We presenteren een tweedelige protocol dat fluorescerende calciumbeeldvorming combineert met in situ hybridisatie, waardoor de experimentator patronen van calciumactiviteit kan correleren met genexpressieprofielen op een eencellend niveau.
Spontane intracellulaire calciumactiviteit kan worden waargenomen in een verscheidenheid van celtypes en wordt voorgesteld om een kritische rol te spelen in een verscheidenheid van fysiologische processen. In het bijzonder is passende regulatie van calciumactiviteitspatronen tijdens embryogenese noodzakelijk voor vele aspecten van de neurale ontwikkeling van gewervelde dieren, waaronder een goede neurale buissluiting, synaptogenese en fenotypespecificatie voor neurotransmitters. Hoewel de constatering dat calciumactiviteitspatronen kunnen verschillen in zowel frequentie als amplitude suggereert een dwingend mechanisme waarmee deze fluxen gecodeerde signalen naar downstream-effectoren kunnen overbrengen en genexpressie kunnen reguleren, benaderingen op populatieniveau zijn niet de precisie die nodig is om deze mogelijkheid verder te onderzoeken. Bovendien beperken deze benaderingen studies van de rol van celcelinteracties door het uitsluiten van de mogelijkheid om de toestand van neuronale bepaling te zeggen bij afwezigheid van celcelcontact. Daarom hebben we een experimentele workflow opgezet die time-lapse calciumbeeldvorming van gescheiden neuronale explants koppelt aan een fluorescentie in situ hybridisatietest, waardoor de ondubbelzinnige correlatie van calciumactiviteitspatroon met moleculaire fenotype op een eencellige niveau. We waren met succes in staat om deze aanpak te onderscheiden en te karakteriseren specifieke calcium activiteit patronen geassocieerd met het onderscheiden van neurale cellen en neurale voorlopercellen, respectievelijk; buiten dit, echter, zou het experimentele kader dat in dit artikel wordt beschreven gemakkelijk kunnen worden aangepast om correlaties tussen om het even welke tijd-reeks en uitdrukking van een gen of genen van belang te onderzoeken.
Vrij cytosolisch calcium is van cruciaal belang voor een verscheidenheid aan biologische processen, variërend van celproliferatie en migratie tot apoptose en autofagie1,2,3. Binnen deze trajecten kan calcium downstream-effecten op genexpressie uitoefenen door te interageren met calciumbindende domeinen om conformatieveranderingen te veroorzaken die eiwitactiviteit en interacties moduleren. Bijvoorbeeld, een neuronale calcium sensor bekend als de Downstream Regulatory Element Antagonist Modulator (DREAM) wordt gehouden in een ontvouwde tussenliggende conformatie wanneer gebonden door calcium, waardoor het niet interactie met zijn eiwitten en DNA-doelen4. Naast het dienen als een eenvoudig signaalmolecuul, echter, de dynamische aard van intracellulaire calcium transiënten kan deze activiteit patronen te coderen meer complexe amplitude- of frequentie-gebaseerde signalen5,6. Nucleaire translocatie van de transcriptiefactor nucleaire factor van geactiveerde T-cellen (NFAT) wordt versterkt door hoogfrequente calciumschommelingen, maar geremd door laagfrequente oscillaties7. Overtuigend, recent werk heeft gesuggereerd dat NFAT daadwerkelijk kan reageren op cumulatieve blootstelling aan calcium8. Zowel calcineurine als Ca2+/calmodulin-afhankelijke eiwit kinase II (CaMKII) vertonen ook verschillende reacties op calciumtransiënten van een specifieke frequentie, duur of amplitude9. Om een extra niveau van regelcomplexiteit toe te voegen, suggereren computationele modellen dat veel downstream calciumbindende eiwitten min of meer frequentieafhankelijk worden in reactie op de aanwezigheid of afwezigheid van bindende concurrenten10,11.
Binnen het ontwikkelende zenuwstelsel zijn twee hoofdklassen van calciumactiviteitsgedrag gedefinieerd en geassocieerd met specifieke biologische processen. Calcium instroom worden geclassificeerd als “spikes” als ze zich voordoen binnen individuele cellen, bereiken een piekintensiteit van ~ 400% van de basislijn binnen vijf seconden, en vertonen dubbele exponentiële verval12. Dit type signaal wordt voornamelijk geassocieerd met neurotransmitter fenotype specificatie13. In tegenstelling, “golven” worden gedefinieerd als langzamer, minder extreme calcium transiënten waarin een cel intracellulaire calcium concentratie stijgt tot ~ 200% van de basislijn over een periode van dertig seconden of meer, dan vervalt over enkele minuten12. Deze signalen verspreiden zich vaak over meerdere naburige cellen, en hun aanwezigheid is geassocieerd met neurite uitgroei en celproliferatie14,15. Hoewel deze twee klassen zijn gedefinieerd op basis van karakteristieke kinetische profielen, blijft het onduidelijk welke kenmerken van deze patronen daadwerkelijk door cellen worden gedetecteerd en door downstream-effectoren worden vertaald.
