כאן, אנו מציגים הדמיה תא חי שהיא שיטת מיקרוסקופ לא רעיל המאפשר לחוקרים ללמוד התנהגות החלבון הדינמיקה הגרעינית בתוך חי ביקוע תאים שמרים במהלך מיטוזיס ו meiosis.
הדמיה של תא חי היא טכניקה מיקרוסקופית המשמשת לבדיקת הדינמיקה של תאים וחלבונים בתאי החיים. שיטת דימות זו אינה רעילה, בדרך כלל אינה מפריעה לפיזיולוגיה של התאים, ודורשת טיפול ניסיוני מינימלי. רמות נמוכות של הפרעות טכניות לאפשר לחוקרים לחקור את התאים על פני מחזורים מרובים של מיטוזה ו להתבונן מיוזה מתחילתו ועד סופו. באמצעות תגי פלורסנט כגון חלבון פלורסנט ירוק (GFP) וחלבון פלורסנט אדום (RFP), החוקרים יכולים לנתח גורמים שונים שתפקידם חשוב עבור תהליכים כמו תמלול, שכפול דנ א, לכידות, והפרדה. ביחד עם ניתוח נתונים באמצעות פיג’י (גרסה חופשית, ממוטבת של התמונה), הדמיה של תא חי מציעה דרכים שונות להערכת התנועה חלבון, לוקליזציה, יציבות, תזמון, כמו גם דינמיקה גרעינית והפרדה כרומוזום. עם זאת, כמו במקרה של שיטות מיקרוסקופ אחרות, הדמיה של תא חי מוגבלת על ידי המאפיינים הפנימיים של אור, אשר לשים מגבלה על כוח הרזולוציה בעלי הרמה גבוהה, והוא גם רגיש לפוטוהלבנה או רעילות באורך הגל הגבוה תדרים. עם זאת, בטיפול מסוים, החוקרים יכולים לעקוף את המגבלות הפיזיות הללו על ידי בחירה קפדנית של התנאים הנכונים, זנים, סמנים פלורסנט כדי לאפשר הדמיה מתאימה של אירועים mitotic ו-meiotic.
מיקרוסקופ תא חי מאפשר לחוקרים לבחון את הדינמיקה הגרעינית מבלי להרוג תאי שמרים ביקוע ומבטל את הצורך בתיקונים וכתמים קטלניים. ניתן לראות את היציבות, תנועה, לוקליזציה, והעיתוי של חלבונים מתויגים fluorescently כי הם מעורבים באירועים חשובים כגון שכפול כרומוזום, שילוב מחדש, והפרדה, בנוסף קרום והשלד ציטוזה תנועות. על ידי שמירה על הכדאיות התאית וזיהוי אותות שאינם רעילים, ישנה חדירה פיזיולוגית מינימלית. כאשר מבוצע כראוי, שיטה זו מיקרוסקופית יכולה להפחית את ההשפעות ההמייסדות שעולות מהטיפול הטכני המורחב או מפעילות מחודשת כימית מלאכותי. יתר על כן, במהלך הניסוי, החוקרים יכולים לעשות תצפיות מסוימות של מצבי הלחץ והמתח שמרים ביקוע, יעילות ההתרבות, ומצב האפוטוטיק המציינות פרמטרים לא הולמים הדמיה או פיזיולוגיה תא נורמלי1 ,2,3.
