Le géant cilié, Stentor coeruleus, est un excellent système pour étudier la régénération et la guérison des plaies. Nous présentons des procédures pour établir des cultures de cellules de Stentor de cellules individuelles ou des fragments de cellules, induisant la régénération de cellules de coupe, chimiquement induisant la régénération de la bande de membranellar et appareil oral, imagerie et analyse des cellules régénération.
Les cellules doivent être capables de régénérer leurs pièces à récupérer des perturbations externes. Les unicellulaires ciliés Stentor coeruleus est un organisme d’excellent modèle pour étudier la cicatrisation et la régénération des cellules suivantes. Le génome de Stentor est devenu disponible récemment, ainsi que les méthodes de la biologie moléculaire moderne, tels que l’ARNi. Ces outils permettent d’étudier la régénération de cellules individuelles au niveau moléculaire. La première section du protocole couvre des cultures de cellules de Stentor établissant des cellules individuelles ou des fragments de cellules, ainsi que des directives générales pour le maintien des cultures de Stentor . Culture de Stentor en grande quantité permet l’utilisation des outils précieux comme la biochimie, séquençage et spectrométrie de masse. Les sections suivantes du protocole couvrent différentes approches pour induire la régénération à Stentor. Couper manuellement les cellules avec une aiguille de verre permet d’étudier la régénération des pièces de grandes cellules, tout en traitant les cellules avec saccharose ou urée permet d’étudier la régénération de structures spécifiques, situé à l’extrémité antérieure de la cellule. Une méthode d’imagerie des cellules régénératrices individuelles est fournie, ainsi qu’une rubrique pour la mise en scène et l’analyse de la dynamique de la régénération. L’ensemble du processus de régénération est divisé en trois étapes. En visualisant la dynamique de la progression d’une population de cellules à travers les étapes, l’hétérogénéité dans la distribution de la régénération est démontrée.
Les cellules ne sont pas simples sacs d’enzymes, mais plutôt très complexes machines dont les composants sont soigneusement mis à l’échelle à la bonne taille et disposés dans des positions bien définies. La morphogénèse des cellules individuelles représente un processus clé dans la cellule et de la biologie du développement, mais son mécanisme moléculaire est inconnu1,2. Alors que certaines des cellules ressemblent à des objets BLOB, organismes unicellulaires peuvent avoir extrêmement compliquées architectures, illustrées par les patrons corticales complexes chez les ciliés3,4.
Peut-être l’exemple le plus extrême d’une cellule très structurée est Stentor coeruleus, un géant eurytèles cilié vaguement apparenté à Tetrahymena et Paramecium. Stentor est 1 mm de long et est recouvert de plus de 100 bandes longitudinales de pigment bleu alternant avec des rangées de cils organisés par piles parallèles de rubans de microtubules qui courent le long de toute la cellule. La cellule est en forme de trompette (Figure 1), avec une bande de membranellar et un appareil oral (OA) à son extrémité antérieure et un pied qui s’adapte sur la cellule du substrat à son extrémité postérieure. En plus de la polarité de claire antéro-postérieur, la cellule montre également une structuration chirale distincte, tels que l’espacement entre les lignes ciliaires progressivement augmente dans le sens horaire. Cela se traduit par une discontinuité à l’intersection de la ligne plus étroite la ligne plus large et cette région de la surface cellulaire, connu comme le locus de contraste rayure, peut induire la formation de la deuxième série de structures de l’extrémité antérieure lorsque greffé sur une autre cellule5, ce qui en fait officiellement équivalent à organisateur de Spemann. Ainsi, tous les principaux processus de biologie du développement ont leurs analogues dans Stentor: axiation formation du patron et induction. Dans un embryon, ces processus sont conduits par des différences de destin entre différentes cellules, mais à Stentor, ils doivent être pilotées par des différences de destin entre les différentes régions au sein d’une seule cellule. Ce qui définit les différences entre les régions au sein de Stentor est un mystère.
