节点和脊索板是小鼠胚胎发育过程中的瞬态信号组织者, 可以使用多种技术进行可视化。在这里, 我们详细地描述了如何执行两种技术来研究它们的结构和形态发生: 1) 扫描电子显微镜 (sem);和 2) 全安装免疫荧光 (wmif)。
植入后小鼠胚胎在胃形成和形态发生后发生重大形态变化。形态发生的一个标志是从经过原始条纹的细胞中形成瞬态组织者、节点和脊索板。这些信号中心的适当形成对于身体计划的发展至关重要, 将它们形象化的技术对小鼠发育生物学家来说是非常重要的。在发育的胚胎日 (e) 7.5 周围, 结节和脊索板位于排卵小鼠胚胎的腹侧表面。该节点是一个杯状结构, 其细胞拥有一个单一的纤细纤毛每个。正常的亚细胞定位和旋转的纤毛在节位决定左右不对称。脊索板细胞也拥有单一的纤毛, 尽管比结节细胞短。脊索板块形成脊索, 是体细胞发生和神经模式的重要信号组织者。由于结节和脊索板的细胞在表面瞬时存在并具有纤毛, 因此可以用扫描电镜 (sem) 进行可视化。在细胞水平上用于可视化这些结构的其他技术包括使用对在节点和脊索板中高度表达的蛋白质的抗体的整体安装免疫荧光 (wmif)。在本报告中, 我们描述了我们优化的协议, 以执行 sem 和 wmif 的节点和脊索板在发展小鼠胚胎, 以帮助评估组织形状和细胞组织中的野生类型和造血突变胚胎。
胃形成和伴随的形态发生运动是塑造小鼠胚胎1 的关键。形态发生过程中细胞形态和组织的变化决定了位置信息来调节细胞的命运, 也允许随后的信号通路精确地履行其功能, 使新形成的胚芽层 1多样化。节点和脊索等瞬态组织结构和信号中心的形成是发展方案2的关键。发育生物学家使用了各种技术来研究这些结构的形态发生, 其中最值得注意的是利用细胞记者和活体体外成像来跟踪细胞和亚细胞行为的动态2 ,3,4。在本报告中, 我们重点描述了我们针对其中两种技术的优化协议的细节: 扫描电子显微镜 (sem) 和整个安装免疫荧光 (wmif), 它们过去和现在都有助于研究节点的形态发生和脊索板, 脊索的前兆。
小鼠胚胎结节是一种泪滴状的细胞杯, 位于小鼠胚胎腹侧表面, 位于胃形成和形态发生的早期至晚期头褶皱阶段 (胚胎日, e7.5-e8)2,5, 6,7。脊索板形态上从节点3前发。结节和脊索板中的每个细胞的特征都是单个纤毛突出到外部, 在结节细胞中的长度较长, 但其长度随发育阶段2的不同而变化。在节点坑中纤毛的旋转已被证明是重要的信号, 决定左右不对称 4.脊索板是脊索的前兆, 是对相邻体细胞和覆盖神经管3的图案很重要的信号中心。
由于位置 (表面)、形状 (杯) 和具有独特的外部细胞结构 (纤毛) 的属性, sem 传统上被用来可视化节点和脊索板, 并研究它们的形成和结构2,7. 扫描电镜还用于研究影响胃窝、形态发生以及纤毛形成 8、9、10的突变中节点本身或细胞纤毛结构的变化。sem 是一种利用聚焦电子束询问生物标本等材料外表表面超微结构的技术.如我们在步骤1中所述, 样品通常是固定的、干燥的, 然后用金属进行溅包布, 以便在扫描电子显微镜下进行观察。
wmif 是一种染色技术, 用于在三维维度 (3d) 中可视化基因产品, 如蛋白质。组织、器官甚至整个生物体的 wmif 提供有关信号分布和三维生成结构形状的空间信息。该技术是基于固定样品, 然后用荧光共轭染色。小鼠胚胎 ~ e7.5 体积小, 透明, 因此是 wmif 协议可视化节点和脊索板的理想选择。例如, 转录因子 barchyury (t) 在节点和脊索板的细胞核中表达, 在较小程度上表达在原始条纹中, 大约在 e7.5-e8 的胚胎发育和 wmif 对 t 的良好工作抗体中, 这些都是商业上的并使染色程序成为可能。结节和脊索板的细胞也具有收缩的顶端表面, 面对外部, 因此可以用荧光共轭 Phalloidin 染色, 以标记 f-actin 在顶端收缩。如我们在步骤 2 8中所示, 以这些试剂为例, wmif 的 t 和 f-acin 染色的结合为三维中的节点和脊索板提供了一个表达。然而, 纤毛的标记, 如 arl13b 或乙酰化管蛋白, 以及节点和脊索板的其他标记, 如 foxa2, 也可用于执行 wmif 对发展小鼠胚胎3,4。
