Presentiamo un metodo di imaging basata immunofluorescenza per la localizzazione spaziale e temporale di ERK attivo nel sezionato C. elegans gonade. Il protocollo qui descritto può essere adattato per la visualizzazione di qualsiasi segnalazione o proteina strutturale in C. elegans gonadi, disponibile un opportuno anticorpo è disponibile.
Il segnale extracellulare evolutivamente conservato trasduzione RTK-RAS-ERK percorso è un importante cascata di chinasi di segnalazione che controlla più processi cellulari e dello sviluppo principalmente attraverso l'attivazione di ERK, chinasi terminale del percorso. regolamentazione stretta di attività ERK è essenziale per il normale sviluppo e l'omeostasi; risultati ERK eccessivamente attivi nella eccessiva proliferazione cellulare, mentre poco attiva ERK provoca la morte delle cellule. C. elegans è un sistema potente modello che ha contribuito a caratterizzare la funzione e la regolazione di RTK-RAS-ERK percorso di segnalazione durante lo sviluppo. In particolare, il percorso RTK-RAS-ERK è essenziale per C. elegans sviluppo della linea germinale, che è al centro di questo metodo. L'utilizzo di anticorpi specifici per la attiva, sotto forma diphosphorylated di ERK (dpERK), il modello di localizzazione stereotipo può essere visualizzato all'interno della linea germinale. Poiché questo modello è sia spazialmente e temporalmente controlled, la capacità di saggiare riproducibile dpERK è utile identificare regolatori della via che influenzano dpERK durata del segnale e l'ampiezza e sviluppo pertanto germinale. Qui mostriamo come sezionare con successo, macchia, e l'immagine dpERK all'interno del C. elegans gonade. Questo metodo può essere adattato per la localizzazione spaziale di qualsiasi segnalazione o proteina strutturale in C. elegans gonadi, disponibile un anticorpo compatibile con immunofluorescenza è disponibile.
Il recettore tirosin-chinasi (RTK) -RAt sarcoma (RAS) del segnale -Extracellular regolamentato chinasi (ERK) percorso trasmette i segnali extracellulari attraverso una cascata chinasi conservata che provoca la fosforilazione e l'attivazione di ERK 1-3. Proteine ERK sono membri del conservata MAP serina / treonina prolina-diretto (mitogeno Protein Attivato) famiglia chinasi, e sono azionati direttamente dal MEK tramite doppia fosforilazione in treonina (T) e tirosina (Y) del motivo TEY conservata. ERK attivo (denominato diphosphorylated ERK, o dpERK) regola quindi molti processi cellulari e dello sviluppo attraverso la sua fosforilazione di una batteria di substrati a valle 1-3. Così l'attività di ERK anomala porta a molte delle cellule e difetti di sviluppo 4-7.
disciplina rigorosa di attività ERK è un fattore critico per il normale sviluppo: nei mammiferi troppa attività ERK porta alla eccessiva proliferazione cellulare leaderalla crescita oncogeno; troppo poca attività porta alla morte delle cellule 4,6. Inoltre, cambiamenti nella durata dell'attività ERK può anche portare a risultati distinti: in cellule PC12, ERK per 30 minuti o meno induce proliferazione cellulare, ma ERK per 60 minuti o più induce differenziazione neuronale 8,9. regolamentazione stretta di attività ERK è quindi chiaramente essenziale per il normale sviluppo e l'omeostasi.
C. elegans è un potente, e geneticamente malleabile sistema modello per sezionare la funzione e la regolazione del RTK-RAS-ERK via di segnalazione 3,10-15. Relativa ai sistemi di mammiferi, che contengono più geni per RAS e ERK, C. elegans contiene un gene RAS (let-60) e un gene ERK (MPK – 1), rendendolo un sistema geneticamente più facile in cui analizzare la funzione di questo percorso 3,10-14. Il C. elegans germinale è essenzialmente un tubo che si compone di mitoticocellule staminali alla sua estremità distale e oociti maturi alla sua estremità prossimale (Figura 1) 16. Le cellule germinali iniziano meiosi appena prossimale alla zona mitotico distale, e il progresso attraverso un profase meiotica esteso (pachitene), dopo di che cominciano a formarsi ovociti nella regione di loop, infine, in fase di maturazione degli ovociti nella regione prossimale 16.
