ここでは、胚の固定、免疫染色、および切片化のために最適化された段階的なプロトコルが提供され、発達中のマウス組織におけるサイトネムと呼ばれる特殊なシグナル伝達糸状体を検出します。
発生組織パターニングおよび発生後組織恒常性は、モルフォゲンと呼ばれる細胞シグナルの制御された送達に依存する。モルフォゲンは、濃度および時間依存的に作用し、細胞の運命を指示し強化する別個の転写プログラムを指定する。適切なモルフォゲンシグナル閾値が保証されるメカニズムの1つは、サイトネムと呼ばれる特殊な白状体によるシグナル伝達タンパク質の送達によるものである。シトネムは非常に薄く(直径≤200nm)、数百ミクロンの長さに成長する可能性があるため、固定画像解析のための保存が困難です。この論文では、標準的な共焦点顕微鏡法を用いてサイトネムの可視化を可能にするために、固定、免疫染色、および厚い切片化のためのマウス胚の繊細な取り扱いのための洗練された方法を説明する。このプロトコルは、マウス神経管の発達中に異なる細胞シグナル伝達コンパートメントを接続するサイトネムの可視化に成功裏に使用されています。この技術はまた、組織タイプにわたってサイトネムを検出し、前例のない分解能で発生シグナル伝達の調査を容易にするように適合させることもできる。
胚発生は、モルフォゲンシグナル伝達経路の協調的な活性化によって調整される。モルフォゲンは、ソニックヘッジホッグ(SHH)、トランスフォーミング成長因子β(TGF-β)/骨形態形成タンパク質(BMP)、ウィングレス関連集積部位(WNT)、および線維芽細胞および上皮成長因子(FGF/EGF)ファミリーに分類される小さな分泌タンパク質です。モルフォゲンは、組織発達中に細胞組織化中心から産生および放出され、細胞の組織化場にわたってシグナル伝達勾配を確立し、組織形態形成1,2,3,4,5を知らせる。モルフォゲン勾配の1つの表現は、発達中の神経系に見出され、そこでは推定中枢神経系がモルフォゲン経路活性化を介してパターン化される。神経管と呼ばれるこの組織は、腹側最内脊索および床板から分泌されるSHHの対向する勾配と、背側屋根板から分泌されるWNT/BMPsから構成され、別個の神経前駆領域をパターン化する6。神経管は、発生研究においてモルフォゲン勾配の完全性を疑問視するために一般的に使用される。
モルフォゲン勾配形成は、シグナル分散7の厳密な調節に依存している。これが起こる1つの細胞機構は、シグナル産生細胞から特定の標的細胞集団へのモルフォゲンの直接送達を促進するサイトネムと呼ばれる長いシグナル伝達糸状体の形成によるものである。シトネムは、シグナル受容細胞膜上にモルフォゲンを堆積させるために数百マイクロメートルに拡張することが観察されている8,9。サイトネム媒介モルフォゲン輸送の中断は、ハエおよび脊椎動物の両方に発生異常をもたらし、組織パターニング10、11、12、13、14におけるそれらの重要性を強調する。
今日まで、サイトネムはショウジョウバエ、ひよこ、ゼブラフィッシュのモデルで文書化されているが、哺乳類の胚を発達させる際の構造のイメージングは依然として困難である8,9,15。複雑な哺乳類組織中のサイトネムをその場で効果的にイメージングするためのハードルは、その薄くて壊れやすい性質であり、従来の固定方法による損傷を受けやすい8。我々は以前、培養細胞中のサイトネムを保存し、共焦点顕微鏡を用いた研究を可能にするために、改変電子顕微鏡固定剤(MEM-fix)のプロトコルを開発し、最適化していた16,17。
MEM固定技術の使用により、SHH誘導性サイトネム形成および機能に関与する分子のいくつかの同定が可能となった11、16、17。しかし、神経管パターニングの生理学的に関連する文脈におけるこれらの知見の確認は、マウス胚組織を固定および画像化する新規技術の開発を必要とした。ここでは、サイトネムの完全性を維持し、共焦点解析のための免疫染色およびその後の胚組織の切片化を可能にする方法でマウス胚を固定するプロトコルを概説する。このプロトコルは、発達中の神経管内のSHH産生細胞からの膜延長を標識するために、膜連結緑色蛍光タンパク質(GFP)を使用して開発された。このプロトコルの実施は、哺乳類系の開発におけるサイトネムの有病率と重要性に関する未回答の疑問に対処する。
