אנו מציגים פרוטוקול דו-חלקי המשלב הדמיה של סידן פלורסנט עם היברידיזציה באתרו, ומאפשר לניסויים לתאם דפוסים של פעילות הסידן עם פרופילי ביטוי גנים ברמה של תא אחד.
פעילות סידן תאיים הספונטנית ניתן לצפות במגוון של סוגי תאים והוא מוצע לשחק תפקידים קריטיים במגוון של תהליכים פיזיולוגיים. בפרט, התקנה מתאימה של דפוסי פעילות הסידן במהלך embryogenesis הוא הכרחי עבור היבטים רבים של התפתחות עצבית בעלי חוליות, כולל הסגר שפופרת עצביים נכונה, synaptogenesis, ו-מפרט הנוירוטרנסמיטור. בעוד ההבחנה כי דפוסי הפעילות סידן יכול להיות שונה הן בתדר והן משרעת מציע מנגנון משכנע שבו הפלוסים האלה עשויים לשדר אותות מקודדים לתוך המטה ולווסת ביטוי גנים, קיים לגישות ברמת האוכלוסיה לא הייתה הדיוק הנחוצה כדי לבחון את האפשרות הזאת. יתרה מזאת, גישות אלה מגבילות את מחקרי התפקיד של האינטראקציות של תאי התא על-ידי כך שהיא מנעה את היכולת לקבוע את מצב ההגדרה העצבית בהיעדר מגע תאי התא. לכן, הקמנו זרימת עבודה ניסיונית שזוגות הדמיה של הזמן לפקיעה סידן של האקריות נוירואליות עצביים עם זריחה בתוך ההיברידיזציה באתרו, המאפשר קורלציה חד משמעית של דפוס הפעולה סידן עם מולקולרי פנוטיפ ברמה של תא בודד. הצלחנו בהצלחה להשתמש בגישה זו כדי להבחין ולאפיין דפוסים ספציפיים של פעילות הסידן הקשורים לתאי העצבים המבדילים ולתאים העצביים, בהתאמה; מעבר לכך, לעומת זאת, המסגרת הניסיונית המתוארת במאמר זה יכולה להתאים בקלות לחקירת מערכת יחסים בין פרופיל פעילות של סדרת זמן וביטוי של גנים או גנים מעניינים.
סידן ציטוסולג בחינם הוא קריטי למגוון של תהליכים ביולוגיים, החל התפשטות התא והגירה ל אפופטוזיס ו-הבחירה האוטומטית1,2,3. בתוך מסלולים אלה, סידן יכול להפעיל את השפעות הזרם על ביטוי הגנים על ידי אינטראקציה עם כריכת סידן תחומים כדי לגרום לשינויים שינויים לווסת את פעילות החלבון ואינטראקציות. לדוגמה, חיישן סידן עצבי הידוע בשם המטה אלמנט היריב מאפטור (DREAM) מוחזק בתוך היווצרות ביניים מחודש כאשר הוא כרוך על ידי סידן, ומונע ממנו לקיים אינטראקציה עם החלבון שלה ומטרות ה-DNA4. מעבר לשרת כמו מולקולה איתות פשוט, עם זאת, האופי הדינמי של מעבר סידן תאיים מאפשר דפוסי הפעילות הללו כדי לקודד משרעת מורכבים יותר-או מבוססי תדר מסוג5,6. טרנסלוקציה גרעינית של מקדם התמלול גורם גרעיני של T-תאים מופעלים (NFAT) מוגברת על ידי תנודות סידן בתדר גבוה אך מעוכבים על ידי תנודות בתדר נמוך7. בסדר, העבודה האחרונה הציעה כי NFAT עשוי בעצם להגיב על חשיפה לסידן מצטבר8. שניהם קלסנורים ו-Ca2 +/calמודוליני-התלות חלבון קינאז II (camkii) גם להפגין תגובות ברורים ארעיות סידן של תדר ספציפי, משך, או משרעת9. כדי להוסיף רמה נוספת של מורכבות רגולטוריות, מודלים חישוביים מצביעים על כך שרבים מהחלבונים בזרם הסידן הופכים להיות פחות מותנים בשכיחות התגובה לנוכחות או להעדר המתחרים המחייבים10,11.
