Aquí, se proporciona un protocolo optimizado paso a paso para la fijación, inmunotinción y seccionamiento de embriones para detectar filopodias de señalización especializada llamadas citonemas en tejidos de ratón en desarrollo.
El modelado tisular del desarrollo y la homeostasis tisular postdesarrollo dependen de la entrega controlada de señales celulares llamadas morfógenos. Los morfógenos actúan de una manera dependiente de la concentración y el tiempo para especificar distintos programas transcripcionales que instruyen y refuerzan el destino celular. Un mecanismo por el cual se aseguran umbrales apropiados de señalización de morfógenos es a través de la entrega de las proteínas de señalización por filopodias especializados llamados citonemas. Los citonemas son muy delgados (≤200 nm de diámetro) y pueden crecer hasta longitudes de varios cientos de micras, lo que hace que su preservación para el análisis de imágenes fijas sea un desafío. Este artículo describe un método refinado para el manejo delicado de embriones de ratón para fijación, inmunotinción y sección gruesa para permitir la visualización de citonemas utilizando microscopía confocal estándar. Este protocolo se ha utilizado con éxito para visualizar citonemas que conectan distintos compartimentos de señalización celular durante el desarrollo del tubo neural del ratón. La técnica también se puede adaptar para detectar citonemas en todos los tipos de tejido para facilitar el interrogatorio de la señalización del desarrollo a una resolución sin precedentes.
El desarrollo embrionario se orquesta a través de la activación coordinada de las vías de señalización del morfógeno. Los morfógenos son proteínas pequeñas y secretadas que se clasifican en Sonic Hedgehog (SHH), factor de crecimiento transformador β (TGF-β) / proteína morfogénica ósea (BMP), sitio de integración sin alas (WNT) y familias de fibroblastos y factor de crecimiento epidérmico (FGF / EGF). Los morfógenos se producen y liberan de los centros de organización celular durante el desarrollo del tejido y establecen gradientes de señalización a través de los campos organizadores de las células para informar la morfogénesis tisular 1,2,3,4,5. Una representación de gradientes de morfógenos se encuentra en el sistema nervioso en desarrollo, donde el presunto sistema nervioso central está modelado a través de la activación de la vía del morfógeno. Este tejido, conocido como el tubo neural, está compuesto por gradientes opuestos de SHH secretados por la notocorda más ventral y la placa del piso, y WNT / BMP secretados desde la placa del techo dorsal, para modelar distintas regiones progenitoras neurales6. El tubo neural se usa comúnmente para interrogar la integridad del gradiente de morfógeno en la investigación del desarrollo.
La formación de gradiente de morfógeno se basa en una regulación estricta de la dispersión de la señal7. Un mecanismo celular por el cual esto ocurre es a través de la formación de filopodios de señalización larga llamados citonemas que facilitan la entrega directa de morfógenos de las células productoras de señal a poblaciones celulares objetivo específicas. Se ha observado que los citonemas extienden cientos de micrómetros para depositar morfógenos en las membranas celulares receptoras de señal 8,9. La interrupción del transporte de morfógenos mediado por citonema conduce a anomalías del desarrollo tanto en moscas como en vertebrados, destacando su importancia durante el modelado de tejidos 10,11,12,13,14.
Hasta la fecha, se han documentado citonemas en modelos de Drosophila, polluelos y peces cebra, pero las imágenes de las estructuras en embriones de mamíferos en desarrollo siguen siendo un desafío 8,9,15. Un obstáculo para obtener imágenes efectivas de citonemas en tejidos complejos de mamíferos in situ es su naturaleza delgada y frágil, lo que los hace susceptibles al daño por métodos de fijación convencionales8. Previamente habíamos desarrollado y optimizado protocolos para un fijador de microscopía electrónica modificada (MEM-fix) para preservar citonemas en células cultivadas y permitir su estudio mediante microscopía confocal16,17.
El uso de la técnica MEM-fix ha permitido identificar algunas de las moléculas implicadas en la formación y función del citonema inducida por SHH 11,16,17. Sin embargo, la confirmación de estos hallazgos en el contexto fisiológicamente relevante del patrón del tubo neural requirió el desarrollo de nuevas técnicas para fijar e obtener imágenes del tejido embrionario de ratón. Aquí se describe un protocolo para fijar embriones de ratón de una manera que mantenga la integridad del citonema y permita la inmunotinción y la posterior seccionamiento del tejido embrionario para el análisis confocal. Este protocolo se desarrolló utilizando una proteína fluorescente verde (GFP) atada a la membrana para etiquetar las extensiones de membrana de las células productoras de SHH en el tubo neural en desarrollo. La implementación de este protocolo abordará preguntas sin respuesta relacionadas con la prevalencia y la importancia de los citonemas en el desarrollo de sistemas de mamíferos.