このプロトコルは、高解像度蛍光顕微鏡検査のために胚組織切片中の繊細なサイトネムの保存のために開発されました。今日まで、さまざまなモデル生物の組織中のサイトネムの可視化は、生きた組織イメージングを用いた蛍光標識タンパク質の異所性発現に大きく依存してきました。残念なことに、蛍光標識されたライブイメージングの使用は、内因性に発現されたタンパク質の分析にはほとんど役に立たず、時間の制約をもたらす可能性があり、特殊なイメージング段階および顕微鏡を必要とする。ここで説明する染色およびセクショニング法は、サイトネムおよび他の細胞伸長を保存して、内因性に発現されたタンパク質の最終的な検出のための免疫組織化学を可能にする。この技術は、形態素が 生体内で 異なる組織間でどのように輸送されるかについての新しい洞察を促進し、サイトネムを研究することができるモデル系の範囲を広げる。
このプロトコルは、全面マウント染色およびビブラトーム厚切片化を使用しており、グリセロールなどの平衡化溶液またはスクロースなどの凍結保護剤溶液の使用を回避します。これは、細胞伸長の最大保存を可能にするために、切片化された組織の取り扱いを最小限に抑えることを目的としています。切片化後の組織の取り扱いの減少は、サイトネムの全体的な保存において一貫してより良い結果をもたらした。したがって、胚の切片化は、イメージング前の最終ステップの1つである。
培養細胞のサイトネムの保存のために開発された固定技術であるMEM-fixは、グルタルアルデヒドとPFAの組み合わせで構成されており、生の細胞構造の改善された3D保存を可能にし、それらの生きた寸法に匹敵する16,17。残念なことに、グルタルアルデヒドは自己蛍光を発し、高いタンパク質架橋活性のために細胞内の抗体浸透およびエピトープ結合を厳しく制限するため、MEM固定は胚固定には役に立たなかった22,23。したがって、PFA固定条件後の切片化プロトコルは、胚組織における細胞伸長の保存を可能にするように最適化された。PFAは胚組織におけるサイトネム様伸展を保存することができるが、画像解析は注意して行うべきである。PFAは、個々の細胞および組織の部分的な脱水を引き起こし、軽度の体積減少および固定組織内の小さな細胞外空間の形成をもたらし得る。
このプロトコールは、スクロースまたはグリセロール溶液が組織24の軽度の再飽和を引き起こし得るので、凍結保護および組織透明化のためのスクロース再飽和の余分なステップを回避する。結果として生じる軽度の腫脹は、固定された細胞伸長および細胞間および組織間を移動するサイトネムを破壊する可能性がある。これは、厚切片ビブラトームをクライオスタット切片と比較すると明らかでした。組織厚の増加は無傷のサイトネムの保存を改善したが、スクロース再飽和クライオスタット切片は一貫して検出可能なサイトネムの発生率が低かった。
このプロトコルの最適化により、厚さ100μmの切片が無傷のサイトネムの保存を確実にするために最適であることが明らかになりました。ほとんどの共焦点顕微鏡は、25をクリアすることなく、〜20〜40μmの深さまでの細胞拡張を視覚化するのに十分な解像度でしかイメージングできないため、より薄い切片がイメージングに一般的に使用されます。しかし、薄い切片を切断する際に刃から胚細胞に加えられる機械的力および歪みは、サイトネムを破壊する。より厚い切片は、組織内の無傷の延長を維持しながら、断面内の深さのより大きな領域を可能にする。さらに、より厚い切片を使用することで、取り扱いが容易になり、組織切片の過度の折り畳みや座屈を防ぐことができます。
このプロトコルは、E8-10.5マウス胚の組織におけるサイトネムの最大の保存のために最適化された。切片化後の組織の最小限の操作は、サイトネムの全体的な保存を一貫して改善した。サイズおよび組織の複雑さの増加のために、後の発達段階および成人組織切片に技術を適応させるために、さらなる最適化が必要になる可能性が高い。これには、切片化とそれに続く免疫蛍光染色が必要です。このような組織は、サイトネム様伸長を保存するために、追加のクリアリングステップおよび切片化中の組織取り扱いの適応を必要とする場合がある。これらの追加手順は、このプロトコルの将来のアプリケーションのために考慮され、対処される必要があります。
The authors have nothing to disclose.
画像は、セントジュード小児研究病院の細胞および分子生物学イメージングコアによって維持されている顕微鏡を使用して取得されました。マウス株はJAXから入手した。この研究は、国立衛生研究所の助成金R35GM122546(SKO)とセントジュード小児研究病院のALSACによって支援されました。
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 |