מיטוזיס ומיוזיס מאופיינים בחלוקה גרעינית ותאית. ב מיוזיס, בניגוד מיטוזיס, התוכן הגנטי הוא הסתפק בתאי ההורה להצמיח תאים הבת4. מכיוון שדימות תאים חיים מספק ממד זמני בנוסף לקשר המרחבי, ניתן לבחון מספר גדול של תאים בזמן אמת. מיקרוסקופ תא חי איפשר לחוקרים לבחון את הדינמיקה של החטיבה הגרעינית באמצעות תגי פלורסנט עבור יסטוניים5, cohesin חלבוניות6, microtubules7, צנטוממרים8, קינטומטלות9, מרכיבים של הגוף מוט הציר (SPB)10, ואלה של קומפלקס הנוסעים כרומוזום (cpc)11. מחוץ למנגנון ההפרדה של כרומוזום, הדמיה תא חי גם לכדו את ההתנהגות של חלבונים הנחוצים, אבל לא מעורב ישירות בהפרדה כרומוזום. הפונקציה של חלבונים אלה הוכח להשפיע על השכפול, כרומוזום שילוב מחדש, תנועה גרעינית, וכרומוזום מצורף ל microtubules12,13,14. תצפיות אלה תרמו להבנה טובה יותר של אירועים סלולאריים שהרכיבים הפונקציונליים שלהם לא היו מתכלים לבחינה ביוכימית או גנטית. עם ההתקדמות החדשה בטכנולוגיה מיקרוסקופית, מגבלות כגון ברזולוציה ירודה, הלבנת, פוטורעילות, ויציבות מיקוד יהיה להפחית, ובכך להקל על תצפיות בזמן אמת טוב יותר של mitotic ודינמיקה גרעינית מיוטית1, 2,3. Meiosis מאתגרת במיוחד כפי שהוא מסלול בידול מסוף שדורש תשומת לב מקרוב לתזמון.
המטרה של פרוטוקול זה היא להציג שיטה פשוטה יחסית לבחינת הדינמיקה הגרעינית בזמן אמת ביקוע הגרעיני מיטוזיס ו meiosis. כדי להשיג זאת, יש צורך להשתמש בתאים שלא נחשפו למתח סביבתי, להכין רפידות agarose שיכולות לעמוד בהדמיה ממושכת, וכן לטעון תאים בצפיפויות המאפשרים הדמיה של דינמיקה תא בודד. יתר על כן, פרוטוקול זה עושה שימוש בתאים הנושאים חלבונים מתויגים fluorescently המשמשים כסמנים שימושיים עבור קינטיקה גרעינית (Hht1-mRFP או Hht1-GFP), הפרדה כרומוזום (Sad1-DsRed), הדינמיקה של השלד (Atb2-mRFP), ההמרה הפעלה ב-G1/S (Tos4-gfp), ויציבות הלכידות ב-מיוזה (Rec8-gfp). שיטה זו גם מציגה סמנים גרעיניים ו ציטוסולג נוספים (טבלה I) כי ניתן להשתמש בצירופים שונים כדי לטפל בשאלות על תהליכים סלולריים ספציפיים. יתר על כן, כלי פיג’י בסיסיים מוצעים כדי לסייע לחוקרים לעבד תמונות בתאים לחיות ולנתח סוגים שונים של נתונים. כוחה של גישה זו נובע משימוש בתצפיות בזמן אמת של דינמיקת חלבון, עיתוי ויציבות לתיאור תהליכים הנמצאים בלתי-מתאימים לביצוע הראוי של מיטוזיס ומיוזיס.
הדמיה של תא חי במהלך מיטוזיס ו מיוזה מציעה את ההזדמנות לבחון את הדינמיקה הגרעינית מבלי לשבש באופן משמעותי את הפיזיולוגיה שמרים במהלך רכישת נתונים. עם זאת, יש לתרגל זהירות כדי להבטיח שהתאים יגדלו לצפיפויות הרצויות ללא מתחים סביבתיים; ועבור meiosis, כי התאים הם התמונה במהלך הזמן של בידול מסוף ולא מוקדם מדי או מאוחר. עודף הצפיפות התאית, הרעב וטמפרטורות הגדילה הבלתי הולמות הן גורמים נפוצים התורמים לתצפיות מיותרות. בנוסף, במהלך בניית הזנים, חשוב לבדוק כי תגי פלורסנט לא להפריע פונקציות של גנים היעד או השפעה כללית תא כללי. כישלון לבדוק באופן מקרוב את פנוטיפים של זנים הנושאים סמנים פלורסנט עלול לגרום לתוצאות לא עקבית ושאין שונים על פני גנוסוגים דומים.
