Nous proposons une méthode basée sur la formation d' image par immunofluorescence pour la localisation spatiale et temporelle de ERK actif dans le disséqué C. gonades elegans. Le protocole décrit ici peut être adapté à la visualisation de toute signalisation ou d'une protéine structurelle du C. elegans gonades, pourvu d' un réactif d'anticorps convenable est disponible.
Le signal extracellulaire évolutivement conservée transduction voie RTK-RAS-ERK est une importante cascade de kinases de signalisation qui contrôle les processus cellulaires et de développement multiples principalement par l' activation de ERK, la kinase terminale de la voie. réglementation stricte de l'activité ERK est essentielle pour le développement normal et l'homéostasie; résultats ERK trop actifs dans la prolifération cellulaire excessive, tandis que underactive ERK provoque la mort cellulaire. C. elegans est un système modèle puissant qui a aidé caractériser la fonction et la régulation de la voie de signalisation RTK-RAS-ERK au cours du développement. En particulier, la voie RTK-RAS-ERK est essentielle pour C. elegans développement de la lignée germinale, qui est l'objet de cette méthode. En utilisant des anticorps spécifiques à la forme active, diphosphorylé de ERK (dpERK), le modèle de localisation stéréotypée peut être visualisé au sein de la lignée germinale. Parce que ce modèle est à la fois spatialement et temporellement controlled, la capacité de dosage reproductible dpERK est utile pour identifier les régulateurs de la voie qui affectent dpERK la durée du signal et de l'amplitude et le développement ainsi germinale. Ici , nous démontrons comment réussir à disséquer, tache, et l' image dpERK dans le C. gonades elegans. Ce procédé peut être adapté pour la localisation spatiale d'une signalisation ou d'une protéine structurale du C. elegans gonades, fourni un anticorps compatible avec immunofluorescence est disponible.
Le récepteur de la tyrosine kinase (RTK) -Rat Sarcome (RAS) de signal -Extracellular Regulated Kinase (ERK) , de la voie relaie des signaux extracellulaires à travers une cascade de kinase conservée qui se traduit par la phosphorylation et l' activation de ERK 03/01. Les protéines ERK sont membres du conservée de sérine / thréonine MAP-proline dirigée (Mitogene protéine activée) de la famille des kinases, et sont directement actionnés par MEK par l' intermédiaire d'une phosphorylation double de la thréonine (T) et la tyrosine (Y) du motif TEY conservé. ERK actif (appelé diphosphorylé ERK ou dpERK) régule ensuite de nombreux processus cellulaires et de développement par sa phosphorylation d'une pile de substrats en aval 1-3. Ainsi , l' activité de ERK anormale conduit à de nombreuses cellules et les défauts de développement 4-7.
Une réglementation stricte de l'activité ERK est essentielle pour le développement normal: dans les systèmes mammifères trop d'activité ERK entraîne excessive de premier plan de la prolifération cellulaireà la croissance tumorigène; trop peu d' activité conduit à la mort cellulaire 4,6. En outre, les variations de la durée de l' activité ERK peuvent également conduire à des résultats distincts: dans les cellules PC12, l' activation ERK pendant 30 minutes ou moins induit la prolifération cellulaire, mais l' activation ERK pendant 60 minutes ou plus induit une différenciation neuronale 8,9. réglementation stricte de l'activité ERK est donc clairement essentiel pour le développement normal et l'homéostasie.
C. elegans est un système de modèle puissant et génétiquement malléable pour disséquer la fonction et la régulation de la voie de signalisation RTK-RAS-ERK 3,10-15. Par rapport aux systèmes de mammifères, qui contiennent de multiples gènes pour la RAS et ERK, C. elegans contient un gène RAS (let-60) et d' un gène de ERK (MPK – 1), ce qui rend ce système génétiquement plus facile à disséquer , dans lequel la fonction de cette voie 3,10-14. C. elegans germinale est essentiellement un tube qui consiste en mitosedes cellules souches , à son extrémité distale et d' ovocytes matures , à son extrémité proximale (figure 1) 16. Les cellules germinales initient la méiose juste en amont de la zone de mitotique distale, et le progrès à travers une prophase méiotique prolongée (pachytène), après quoi ils commencent à se former dans des ovocytes de la région de boucle, finalement subir la maturation ovocytaire dans la région proximale 16.