בתוך מערכת העצבים המתפתחת, שני מחלקות עיקריות של התנהגויות פעילות הסידן הוגדרו וקשורים בתהליכים ביולוגיים ספציפיים. השפעה סידן מסווגים כמו “קוצים” אם הם מתרחשים בתוך תאים בודדים, להגיע לעוצמת שיא של ~ 400% של בסיסית בתוך חמש שניות, ומוצג מעריכי הדעיכה כפולה12. סוג זה של אות משויך בעיקר עם הנוירוטרנסמיטר פנוטיפ מפרט13. לעומת זאת, “גלים” מוגדרים איטית יותר, מעבר סידן קיצוניים שבהם ריכוז הסידן התאיים של התא עולה ל ~ 200% של הבסיס לאורך תקופה של שלושים שניות או יותר, ולאחר מכן מדקנת על פני מספר דקות12. אותות אלה מופצים לעתים קרובות על פני תאים שכנים מרובים, ונוכחותם היתה קשורה neurite מוצלח ו התפשטות התא14,15. עם זאת, למרות ששני כיתות אלה הוגדרו על בסיס פרופילים קינטית אופייניים, זה נשאר ברור בדיוק אילו מאפיינים של דפוסים אלה מזוהים למעשה על ידי תאים ומתורגם על ידי המטה במורד.
הבנת הקשר בין תנודות הסידן התאיים וביטוי הגנים יספקו תובנה מכרעת לאחד ממנגנוני הרגולציה המבטיחה פיתוח מתאים והבנת מערכת העצבים. למטרה זו, מחקרים של חוט השדרה העובריים הוכיחו כי מוגברת הפעילות ספייק הסידן במהלך הפיתוח קשורה לרמות גבוהות יותר של נוירונים מעכבות, בעוד ירידה בפעילות הסידן משויך רמות גבוהות יותר של נוירונים מרגש13. עם זאת, מאמר זה ברמת האוכלוסייה לא שימשו כדי לשייך פעילות סידן עם ביטוי גנטי ברמה של תא בודד.
מתקרבים לשאלות אלה ברמה של תא בודד מציע מספר יתרונות ברורים על פני העבודה הקודמת. עבור אחד, היכולת להעריך את פעילות הסידן ואת הביטוי הגנטי בתאים רבים בנפרד מאפשר את הרפרטואר המלא של דפוסי הפעילות ברורים להיות נצפתה מבלי לערפל על ידי מדידה ברמה גורפת. בנוסף, לימוד מערכות יחסים אלה בתוך התרבות הראשית של התא היחיד פירושו כי הקישורים האוטונומית התאים בין פעילות הסידן לבין ביטוי הגנים יישמרו, בעוד שאינטראקציות הדורשות תקשורת תא תא תהיה מתועבנה. לפיכך, גישה זו מאפשרת לחקור את המנגנונים האוטונומית האלה בבידוד. עם זאת, היא גם מאפשרת את תפקידה של פעילות הסידן האוטונומית הבלתי-תאית להיות מובהר ונחקר. לדוגמה, ניתן לגזור את התאים מעובר בשלב הלוחית העצבית, שהוא מתורבת עד שולט האחים להגיע לשלב הצינור העצבי, ולאחר מכן בהשוואה לתאים שנעשו טריים מעובר בשלב העצבי-שפופרת. הדבר מאפשר השוואה ישירה בין התאים ששמרו על תקשורת תא תא לאורך תקופה התפתחותית מרכזית לאלה שבהם בוטלה תקשורת תא תא.
