Presentamos un protocolo de dos partes que combina imágenes fluorescentes de calcio con hibridación in situ, permitiendo al experimentador correlacionar patrones de actividad de calcio con perfiles de expresión génica a nivel de una sola célula.
La actividad espontánea del calcio intracelular se puede observar en una variedad de tipos de células y se propone desempeñar un papel crítico en una variedad de procesos fisiológicos. En particular, la regulación adecuada de los patrones de actividad del calcio durante la embriogénesis es necesaria para muchos aspectos del desarrollo neuronal de vertebrados, incluyendo el cierre adecuado del tubo neural, la sinaptogénesis y la especificación del fenotipo del neurotransmisor. Si bien la observación de que los patrones de actividad del calcio pueden diferir tanto en frecuencia como en amplitud sugiere un mecanismo convincente por el cual estos flujos podrían transmitir señales codificadas a los efectores aguas abajo y regular la expresión génica, enfoques a nivel de la población han carecido de la precisión necesaria para seguir explorando esta posibilidad. Además, estos enfoques limitan los estudios del papel de las interacciones células-células al excluir la capacidad de determinar el estado de la determinación neuronal en ausencia de contacto entre células. Por lo tanto, hemos establecido un flujo de trabajo experimental que combina imágenes de calcio de lapso de tiempo de explantes neuronales disociadas con un ensayo de hibridación in situ de fluorescencia, permitiendo la correlación inequívoca del patrón de actividad del calcio con el patrón molecular fenotipo en un nivel de una sola célula. Pudimos utilizar con éxito este enfoque para distinguir y caracterizar patrones específicos de actividad de calcio asociados con la diferenciación de células neuronales y células progenitoras neuronales, respectivamente; más allá de esto, sin embargo, el marco experimental descrito en este artículo podría adaptarse fácilmente para investigar correlaciones entre cualquier perfil de actividad de serie temporal y la expresión de un gen o genes de interés.
El calcio citosólico libre es fundamental para una variedad de procesos biológicos, que van desde la proliferación celular y la migración a la apoptosis y la autofagia1,2,3. Dentro de estas vías, el calcio puede ejercer efectos aguas abajo sobre la expresión génica interactuando con dominios de unión al calcio para inducir cambios conformacionales que modulan la actividad proteica y las interacciones. Por ejemplo, un sensor de calcio neuronal conocido como el modulador antagonista del elemento regulador descendente (DREAM) se mantiene en una conformación intermedia desdoblada cuando está unido por calcio, evitando que interactúe con sus objetivos de proteína y ADN4. Sin embargo, más allá de servir como una molécula de señalización simple, la naturaleza dinámica de los transitorios de calcio intracelular permite que estos patrones de actividad codifican señales más complejas basadas en amplitud o frecuencia5,6. La translocación nuclear del factor de transcripción nuclear de las células T activadas (NFAT) se ve reforzada por oscilaciones de calcio de alta frecuencia, pero inhibida por oscilaciones de baja frecuencia7. Con tende de ello, un trabajo reciente ha sugerido que NFAT puede responder a la exposición acumulativa al calcio8. Tanto la calcineurinacomola proteína quinasa II dependiente de La calmodulina /calmodulina II (CaMKII) también presentan respuestas distintas a los transitorios de calcio de una frecuencia, duración o amplitud9específicas. Para añadir un nivel adicional de complejidad regulatoria, los modelos computacionales sugieren que muchas proteínas de unión al calcio aguas abajo se vuelven más o menos dependientes de la frecuencia en respuesta a la presencia o ausencia de competidores de unión10,11.
Dentro del sistema nervioso en desarrollo, dos clases principales de comportamientos de actividad del calcio se han definido y asociado con procesos biológicos específicos. Las afluencias de calcio se clasifican como “picos” si se producen dentro de las células individuales, alcanzan una intensidad máxima del 400% de la línea de base en cinco segundos y presentan una doble decaimiento exponencial12. Este tipo de señal se asocia principalmente con neurotransmisor fenotipo especificación13. Por el contrario, las “ondas” se definen como transitorios de calcio más lentos y menos extremos en los que la concentración de calcio intracelular de una célula se eleva a 200% de la línea de base durante un período de treinta segundos o más, y luego se descompone durante varios minutos12. Estas señales a menudo se propagan a través de múltiples células vecinas, y su presencia se ha asociado con el crecimiento de neurita y la proliferación celular14,15. Sin embargo, aunque estas dos clases se han definido en función de perfiles cinéticos característicos, sigue sin estar claro exactamente qué características de estos patrones están siendo detectadas por las células y traducidas por los efectores descendentes.
