体节形成是有节奏的发育过程,从而在空间型态脊椎动物胚胎的体轴。以前,我们开发了使用荧光记者观察环状基因,推动这一进程的转基因斑马鱼线。在这里,我们培养从这些线和图像的振荡时间的推移在体外分散细胞。
分割是在脊椎动物中的周期性和顺序形态发生过程。这个节奏形成组织的块称为体节沿身体轴线是遗传振荡器图案胚胎发育的证据。在斑马鱼中,细胞内的时钟驱动的分割是由组织成负反馈回路的她/住户开支统计调查的转录因子家族的成员。我们最近生成的环状基因HER1该概括振荡在presomitic中胚层(PSM)的空间-时间模式的转基因荧光报告线路。使用这些线,我们开发了一种在体外培养系统,它允许单个孤立的PSM细胞内的分割时钟振荡的实时分析。从转基因胚胎去除PSM组织,然后从振荡区域到玻璃底菜的分散细胞,我们产生适于荧光信号从延时成像培养个人生物钟细胞。这种方法提供了实验和概念框架的直接操纵分割时钟以前所未有的单细胞分辨率,允许其细胞自治和组织级属性加以区别和解剖。
周期性形成沿脊椎动物体轴或体节形成段的,是一种空间和时间振荡器在胚胎发育的证据。青睐的机制控制体节形成是由一个“时钟和波前”的模式1,其中“钟”组成细胞的振荡器,现在认为是细胞内由一组环状基因2的有节奏的表达驱动,列举了形成概念描述的体节从presomitic中胚层(PSM)。随着胚胎发育,在PSM一个成熟的“波前”演唱会中与移动朝后的回归组织,减缓和逮捕细胞振荡器,因为它传递3。一起,这时空方式动态系统被称为分割时钟。目前的方法来研究分割时钟跨度组织三个层次增加从基因振荡器在单细胞局部耦合次在细胞和最后到的位置信息在集体PSM组织4全球监管之间发生。
以往的研究表明在斑马鱼的细胞自主分割振荡器由基因和蛋白质的产品从她/ HES转录factorfamily,这被认为是通过转录抑制5-7以形成负反馈回路。三角洲/ Notch信号通路同步邻近细胞之间振荡和调节人口的8-10集体经济时期。在tailbud产生FGF信号分子似乎建立在整个斑马鱼PSM的梯度,并由此推测有助于在前11趋缓和逮捕振荡细胞。到现在为止,这些分子在体节形成中的功能作用进行了研究基因突变,吗啉注射液,热休克过度表达,并拮抗药珍稀tment时钟部件和细胞5,7,10,12之间的信令。使用这些扰动,分割时钟功能已推断从体节缺陷的组织级别描述与均匀振荡的循环基因像HER1,her7,和 delta表达的损失C。然而,几乎所有这些数据都是从固定的胚胎,并不能准确地捕捉所固有的分割时钟的动态函数的变化。最近,多胚胎延时成像揭示具有改变振荡器的周期的第一个突变体,但这些观察结果也使在组织水平7,13。因此,体节形成过程中假设的细胞自主振荡器的行为没有被观察到。
体节形成的静态快照给一个不完整的情况,因为,本质上,这个过程是由一个振荡系统驱动。在小鼠和鸡胚细胞早期的工作表明,转录本水平和蛋白质兴衰,但取样约2小时振荡每30或45分钟一定限制收集到的数据,因此可以得出14,15的结论。研究其他生物振荡器,最值得注意的是,生物钟,已经远离基因和蛋白表达的阶段性测量,使用荧光灯和发光记者16,17实时监控。这些工具对于展示单细胞18时钟性能是必要的。该HES1基因循环的生物发光性报告已经制定并简要特征单一的鼠标PSM细胞19。平均周期和方差计算了一个小数目的细胞,显示出振荡持续几个周期体外 。然而,这些研究并没有定量地解决振荡器的频率和振幅的稳定性和鲁棒性,细胞是否能自发地进入或退出振荡以及如何将细胞维持其相位关系。此外,在胚胎上发现的细胞自主的时钟信号分子的影响并未直接测试。因此,单细胞振荡器的这些基本性能保持完全陌生的。
我们最近开发利用BAC重组工程20驱动金星(YFP)荧光HER1表达30记者转基因鱼线。这样的行利用完整的染色体位点中,它们被嵌入和概括的时空动态和HER1空间格局的监管线索。这一突破使得基因表达的体内显像斑马鱼胚胎的实时监控。为了研究细胞自主振荡的基本性质和如何这样表达的调节时间的推移,我们最近开发出一种可靠的方法,从PSM细胞在体外分离和记录。这个原山坳介绍了我们如何利用我们的转基因报告线产生分散的细胞培养,从中我们可以在单细胞表征斑马鱼分割时钟的振荡。我们可以借此解决该领域悬而未决的问题是,不是用静态或组织层面的分析访问,以及直接与信号分子和抑制剂操纵分割时钟在单细胞水平。
为了研究细胞过程,发生过胚胎发育过程中,生物学家通常使用的方法,在整个胚胎的上下文中。然而,要充分了解单细胞发育的时间框架内的行为,方法,研究和扰乱单个细胞的隔离也是非常有益的。通过生成PSM分散细胞培养使用转基因斑马鱼胚胎,我们现在要直接研究基因振荡的分割时钟的细胞自主性的定量方法的工具。有可能根据各种条件来测量在我们的荧光报道在数百个细胞的振荡的动力学。
单细胞的培养物所观察到的周期比在完整胚胎的体节形成期更长。我们观察到,在培养一个完整的PSM外植体也表现出较慢的振荡比完整胚(数据未显示),表明THA吨分离的细胞中观察到的长周期不只是由于从分散的损害。可变周期和振幅在我们的大多数单细胞时间序列的观察。这种变异的来源是未知的,但应该揭示分割时钟的节奏,使得电路的重要细节。
通过这种方法,我们可以学习分割在细胞水平上被挑战,研究在整个胚胎的遗传成分,和地址的问题。例如,通过控制加入在胚胎发育到我们的文化中找到已知的信号分子,我们可以审视自己在一个强大的和可重复的检测单PSM细胞振荡器的影响。我们的PSM培养体系打开大门的哪些因素,单独或结合,促进这些细胞振荡严格的评估,哪些因素抑制这些振荡,并测试这些分子之间的相互作用。有了这些工具,我们的目标是评估体节形成的那些基于公开的组织层次数据,以及在单个细胞中使用的结果来生成可以在整个胚胎被测试的预测现有模型。
据我们所知,这是第一个斑马鱼原代细胞培养协议,用于荧光单细胞急性延时录制;这个协议的进一步发展和完善是毫无疑问的可能。其他的协议经常使用斑马鱼胚胎生成可被转染与记者和用于长期成像27-29的稳定细胞株。而稳定的线成像,是不依赖于发展的时机,如生物钟的过程非常有用,胚胎分割的问题,必须立即成像,而细胞仍处于振荡,祖状态。一旦细胞停止振荡,他们承担了分化细胞的命运,而当在组织,将纳入一个体节。这是宝ssible,与右因子或本体外的因素,我们可以生成PSM状斑马鱼细胞培养系,将保持振荡,使显著较长期观察,多个连续的扰动,或高通量筛选。