בשאיפה להתמודד עם מגבלות הגישות הנסיוניות הקודמות, פיתחנו פרוטוקול שיאפשר הערכה של פעילות הסידן והביטוי הגנטי בתאי מחולל קדמון בודדים, המאפשרים התאמה של דפוסי פעילות ספציפיים עם תוכניות בידול עוקבות. הרקמה העצבית הייתה מבועלת בשלבים שונים של התפתחות עצבית, והיא הפכה לתאים בודדים, והפכה באמצעות מיקרוסקופיה קונפוקלית בנוכחות מחוון סידן פלורסנט. בעקבות הדמיה של תא חי, הדגימות היו קבועות ומובחנות באמצעות היברידיזציה באתרו (דג) כדי לזהות ביטוי של גן או איזוצורה של ריבית. מעבר לכך, ניתן לעקוב אחר תאים בודדים בשני ניסויי דימות, כלומר, פרופיל פעילות הסידן של התא ורמת ביטוי הגנים שלו יכולים להיות משויכים זה לזה (איור 1). הפרוטוקול המדווח כאן נועד לחקור את היחסים בין דפוסי הפעולה סידן וביטוי גנים על פני התפתחות נוירופוס מתחלקים ב xenopus זריזה. עם זאת, המסגרת הניסיונית רחבה יותר (הדמיה בודדת של תא בזמן, ובעקבות הרישום של הדגים והתמונה) ניתן לשנות ולהחיל כמעט כל סוג תא, כתבת פלורסנט, וגנים של עניין.
דפוסים אופייניים של פעילות הסידן נצפו בתאים העושים את מערכת העצבים המתפתחת, עם סוגים ספציפיים של פעילות הקשורים תהליכים נוירוהתפתחותיים ברורים. עם זאת, הבנה נוספת של מנגנונים שבהם מידע זה דפוסי פעילות צפופה מתורגמים לתגובות הטרנססקריפט דורש מידע על פעילות הסידן ביטוי גנים להיות נאסף עם רזולוציה תא בודד. בעוד מערכות שהפגין פעילות הסידן סטריאוטיפית, כגון נוירונים בוגרים, יכול להיות מתוח באופן סביר ברמה גורפת, דפוסים חריגים המאפיינות את מערכת העצבים העובריים מוסווה בקלות על ידי הקלטות פחות מדויקות.
המסגרת הניסיונית שהוקמה בפרוטוקול זה ניתנת להתאמה בקלות למגוון רחב של סוגי תאים וכתבים פלורסצנט. רקמות המכילות כמעט כל סוג תא או שילוב של סוגי תאים ניתן לגזור מן האורגניזם מודל של עניין מצופה עבור הדמיה תא יחיד. בנוסף להתרת זיהוי תאים ובידוד ההשפעה של תהליכים מבוססי תא, גישה לתרבות התא הראשית מאפשרת לניסויים להגדיר רכיבי מדיה כרצונך. לדוגמה, ניסויים בהשוואת הפעילות של מקדים עצביים ב 2 מ”מ Ca2 + פתרון בוצעו כדי לחקור אם את היחסים בין תדר ספייק ו מעצבי הראש בחוט השדרה העובריים יכול להיות לכידה ללא השפעה של אינטראקציות תא תא13,20.
בעוד פרוטוקול זה ממנף את סמן פלורסנט Fluo4-AM כדי לזהות פעילות סידן תאיים, בהתאם לקריטריוני הבחירה, משתמשים יכולים לבחור סמנים מסחרית זמינים אחרים21, כולל מחווני סידן מקודד גנטית. באופן דומה, סמנים חלופיים יכול לשמש כדי לנטר שינויים דינמיים לריכוז של יון של עניין (כולל K+, Na+, ו zn2 +), ממברנה פוטנציאל, או pH סלולרי. ניתן לשנות את הגדרות ההדמיה ואת משך התמונה לפי הצורך.
