreli görüntüleme için kaplanabilir. Hücre tanımlamasına izin vermenin ve hücre özerk süreçlerinin etkisini yalıtmaya ek olarak, birincil hücre kültürü yaklaşımı deneycinin ortam bileşenlerini istenilen şekilde tanımlamasına olanak tanır. Örneğin, 2 mM Ca2+ çözeltisindeki nöronal öncüllerin aktivitesini karşılaştıran deneyler, embriyonik omurilikteki ani frekans ve nörotransmitter fenotip arasındaki ilişkilerin hücre-hücre etkileşimlerinin etkisi olmadan tekrar kapılıp yapılamayacağını araştırmak için yapılmıştır13,20.
Bu protokol, hücre içi kalsiyum aktivitesini saptamak için floresan belirteç Fluo4-AM’den yararlanırken, kullanıcılar genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergeleri de dahil olmak üzere diğer ticari olarak kullanılabilen belirteçleri21’iseçebilirler. Benzer şekilde, alternatif belirteçler ilgi bir iyon konsantrasyonu dinamik değişiklikleri izlemek için kullanılabilir (Kdahil +, Na+, ve Zn2 +), membran potansiyeli, veya hücresel pH. Görüntüleme ayarları ve görüntü süresi gerektiğinde değiştirilebilir.
Kalsiyum aktivitesi ve nöronal fenotip ile spesifik bir uygulama olarak ilişkili olmamıza rağmen, bu yöntem çeşitli hücresel özellikler için de geçerlidir. Örneğin, yerinde hibridizasyonda floresan, nöronal marker ChAT veya transkripsiyon faktörü Engrailed dahil olmak üzere herhangi bir gen karşı problar ile yapılabilir, mRNA türlerinin özelleştirilebilir bir panel hassas algılama sağlayan. Bu problar izoforma özgü olacak şekilde tasarlanabilir ve istenirse ek hedef özgüllüğünü destekler. Çift BALIK birkaç farklı florofore konjuge problar kullanılarak yapılabilir, birden fazla genin ekspresyonunun eşzamanlı olarak değerlendirilmesine olanak sağlar. Ancak, bu tür deneylerin gerektirdiği ek yıkıntılar hücre kaybı veya hareket etme şansının artmasıyla ilişkilidir ve deneyim ve incelik gerektirir.
Bu protokolde yapılan deneye özgü değişikliklerden bağımsız olarak, dikkatli dikkat gerektiren birkaç önemli adım vardır. Diseksiyonlar tüm kontamine dokuları veya hücre popülasyonlarını gidermek için özenle yapılmalıdır; uzamsal desenleme ekspertiz dissociated zaman kaybolur çünkü, komşu dokulardan kalan hücreler serpiştirilmiş ve ilgi hücrelerinden ayırt edilemez hale gelecektir. Hücreler kaplandıktan sonra, hücrelerin yerinden olmasını önlemek için numuneler mümkün olduğunca nazik bir şekilde ele alınmalıdır. En önemlisi, bu, çözelti çıkarılırken ve eklenirken pipet plakanın kenarına yerleştirilirken, tüm çözüm değişikliklerinin yavaş ve dikkatli bir şekilde yapılması gerektiği anlamına gelir. Bu, hücrelerin hem kalsiyum hem de FISH görüntülerinde güvenle tanımlanabilmesini sağlayacaktır. İşlem sırasında hücreler bozulursa, iki görüntü arasında karşılık gelen hücrelerin bazılarını veya tümünün tanımlanması imkansız olabilir. Bu atamalarda dikkatli olmanızı öneriyoruz, ancak daha fazla analiz için sadece kesin olarak karşılık gelen hücreler kullanılır.
Ele alınması gereken biyolojik soruya bağlı olarak, çeşitli analiz yaklaşımları uygun olabilir. Zaman serisi kalsiyum aktivitesi çeşitli şekillerde işlenebilir ve ölçülebilir, de-trending parametreleri, analiz ölçümleri ve analiz parametreleri seçiminde deneyci esnekliği ile (örneğin, bir kalsiyum başak tanımlamak için kullanılan temel eşik %). Gen ekspresyonunun FISH görüntüsünden elde edilen mutlak veya bağıl floresan değeri olarak analiz edilerek kalsiyum aktivitesi ile gen ekspresyonu düzeyi arasındaki korelasyonlar çizilebilir. Alternatif olarak, pozitif gen ekspresyonu sinyali için floresan eşiği tanımlayarak ve tek tek hücrelere ‘evet’ veya ‘hayır’ tanımlayıcıları atayarak kalsiyum aktivitesi ve gen ekspresyonu (varolma/yokluk) arasındaki korelasyonlar çizilebilir. Bir bütün olarak, bu deneysel şema hücre uyumlu gen ekspresyonu verileri ile birlikte zaman serisi verilerin toplanması ve ön analizi için inanılmaz esnek bir boru hattı sağlar. Bu tür deneyler hücresel dinamikler ve transkripsiyonel değişiklikler arasındaki karmaşık ilişkileri daha iyi anlamak için kritik olacaktır, embriyonik Xenopus laevisinhibitör-fated ve uyarıcı-fated nöronal öncüllerin karakteristik kalsiyum aktivite kalıplarının belirlenmesi ile örneklenmiştir .
The authors have nothing to disclose.