למרות שרפידות מיקרוסקופ פשוטות להרכבה, הם יכולים גם להציב משוכה בהשגת נתונים הדמיה יקרי ערך. יצירת רפידות מעלה היא פשוטה כמו הצבת שלושה שקופיות מיקרוסקופ במקביל זה לזה, לחלק את הצמח מותכת בשקופית האמצעית, ולשים שקופית כי העברת החלק העליון של השקופיות האחרות. זה שימושי, עם זאת, כדי להרכיב מנגנון יצרנית שקופיות המאפשר שינויים ברוחב כדי לייצר משטחים עמידים, ספציפי למצב הצמח. מכין שקופיות פשוט שנותן גמישות רוחב pad מורכב מפלטפורמה (מחזיק טיפים או ספסל), שתי שקופיות מיקרוסקופ, קלטת מעבדה מתנהג כמו מנגנון התאמת רוחב כרית (איור 1A). עובי מקלדת מדויקת יהיה תלוי בדרישות זמן הדמיה, agarose המותג, טמפרטורה, איטום כיסוי, שיעור אידוי, וכו ‘. לכן, חשוב לכייל את מערכת ההדמיה לפני רכישת נתונים כדי להגביר את המידע הטכני ולשפר את האיכות של הדמיית התאים החיים1,2,3. משטח המשטח, קשיחות, וקומפוזיציה חיוניים במהלך רכישת תמונה ממושכת. Agarose יש זריחה ברקע נמוך, ניתן ליצוק בקלות, ועל הריכוז המתאים, עם עומד דפורמציה מבנית עקב אידוי. יתר על כן, שילוב מדיה שמרים ביקוע עם agarose אינו מתפשר על איכות התמונה ומאפשר התבוננות מורחבת של מעגלים מרובים ומחזורי מיוזה. כמו כן, חשוב להימנע כל בועות אוויר עבור מיקרוסקופ זמן לשגות. בתוך ובתוך המדגם, כיסי אוויר להתרחב לאורך זמן, גורם העברת תאים ושיבוש מטוסי מוקד. התאים בתנאי מפוזרים ביעילות בנפרד על ידי סיבוב coverslip, החוקרים יכולים לעקוב אחר תהליכים mitotic על פני מספר דורות ואירועים meiotic מן היתוך גרעיני לספורציות. ביצוע ובחירת הלוח הנכון עבור ניסויים הדמיה לוקח זמן מאסטר, אבל פעם השיגה, יכול לתרום לתצפיות מיקרוסקופ אינפורמטיבי מאוד.
כמו המקרה עם שיטות אחרות, מיקרוסקופ תא חי אינו חופשי של מגבלות טכניות. השימוש בחלבונים מתויגים fluorescently מציג גבולות לניסויים המגבילים את היקף מה ניתן ללמוד. צילום-הלבנת ורעילות לתמונות הן בעיות האופייניות לרכישת תמונה ממושכת. ניתן לפעול מנגד על-ידי חוסר חשיפת תאים לאורכי גל קצרים במשך זמן ארוך מדי או לעתים תכופות מדי. עבור ניסויים מעורבים GFP, CFP, YFP, mRFP, ו-DsRed, חלבונים הניאון אופייני המשמשים שמרים ביקוע לחיות הדמיה, זה נפוץ להעסיק 5-15% עירור אור ו 100-500 ms זמן חשיפה עבור ניסויים שגרתיים. פרמטרים אלה משתנים, לעומת זאת, בהתאם לדרישות הניסוי הספציפיות של החוקר. בנוסף, z-ערימות מורכב של 9-13 סעיפים עם 0.5 יקרומטר מרווח באמצעות מטרה 60x הוא מספיק כדי לפתור את העובי של תא שמרים ביקוע. יתר על כן, חשוב לאשר כי סמנים פלורסנט לא לשבש תקנה נכונה או תפקוד של חלבונים היעד או ליצור פנוטיפים מזויף. לכן, מומלץ לבנות זנים המכילים פלורסנט שונים ותגי אהדה עבור אותו גן יעד כדי לאמת את התצפיות באמצעים שונים. יתר על כן, היא האחריות של החוקרים כדי להבטיח כי פרמטרים ניסיוניים ניתן לשכפל על פני ניסויים וכי הנתונים שנאספו מתאימים ניתוח במטה1,3. טכנולוגיה לא יכול להחליף את התרגול נבדק בזמן של אימות בקפדנות מערכות ניסיוני על ידי התבוננות זהירה ובדיקה קפדנית של יניאריות בזיהוי אותות פלורסנט.
