Рана индуцированной полиплоидизации является консервативной стратегии восстановления тканей, где клетки растут в размерах, а не деления, чтобы компенсировать потерю клеток. Вот подробный протокол о том, как использовать плодовую муху в качестве модели для измерения ploidy и его генетической регуляции в эпителиальной раны ремонта.
Полиплоидия является частым явлением, воздействие которого на здоровье организма и болезни до сих пор плохо изучены. Клетка определяется как полиплоидная, если она содержит больше, чем диплоидная копия ее хромосом, что является результатом эндоресупорации или слияния клеток. В восстановлении тканей, раны индуцированной полиплоидизации (WIP) было установлено, что сохраняется стратегия исцеления от плодовых мушек позвоночных. WIP имеет ряд преимуществ перед пролиферацию клеток, в том числе устойчивость к онкогенного роста и генотоксического стресса. Задача состоит в том, чтобы определить, почему полиплоидные клетки возникают и как эти уникальные клетки функционируют. Предоставляется подробный протокол для изучения WIP у взрослых плодовых мух эпителия, где полиплоидные клетки генерируются в течение 2 дней после прокола раны. Воспользовавшись обширным набором генетических инструментов D. melanogaster, начали идентифицировать гены, необходимые для инициирования и регулирования WIP, включая Myc. Продолжение исследований с использованием этого метода может выявить, как другие генетические и физиологические переменные, включая пол, диету и возраст, регулируют и влияют на функцию WIP.
Drosophila melanogaster является привлекательной модельной системой для изучения клеточных и молекулярных механизмов эпителиального восстановления ран. Как и у млекопитающих, используемые механизмы восстановления тканей зависят как от ткани, так и от стадии ее развития. Без шрамов заживление ран происходит в эмбрионе плодовой мухи, где актомиозин “кошелек строки” образуется на эпителиальной передний край позволяетраны бесшовно закрыть 1,2. Пост-эмбриональное заживление ран у личинок, куколок и взрослых плодовых мушек приводит к внеклеточной матрице ремоделирования, образования шрамов меланина ироста эпителиальных клеток 3,,4,,5,,6. Эпителиальные клетки увеличиваются в размерах путем слияния клеток и эндоцикла, неполного клеточного цикла, который обходитмитоз 3,,4,,7,,8. В результате, потеря клеток компенсируется ростом полиплоидных клеток, а не делением клеток. Взрослый летать hindgut, midgut, и фолликулярного эпителия также полагаться на рост полиплоидных клеток, чтобы компенсировать потерюклеток после повреждения тканей 9,10,11.
Полиплоидия является хорошо известным аспектом развития организма у растений и насекомых, но в последние несколько лет стало более очевидным, что полиплоидия является консервативной стратегии восстановления тканей у позвоночных12. Зебрафиш, который имеет возможность регенерировать свое сердце, опирается на рост полиплоидных клеток, чтобы исцелить поврежденный эпикардий13. Полиплоидия также способствует регенерации печени млекопитающих и ремонту эпителия труб почек после остройтравмы 14,,15. В этих примерах полиплоидные клетки генерируются путем эндолептизации через эндоцикл или эндомитоз, что приводит к бинуклеированной клетке из-за блока в цитокинезе12. Загадка заключается в том, почему полиплоидные клетки возникают во время ремонта ран и как полиплоидия влияет на функцию тканей. Недавние исследования дают новое представление о том, является ли полиплоидия преимуществом исцеления или недостатком. В эпикардии зебры, полиплоидия повышает скорость заживления ран13. В D. melanogaster hindgut и печени млекопитающих, полиплоидия была обнаружена защитной от онкогенногороста 11,14. У взрослой мухи эпителия недавно было обнаружено, что полиплоидия позволяет восстановить раны при наличии генотоксического стресса16. Эндорепликация устойчива к повреждению ДНК, что позволяет заживление ран, когда пролиферация клеток в противном случае была быскомпрометирована 17. Для кардиомиоцитов в сердцах мышей и зебры, однако, полиплоидия замедляет заживление, в результате чегоусиливается образование рубцов 18,19. Поэтому, в зависимости от типа органа и/или клеток, полиплоидия может быть выгодной или вредной стратегией восстановления тканей. Доступность D. melanogaster генетики в сочетании с анализом раны индуцированной полиплоидизации (WIP) ответ сделать его идеальной моделью системы для выяснения молекулярных и клеточных механизмов, которые направляют эту стратегию заживления ран.