Comprender la relación entre las oscilaciones de calcio intracelular y la expresión génica proporcionaría una visión crucial de uno de los mecanismos reguladores que garantiza el desarrollo y el patrón adecuados del sistema nervioso. Con este fin, los estudios de la médula espinal embrionaria han demostrado que el aumento de la actividad del pico de calcio durante el desarrollo se asocia con niveles más altos de neuronas inhibitorias, mientras que la disminución de la actividad del pico de calcio se asocia con niveles más altos de neuronas excitatorias13. Sin embargo, estos ensayos a nivel de población no se han utilizado para asociar la actividad del calcio con la expresión génica a nivel de una sola célula.
Abordar estas preguntas en el nivel de la celda única ofrece varias ventajas distintas sobre el trabajo anterior. Por un parte, la capacidad de evaluar la actividad del calcio y la expresión génica en muchas células individualmente permite observar el repertorio completo de patrones de actividad distintos sin ser ofuscado por una medición a granel. Además, el estudio de estas relaciones en el cultivo primario de una sola célula significa que se mantendrán los vínculos autónomos celulares entre la actividad del calcio y la expresión génica, mientras que las interacciones que requieran comunicación de células celulares serán abrogadas. Por lo tanto, este enfoque permite que estos mecanismos autónomos celulares se estudien de forma aislada. Sin embargo, también permite que el papel de la actividad de calcio no autónoma de las células sea esclarecido e interrogado. Por ejemplo, las células se pueden diseccionar de un embrión en la etapa de la placa neural, cultivadas hasta que los controles del hermano alcanzan la etapa del tubo neural y luego se comparan con las células que se han diseccionado recientemente desde un embrión en etapa del tubo neural. Esto permite la comparación directa de las células que retuvieron la comunicación de células celulares a través de un período clave de desarrollo con aquellas en las que se abolió la comunicación de células celulares.
Al tratar de abordar las limitaciones de los enfoques experimentales anteriores, desarrollamos un protocolo que permitiría evaluar tanto la actividad del calcio como la expresión génica en células progenitoras neuronales individuales, facilitando la correlación de patrones de actividad específicos con programas de diferenciación posteriores. El tejido neural se diseccionó de Xenopus laevis en varias etapas del desarrollo neuronal, se disociaba en células individuales e se imageó mediante microscopía confocal en presencia de un indicador de calcio fluorescente. Después de las imágenes de células vivas, las muestras se fijaron y analizaron mediante hibridación in situ por fluorescencia (FISH) para detectar la expresión de un gen o isoforma de interés. Es importante destacar que las células individuales se pueden realizar un seguimiento de ambos experimentos de diagnóstico por imágenes, lo que significa que el perfil de actividad de calcio de una célula y su nivel de expresión génica se pueden asociar entre sí(Figura 1). El protocolo aquí indicado está destinado a sondear las relaciones entre los patrones de actividad del calcio y la expresión génica a través del neurodesarrollo embrionario en Xenopus laevis. Sin embargo, el marco experimental más amplio (imágenes de curso de tiempo de una sola célula seguidas de FISH y el registro de imágenes) se puede modificar y aplicar a prácticamente cualquier tipo de célula, reportero fluorescente y gen de interés.
Se han observado patrones característicos de actividad cálcica en las células que componen el sistema nervioso en desarrollo, con tipos específicos de actividad asociados con procesos de neurodesarrollo distintos. Sin embargo, una mayor comprensión de los mecanismos por los cuales estos patrones de actividad de gran densidad de información se traducen en respuestas transcripcionales requiere que la información sobre la actividad del calcio y la expresión génica se recopile con resolución de una sola célula. Mientras que los sistemas que exhiben más actividad estereotipada del calcio, como las neuronas maduras, se pueden ensayo razonablemente a granel, los patrones irregulares que caracterizan el sistema nervioso embrionario se enmascaran fácilmente con grabaciones menos precisas.
El marco experimental establecido en este protocolo es fácilmente adaptable a una amplia variedad de tipos de células y reporteros fluorescentes. El tejido que contiene prácticamente cualquier tipo de célula o combinación de tipos de células se puede diseccionar de un organismo modelo de interés y chapado para imágenes de una sola célula. Además de permitir la identificación celular y aislar el efecto de los procesos autónomos de células, un enfoque de cultivo celular primario permite al experimentador definir los componentes de medios como desee. Por ejemplo, se han realizado experimentos que comparan la actividad de precursores neuronales en la solución de 2 mM Ca2+ para investigar si las relaciones entre la frecuencia de los picos y el fenotipo de neurotransmisores en la médula espinal embrionaria pueden recapitularse sin la influencia de las interacciones célula-célula13,20.
