Nous présentons un protocole en deux parties qui combine l’imagerie fluorescente de calcium avec l’hybridation in situ, permettant à l’expérimentateur de corréler des modèles de l’activité de calcium avec des profils d’expression de gène sur un niveau unicellulaire.
L’activité intracellulaire spontanée de calcium peut être observée dans une série de types de cellules et est proposée pour jouer des rôles critiques dans une série de processus physiologiques. En particulier, la régulation appropriée des modèles d’activité de calcium pendant l’embryogenèse est nécessaire pour beaucoup d’aspects du développement neural vertébré, y compris la fermeture appropriée de tube neural, la synaptogenesis, et la spécification de phénotype de neurotransmetteur. Bien que l’observation selon laquelle les modèles d’activité calcique peuvent différer à la fois en fréquence et en amplitude suggère un mécanisme convaincant par lequel ces flux pourraient transmettre des signaux codés aux effecteurs en aval et réguler l’expression des gènes, les approches au niveau de la population n’ont pas eu la précision nécessaire pour explorer davantage cette possibilité. En outre, ces approches limitent les études sur le rôle des interactions cellules-cellules en empêchant la capacité d’essayer l’état de détermination neuronale en l’absence de contact cellule-cellule. Par conséquent, nous avons établi un flux de travail expérimental qui associe l’imagerie calcique en accéléré d’explants neuronaux dissociés avec un test d’hybridation in situ de fluorescence, permettant la corrélation sans ambiguïté du modèle d’activité de calcium avec le moléculaire phénotype au niveau d’une seule cellule. Nous avons réussi à utiliser cette approche pour distinguer et caractériser les modèles spécifiques d’activité de calcium liés à différencier des cellules neurales et des cellules progénitrices neurales, respectivement ; au-delà de cela, cependant, le cadre expérimental décrit dans cet article pourrait être facilement adapté pour étudier les corrélations entre n’importe quel profil d’activité de série temporelle et l’expression d’un gène ou de gènes d’intérêt.
Le calcium cytosolique gratuit est essentiel à une variété de processus biologiques, allant de la prolifération cellulaire et la migration à l’apoptose et l’autophagie1,2,3. Dans ces voies, le calcium peut exercer des effets en aval sur l’expression des gènes en interagissant avec les domaines liant le calcium pour induire des changements conformationnels qui modulent l’activité et les interactions des protéines. Par exemple, un capteur neuronal de calcium connu sous le nom de Modulateur antagoniste de l’élément régulateur en aval (DREAM) est maintenu dans une conformation intermédiaire dépliée lorsqu’il est lié par le calcium, l’empêchant d’interagir avec ses cibles protéiques et d’ADN4. Au-delà de servir de simple molécule de signalisation, cependant, la nature dynamique des transitoires intracellulaires de calcium permet à ces modèles d’activité d’encoder des signaux plus complexes basés sur l’amplitude ou la fréquence5,6. La translocation nucléaire du facteur de transcription du facteur nucléaire des lymphocytes T activés (NFAT) est améliorée par des oscillations de calcium à haute fréquence, mais inhibée par des oscillations à basse fréquence7. De façon convaincante, des travaux récents ont suggéré que nFAT peut effectivement répondre à l’exposition cumulative de calcium8. La calcineurine et la protéine kinase II (CaMKII) dépendante de la calcineetine Ca2et de la protéine calmoduline II (CaMKII) présentent également des réponses distinctes aux transitoires de calcium d’une fréquence, d’une durée ou d’une amplitude spécifiques9. Pour ajouter un niveau supplémentaire de complexité réglementaire, les modèles de calcul suggèrent que de nombreuses protéines en aval de calcium-liaison deviennent plus ou moins dépendantes de la fréquence en réponse à la présence ou à l’absence de concurrents contraignants10,11.
Dans le système nerveux en développement, deux classes principales de comportements d’activité de calcium ont été définies et associées à des processus biologiques spécifiques. Les afflux de calcium sont classés comme des « pics » s’ils se produisent dans des cellules individuelles, atteignent une intensité maximale de 400 % de la ligne de base en cinq secondes et présentent une double décomposition exponentielle12. Ce type de signal est associé principalement à la spécification de phénotype de neurotransmetteur13. En revanche, les « ondes » sont définies comme des transitoires de calcium plus lents et moins extrêmes dans lesquels la concentration intracellulaire de calcium d’une cellule s’élève à 200 % de la ligne de base sur une période de trente secondes ou plus, puis se désintègre sur plusieurs minutes12. Ces signaux se propagent souvent à travers plusieurs cellules voisines, et leur présence a été associée à la prolifération neurite et à la prolifération cellulaire14,15. Cependant, bien que ces deux classes aient été définies en fonction de profils cinétiques caractéristiques, on ne sait pas exactement quelles caractéristiques de ces modèles sont réellement détectées par les cellules et traduites par les effecteurs en aval.