Здесь мы представляем протокол для анализа WIP во взрослом эпителии D. melanogaster. Включены инструкции по травме плодовой мухи, вскрытию, иммуностимулированию, монтажу, визуализации и анализу повторной эпителиализации, клеточного синтеза и эндорепликации (плоидии). Анализ изображений и плоиди также может быть адаптирован к другим моделям для проверки того, происходит ли WIP. Следует отметить, что при увеличении содержания ядерной ДНК часто происходит соответствующее увеличение ядерных размеров. Тем не менее, Есть много примеров в биологии, где ядерный размер не отражает соответствующие изменения в ploidy20. Еще большую осторожность следует проявлять при интерпретации ядерных размеров в контексте раны окружающей среды, где клетки часто распространяются или растягиваются, чтобы покрыть место раны. Таким образом, единственным окончательным доказательством изменения плоиди является измерение содержания ДНК с помощью этого метода (или других, таких как секвенирование всего генома)21. Этот метод повышает пригодность взрослого эпителия брюшной полости D. melanogaster в качестве модели для изучения роли и регуляции полиплоидии в ремонте ран.
Представлен подробный протокол о том, как вскрыть и использовать взрослый D. melanogaster брюшной эпителий для изучения того, как гены регулируют WIP путем изменения повторной эпителиализации и эндорепликации во время ремонтараны 16. Используя этот метод, прото-онкоген Myc был недавно определен в качестве ключевого регулятора WIP. Myc требуется для эпителиальных клеток, чтобы эндорепликации после травмы и достаточно для тихие эпителиальные клетки для эндоцикла как у взрослых летать эпителияи аксессуаров желез 16,22. Было также установлено, что переключение эпителиальных клеток на митотический клеточный цикл путем выражения stg, fzrRNAi вредно для восстановления ран. Продолжение исследований с использованием этого метода позволит выявить другие гены, необходимые для регулирования повторной эпителиализации и эндорпликации во время WIP, выявление сходства и различия в том, как полиплоидия регулируется и функции в различных тканях.
Эта модель и метод предлагают уникальные преимущества, в том числе легко индукции полиплоидии с механическим проколом и тот факт, что полиплоидные клетки генерируются в течениенескольких дней 4. Протоколы вскрытия и подготовки тканей основаны на методах вскрытияличинок 23,но живот взрослой мухи более жёсткий и поэтому легко возмущается. В результате, этот протокол требует практики и точности, чтобы изолировать нетронутые ткани для изучения WIP. После вскрытия, однако, эпителий хорошо виден и легко изображен, что дает снимок процесса заживления ран. Этот метод предоставляет огромное количество информации об эпителиальной организации взрослой мухи, размере клеток и синцитиума, а также о плоидии клеток и отдельных ядер. Хотя живая визуализация пока невозможна в пределах нетронутой плодовой мухи из-за ее непрозрачной кутикулы, этот протокол может быть адаптирован, чтобы включить в настоящее время доступные условия культуры ex vivo, используемые в D. melanogaster для выполнения краткосрочных исследований живойвизуализации 24.
В будущем, эта модель будет идеально подходит для изучения от клетки к клетке перекрестный разговор и вклад других типов клеток в WIP путем регулирования экспрессии генов с системой Gal4/UAS в других типах клеток интересов. Аналогичные вопросы также могут быть даны ответы с использованием различных генетических и мутантных фонов. Вскрытый брюшной полости взрослой мухи содержит различные типы клеток, которые могут быть легко визуализированы с помощью этого метода, в том числе жирового тела и оеноцитов, боковой мышечных волокон, сенсорных нейронов, трахеи и макрофагов, как гемоциты. Кроме того, эта модель позволит исследователям исследовать, как физиологические переменные влияют на WIP, включая секс, диету, инфекцию, возраст и экологические стрессоры. В то время как протокол использует взрослую самку летать из-за его большего размера, WIP также происходит в мужской плодовой мухи (Gjelsvik и Losick, неопубликованные). Полиплоидные клетки, как было установлено, возникают во время старения и возрастных заболеваний в печени млекопитающих, мозг, глаз и сердце12. Модель плодовой мухи позволит исследователям изучать полиплоидизацию в физиологическом и болезневом контекстах, поскольку гены, связанные с болезнями человека, очень сохранены.
The authors have nothing to disclose.