Studi genetici da più laboratori, compreso il nostro, hanno dimostrato che la via RTK-RAS-ERK è essenziale per lo sviluppo della linea germinale in C. elegans 12,13,15,17-19. In particolare, abbiamo trovato che i controlli ERK e coordina almeno nove processi biologici distinti durante lo sviluppo della linea germinale, che vanno da switch dello sviluppo come l'apoptosi delle cellule germinali in cella processi biologici quali la crescita del 11,18 ovocita. Proprio come nei mammiferi, troppa attività ERK in C. elegans risultati germinali nella produzione di alcune piccole ovociti, mentre troppo Lirisultati dell'attività ttle in un unico grande ovocita 11. Così stretto regolazione della dpERK è essenziale per il normale sviluppo della linea germinale. La forma attiva di ERK, come visualizzato mediante un anticorpo specifico per dpERK, visualizza un stereotipo, dinamico, bimodale modello localizzazione: dpERK è alto durante metà pachytene (Zona 1, Figura 1), basso nella regione di loop e di nuovo alta in maturo ovociti (Zona 2, figura 1). Recentemente, abbiamo scoperto che la nutrizione agisce attraverso il fattore di crescita insulino-like receptor-1 (daf-2) per attivare ERK in Zona 1 12; lavoro precedente ha mostrato che il segnale di sperma (attraverso il Ephrin recettore tirosin-chinasi) attiva ERK in Zona 2 13.
Dato che le funzioni di ERK attivi come un reostato nella linea germinale di regolare la crescita degli ovociti, la localizzazione spaziale e temporale, così come l'ampiezza di dpERK, è la chiave per comprendere la sua normale esito di segnalazione. Utilizzando il metodo descritto qui, cambia inla localizzazione stereotipata di dpERK può essere facilmente monitorato e le previsioni deriva sull'impatto delle perturbazioni ambientali o genetiche sull'attività ERK e così la funzione. Così, analizzando per dpERK consente una completa comprensione del suo ruolo durante lo sviluppo della linea germinale.
ERK attiva (dpERK) segue un modello localizzazione spaziale e dinamico stereotipata in C. elegans linea germinale. Questo modello stereotipati dpERK spaziale (figura 5), e l'ampiezza in un adulto C. elegans gonade, può essere efficacemente correlata con i molti processi biologici che ERK regolamenta. Ad esempio, l'incapacità di attivare ERK nella Zona 2 risultati in un arresto in ovociti in profase della meiosi, un fenotipo osservato in germlines femminili che non specificano spermatozoi, e quindi non attivare ERK in ovociti maturi (Figura 5). L'accoppiamento con risultati maschi 'di accumulo efficace di dpERK in Zona 2 nelle germlines femminili 11,13, insieme con insorgenza di maturazione degli ovociti e l'ovulazione. Così analisi dei modelli spaziali e temporali di attivazione di dpERK su certe perturbazioni genetiche (come RNA interferenza mediata l'inattivazione del gene) o trattamenti chimici permette l'identificazione di fattori che regolasegnalazione ERK in ritardo e processi biologici quindi ERK-dipendente. Tali analisi permettono anche la scoperta di nuove interazioni genetiche tra vie di segnalazione.
Un fattore critico per qualsiasi analisi basata imaging è la disponibilità di reagenti funzionali come gli anticorpi che sono specifici per l'applicazione. Se un tale reagente esiste poi metodi come quello sopra descritto può essere facilmente adattato per l'analisi del modello di localizzazione per qualsiasi proteina di interesse. L'applicazione è quindi limitata dalla disponibilità di un anticorpo funzionamento. Inoltre, poiché il metodo descrive dissezione e colorazione in un determinato momento di sviluppo, permette solo l'acquisizione di informazioni in un lasso di tempo, e non far luce sulle dinamiche o regolazione della proteina in tempo reale o tasso di turnover delle proteine.