Comprendre la relation entre les oscillations intracellulaires de calcium et l’expression de gène fournirait un aperçu crucial dans un des mécanismes régulateurs qui assure le développement approprié et le modèle du système nerveux. À cette fin, les études de la moelle épinière embryonnaire ont démontré que l’augmentation de l’activité de pic de calcium pendant le développement est associée à des niveaux plus élevés de neurones inhibiteurs, tandis que l’activité diminuée de pic de calcium est associée à des niveaux plus élevés de neurones excitateurs13. Cependant, ces tests au niveau de la population n’ont pas été utilisés pour associer l’activité du calcium à l’expression des gènes à un niveau unicellulaire.
L’approche de ces questions au niveau de la cellule unique offre plusieurs avantages distincts par rapport aux travaux antérieurs. D’une part, la capacité d’évaluer l’activité du calcium et l’expression des gènes dans de nombreuses cellules individuellement permet d’observer le répertoire complet des modèles d’activité distincts sans être obscurci par une mesure en vrac. En outre, l’étude de ces relations dans la culture primaire unicellulaire signifie que les liens cellulaires autonomes entre l’activité du calcium et l’expression des gènes seront maintenus, tandis que les interactions nécessitant une communication cellule-cellule seront abrogées. Par conséquent, cette approche permet d’étudier ces mécanismes cellulaires autonomes isolément. Cependant, il permet également d’élucider et d’interroger le rôle de l’activité calcique non autonome. Par exemple, les cellules peuvent être disséquées à partir d’un embryon au stade de la plaque neurale, cultivées jusqu’à ce que les témoins de la fratrie atteignent le stade du tube neural, puis comparées aux cellules qui ont été fraîchement disséquées à partir d’un embryon de phase du tube neural. Ceci permet la comparaison directe des cellules qui ont maintenu la communication de cellule-cellule à travers une période développementale principale à ceux dans lesquels la communication de cellule-cellule a été supprimée.
En cherchant à aborder les limites des approches expérimentales précédentes, nous avons développé un protocole qui permettrait l’évaluation de l’activité calcique et de l’expression génique dans les cellules progénitrices neuronales individuelles, facilitant la corrélation des modèles d’activité spécifiques avec les programmes de différenciation ultérieurs. Le tissu neural a été disséqué des laevis de Xenopus à divers stades du développement neural, dissocié en cellules simples, et imaged par microscopie confocale en présence d’un indicateur fluorescent de calcium. Après l’imagerie à cellules vivantes, des échantillons ont été fixés et analysés par hybridation in situ par fluorescence (FISH) pour détecter l’expression d’un gène ou d’un isoforme d’intérêt. Il est important de noter que les cellules individuelles peuvent être suivies dans les deux expériences d’imagerie, ce qui signifie que le profil d’activité calcique d’une cellule et son niveau d’expression génique peuvent être associés les uns aux autres(figure 1). Le protocole rapporté ici est destiné à sonder les relations entre les modèles d’activité du calcium et l’expression des gènes à travers le neurodéveloppement embryonnaire dans Xenopus laevis. Cependant, le cadre expérimental plus large (imagerie temporelle à cellule unique suivie de FISH et de coenregistrement d’image) peut être modifié et appliqué à pratiquement n’importe quel type de cellule, journaliste fluorescent et gène d’intérêt.
Des modèles caractéristiques de l’activité calcique ont été observés dans les cellules qui composent le système nerveux en développement, avec des types spécifiques d’activité associés à des processus neurodéveloppementaux distincts. Cependant, une meilleure compréhension des mécanismes par lesquels ces modèles d’activité denses en informations sont traduits en réponses transcriptionnelles nécessite des informations sur l’activité du calcium et l’expression des gènes à recueillir avec une résolution unicellulaire. Tandis que les systèmes qui montrent l’activité plus stéréotypée de calcium, tel que les neurones mûrs, peuvent être raisonnablement évalués sur un niveau en vrac, les modèles irréguliers qui caractérisent le système nerveux embryonnaire sont facilement masqués par des enregistrements moins précis.
Le cadre expérimental établi dans ce protocole est facilement adaptable à une grande variété de types de cellules et de reporters fluorescents. Les tissus contenant pratiquement n’importe quel type de cellule ou combinaison de types de cellules peuvent être disséqués à partir d’un organisme modèle d’intérêt et plaqués pour l’imagerie unicellulaire. En plus de permettre l’identification cellulaire et d’isoler l’effet des processus cellulaires autonomes, une approche de culture cellulaire primaire permet à l’expérimentateur de définir les composants des médias comme désiré. Par exemple, des expériences comparant l’activité des précurseurs neuronaux dans la solution 2 mM Ca2 ont été réalisées pour déterminer si les relations entre la fréquence des pointes et le phénotype neurotransmetteur dans la moelle épinière embryonnaire peuvent être récapitulées sans l’influence des interactions cellules-cellules13,20.