Si une partie quelconque de Stentor est coupée, la pièce manquante de la cellule peut se régénérer pour produire une cellule normale en quelques heures. Si une cellule est coupé de moitié, ou même en très petits morceaux, chaque pièce se réorganise dans une cellule d’apparence normale mais en plus petite et restaure bonne proportionnalité entre cellule pièces6,7. Même de petits fragments, 1/64ème la taille de la cellule d’origine, sont capables de se régénérer dans une cellule petite mais normalement proportionnée et puis passer à la taille6. Stentor a ainsi présente une occasion unique d’étudier les mécanismes des organites taille mise à l’échelle et la cellule de régulation de la croissance en utilisant des méthodes chirurgicales qui sont généralement appliqués au niveau des tissus ou des organismes entiers.
Une des propriétés de Stentor qui lui permet de se régénérer d’un large éventail d’opérations chirurgicales est qu’elle contient un seul nodulées macronucleus (Figure 1) avec environ 50 000 copies du génome entier8. Tant qu’un fragment de cellule contenait au moins un nœud macronucléaire, il a la capacité de se régénérer complètement. Une autre propriété qui sous-tendent la capacité de régénération de Stentorest sa prodigieuse capacité de cicatrisation. Bien que plusieurs types de cellules sont capables de guérir leurs blessures9, Stentor est capable de récupérer d’une gamme extraordinaire de perturbations physiques. Un exemple de Stentor rétablissement après une perturbation radicale, ainsi que les méthodes de visualisation des flux cytoplasmique dans Stentor10 ont été rapportées. Ces méthodes permettent l’étude de l’effet de régénération comment blessant et suivantes de l’état physique du cytoplasme.
La taille énorme de stentor, la capacité de régénération extraordinaire et le fait qu’elle manifeste beaucoup des phénomènes du développement chez les embryons multicellulaires (tels que les organisateurs, axiation et structuration) a attiré de nombreux biologistes du développement au cours de le tournant du siècle dernier, dont Thomas Hunt Morgan7. Durant les années 50 et 60, les approches microchirurgicales face a montré un tableau saisissant des processus régénératifs et morphogénétiques dans cet organisme unicellulaire11. Toutefois, Stentor a été développé comme un système modèle de biologie moléculaire que récemment. Au cours des dernières années, le génome de Stentor a été séquencé et assemblé8, et la méthode pour perturber l’expression des gènes à l’aide d’Arni en se nourrissant était développé12.
Une des raisons que Stentor a été transformé en un organisme modèle pour la biologie moléculaire moderne seulement récemment était la difficulté de plus en plus de grandes cultures en raison de son long cycle de cellules (3 à 5 jours). Cependant, les méthodes modernes de génomiques et protéomiques nécessitent moins de matériel qu’ils ont utilisé pour, et le volume d’une seule cellule de Stentor est suffisant pour ces méthodes, même sans recourir à des méthodes ultrasensibles qui ont été développées pour l’analyse du single cellules qui sont plus petits que Stentor. L’article 1 du protocole détaille la procédure pour l’établissement d’une grande culture d’une seule cellule de Stentor . La même approche peut servir à établir une culture grande d’un fragment de cellules obtenue en coupant une cellule. Article 1er stipule également les lignes directrices pour le maintien des cultures saines de Stentor sur de longues périodes de temps. Article 2 du protocole prévoit la méthodologie induisant la régénération cellulaire en coupant les cellules manuellement avec une aiguille de verre. L’article 3 du protocole est dédié à deux méthodes d’induction de la régénération des structures de cellule spécifique (membranellar band et oral appareils) : traitant les cellules avec saccharose ou urée conduit à l’effusion de ces structures, suivies de leur régénération. L’article 4 du protocole détaille une méthode pour l’imagerie de cellules régénératrices individuelles sur de longues périodes de temps. L’article 4 se termine par la description des phases de régénération et de conseils sur l’analyse de la dynamique de la régénération.