Wendy Herbst ve Lindsay Schleifer’e bu protokollerin geliştirilmesine olan katkılarından dolayı teşekkür ederiz. Bu çalışma MsS’e Ulusal Sağlık Enstitüleri (1R15NS067566-01, 1R15HD07624-01 ve 1R15HD096415-01) tarafından desteklenmiştir.
For Animal Husbandry & Cell Culture | |||
CHORULON (chorionic gonodotropin) | Merck Animal Health | ||
Gentamycin sulfate salt | Millipore Sigma | G1264 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Pyrex petri dishes, 100 mm x 20 mm | Millipore Sigma | CLS3160102 | |
Corning Falcon Easy-Grip Tissue Culture Dishes, 35mm | Fisher Scientific | 08-772A | |
Corning Falcon Easy-Grip Tissue Culture Dishes, 60mm | Fisher Scientific | 08-772F | |
Falcon Standard Tissue Culture Dishes | Fisher Scientific | 08-772E | |
Thermo Scientifc Nunc Cell Culture / Petri Dishes, 35x10mm Dish, Nunclon Delta | Fisher Scientific | 12-565-90 | |
Fisherbrand Standard Disposable Transfer Pipettes, Nongraduated; Length: 5.875 in.; Capacity: 7.7 mL | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Millipore Sigma | E10521 | |
Collagenase B | Millipore Sigma | 11088807001 | |
Dumont #55 Forceps, Dumostar | Fine Science Tools | 11295-51 | |
Dumont #5 Forceps, Dumostar | Fine Science Tools | 11295-00 | |
Cellattice Micro-Ruled Cell Culture Surface | Nexcelom Bioscience | CLS5-25D-050 | |
For Calcium Imaging | |||
Fluo-4, AM, cell permeant | Thermo Fisher Scientific | F14201 | |
Pluronic F-127, 0.2 µm filtered (10% Solution in Water) | Thermo Fisher Scientific | P6866 | |
For RNA Probe Generation | |||
PureYield Plasmid Miniprep System | Promega | A1222 | |
rATP | Promega | P1132 | |
rCTP | Promega | P1142 | |
rGTP | Promega | P1152 | |
rUTP | Promega | P1162 | |
Digoxigenin-11-UTP | Millipore Sigma | 3359247910 | |
Rnase Inhibitor | Thermo Fisher Scientific | N8080119 | |
T3 RNA Polymerase | Promega | P2083 | |
T7 RNA Polymerase | Promega | P2075 | |
SP6 RNA Polymerase | Promega | P1085 | |
RQ1 Rnase-Free Dnase | Promega | M6101 | |
LiCl Precipitation Solution (7.5 M) | Thermo Fisher Scientific | AM9480 | |
For Fluorescence In Situ Hybridization | |||
Acetic Anhydride | Thermo Fisher Scientific | 320102 | |
Blocking Reagent | Millipore Sigma | 11096176001 | |
Anti-Digoxigenin-POD, Fab fragments | Millipore Sigma | 11207733910 | |
Cy3 Mono-Reactive NHS Ester | Millipore Sigma | GEPA13105 | |
Solution Components | |||
Calcium chloride, 96% extra pure, powder, anhydrous, ACROS Organixs | Fisher Scientific | AC349610 | |
Calcium chloride dihydrate | Millipore Sigma | C3306 | |
CHAPS hydrate | Millipore Sigma | C3023 | |
Denhardt's Solution (50X) | Thermo Fisher Scientific | 750018 | |
DTT, Molecular Grade (DL-Dithiothreitol) | Promega | P1171 | |
Ethylenediaminetetraacetic Acid, Disodium Salt Dihydrate | Fisher Scientific | S311 | |
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N',N'-tetraacetic acid | Millipore Sigma | E3889 | |
Formamide (Deionized) | Thermo Fisher Scientific | AM9342 | |
Herparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Millipore Sigma | H3393 | |
HEPES (Ultra Pure) | Thermo Fisher Scientific | 11344041 | |
Hydrogen peroxide solution | Millipore Sigma | H1109 | |
L-Cysteine | Millipore Sigma | 168149 | |
Magnesium chloride, pure, ACROS Organics | Fisher Scientific | AC223211000 | |
Magnesium sulfate, 97% pure, ACROS Organixs, anhydrous | Fisher Scientific | AC413480050 | |
Maleic Acid, 99%, ACROS Organics | Fisher Scientific | ACS125231000 | |
MOPS (Fine White Crystals/Molecular Biology), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP308 | |
Potassium chloride | Millipore Sigma | P9541 | |
Ribonucleic acid from torula yeast, Type IX | Millipore Sigma | R3629 | |
Sodium chloride | Millipore Sigma | S7653 | |
Triethanolamine | Millipore Sigma | 90279 | |
Tris | Millipore Sigma | GE17-1321-01 | |
TWEEN 20 | Millipore Sigma | P9416 | |
Equipment | |||
Laminar Flow Hood | model of choice | ||
Dissecting Microscope | model of choice | ||
Inverted Fluorescence Microscope | Nikon | TE200 | |
NIS-Elements Imaging Software | Nikon | ||
Shaking Incubator | model of choice | ||
Refrigerated Centrifuge | model of choice | ||
Miscellaneous | |||
Corning bottle-top vaccum filter system, 0.22 μm pore, 500 mL bottle capacity | Millipore Sigma | CLS430769 | |
Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 |