Bien que ce protocole tire parti du marqueur fluorescent Fluo4-AM pour détecter l’activité calcique intracellulaire, selon les critères de sélection, les utilisateurs peuvent sélectionner d’autres marqueurs disponibles dans le commerce21, y compris les indicateurs de calcium génétiquement codés. De même, d’autres marqueurs pourraient être utilisés pour surveiller les changements dynamiques à la concentration d’un ion d’intérêt (y compris K,Na,et Zn2), le potentiel de membrane, ou le pH cellulaire. Les paramètres d’imagerie et la durée de l’image peuvent être modifiés au besoin.
Bien que nous avons corrélé l’activité de calcium et le phénotype neuronal comme application spécifique, cette méthode est également applicable pour une série d’autres propriétés cellulaires. Par exemple, l’hybridation in situ de fluorescence peut être effectuée avec des sondes contre n’importe quel gène d’intérêt, y compris le marqueur neuronal ChAT ou le facteur de transcription Engrailed, permettant la détection sensible d’un panneau personnalisable d’espèces d’ARNm. Ces sondes peuvent être conçues pour être spécifiques à l’isoforme, soutenant une spécificité cible supplémentaire si désiré. Double FISH peut être effectué à l’aide de sondes conjuguées à plusieurs fluorophores différents, permettant l’évaluation simultanée de l’expression de plusieurs gènes. Cependant, les lavages supplémentaires requis par ce type d’expérience sont associés à un risque accru de perte ou de mouvement cellulaire et nécessitent de l’expérience et de la délicatesse pour être exécutés avec succès.
Indépendamment de toute modification spécifique à l’expérience apportée à ce protocole, il y a plusieurs étapes clés qui nécessitent une attention particulière. Les dissections doivent être effectuées avec soin pour enlever tous les tissus contaminants ou les populations cellulaires; parce que le modelage spatial est perdu lorsque les explants sont dissociés, toutes les cellules restantes des tissus voisins deviendront entrecoupées et indiscernables des cellules d’intérêt. Une fois les cellules plaquées, les échantillons doivent être manipulés aussi doucement que possible pour empêcher les cellules d’être délogées. Plus important encore, cela signifie que tous les changements de solution doivent être effectués lentement et soigneusement, avec la pipette placée au bord de la plaque lorsque la solution est enlevée et ajoutée. Cela permettra de s’assurer que les cellules peuvent être identifiées en toute confiance dans les images de calcium et fish. Si les cellules sont perturbées pendant le traitement, il peut être impossible d’identifier une partie ou la totalité des cellules correspondantes entre les deux images. Nous conseillons de faire preuve de prudence à l’égard de ces affectations, de sorte que seules des cellules correspondantes sans ambiguïté sont utilisées pour une analyse plus approfondie.
Selon la question biologique abordée, une variété d’approches d’analyse peuvent être appropriées. L’activité calcique de la série chronologique peut être traitée et quantifiée de diverses façons, avec une flexibilité d’expérimentation dans le choix des paramètres de dé-tendance, des mesures d’analyse et des paramètres d’analyse (par exemple, le % du seuil de référence utilisé pour définir un pic de calcium). Les corrélations entre l’activité calcique et le niveau d’expression génique peuvent être établies en analysant l’expression des gènes en tant que valeur de fluorescence absolue ou relative extraite de l’image FISH. Alternativement, des corrélations entre l’activité calcique et l’expression génique (présence/absence) peuvent être établies en définissant un seuil de fluorescence pour le signal d’expression génétique positif et en attribuant des identificateurs « oui » ou « non » à des cellules individuelles. Dans l’ensemble, ce schéma expérimental fournit un pipeline incroyablement flexible pour la collecte et l’analyse préliminaire des données de la série chronologique en conjonction avec des données d’expression génique appariées par cellules. De telles expériences seront cruciales pour mieux comprendre les relations complexes entre la dynamique cellulaire et les changements transcriptionnels, comme en témoigne l’identification des modèles d’activité calcique caractéristiques des précurseurs neuronaux inhibiteurs et excitatoires dans les laevis embryonnaires de Xenopus.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Wendy Herbst et Lindsay Schleifer pour leur contribution à l’élaboration de ces protocoles. Ce travail a été soutenu par des subventions des National Institutes of Health (1R15NS067566-01, 1R15HD077624-01 et 1R15HD096415-01) au MSS.
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 |