我们已经证明, 条纹相互作用蛋白 1 (strip1) 是必不可少的正常胃和形态发生的小鼠胚胎 8.strip1 是条纹相互作用的磷酸酶和激酶复合物 (stripak) 的核心组成部分, 我们和其他人在肌动蛋白细胞骨架组织8,12中涉及了这一点。strip1突变体胚胎的一个主要缺陷是轴向中胚层 (节和脊索板) 的形成和前后体轴的延伸。我们用 sem 和 wmif 分析了野生类型 (wt) 和 strip1 突变体胚胎中的节点和脊索板, 并在代表性结果和相应的数字中显示了这一结果。
在这项工作中, 我们演示了如何执行 sem 和 wmif, 以可视化小鼠胚胎节点和脊索板。消化小鼠胚胎的小尺寸 ~ e7.5 和这些结构在表面的存在使它们成为使用2,7,8所述技术进行研究的理想选择。良好的抗体, 如 t 和纤毛标记的可用性, 提供了优秀的3d 信息使用 wmif 的结构, 组织和形成这些必要的胚胎组织者8。
由于小鼠胚胎发育的速度非常快, 而结节和脊索板只是在胚胎表面瞬时存在, 因此时间安排对这些实验的成功至关重要 2,3。例如, 2-4 体细胞胚胎有利于长纤毛成熟结点坑的 sem 分析。在更早或更晚的胚胎中 (例如, 在之前或之后 12小时), 节点可能不存在于表面。wmif 在这方面的灵活性要大一些, 但结构本身在开发过程中也是短暂的, 在这种情况下的时间取决于研究人员的兴趣。
试剂的纯度对于这些技术的成功也是必不可少的, 特别是在用 sem 探测超微结构时, 粘附在胚胎上的微小杂质通常会产生巨大的伪影。
我们已经测试了两种不同的胚胎固定方法的 sem 一使用半 karnovsky 的固剂 (2.5% 戊二醛, 2% 的甲醛和 0.1 m 的 cacodyyyyyyatyin 缓冲液) 和更简单的2.5% 戊二醛在 1x pbs。我们更喜欢使用步骤1中描述的戊二醛和 pbs 固相剂, 但是, 我们和其他人也成功地使用了半 karnovsky 的固定剂进行 sem。
我们还比较了两种为 sem 干燥胚胎的方法, 并发现使用关键点干燥器或 hmds 在样品质量上没有差异, 如步骤1所述, 并在其他地方第14报告。
对于步骤 2, 我们在安装在35毫米玻璃底盘上的1% 低熔融琼脂糖的最后清洗步骤后, 测试了胚胎的包埋, 然后用 ~ 10μl 的安装介质将其覆盖。这种嵌入方法的工作原理和保留了胚胎和相关结构的原始三维结构;然而, 需要一个多光子显微镜来成像标本, 因为一个规则的共聚焦显微镜不能深入到完整的胚胎 (~ 1 毫米) 深处。
我们认为, 利用这两种技术, 在正常发育过程中, 节点和脊索板的结构以及在表明这些结构形成缺陷的突变体中, 提供了互补的信息。
The authors have nothing to disclose.
h. b. 由医学院和科隆大学的 sfb829 提供启动资金。c. x. 由 dfg 赠款 ba 5810/1 提供支持。我们要感谢 cecad 研究中心和纪念斯隆·凯特林癌症中心 (美国纽约) 的成像设施。我们感谢华金·格雷戈-贝萨 (西班牙国家心血管研究中心, 西班牙马德里) 在为 wmif 安装胚胎方面的见解。
1,1,1,3,3,3 Hexamethyldisilazane (HMDS) | Carl Roth | 3840 | |
Anti-T antibody | R&D Systems | AF2058 | |
Critical Point Dryer | Blazers Union | CPD 020 | |
DAPI | AppliChem | A4099,0005 | |
Glutardialdehyde solution 25% | Merck | 1042390250 | |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100-100ML | |
Tween 20 | AppliChem | A4974,0500 | |
SEM coating unit PS3 | Agar Aids for Electron Microscopy | PS3 | |
SEM microscope Quantum FEG 250 | ThermoFisher Scientific (FEI) | Quantum FEG 250 |