В Бостонском колледже мы хотели бы поблагодарить д-ра Эрика Фолкера за использование камеры его лаборатории и установки стереоскопического микроскопа для визуализации и Брета Джадсона в Бостонском колледже Imaging Core для инфраструктуры и поддержки. Мы также хотели бы поблагодарить летать сообщества ресурсов: Блумингтон Drosophila фондовый центр (NIH P40OD018537), Венский ресурсный центр Drosophila, и TRiP центр Гарвардской медицинской школы (NIH/NIGMS R01-GM084947) для обеспечения трансгенных запасов, используемых в этом исследовании. Мышь FasIII антитела были получены из развития исследований Hybridoma банка при поддержке NICHD NIH и поддерживается в Университете Айовы, Департамент биологии, Айова-Сити, IA. Исследования, о них сообщается в этой публикации, были поддержаны Национальным институтом общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения под номером R35GM124691. Содержание является исключительно ответственностью авторов и не обязательно отражает официальные взгляды Национальных институтов здравоохранения.
35 mm Petri dishes | Fisher Scientific | FB0875713 | For creating plates to dissect in |
50 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | For preparing staining reagents in |
AxioImager M2 with Apotome | Zeiss | NA | For imaging samples |
Blowgun mini | Genesee Scientific | 54-104M | For anethesizing D. melanogaster strains |
Bovine Serum Albumin, 30% | Sigma | A7284-500ML | For immuostaining |
Carbon dioxide tank | various distributors | N/A | For anethesizing D. melanogaster strains |
Click-iT EdU 594 Kit | Thermofisher | C10339 | For EdU assay |
Coverslips | Thermofisher | 3406 | For mounting |
DAPI | Sigma | D9542-10MG | For immuostaining |
Dissecting Plates (use Sylgard 184 Sil Elastic Kit) | Ellsworth Adhesives | 184SIL | For creating plates to dissect in. Mix epoxy as directed, let dry overnight |
Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Thermofisher | A21206 | For secondary immuostaining |
Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 568 conjugate | Thermofisher | A10042 | For secondary immuostaining |
Drosophila tubing and fittings | Genesee Scientific | 59-124C, 59-123, 59-140 | For anethesizing D. melanogaster strains |
Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | For dissecting |
epi-Gal4 | Bloomington Drosophila Stock Center (b) | b38793 | Losick et al. Current Biology, 2013 |
epi-Gal4, UAS-mCD8.RFP | Bloomington Drosophila Stock Center (b) | b38793, b27392 | Losick et al. Current Biology, 2013 |
Excel | Microsoft | For performing ploidy calculations | |
Fiji/ImageJ (image analysis software) | NIH | https://imagej.nih.gov/ij | For image analysis |
Fly food | Archon Scientific | N/A | Corn Syrup/Soy food |
Flystuff Flypad | Genesee Scientific | 59-114 | For anethesizing D. melanogaster strains |
Glass dissecting dish | Fisher Scientific | 13-748B | For performing dissections in |
Glass slides | Fisher Scientific | 12-518-104C | For mounting |
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Thermofisher | A11001 | For secondary immuostaining |
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 568 conjugate | Thermofisher | A11031 | For secondary immuostaining |
Grace's Insect Medium, unsupplemented | Thermofisher | 11595030 | For dissecting in |
Insect pins | Fine Science Tools | 26002-10 | For wounding and pinning fly abdomens flat |
Mouse anti-Fasciclin III (Drosophila) Primary Antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | 7G10 | For immunostaining epithelial cell-cell junctions |
Mouting media | Vector Laboratories | H-1000 | Anti-fade mounting media to prevent photo bleaching during imaging |
Nail polish | Electron Microscopy Sciences | 72180 | For sealing slides |
Ortibal shaker | Fisher Scientific | 02-217-988 | For immuostaining |
Phosphate Buffered Saline, PH 7.4 | Sigma | P3813-10PAK | For staining |
Pin holders | Fine Science Tools | 91606-07 | For wounding |
Rabbit anti-Grainyhead Primary Antibody | N/A | N/A | For immunostaining epithelial nuclei. Protocol to make antibody can be found (Ref. #4 and 8) |
Rabbit anti-RFP Primary Antibody | MBL | PM005 | For immunostaining mCD8-RFP fly epithelium |
Stereomicroscope | Olympus | SZ51 | For dissecting and mounting fly tissue |
Triton X-100 | Sigma | 10789704001 | For immuostaining |
UAS-E2F RNAi, UAS-RacDN | VDRC (v) and Bloomington Drosophila Stock Center (b) | v108837, b6292 | Losick et al. Current Biology, 2013 |
UAS-fzr RNAi, UAS-Stg | VDRC (v) and Bloomington Drosophila Stock Center (b) | v25550, b56562 | Grendler et al. Development, 2019 |
UAS-Myc | Bloomington Drosophila Stock Center (b) | b9674 | Grendler et al. Development, 2019 |
UAS-myc RNAi | Bloomington Drosophila Stock Center (b) | b36123 | Grendler et al. Development, 2019 |
Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-00 | For dissecting |