Culture de Stentor présente un certain nombre de défis. Tout d’abord, pour réaliser des expériences qui nécessitent un grand nombre de cellules, il faut maintenir un grand nombre de cultures de Stentor , en tant que cultures devenus insalubres lorsque la concentration de Stentor dépasse 20 cellules/mL. Deuxièmement, les organismes qui peuvent contaminer les cultures de Stentor souvent divisent plus rapidement que Stentor et submergent la culture (un contaminant commun est rotifères). Ainsi, il est nécessaire d’inspecter la culture sous un microscope périodiquement et de supprimer les contaminants. Occasionnellement, une nouvelle culture doit être démarré à partir d’un petit nombre de cellules a sauvé manuellement d’une culture contaminée. Cela augmente le temps nécessaire pour maintenir les cultures saines de Stentor . Troisièmement, l’expansion une cellule unique dans une culture de 400 mL exige au moins un mois parce que Stentor cell cycle est de 3 à 5 jours. Quatrièmement, contrairement à d’autre modèle ciliés, Stentor rarement entrer dans la forme de kyste et ils ne peuvent pas être figés.
Un aspect important de la culture de Stentor est la sélection d’un organisme d’une alimentation appropriée. Diverses méthodes de culture de Stentor ont été décrites précédemment. L’un d’eux suggère d’utiliser du lait écrémé pour des bactéries de culture qui se nourrissent alors de Stentor. Cette technique est efficace dans la mise en culture de Stentor; application de techniques génomiques exige toutefois des échantillons purs pour éviter la confusion résultant de la génomique se lit d’organismes alimentaires non défini. En utilisant le protocole actuel, Stentor peuvent être cultivés en masse et, parce que leur nourriture, Chlamydomonas, a été séquencé, la présence de contamination génomique de l’Organization de nourriture peut être détectée et contrôlée pour. Pour des raisons inconnues, tartare dû reconstituer ses stocks en retournant à où il a trouvé Stentor avant. Avec le protocole actuel, nous avons pu garder de Stentor pour années.
Expériences de régénération avec Stentor sont généralement simples, mais il y a quelques détails essentiels à garder à l’esprit. En ce qui concerne l’article 2, coupe de Stentor dans la moitié des cellules peuvent être maîtrisées en quelques minutes. Maîtriser les procédures de microchirurgie plus avancées de Stentor peut exiger une semaine de pratique. Tout en effectuant un traitement de saccharose ou de l’urée (Section 3), si au début de l’imagerie, la plupart des cellules ont encore leurs bandes membranellar, augmenter le temps d’incubation de 10 à 30 s pour quand le traitement de saccharose est effectué ensuite. N’augmentez pas le temps de traitement de saccharose au-delà de 3 min d’incubation parce qu’elle se traduira par la mort des cellules.
Imagerie de Stentor régénération exige des méthodes pour les grosses cellules image sur de longues périodes de temps. La méthode d’imagerie, détaillée dans la Section 4 peut seulement être utilisée avec un microscope vertical. Si un microscope inversé est disponible au lieu de cela, des cellules peuvent être placés sur une diapositive ou une lamelle couvre-objet en petites chambres. Une méthode consiste à créer une chambre de gelée de pétrole et de la couverture avec une autre lamelle couvre-objet pour éviter l’évaporation. Par ailleurs, une chambre pour une cellule individuelle peut être faite en faisant un trou avec un poinçon de trou de la taille souhaitée en 1 x 1 cm2 carrés de l’entretoise de silicium (Table des matières), placer l’entretoise sur un lamelle couvre-objet, mettre des cellules dans la chambre et couvrant la chambre avec une autre lamelle. Quand l’imagerie, si Stentor ne sont pas dans le bon sens à observer les caractéristiques de chacune des étapes de la régénération, taper la plaque fermement pour rendre le contrat de la cellule. Regardez la cellule étendre afin d’identifier la phase de régénération (extension complète prend environ 45 s). Si la cellule est toujours dans la mauvaise orientation, répéter la mise sur écoute. Les images montrées dans la Figure 1 et Figure 6 ont été prises par un microscope stéréo zoom ; Cependant, toutes les expériences détaillées peuvent être effectuées à l’aide d’un 5 X binoculaire stéréo.