Este protocolo fue desarrollado para la preservación de citonemas delicados en secciones de tejido embrionario para microscopía de fluorescencia de alta resolución. Hasta la fecha, la visualización de citonemas en el tejido a través de varios organismos modelo se ha basado en gran medida en la expresión ectópica de proteínas marcadas fluorescentemente utilizando imágenes de tejidos vivos. Desafortunadamente, el uso de imágenes en vivo marcadas fluorescentemente rara vez es propicio para el análisis de proteínas expresadas endógenamente, puede introducir limitaciones de tiempo y requiere etapas de imágenes y microscopios especializados. El método de tinción y seccionamiento descrito aquí preserva citonemas y otras extensiones celulares para permitir la inmunohistoquímica para la eventual detección de proteínas expresadas endógenamente. Esta tecnología facilitará nuevos conocimientos sobre cómo se transportan los morfógenos a través de diferentes tejidos in vivo y amplía el alcance de los sistemas modelo donde se pueden estudiar los citonemas.
Este protocolo utiliza tinción de montaje completo y sección gruesa del vibratome, lo que evita el uso de soluciones de equilibrio como el glicerol o soluciones crioprotectoras como la sacarosa. Su objetivo es minimizar el manejo de tejidos seccionados para permitir la máxima preservación de las extensiones celulares. La reducción del manejo del tejido después de la sección proporcionó consistentemente mejores resultados en la preservación general de los citonemas. Por lo tanto, la seccionamiento del embrión es uno de los pasos finales antes de la obtención de imágenes.
MEM-fix, una técnica de fijación desarrollada para la preservación de citonemas de células cultivadas, consiste en una combinación de glutaraldehído y PFA que permite mejorar la preservación 3D de la arquitectura celular innata comparable a sus dimensiones vivas16,17. Desafortunadamente, MEM-fix no fue útil para la fijación embrionaria porque el glutaraldehído puede autofluorescencia y limita severamente la penetración de anticuerpos y la unión al epítopo en las células debido a la alta actividad de reticulación de proteínas22,23. Por lo tanto, los protocolos de seccionamiento posteriores a las condiciones de fijación de PFA se optimizaron para permitir la preservación de las extensiones celulares en el tejido embrionario. Aunque el PFA puede preservar extensiones similares a un citonema en el tejido embrionario, el análisis de imágenes debe realizarse con precaución. El PFA puede causar deshidratación parcial de células y tejidos individuales, lo que lleva a una reducción menor del volumen y la formación de pequeños espacios extracelulares dentro del tejido fijo.
Este protocolo evita los pasos adicionales de la resaturación de sacarosa para la crioprotección y la limpieza de tejidos porque las soluciones de sacarosa o glicerol pueden causar una resaturación menor del tejido24. La hinchazón menor resultante puede destruir extensiones celulares fijas y citonemas que migran entre las células y a través de los tejidos. Esto fue evidente al comparar el vibratome de sección gruesa con las secciones de criostato. Aunque el aumento del grosor del tejido mejoró la preservación de los citonemas intactos, las secciones de criostato resaturadas con sacarosa tuvieron consistentemente una menor incidencia de citonemas detectables.
La optimización de este protocolo reveló que las secciones de 100 μm de espesor eran las mejores para garantizar la preservación de los citonemas intactos. Las secciones más delgadas se usan típicamente para obtener imágenes porque la mayoría de los microscopios confocales solo son capaces de obtener imágenes a una resolución suficiente para visualizar extensiones celulares a una profundidad de ~ 20-40 μm sin despejar25. Sin embargo, las fuerzas mecánicas y la distorsión aplicadas a las células embrionarias desde la cuchilla mientras se cortan secciones delgadas destruyen los citonemas. Las secciones más gruesas permiten un área más grande de profundidad dentro de la sección mientras preservan las extensiones intactas dentro del tejido. Además, el uso de secciones más gruesas permite una facilidad de manejo para evitar el plegado excesivo o el pandeo de las secciones de tejido.
Este protocolo fue optimizado para la máxima preservación de citonemas en tejido de embriones de ratón E8-10.5. La manipulación mínima del tejido después de la seccionamiento proporcionó una preservación general consistentemente mejorada de los citonemas. Es probable que se requiera una mayor optimización para adaptar la técnica para las etapas posteriores del desarrollo y las secciones de tejido adulto debido al aumento del tamaño y la complejidad del tejido. Esto requerirá seccionamiento seguido de tinción por inmunofluorescencia. Dicho tejido puede requerir pasos de limpieza adicionales y adaptación del manejo del tejido durante la sección para preservar extensiones similares al citonema. Estos pasos adicionales deberán considerarse y abordarse para futuras aplicaciones de este protocolo.
The authors have nothing to disclose.
Las imágenes se adquirieron utilizando microscopios mantenidos por el Núcleo de Imágenes de Biología Celular y Molecular en el St. Jude Children’s Research Hospital. Las cepas de ratón se obtuvieron de JAX. Este trabajo fue apoyado por la subvención R35GM122546 (SKO) de los Institutos Nacionales de Salud y por ALSAC del St. Jude Children’s Research Hospital.
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 |