Si bien este protocolo aprovecha el marcador fluorescente Fluo4-AM para detectar la actividad de calcio intracelular, dependiendo de los criterios de selección, los usuarios pueden seleccionar otros marcadores disponibles comercialmente21,incluyendo indicadores de calcio codificados genéticamente. Del mismo modo, se podrían utilizar marcadores alternativos para monitorear los cambios dinámicos en la concentración de un ion de interés (incluyendo K+, Na+, y Zn2+),potencial de membrana o pH celular. La configuración de imágenes y la duración de la imagen se pueden modificar según sea necesario.
Aunque correlacionamos la actividad del calcio y el fenotipo neuronal como una aplicación específica, este método también es aplicable para una variedad de otras propiedades celulares. Por ejemplo, la hibridación in situ por fluorescencia se puede realizar con sondas contra cualquier gen de interés, incluyendo el marcador neuronal ChAT o el factor de transcripción Engrailed, permitiendo la detección sensible de un panel personalizable de especies de ARNm. Estas sondas se pueden diseñar para ser específicas de isoformas, soportando la especificidad de destino adicional si se desea. Double FISH se puede realizar utilizando sondas conjugadas con varios dos fluoróforos diferentes, permitiendo la evaluación simultánea de la expresión de múltiples genes. Sin embargo, los lavados adicionales requeridos por este tipo de experimento se asocian con una mayor probabilidad de pérdida o movimiento celular y requieren experiencia y delicadeza para realizarse con éxito.
Independientemente de las modificaciones específicas del experimento realizadas en este protocolo, hay varios pasos clave que requieren una atención cuidadosa. Las disecciones deben realizarse con cuidado para eliminar todos los tejidos contaminantes o las poblaciones celulares; debido a que el patrón espacial se pierde cuando los explantes se disocian, las células restantes de los tejidos vecinos se intercalarán e indistinguibles de las células de interés. Después de que las células estén chapadas, las muestras deben manipularse con la la forma más suave posible para evitar que las células se desalojen. Lo más importante es que esto significa que todos los cambios en la solución deben realizarse lenta y cuidadosamente, con la pipeta colocada en el borde de la placa cuando la solución se está retirando y agregando. Esto asegurará que las células se puedan identificar con confianza en imágenes de calcio y FISH. Si las celdas se interrumpen durante el procesamiento, puede ser imposible identificar algunas o todas las celdas correspondientes entre las dos imágenes. Aconsejamos erring en el lado de la precaución con estas asignaciones, de tal manera que sólo inequívocamente las células correspondientes se utilizan para el análisis posterior.
Dependiendo de la cuestión biológica que se trate, una variedad de enfoques de análisis pueden ser apropiados. La actividad de calcio en serie temporal se puede procesar y cuantificar de diversas maneras, con flexibilidad del experimentador a la hora de elegir parámetros de destendencia, métricas de análisis y parámetros de análisis (por ejemplo, el % del umbral de línea base utilizado para definir un pico de calcio). Las correlaciones entre la actividad del calcio y el nivel de expresión génica se pueden dibujar analizando la expresión génica como un valor de fluorescencia absoluto o relativo extraído de la imagen FISH. Alternativamente, las correlaciones entre la actividad del calcio y la expresión génica (presencia/ausencia) se pueden extraer definiendo un umbral de fluorescencia para la señal de expresión génica positiva y asignando identificadores de “sí” o “no” a células individuales. En su conjunto, este esquema experimental proporciona una canalización increíblemente flexible para la recopilación y el análisis preliminar de datos de series temporales junto con datos de expresión génica coincidentes con células. Tales experimentos serán críticos para comprender mejor las complejas relaciones entre la dinámica celular y los cambios transcripcionales, como lo ejemplifica la identificación de patrones de actividad de calcio característicos de los precursores neuronales con engorde inhibidor y excitatorio en Xenopus laevisembrionario.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Wendy Herbst y Lindsay Schleifer por sus contribuciones al desarrollo de estos protocolos. Este trabajo fue apoyado por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (1R15NS067566-01, 1R15HD077624-01 y 1R15HD096415-01) a 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 |