Les études génétiques provenant de plusieurs laboratoires, dont le nôtre, ont montré que la voie RTK-RAS-ERK est essentielle pour le développement de la lignée germinale en C. elegans 12,13,15,17-19. Plus précisément, nous avons constaté que les contrôles de ERK et coordonnées au moins neuf processus biologiques distincts au cours du développement de la lignée germinale, allant des commutateurs de développement tels que l' apoptose des cellules germinales à la cellule processus biologiques tels que 11,18 de croissance de l' ovocyte. Tout comme dans les systèmes de mammifères, trop d' activité ERK dans le C. elegans résultats germinales dans la production de plusieurs petits ovocytes, tandis que trop lirésultats de l' activité TTLE dans une grande ovocyte 11. Ainsi une réglementation stricte des dpERK est essentielle pour le développement de la lignée germinale normale. La forme active de ERK, comme visualisé par un anticorps spécifique de dpERK, affiche une dynamique modèle stéréotypé, bimodal localisation: dpERK est élevé au cours de la mi-pachytène (Zone 1, Figure 1), faible dans la région de la boucle et haute de nouveau en maturité oocytes (zone 2, figure 1). Récemment, nous avons constaté que la nutrition agit à travers le facteur de croissance de l' insuline-like receptor-1 (daf-2) pour activer ERK dans la zone 1 12; les travaux antérieurs ont montré que le signal de spermatozoïdes (via le récepteur tyrosine kinase éphrine) active ERK dans la zone 2 13.
Étant donné que les fonctions ERK actifs comme un rhéostat dans la lignée germinale pour réguler la croissance de l'ovocyte, la localisation spatiale et temporelle, ainsi que l'amplitude des dpERK, est la clé de la compréhension de son aboutissement normal de signalisation. Utilisation de la méthode décrite ici, les changements dans lalocalisation stéréotypée de dpERK peut être facilement contrôlé et les prévisions dérivées sur l'impact des perturbations environnementales ou génétiques sur l'activité de ERK et donc la fonction. Ainsi, le dosage de dpERK permet une compréhension globale de son rôle au cours du développement de la lignée germinale.
ERK active (dpERK) suit un schéma de localisation spatiale et dynamique stéréotypée dans le C. germinale elegans. Ce modèle stéréotypé dpERK spatiale (Figure 5), et de l' amplitude dans un adulte C. elegans gonades, peut être efficacement en corrélation avec les nombreux processus biologiques qui ERK réglemente. Par exemple, une incapacité à activer ERK dans la zone 2 résultats à une arrestation dans les ovocytes en prophase de la méiose, un phénotype observé dans des lignées germinales femelles qui ne spécifient pas le sperme, et donc ne pas activer ERK dans les ovocytes matures (figure 5). Accouplement avec les résultats de mâles dans l' accumulation effective de dpERK dans la zone 2 dans les lignées germinales femelles 11,13, associée à l' apparition de la maturation ovocytaire et l' ovulation. Ainsi l'analyse des configurations spatiales et activation temporelle de dpERK sur certaines perturbations génétiques (tels que l'interférence ARN médiée par inactivation génique) ou des traitements chimiques permet d'identifier des facteurs qui REGUsignalisation ERK fin et les processus biologiques ainsi ERK-dépendants. Ces analyses permettent également la découverte des interactions génétiques entre les nouvelles voies de signalisation.
Un goulot d'étranglement critique pour toute analyse fondée sur l'imagerie est la disponibilité des réactifs fonctionnels tels que des anticorps qui sont spécifiques à l'application. Si un tel réactif existe alors des procédés tels que celui décrit ci-dessus peut être facilement adapté pour l'analyse du motif de localisation pour toute protéine d'intérêt. L'application est donc limitée par la disponibilité d'un anticorps fonctionnel. En outre, parce que la méthode décrit la dissection et la coloration à un temps de développement donné, il ne permet la saisie des informations dans un laps de temps, et ne jette pas la lumière sur la dynamique ou la régulation des protéines en temps réel ou le taux de renouvellement des protéines.