Il metodo sopra descritto è adattato da Francis et al. 23, che è distinta dalla Seydoux e Dunn mMETODO 24 per gonade estrusione e colorazione degli anticorpi. Il metodo basato su Francis et al. Sarà chiamato "metodo di sospensione" e il metodo Seydoux e Dunn chiamato "metodo congelare cracking" per il confronto. Il metodo di sospensione è stato molto efficace nelle nostre mani per ottenere modelli di localizzazione riproducibili di molecole di segnalazione, come dpERK, che sono intrinsecamente più sensibili alle condizioni di manipolazione dure. Nel caso di dpERK localizzazione, nella nostra esperienza, il segnale in Zona 1 è praticamente non rilevabile con il metodo di congelamento cracking. Inoltre, campioni di essiccazione, che può verificarsi spesso con il metodo freeze cracking, risultati in segnali spuri anticorpi. Il metodo di sospensione minimizza essiccazione del campione, poiché le gonadi sono sospese nel liquido durante tutto il processo. Troviamo anche che il metodo di sospensione è utile per l'imaging più genotipi differenti su una singola diapositiva. Per esempio, se due genotipi, come ermafroditi vsle femmine sono da confrontato direttamente per dpERK localizzazione, i due genotipi possono essere miscelati insieme ed elaborati. Questo è possibile perché i fenotipi sono distinti e possono essere distinti con morfologie DAPI. Colorazione nello stesso tubo seguita da immagini sulla stessa slitta permette la comparazione diretta tra le gonadi di diversi genotipi. In alternativa, se le morfologie DAPI non sono distinguibili, poi una colorazione anticorpale in due fasi può essere adottato. Prima ciascun genotipo è trattata con due anticorpi distinti, Anticorpi A per WT e anticorpo B per mutante (entrambi gli anticorpi devono essere sollevata in un host distinto dal anticorpi dpERK). Una volta che i due genotipi sono state colorate con l'anticorpo primario, e lavati, essi possono essere miscelati insieme in un tubo e ora colorate con l'anticorpo dpERK, seguito da un trattamento anticorpo secondario per visualizzare tutti gli anticorpi nel tubo. La capacità di confrontare i diversi genotipi su una singola diapositiva, soprattutto quando Deductions di pattern di attivazione sono stati fatti assicura interpretazioni accurate non affetti da condizioni di colorazione distinte.
Mentre vantaggiosa, ci sono più passaggi durante il metodo di sospensione che richiedono un'attenta manipolazione. E 'fondamentale che le dissezioni si verificano in un momento in modo efficiente; Soprattutto, le dissezioni non devono assumere più di 5 min. volte dissezione più lunghi si traducono in segnali dpERK variabile, che spesso possono essere erroneamente interpretato come cambiamenti in regolamentati ERK, piuttosto che fallimenti tecnici. E 'fondamentale per iniziare con più di 100 – 150 animali per ogni dissezione perché durante i vari passaggi di lavaggio delle gonadi possono essere facilmente perse dai tubi a causa di errori di pipettamento. La perdita di gonadi può essere ridotto o sezionando in più piccoli lotti (come ad esempio tre lotti di 50 animali ciascuno) che possono essere combinati o da sezionare una grande serie di 150. Un'altra sfida è ottenere le gonadi a giacere in una ben distanziati formazionesulla slitta in modo che l'intera gonade distale può essere ripreso. Per consentire questa operazione, utilizzare un ciglio su un fiammifero o una pipetta tirato per distanziare le gonadi. Tuttavia, occorre prestare attenzione in modo da non danneggiare le gonadi durante questo processo. Spesso con queste tecniche ci vogliono più tentativi di padroneggiare le dissezioni, nonché le modalità delle gonadi sulle diapositive.
Una volta che questa tecnica è stato masterizzato, serve come un potente metodo per analisi biologiche diverse, e può essere usato per studiare più appena livelli dpERK. Ad esempio, questo metodo può essere utilizzato per visualizzare i livelli di p38 attivi, o livelli CDK attive, o qualsiasi proteina per la quale esiste un anticorpo. Inoltre, il metodo può essere accoppiato con uno schermo di inibizione chimica in animali interi di dosaggio per gli inibitori nuovi o attivatori del percorso, tramite il saggio per i livelli dpERK. Ciò consentirà una lettura in vivo sia reazione e sensibilità per eventuali inibitori che possono interact con la via di segnalazione RTK-RAS-ERK. Inoltre, questo metodo può essere usato in combinazione con anticorpi più uscite di segnalazione che possono essere utilizzati e visualizzabili contemporaneamente. L'utilizzo di più anticorpi consente la correlazione tra più percorsi, il loro stato di attivazione, e risultati tutti all'interno dello stesso tessuto, consentendo una migliore comprensione di queste interazioni. Questi sono solo alcuni esempi di ulteriori applicazioni di questo metodo, ma questo sistema possono essere modificati per studiare più interessi di ricerca.
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. |