למרות שאנו מתואמים את פעילות הסידן והפנוטיפ העצבי כיישום ספציפי, שיטה זו ישימה גם עבור מגוון רחב של תכונות סלולריות אחרות. למשל, הזריחה באתרו היברידיזציה ניתן לבצע עם בדיקות נגד כל גן של עניין, כולל הסמן העצבי צ’אט או הגורם שעתוק נחרה, המאפשר זיהוי רגיש של פאנל להתאמה אישית של מינים mRNA. בדיקה אלה יכול להיות מתוכנן כדי להיות הספציפי isoform, תמיכה ספציפיות ליעד נוסף במידת הצורך. דגים כפולים ניתן לבצע באמצעות הבדיקות מצובעות למספר שני fluorophores שונים, המאפשר הערכה סימולטני של הביטוי של גנים מרובים. עם זאת, השטיפות הנוספות הנדרשות על-ידי סוג זה של ניסוי משויכות לסיכוי מוגבר של אובדן או תנועה של תאים ודורשות ניסיון ועדינות להתבצע בהצלחה.
ללא קשר לשינויים ספציפיים לניסוי שבוצעו בפרוטוקול זה, קיימים מספר שלבים מרכזיים הדורשים תשומת לב מדוקדקת. הניתוח צריך להתבצע בזהירות כדי להסיר את כל הרקמות הממזהם או אוכלוסיות התאים; מכיוון שהמפנג המרחבי אובד כאשר האקסוצמחים ממונתק, כל התאים הנותרים מרקמות שכנות יהפכו להיות ביחד עם התאים המעניינים והזהים אותם. לאחר שתאים מצופים, יש לטפל בדגימות בעדינות ככל האפשר כדי למנוע את העובדה שתאים אינם ממקומם. והכי חשוב, משמעות הדבר היא כי כל השינויים בפתרון צריך להתבצע לאט ובזהירות, עם הפיפטה ממוקם בקצה הצלחת כאשר הפתרון הוא הוסר והוסיף. זה יבטיח כי תאים יכולים להיות מזוהים בביטחון הן בתמונות הסידן והדגים. אם התאים מופרנים במהלך העיבוד, ייתכן שיהיה בלתי אפשרי לזהות חלק מהתאים המתאימים או את כולם בין שתי התמונות. אנו מייעצים על הצד של זהירות עם משימות אלה, כך שרק תאים מקבילים באופן משמעי משמשים לניתוח נוסף.
בהתאם לשאלה הביולוגית הנדונה, מגוון של גישות ניתוח עשוי להיות מתאים. ניתן לעבד את פעילות הסידן של סדרת הזמן ולכמת אותה במגוון דרכים, בעזרת המערכת הכוללת גמישות בבחירת פרמטרים מסוג דה-מגמות, מדדי ניתוח ופרמטרי ניתוח (לדוגמה,% הסף הבסיסי המשמש להגדרת מדקר סידן). היחסים בין הסידן והרמה של ביטוי הגנים יכולים להיות מצוירים על ידי ניתוח ביטוי הגנים כערך מוחלט או זריחה יחסית שחולצו מתמונת הדג. לחילופין, היחסים בין הסידן וביטוי הגנים (נוכחות/היעדרות) יכול להיות מצויר על ידי הגדרת סף של זריחה עבור האות ביטוי גנים חיוביים והקצאת ‘ כן ‘ או ‘ לא ‘ מזהים לתאים בודדים. כמכלול, הסכימה הניסיונית הזאת מספקת צינור גמיש מאוד לאיסוף וניתוח ראשוני של נתוני סדרת הזמן בשילוב עם נתוני ביטוי הגנים התואמים לתא. ניסויים כאלה יהיה קריטי להבנת טוב יותר את היחסים המורכבים בין דינמיקה תאית לבין שינויים משתנים, כפי שניתן להבין על ידי זיהוי דפוסי הפעילות של הסידן אופייני מעכבות ומרגש הנגזר המכריע של הדיכוי העצבי ב- Xenopus העובריים.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לוונדי הרבסט ו לינדזי שלייפר על תרומתם לפיתוח פרוטוקולים אלה. עבודה זו נתמכת על ידי מענקים מן המוסדות הלאומיים לבריאות (1R15NS067566-01, 1R15NS067566-01 ו-1R15NS067566-01) כדי 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 |