Le procédé décrit ci – dessus est adapté de Francis et al. , 23, qui est distincte de la Seydoux et Dunn mÉTHODE 24 pour gonades extrusion et la coloration des anticorps. La méthode basée sur Francis et al. Sera appelée la «méthode de suspension" et la méthode Seydoux et Dunn appelé le «gel fissuration méthode" pour la comparaison. La méthode de suspension a été très efficace dans nos mains pour obtenir des modèles de localisation reproductibles de molécules de signalisation telles que dpERK, qui sont par nature plus sensibles aux conditions de manipulation difficiles. Dans le cas de dpERK localisation, dans notre expérience, le signal dans la zone 1 est pratiquement indétectable avec la méthode de gel de craquage. En outre, l'échantillon de séchage, ce qui peut souvent se produire avec le procédé de congélation de craquage, se traduit par des signaux parasites d'anticorps. Le procédé de suspension minimise le séchage de l'échantillon, puisque les gonades sont mises en suspension dans un liquide tout au long du processus. Nous constatons également que la méthode de suspension est utile pour l'imagerie multiples génotypes différents sur une seule lame. Par exemple, si deux génotypes, tels que hermaphrodites vsles femmes doivent être directement comparés pour dpERK localisation, les deux génotypes peuvent être mélangés et traités. Ceci est possible car les phénotypes sont distincts et peuvent être distingués par les morphologies DAPI. Coloration dans le même tube suivi par imagerie sur la même lame permet une comparaison directe entre les gonades de différents génotypes. En variante, si les morphologies DAPI ne se distinguent pas, alors une coloration d'anticorps à deux étapes peut être adoptée. Tout d'abord chaque génotype individuel est traitée avec deux anticorps différents, un anticorps pour un anticorps et WT B pour le mutant (les deux anticorps ont besoin d'être soulevée dans un hôte différent de l'anticorps dpERK). Une fois que les deux génotypes ont été colorées avec l'anticorps primaire et on l'a lavé, ils peuvent être mélangés ensemble dans un tube et maintenant colorées avec l'anticorps dpERK, suivie d'un traitement avec l'anticorps secondaire de visualiser tous les anticorps présents dans le tube. Une capacité à comparer les différents génotypes sur une seule lame, en particulier lorsque deductions des modèles d'activation sont faits assure des interprétations exactes ne sont pas affectées par les conditions de coloration distinctes.
Bien avantageux, il y a plusieurs étapes à travers la méthode de suspension qui nécessitent une manipulation minutieuse. Il est essentiel que les dissections se produisent dans un temps de manière efficace; surtout, les dissections ne devraient pas prendre plus de 5 min. De plus longs temps de dissection se traduisent par signal dpERK variable, ce qui peut souvent être interprété comme des changements réglementés dans l'activation de ERK, plutôt que comme des échecs techniques. Il est crucial de commencer avec plus de 100 – 150 animaux pour chaque dissection, car tout au long des différentes étapes de lavage des gonades peuvent facilement être perdues à partir des tubes en raison d'erreurs de pipetage. Perte de gonades peut être réduite soit en disséquant dans plusieurs petits lots (tels que trois lots de 50 animaux chacun) qui peuvent être combinés, ou en disséquant un grand lot de 150. Un autre défi consiste à convaincre les gonades de se coucher dans un bien espacés formationsur la lame de telle sorte que la totalité de la gonade distale peut être imagée. Pour ce faire, utiliser un cil sur une allumette ou une pipette tiré à l'espace sur les gonades. Cependant, il faut prendre soin afin de ne pas endommager les gonades pendant ce processus. Souvent avec ces techniques, il prend de multiples tentatives pour maîtriser les dissections ainsi que des arrangements des gonades sur les lames.
