Vi presentiamo un protocollo in due parti che combina l’imaging fluorescente del calcio con l’ibridazione in situ, permettendo allo sperimentatore di correlare i modelli di attività del calcio con i profili di espressione genica a livello unicellulare.
L’attività spontanea del calcio intracellulare può essere osservata in una varietà di tipi di cellule e si propone di svolgere ruoli critici in una varietà di processi fisiologici. In particolare, un’adeguata regolazione dei modelli di attività del calcio durante l’embriogenesi è necessaria per molti aspetti dello sviluppo neurale dei vertebrati, tra cui una corretta chiusura del tubo neurale, sinaptogenesi e specifica del fenotipo del neurotrasmettitore. Mentre l’osservazione che i modelli di attività del calcio possono differire sia in frequenza che in ampiezza suggerisce un meccanismo interessante mediante il quale questi flussi potrebbero trasmettere segnali codificati agli effetti a valle e regolare l’espressione genica, gli approcci a livello di popolazione non hanno avuto la precisione necessaria per esplorare ulteriormente questa possibilità. Inoltre, questi approcci limitano gli studi sul ruolo delle interazioni cellula-cellula precludendo la capacità di valutare lo stato della determinazione neuronale in assenza del contatto tra cellule. Pertanto, abbiamo stabilito un flusso di lavoro sperimentale che associa l’imaging di calcio time-lapse di esplants neuronali dissociati con un analisi di ibridazione di situ a fluorescenza, consentendo l’inequivocabile correlazione del modello di attività del calcio con fenotipo a livello di cella singola. Siamo riusciti a utilizzare questo approccio per distinguere e caratterizzare specifici modelli di attività del calcio associati rispettivamente alla differenziazione delle cellule neurali e delle cellule progenitrici neurali; al di là di questo, tuttavia, il quadro sperimentale descritto in questo articolo potrebbe essere facilmente adattato per studiare le correlazioni tra qualsiasi profilo di attività di serie temporali e l’espressione di un gene o geni di interesse.
Calcio citosolico libero è fondamentale per una varietà di processi biologici, che vanno dalla proliferazione cellulare e la migrazione all’apoptosi e autofagia1,2,3. All’interno di queste vie, il calcio può esercitare effetti a valle sull’espressione genica interagendo con i domini che legano il calcio per indurre cambiamenti conformazionali che modulano l’attività e le interazioni delle proteine. Ad esempio, un sensore di calcio neuronale noto come downstream Regulatory Element Antagonist Modulator (DREAM) è tenuto in una conformazione intermedia spiegata quando legato dal calcio, impedendogli di interagire con la sua proteina e DNA bersagli4 . Oltre a fungere da semplice molecola di segnalazione, tuttavia, la natura dinamica dei transitori intracellulari del calcio consente a questi modelli di attività di codificare segnali più complessi basati sull’ampiezza o sulla frequenza5,6. La traslocazione nucleare del fattore di trascrizione del fattore nucleare delle cellule T attivate (NFAT) è potenziata da oscillazioni di calcio ad alta frequenza, ma inibita da oscillazioni a bassa frequenza7. Convincente, recenti lavori hanno suggerito che NFAT potrebbe effettivamente rispondere all’esposizione cumulativa al calcio8. Anche la calcineurina elaproteina cinziana iI (CaMKII) mostrano risposte distinte ai transitori di calcio di una frequenza, durata o ampiezzaspecifica 9. Per aggiungere un ulteriore livello di complessità normativa, i modelli computazionali suggeriscono che molte proteine leganti il calcio a valle diventano più o meno dipendenti dalla frequenza in risposta alla presenza o all’assenza di concorrenti vincolanti10,11.
All’interno del sistema nervoso in via di sviluppo, due classi principali di comportamenti di attività del calcio sono state definite e associate a processi biologici specifici. L’afflusso di calcio è classificato come “spikes” se si verificano all’interno di singole cellule, raggiungono un’intensità di picco di -400% della linea di base entro cinque secondi e presentano un doppio decadimento esponenziale12. Questo tipo di segnale è associato principalmente con neurotrasmettitore fenotipo specifica13. Al contrario, le “onde” sono definite come transitori di calcio più lento e meno estremo in cui la concentrazione di calcio intracellulare di una cellula sale al 200% della linea di base per un periodo di trenta secondi o più, poi decade per diversi minuti12. Questi segnali spesso si propagano tra più cellule vicine, e la loro presenza è stata associata con escrescenza neurite e proliferazione cellulare14,15. Tuttavia, anche se queste due classi sono state definite sulla base di profili cinetici caratteristici, non è chiaro esattamente quali caratteristiche di questi modelli vengono effettivamente rilevate dalle cellule e tradotte dagli effetti a valle.