Inzicht in de relatie tussen intracellulaire calciumschommelingen en genexpressie zou cruciaal inzicht geven in een van de regulerende mechanismen die een passende ontwikkeling en patronen van het zenuwstelsel garandeert. Hiertoe hebben studies van het embryonale ruggenmerg aangetoond dat verhoogde calciumpiekactiviteit tijdens de ontwikkeling wordt geassocieerd met hogere niveaus van remmende neuronen, terwijl verminderde calciumpiekactiviteit wordt geassocieerd met hogere niveaus van excitatory neuronen13. Deze tests op populatieniveau zijn echter niet gebruikt om calciumactiviteit te associëren met genexpressie op een eencellige niveau.
Het benaderen van deze vragen op het niveau van de eencellige cel biedt verschillende voordelen ten opzichte van eerder werk. Voor een, de mogelijkheid om calcium activiteit en genexpressie in veel cellen individueel te beoordelen maakt het mogelijk het volledige repertoire van verschillende activiteit patronen worden waargenomen zonder te worden versluierd door een bulk-level meting. Bovendien betekent het bestuderen van deze relaties in eencellige primaire cultuur dat celautonome verbanden tussen calciumactiviteit en genexpressie worden gehandhaafd, terwijl interacties die celcelcommunicatie vereisen, zullen worden ingetrokken. Daarom maakt deze aanpak het mogelijk om deze celautonome mechanismen afzonderlijk te bestuderen. Het maakt het echter ook mogelijk om de rol van niet-celautonome calciumactiviteit op te helderen en te ondervragen. Cellen kunnen bijvoorbeeld worden ontleed uit een embryo in het neurale plaatstadium, gekweekt totdat de controle van het broertje het neurale buisstadium bereikt en vervolgens vergeleken met cellen die vers zijn ontleed uit een embryo in neurale buisfase. Dit maakt directe vergelijking van cellen die celcelcommunicatie over een belangrijke ontwikkelingsperiode behielden mogelijk toe aan cellen waarin celcelcommunicatie werd afgeschaft.
Bij het aanpakken van de beperkingen van eerdere experimentele benaderingen, ontwikkelden we een protocol dat de beoordeling van zowel calciumactiviteit als genexpressie in individuele neurale voorlopercellen mogelijk zou maken, waardoor de correlatie van specifieke activiteitspatronen met daaropvolgende differentiatieprogramma’s wordt vergemakkelijkt. Neurale weefsel werd ontleed uit Xenopus laevis in verschillende stadia van neurale ontwikkeling, gescheiden in enkele cellen, en afgebeeld via confocale microscopie in aanwezigheid van een fluorescerende calcium indicator. Na live-celbeeldvorming werden monsters vastgesteld en getest via fluorescentie in situ hybridisatie (FISH) om expressie van een gen of isoforme van belang te detecteren. Belangrijk is dat individuele cellen kunnen worden gevolgd in beide beeldvormingsexperimenten, wat betekent dat het calciumactiviteitsprofiel van een cel en het genexpressieniveau met elkaar kunnen worden geassocieerd(figuur 1). Het hier gerapporteerde protocol is bedoeld om relaties tussen calciumactiviteitspatronen en genexpressie over embryonale neuroontwikkeling in Xenopus laeviste onderzoeken. Echter, de bredere experimentele kader (single-cell time-course imaging gevolgd door FISH en beeld coregistratie) kan worden gewijzigd en toegepast op vrijwel elk celtype, fluorescerende reporter, en gen van belang.
Karakteristieke patronen van calciumactiviteit zijn waargenomen in de cellen die deel uitmaken van het ontwikkelende zenuwstelsel, met specifieke soorten activiteit geassocieerd met verschillende neuroontwikkelingsprocessen. Een verder begrip van de mechanismen waarmee deze informatiedichte activiteitspatronen worden vertaald in transcriptiereacties vereist echter dat informatie over calciumactiviteit en genexpressie moet worden verzameld met eencellige resolutie. Terwijl systemen die meer stereotiepe calciumactiviteit vertonen, zoals volwassen neuronen, redelijkerwijs kunnen worden geassuieerd op bulkniveau, worden de onregelmatige patronen die het embryonale zenuwstelsel karakteriseren gemakkelijk gemaskeerd door minder nauwkeurige opnames.
Het experimentele kader dat in dit protocol wordt vastgesteld, is gemakkelijk aan te passen aan een breed scala aan celtypen en fluorescerende verslaggevers. Weefsel dat vrijwel elk celtype of een combinatie van celtypen bevat, kan worden ontleed uit een modelorganisme van belang en verguld voor eencellige beeldvorming. Naast het toestaan van celidentificatie en het isoleren van het effect van celautonome processen, stelt een primaire celkweekbenadering de experimentator in staat om mediacomponenten naar wens te definiëren. Zo zijn experimenten met het vergelijken van de activiteit van neuronale precursoren in 2 mM Ca2+ oplossing uitgevoerd om te onderzoeken of de relaties tussen spikefrequentie en neurotransmitterfetype in het embryonale ruggenmerg kunnen worden samengevat zonder de invloed van celcelinteracties13,20.