לבסוף, חשוב לנתח נתונים מיקרוסקופית בפורמטים שאינם משנים תמונות raw. פיג’י מספק כלי תיעוד מצוינים למעקב אחר מדידות נתונים גולמיים ומאפשר לחוקרים לבחון פרמטרים שונים של תאים בהפעלה אחת. תכונות אלה, כמו גם העושר שלה של הדרכות מקוונות וכיסוי ספרות נרחבת, להפוך את פיג’י כלי חשוב למדידת, ניתוח, והצגת הדמיה של תא חי נתונים המתארים את הדינמיקה הגרעינית של שמרים ביקוע ב מיטוזיס ו meiosis.
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצים להודות נטליה לה פורקייד ו-Mon LaFerte להכנת כתב יד זה מהנה יותר מאמץ. תודות לחברי מעבדת פורסבורג שתרמו להשלמת העבודה עם התובנה שלהם, התנסות ברעיונות ותמיכה מוסרית. פרויקט זה נתמך על ידי כR35 GM118109 ל-SLF.
60x Plan Apochromat objective lens | Olympus | AMEP4694 | |
Adenine | Sigma | A-8751 | |
Agar | 7558B | IB4917-10 kg | |
Agarose | Sigma | A9539-500g | |
Belly Dancer rotator | Stovall | US Patent #4.702.610 | |
Biotin | Sigma | B-4501 | |
Boric acid | Sigma | B-6768-5kg | |
CaCl2·2H20, | Sigma | C3306-500G | |
Citric acid | Sigma | C-0759 | |
Convolve 3D software plug-in | OptiNav, Inc. | n/a | |
CoolSnap HQ CCD camera | Roper | n/a | |
Cover slip | VWR | 16004-302 | |
CuSO4·5H20, | END | CX-2185-1 | |
DeltaVision deconvolution fluorescence microscope | GE Healthcare/Applied Precision | n/a | |
Diffraction PSF 3D software plug-in | OptiNav, Inc. | n/a | |
Edinburgh minimal medium (EMM) Notrogen | Sunrise | 2023;1kg | |
FeCl2·6H2O | END | FX9259-04 | |
Glucose | Sigma | G-7021 | |
Heat plate | Barnstead | Thermo Lyne | |
Histidine | Sigma | H8125-100g | |
Huygens deconvolution software | SVI | n/a | |
Imaris deconvolution software | Bitplane | n/a | |
Incubator | Shell lab | #3015 | |
Inositol | Sigma | I-5125 | |
Iterative Deconvolve 3D software plug-in | OptiNav, Inc. | n/a | |
KCl | Mallinckvadt | 6858-04 | |
Lanolin | Sigma | L7387-1kg | |
Leucine | Sigma | L8912-100g | |
Lysine | Sigma | L5626-500g | |
Malt extract (ME) | MP | 4103-032 | |
MgCl2·6H20 | AMRESCO | 0288-500G | |
MetaMorph | Molecular Devices | n/a | |
Microscope slides | VWR | 16004-422 | |
MnSO4, | Mallinckvadt | 6192-02 | |
Molybdic acid | Sigma | M-0878 | |
Na2S04 | Mallinckvadt | 8024-03 | |
Nicotinic acid, | Sigma | N-4126 | |
Pantothenic acid | Sigma | P-5161 | |
Paraffin wax | Fisher | s80119WX | |
Pombe glutamate medium (PMG) | Sunrise | 2060-250 | |
softWorx v3.3 image processing software | GE Healthcare | n/a | |
Sporulation Medium powder | Sunrise | 1821-500 | |
Temperature controlled centrifuge | Beckman | Allwgra 6KR xentrifuge | |
Uracil | AMRESCO | 0847-500g | |
Vaseline | Equaline | F79658 | |
yeast extract | EMD | 1.03753.0500 | |
Yeast extract plus supplements (YES) | Sunrise | 2011-1kg | |
ZnSO4·7H2O | J.T.Baker | 4382-04 |