Comprendere la relazione tra oscillazioni intracellulari del calcio ed espressione genica fornirebbe una visione cruciale di uno dei meccanismi regolatori che garantisce uno sviluppo e un modello appropriati del sistema nervoso. A tal fine, studi del midollo spinale embrionale hanno dimostrato che l’aumento dell’attività del picco di calcio durante lo sviluppo è associato a livelli più elevati di neuroni inibitori, mentre la diminuzione dell’attività del picco di calcio è associata a livelli più elevati di neuroni eccitatori13. Tuttavia, questi saggi a livello di popolazione non sono stati utilizzati per associare l’attività del calcio all’espressione genica a livello di singola cellula.
L’approccio a queste domande a livello della singola cella offre diversi vantaggi distinti rispetto al lavoro precedente. Per uno, la capacità di valutare l’attività del calcio e l’espressione genica in molte cellule individualmente consente di osservare il repertorio completo di modelli di attività distinti senza essere offuscato da una misurazione a livello di massa. Inoltre, lo studio di queste relazioni nella coltura primaria a cella singola significa mantenere i collegamenti cellulare-autonomi tra l’attività del calcio e l’espressione genica, mentre le interazioni che richiedono la comunicazione cellulare-cellula saranno abrogate. Pertanto, questo approccio consente di studiare questi meccanismi autonomi delle cellule in isolamento. Tuttavia, permette anche di chiarire e interrogare il ruolo dell’attività del calcio non cellulare-autonoma. Ad esempio, le cellule possono essere sezionate da un embrione nella fase della piastra neurale, coltivate fino a raggiungere lo stadio del tubo neurale e quindi confrontate con le cellule che sono state appena sezionate da un embrione di tubo neurale. Ciò consente il confronto diretto delle cellule che mantengono la comunicazione cellulare-cellula attraverso un periodo di sviluppo chiave a quelli in cui la comunicazione cellulare-cellula è stata abolita.
Nel tentativo di affrontare i limiti di precedenti approcci sperimentali, abbiamo sviluppato un protocollo che consentirebbe la valutazione dell’attività del calcio e dell’espressione genica nelle singole cellule progenitrici neurali, facilitando la correlazione di modelli di attività specifici con i successivi programmi di differenziazione. Il tessuto neurale è stato sezionato da Xenopus laevis in varie fasi dello sviluppo neurale, dissociato in singole cellule e immaginato tramite microscopia confocale in presenza di un indicatore di calcio fluorescente. Dopo l’imaging a cellule vive, i campioni sono stati fissati e analizzati tramite l’ibridazione in situ (FISH) di fluorescenza in situ per rilevare l’espressione di un gene o di un’isoforma di interesse. È importante sottolineare che le singole cellule possono essere monitorate attraverso entrambi gli esperimenti di imaging, il che significa che il profilo di attività del calcio di una cellula e il suo livello di espressione genica possono essere associati tra loro (Figura 1). Il protocollo qui riportato è destinato a sondare le relazioni tra i modelli di attività del calcio e l’espressione genica attraverso il neurosviluppo embrionale in Xenopus laevis. Tuttavia, il quadro sperimentale più ampio (imaging a percorso temporale a cella singola seguito da FISH e coregistrazione dell’immagine) può essere modificato e applicato praticamente a qualsiasi tipo di cellula, reporter fluorescente e gene di interesse.
Sono stati osservati modelli caratteristici di attività del calcio nelle cellule che compongono il sistema nervoso in via di sviluppo, con tipi specifici di attività associati a processi di neurosviluppo distinti. Tuttavia, un’ulteriore comprensione dei meccanismi con cui questi modelli di attività ad alta densità di informazioni sono tradotti in risposte trascrizionali richiede che le informazioni sull’attività del calcio e sull’espressione genica vengano raccolte con la risoluzione di una singola cellula. Mentre i sistemi che presentano un’attività di calcio più stereotipata, come i neuroni maturi, possono essere ragionevolmente saggiati a livello di massa, i modelli irregolari che caratterizzano il sistema nervoso embrionale sono facilmente mascherati da registrazioni meno precise.
Il quadro sperimentale stabilito in questo protocollo è facilmente adattabile a un’ampia varietà di tipi di cellule e reporter fluorescenti. I tessuti contenenti praticamente qualsiasi tipo di cellula o combinazione di tipi di cellule possono essere sezionati da un organismo modello di interesse e placcati per l’imaging a singola cellula. Oltre a consentire l’identificazione delle cellule e l’isolamento dell’effetto dei processi cell-autonomi, un approccio primario di coltura cellulare consente allo sperimentatore di definire i componenti multimediali come desiderato. Ad esempio, sono stati effettuati esperimenti che confrontano l’attività dei precursori neuronali nella soluzione 2 mM Ca2 per studiare se le relazioni tra la frequenza dei picchi e il fenotipo del neurotrasmettitore nel midollo spinale embrionale possano essere riassunte senza l’influenza delle interazioni cellula-cellula13,20.