Hoewel dit protocol de fluorescerende marker Fluo4-AM gebruikt om intracellulaire calciumactiviteit te detecteren, kunnen gebruikers, afhankelijk van de selectiecriteria, andere commercieel beschikbare markers21selecteren, inclusief genetisch gecodeerde calciumindicatoren. Op dezelfde manier kunnen alternatieve markeringen worden gebruikt om dynamische veranderingen in de concentratie van een ion van belang te controleren (waaronder K+, Na+en Zn2+), membraanpotentieel of cellulaire pH. Beeldinstellingen en beeldduur kunnen indien nodig worden gewijzigd.
Hoewel we calciumactiviteit en neuronale fenotype correleerden als een specifieke toepassing, is deze methode ook van toepassing op een verscheidenheid aan andere cellulaire eigenschappen. Bijvoorbeeld, fluorescentie in situ hybridisatie kan worden uitgevoerd met sondes tegen elk gen van belang, met inbegrip van de neuronale marker ChAT of de transcriptie factor Engrailed, waardoor gevoelige detectie van een aanpasbaar paneel van mRNA soorten. Deze sondes kunnen worden ontworpen om isoform-specifieke, ondersteuning van extra doel specificiteit indien gewenst. Dubbele VIS kan worden uitgevoerd met behulp van sondes geconjugeerd tot verschillende twee verschillende fluorophoren, waardoor de gelijktijdige beoordeling van de expressie van meerdere genen. Echter, de extra wasbeurten vereist door dit type experiment worden geassocieerd met een verhoogde kans op celverlies of beweging en vereisen ervaring en delicatesse met succes worden uitgevoerd.
Ongeacht eventuele experiment-specifieke wijzigingen aan dit protocol, zijn er verschillende belangrijke stappen die zorgvuldige aandacht vereisen. Dissecties moeten met zorg worden uitgevoerd om alle verontreinigde weefsels of celpopulaties te verwijderen; omdat ruimtelijke patronen verloren gaan wanneer de explants worden gescheiden, worden de resterende cellen van naburige weefsels afgewisseld met en niet te onderscheiden van de cellen van belang. Nadat cellen zijn verguld, moeten monsters zo voorzichtig mogelijk worden behandeld om te voorkomen dat cellen worden losgemaakt. Het belangrijkste is dat dit betekent dat alle oplossingswijzigingen langzaam en zorgvuldig moeten worden uitgevoerd, waarbij de pipet aan de rand van de plaat wordt geplaatst wanneer de oplossing wordt verwijderd en toegevoegd. Dit zal ervoor zorgen dat cellen met vertrouwen kunnen worden geïdentificeerd in zowel calcium- als FISH-afbeeldingen. Als cellen tijdens de verwerking worden verstoord, kan het onmogelijk zijn om sommige of alle overeenkomstige cellen tussen de twee afbeeldingen te identificeren. Wij adviseren erring aan de kant van voorzichtigheid met deze opdrachten, zodanig dat alleen ondubbelzinnig overeenkomstige cellen worden gebruikt voor verdere analyse.
Afhankelijk van de biologische vraag die wordt behandeld, kunnen verschillende analysebenaderingen passend zijn. Tijdreeksen calciumactiviteit kunnen op verschillende manieren worden verwerkt en gekwantificeerd, met een flexibiliteit van de onderzoeker bij het kiezen van detrendingparameters, analysestatistieken en analyseparameters (bijvoorbeeld het percentage basislijndrempel dat wordt gebruikt om een calciumpiek te definiëren). Correlaties tussen calciumactiviteit en het niveau van genexpressie kunnen worden getrokken door genexpressie te analyseren als een absolute of relatieve fluorescentiewaarde die uit het FISH-beeld wordt gehaald. Als alternatief kunnen correlaties tussen calciumactiviteit en genexpressie (aanwezigheid/afwezigheid) worden getrokken door een fluorescentiedrempel voor positief genexpressiesignaal te definiëren en ‘ja’ of ‘nee’-id’-identificatiemiddelen toe te wijzen aan individuele cellen. Als geheel biedt dit experimentele schema een ongelooflijk flexibele pijplijn voor het verzamelen en voorbereiden van tijdreeksgegevens in combinatie met cel-overeenkomende genexpressiegegevens. Dergelijke experimenten zullen van cruciaal belang zijn voor een beter begrip van de complexe relaties tussen cellulaire dynamiek en transcriptieveranderingen, zoals blijkt uit de identificatie van calciumactiviteitspatronen die kenmerkend zijn voor remmende en excitatorische neuronale precursoren in embryonale Xenopus laevis.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken Wendy Herbst en Lindsay Schleifer voor hun bijdragen aan de ontwikkeling van deze protocollen. Dit werk werd ondersteund door subsidies van de National Institutes of Health (1R15NS067566-01, 1R15HD077624-01 en 1R15HD096415-01) aan 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 |