Une fois que cette technique a été maîtrisé, il sert une méthode puissante pour les analyses biologiques variées, et peut être utilisé pour étudier plus que les niveaux dpERK. Par exemple, cette méthode peut être utilisée pour visualiser les niveaux actifs de p38, ou le niveau de CDK actifs, ou toute protéine pour lequel un réactif anticorps existe. En outre, le procédé peut être couplé à un écran d'inhibition chimique dans des animaux entiers de dosage pour de nouveaux inhibiteurs ou activateurs de la voie, par l' intermédiaire de dosage pour les niveaux dpERK. Ceci permettra une lecture in vivo à la fois la sensibilité à la réaction et d' un inhibiteur qui peut interact avec la voie de signalisation RTK-RAS-ERK. De plus, cette méthode peut être utilisée dans les combinaisons d'anticorps avec de multiples sorties de signalisation qui peuvent tous être utilisés et visualisées en une seule fois. En utilisant des anticorps multiples permet corrélation entre de multiples voies, leur état d'activation, et les résultats tout dans le même tissu, ce qui permet une meilleure compréhension de ces interactions. Ce ne sont que quelques exemples de nouvelles applications de cette méthode, mais ce système peut être modifié pour étudier les intérêts de recherche multiples.
The authors have nothing to disclose.
Work in the Arur Lab is supported by grants from the National Institutes of Health, NIHGM98200; Cancer Prevention Research Institute of Texas, CPRIT RP160023; the American Cancer Society Research Scholar Award (ACS RSG014-044-DDC); and by the Anna Fuller Funds.
Agarose | Sigma Inc. | A9539 | Dissolve 2 g in 100 ml to make the 2% agarose |
Flat bottom glass watch dish | Agar Scientific | AGL4161 | We use glass, because dissected gonads often stick to plastic |
25 gauge needles | BD PrecisionGlide | 305122 | |
Syringes (could be 1 or 5 ml) | BD Syringes | 1 ml: BD 309659 | |
Microscope slides (25mm x 75mm x 1.0mm) | Fisherbrand | 12-550-343 | |
Coverslips (24x50mm) | Corning | 2935-245 | |
5ml glass conical tube | Corning | 8060-5 | |
9" disposable Pasteur pipette | Fisherbrand | 13-678-20D | |
Clinical bench top centrifuge | |||
Glass tubes (6x50mm) | Fisherbrand | 14-958-A | |
*M9 solution | |||
Levamisole | Sigma | L9756 | |
3% Paraformaldehyde | Electron microscopy services | 17500 | Obtained as 16% solutions in ampoules, and diluted to 3% in Potassium Phosphate Buffer |
**PBS | |||
1X PBST | 1X PBS with 0.1% Tween 20 | ||
Methanol | Electron microscopy services | 18510 | |
Normal goat serum (NGS) | Cell Signaling | 5425 | Diluted to 30% in 1x PBST |
MAPKYT (dpERK) antibody | Sigma Inc. | M9692 | Dilution 1:400 in 30% NGS |
Secondary antibody | Invitrogen | A-11005 | Dilution 1:500 in 30% NGS |
DAPI | Sigma | D9542 | |
Vectashield | Vector Labs | H-1000 | |
*M9 Buffer Recipe | 3 g KH2PO4, 6 g Na2HPO4, 5 g NaCl, 1 ml 1 M MgSO4, H2O to 1 litre. | ||
**PBS (1X) | 8 g NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na2HPO4, 0.24 g KH2PO4, 0.133 g CaCl2.2H2O, 0.10 g MgCl2.6H2O, H2O to 1 litre | ||
Nematode Growth Medium (NGM) | 3 g NaCl, 17 g Agar, 2.5 g Peptone, 975 mL of water in 2 L Erlenmayer Flask. Autoclave for 50 minutes. Cool, and add 1 mL of 1M CaCl2, 1 mL of 5 mg/mL cholesterol, 1 mL of 1M MgSO4 and 25 mL of 1M KPO4. |