Mentre questo protocollo sfrutta il marcatore fluorescente Fluo4-AM per rilevare l’attività del calcio intracellulare, a seconda dei criteri di selezione, gli utenti possono selezionare altri marcatori disponibili in commercio21, compresi gli indicatori di calcio codificati geneticamente. Allo stesso modo, i marcatori alternativi potrebbero essere utilizzati per monitorare i cambiamenti dinamici alla concentrazione di uno ione di interesse (tra cui K,Na, e n2) , potenziale di membrana, o pH cellulare. Le impostazioni di imaging e la durata dell’immagine possono essere modificate in base alle esigenze.
Anche se abbiamo correlato l’attività del calcio e il fenotipo neuronale come applicazione specifica, questo metodo è applicabile anche per una varietà di altre proprietà cellulari. Ad esempio, la fluorescenza nell’ibridazione situ può essere eseguita con sonde contro qualsiasi gene di interesse, incluso il marcatore neuronale ChAT o il fattore di trascrizione Engrailed, consentendo il rilevamento sensibile di un pannello personalizzabile di specie di mRNA. Queste sonde possono essere progettate per essere specifiche dell’isoformazione, supportando ulteriori specificità di destinazione, se lo si desidera. Double FISH può essere eseguito utilizzando sonde coniugate a diversi due fluorofori diversi, consentendo la valutazione simultanea dell’espressione di più geni. Tuttavia, i fusti aggiuntivi richiesti da questo tipo di esperimento sono associati a una maggiore probabilità di perdita o movimento cellulare e richiedono esperienza e delicatezza per essere eseguite con successo.
Indipendentemente dalle modifiche specifiche dell’esperimento apportate a questo protocollo, esistono diversi passaggi chiave che richiedono un’attenta attenzione. Le dissezioni devono essere eseguite con cura per rimuovere tutti i tessuti contaminanti o le popolazioni cellulari; poiché il patterning spaziale viene perso quando gli espianti sono dissociati, tutte le cellule rimanenti dai tessuti vicini saranno intervallate e indistinguibili dalle cellule di interesse. Dopo che le cellule sono placcate, i campioni devono essere maneggiati nel modo più delicatamente possibile per evitare che le cellule vengano slostate. Ancora più importante, questo significa che tutte le modifiche alla soluzione devono essere eseguite lentamente e con attenzione, con la pipetta posizionata sul bordo della piastra quando la soluzione viene rimossa e aggiunta. Ciò garantirà che le cellule possano essere identificate con sicurezza sia nelle immagini di calcio che in immagini FISH. Se le celle vengono interrotte durante l’elaborazione, potrebbe essere impossibile identificare alcune o tutte le celle corrispondenti tra le due immagini. Consigliamo di escidare sul lato della cautela con queste assegnazioni, in modo che solo le cellule corrispondenti inequivocabilmente vengono utilizzate per ulteriori analisi.
A seconda della questione biologica affrontata, può essere appropriata una varietà di approcci di analisi. L’attività del calcio di serie temporali può essere elaborata e quantificata in diversi modi, con flessibilità di sperimentazione nella scelta dei parametri di de-trending, metriche di analisi e parametri di analisi (ad esempio, la percentuale della soglia di base utilizzata per definire un picco di calcio). Le correlazioni tra l’attività del calcio e il livello di espressione genica possono essere tratte analizzando l’espressione genica come valore di fluorescenza assoluta o relativa estratta dall’immagine FISH. In alternativa, è possibile tracciare correlazioni tra l’attività del calcio e l’espressione genica (presenza/assenza) definendo una soglia di fluorescenza per il segnale positivo di espressione genica e assegnando identificatori “sì” o “no” alle singole cellule. Nel complesso, questo schema sperimentale fornisce una pipeline incredibilmente flessibile per la raccolta e l’analisi preliminare dei dati delle serie temporali in combinazione con i dati dell’espressione genica con corrispondenza cellulare. Tali esperimenti saranno fondamentali per comprendere meglio le complesse relazioni tra la dinamica cellulare e i cambiamenti trascrizionali, come esemplificato dall’identificazione di modelli di attività del calcio caratteristici dei precursori neuronali inibitori ed eccitatori nei precursori neuronali embrionali Xenopus laevis.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo Wendy Herbst e Lindsay Schleifer per il loro contributo allo sviluppo di questi protocolli. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni dai National Institutes of Health (1R15NS067566-01, 1R15HD077624-01 e 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 |