我们预计,准备分散细胞的原代培养的时间推移成像的这种方法非常适合于发生发展的时间框架采用稳定的斑马鱼细胞系,是不是平易近人内的任何细胞过程的研究。不同的细胞类型从相应的转基因记者线条分明的发育阶段,或者通过剥离或通过流式细胞仪的分离胚胎分离后,可以提供起始细胞。的培养条件下,通过细胞的胚胎起源引导一些优化,可能需要。通过将这种灵活和敏感的协议与迅速增长的转基因斑马鱼的集合行,我们希望能促进体外发育生物学的方法,是相辅相成的经典遗传和胚胎的方法。
The authors have nothing to disclose.
这项工作是由欧洲分子生物学组织的长期奖学金(ABW)的支持,美国国家科学基金会国际博士后研究奖学金(ABW),马克斯·普朗克促进协会(ABW,DS,JS,ACO),一个直销倍增-BB金(AO),而根据欧盟第七框架计划STG-207634欧洲研究委员会(DS,ACO)。我们感谢拉维德赛对稿件有用的意见。我们还要感谢MPI-CBG蛋白表达的设施进行生产的斑马鱼Fibronectin1片段,在MPI-CBG鱼设施的工作人员进行维护和保养我们的鱼线和MPI-CBG光镜设施成像支持。
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Epifluorescence microscope | Olympus | Model: SZX16 | |
Epifluorescence microscope | X-cite Illumination | Series: 120Q | |
Dissection microscope | Olympus | Model: SZX12 | |
Fine forceps no. 55 | Fine Science Tools | 11295-51 | |
Glass transfer pipettes | Assistent | 567/2 | |
35 mm plastic petri dishes | Greiner | 627102 | |
60 mm plastic petri dishes | Greiner | 628102 | |
Sylgard polymer | SASCO | 266727 | |
Manipulation tools | Made in-house | For description of manipulation tools Ref. 22 | |
Microsurgical knife | World Precision Instruments | 500249 | |
L15 medium | Invitrogen | 57322 | |
Penicillin/streptomyocin | PAA | P11-010 | |
Fetal bovine serum | Invitrogen | 257322 | |
0.05% trypsin / 0.02% EDTA | PAA | L11-004 | |
Gel loading tips | Fisher Scientific | 253188 | |
Sigmacote | Sigma Aldrich | 254589 | |
Micropipette set | Gilson International | F167300 | |
Zebrafish Fibronectin1 70 kD fragment | MPI-CBG protein facility | Generated in-house from construct based on previously published work Ref. 23-25 | |
Glass bottom imaging dishes | Mattek (single well) | P35G-1.5-14-C | |
Glass bottom imaging dishes | Greiner (CellView -multi-well) | 262502 | |
E3 medium without methylene blue | Made in-house | From The Zebrafish Book, 5th Ed. Ref. 26 | |
Plastic transfer pipettes | Ratiolab | 260011 | |
Warner heating/cooling chamber | Warner Instruments | TC-324B/344B | |
EM-CCD camera | Andor | Model: iXOn 888 | |
Wide-field fluorescence microscope with Venus filter set | Zeiss | Model: Axiovert 200M | |
Wide-field fluorescence microscope with Venus filter set | NeoFluor 40x, NA 0.75 | ||
Wide-field fluorescence microscope with Venus filter set | Lumencor Light Engine | Model: Spectra X | |
Wide-field fluorescence microscope with Venus filter set | |||
Wide-field fluorescence microscope with Venus filter set | BrightLine HC 575/15 | F39-575 |