Un autre défi en plus de culture et d’imagerie de Stentor est le suivi de la régénération, plus précisément la quantité de temps nécessaire pour identifier les étapes. Si la régénération cellulaire est parfaitement orientée avec la région du primordium orale bien visible, identification de l’étape prend quelques secondes. Parfois, cependant, la cellule de Stentor est dans une orientation empêchant l’attribution précise des stade de régénération, ainsi prendre plus de temps à identifier. La quantité importante de temps nécessaire au stade des cellules régénératrices individuelles pourraient retarder la quantification des rejets de toutes les cellules régénératrices, diminuant ainsi la précision temporelle de la mise en scène et exiger l’observateur d’attendre et de recréer l’image sur la cellule après qu’il a déménagé à une nouvelle orientation. Par conséquent, cette expérience est temps et demande beaucoup de travail. Pour ces raisons, il serait hautement souhaitable d’élaborer des méthodes automatisées pour détecter les cellules de Stentor et assignant les étapes de la régénération de données vidéo microscopie. Il permettrait aussi d’autres expériences reproductibles, augmente dans la taille de l’échantillon et l’enlèvement de partialité humaine.
L’émergence de méthodes génomiques et protéomiques hautement sensibles a commencé à mettre des études des cellules individuelles dans reach. Pour ces analyses unicellulaires, la taille géante d’une cellule de Stentor permet un cobaye souhaitable pour des expériences de validation. Pour de telles expériences possible, cultivant Stentor est fondamentale, et si les méthodes décrites ici devraient jouer un rôle dans le développement de techniques plus avancées de cellule unique.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par la subvention de NIH R01 GM113602 (WFM) et NSF 1144247 (AL). Nous reconnaissons Mark Slabodnick et Natalie Kirkland pour développer les versions initiales de certains de ces protocoles et informatives. Nous remercions Karina Perlaza et Greyson Lewis pour une lecture critique du manuscrit.
Stentor coeruleus live culture | Carolina Biological Supply | 131598 | |
Chlamydomonas reinhardtii on agar | Carolina Biological Supply | 152040 | |
Pasteurized springwater, 1-quart bottle | Carolina Biological Supply | 132458 | |
Methyl cellulose, 1500 cP | Millipore Sigma | M0387 | |
Pyrex glass spot plate | Fisher Scientific | 13748B | |
Wide-mouth glass jar with screw cap, 60 mL | Carolina Biological Supply | 715740 | |
2-cup glass container with glass lid | Pyrex | 1095600 | |
CultureWell silicone sheet material | Grace Bio Labs | 664475 | |
Kimwipes | Kimberly Clark | 34155 | |
Posi-Click 1.7 mL microcentrifuge tube | Denville | C2170 | |
Cover Glass | Fisher finest | 12-548-B | |
TAP Growth Media, optimized for Chlamydomonas culture | ThermoFisher | A1379801 | |
Silicone spacer, CultureWell Silicone Sheet, 0.25mm Thick/13 cm x 18 cm | Grace Bio Labs | 664475 | |
Petrolatum, Petroleum Jelly, White | Spectrum | P1037 | |
Borosilicate glass capillary tubes. OD: 1.2 mm, ID: 0.9 mm, length: 10 cm. |
Sutter Instrument | B120-90-10 | |
Needle puller P-87 | Sutter Instrument | ||
Stemi 2000 stereo microscope | Zeiss | ||
Axiozoom V16, stereo zoom microscope | Zeiss |