Summary

Visualisation du trafic dépendant du cytosquelette d’organites contenant des lipides dans des embryons de drosophiles

Published: December 13, 2021
doi:

Summary

Au début de l’embryon de drosophile , de nombreux organites sont mobiles. En principe, ils peuvent être photographiés en direct via des sondes fluorescentes spécifiques, mais la coquille d’œuf empêche l’application directe sur l’embryon. Ce protocole décrit comment introduire de telles sondes par microinjection, puis analyser le mouvement des organites en vrac via la vélocimétrie d’image de particules.

Abstract

Les embryons précoces de drosophiles sont de grandes cellules contenant une vaste gamme d’organites conventionnels et spécifiques à l’embryon. Au cours des trois premières heures de l’embryogenèse, ces organites subissent des mouvements spectaculaires alimentés par le flux cytoplasmique à base d’actine et le trafic motorisé le long des microtubules. Le développement d’une multitude de petites sondes fluorescentes spécifiques aux organites (PF) permet de visualiser un large éventail de structures lipidiques différentes dans n’importe quel génotype, permettant une imagerie en direct sans nécessiter de fluorophore génétiquement codé. Ce protocole montre comment injecter des colorants vitaux et des sondes moléculaires dans des embryons de drosophiles pour surveiller le trafic d’organites spécifiques par imagerie vivante. Cette approche est démontrée par le marquage des gouttelettes lipidiques (LD) et en suivant leur mouvement en vrac par vélocimétrie par image particulaire (PIV). Ce protocole fournit une stratégie propice à l’étude d’autres organites, y compris les lysosomes, les mitochondries, les vésicules vitellins et les RE, et pour suivre le mouvement des TA individuelles le long des microtubules. L’utilisation de colorants disponibles dans le commerce apporte les avantages de la séparation dans les régions violette/bleue et rouge lointain du spectre. Par co-marquage multiplex des organites et/ou des éléments du cytosquelette par micro-injection, toutes les ressources génétiques de la drosophile sont disponibles pour des études de trafic sans qu’il soit nécessaire d’introduire des protéines marquées par fluorescence. Contrairement aux fluorophores génétiquement codés, qui ont de faibles rendements quantiques et blanchissent facilement, de nombreux colorants disponibles permettent la capture rapide et simultanée de plusieurs canaux avec des rendements élevés en photons.

Introduction

Les colorants vitaux et les sondes moléculaires sont des outils puissants pour imager des structures cellulaires spécifiques et des organites en direct. Dans l’embryon de drosophile, de nombreux organites différents présentent une localisation induite par le cytosquelette 1,2,3,4, mais l’application de ces petites molécules est difficile car la coquille de l’œuf est imperméable à beaucoup d’entre eux. Ce protocole décrit une méthode d’utilisation de sondes fluorescentes (PF) dans des embryons vivants par microinjection afin de détecter le trafic à grande échelle d’organites. La procédure couvre la préparation de la solution injectable, la collecte d’ovules et la préparation d’embryons, la micro-injection, l’imagerie et l’analyse d’images.

Les réarrangements spatiaux spectaculaires des organites sont courants dans de nombreux ovocytes, œufs et embryons animaux, en partie à cause de la grande taille de ces cellules. Chez l’embryon de drosophile , par exemple, les gouttelettes lipidiques (LD) et les vésicules vitellins se déplacent vers le centre embryonnaire juste avant la cellularisation5. Ce mouvement dépend des microtubules et laisse une région d’environ 40 μm tout autour de la périphérie de l’embryon appauvri des deux organites. Au cours des premiers stades de clivage, de nombreux organites sont transportés par des flux cytoplasmiques entraînés par des contractions à base d’actine-myosine à la surface de l’embryon6. Bien que les embryons de nombreuses espèces présentent des réarrangements similaires, l’embryon de drosophile est particulièrement adapté pour suivre ces processus par imagerie car il se développe à l’extérieur à la « température ambiante » standard du laboratoire, est relativement transparent, assez petit pour s’adapter à la plupart des configurations de microscope et peut être manipulé à l’aide d’outils génétiques puissants.

Pour certains organites, il existe des protéines marquées par fluorescence qui marquent spécifiquement ces structures. Par exemple, le LSD-2 (également connu sous le nom de dPLIN2) est une protéine qui, dans les embryons, cible spécifiquement les LD7. Il existe des lignées de mouches porteuses de transgènes inductibles codant pour une fusion entre la protéine fluorescente verte (GFP) et le LSD-28 ou un piège génétique dans lequel la protéine fluorescente jaune (YFP) est insérée dans la région codante du gène endogène LSD-2 9,10. Cependant, cette approche a des limites, notamment le fait que ces protéines de fusion ont de faibles rendements quantiques et ont tendance à blanchir facilement. En outre, l’étiquetage simultané de plusieurs structures différentes peut être difficile: pour de nombreux organites, un seul type d’étiquette fluorescente (souvent GFP ou mCherry) est actuellement disponible, de sorte que l’imagerie de deux organites en même temps peut nécessiter de nouveaux transgènes ou insertions; De plus, même si des étiquettes compatibles sont disponibles, leur introduction dans une seule souche peut nécessiter des croisements fastidieux. Cela rend également l’utilisation des nombreuses ressources génétiques puissantes moins pratique, par exemple, si deux marqueurs organites, un pilote Gal4 et une construction d’ARNi inductible doivent tous être présents dans la même mère.

En principe, ces limites peuvent être surmontées avec l’utilisation de PF, y compris des colorants vitaux (par exemple, LysoTracker pour marquer les lysosomes), des sondes moléculaires (par exemple, siR-tubuline pour marquer les microtubules) et des molécules biologiques marquées par fluorescence (par exemple, C12 BODIPY pour sonder le métabolisme des acides gras11). D’après leur utilisation dans les cellules cultivées, ils sont généralement bien validés en tant qu’outils puissants pour sonder la biologie cellulaire. Les FP sont polyvalents, ont des propriétés photo supérieures et sont compatibles avec les protéines fluorescentes. Plusieurs colorants peuvent être mélangés et appliqués simultanément, souvent avec les avantages de la séparation dans les zones violettes / bleues et rouges lointains du spectre et de petits décalages de Stokes, empêchant le saignement des canaux. Les petits décalages stokes permettent la capture simultanée de plusieurs canaux d’imagerie, ce qui permet de suivre plusieurs organites à la fois. Enfin, ils peuvent également être appliqués au marquage des organites dans les embryons d’autres espèces de drosophiles ou même d’autres insectes où aucune protéine marquée par fluorescence ne peut être disponible.

Cependant, la plupart de ces PF ne peuvent pas traverser la coquille d’œuf élaborée de l’embryon de drosophile . Il se compose de cinq couches: trois couches chorioniques externes (chorion) qui empêchent les dommages mécaniques plus une couche cireuse entourant la membrane vitelline qui crée une barrière chimique12. Pour plus de simplicité, la combinaison de la couche cireuse et de la membrane vitelline sera appelée « membrane vitelline » ci-dessous. Pour contourner la coquille d’œuf, ce protocole adapte une approche de micro-injection embryonnaire établie pour introduire des PF dans l’embryon de drosophile . Le protocole décrit comment surveiller le flux cytoplasmique des TA dans les embryons en phase de clivage. Il comprend la préparation des aiguilles d’injection et des cages de collecte d’œufs, le processus de collecte des œufs et le retrait mécanique du chorion. Il explique comment microinjecter et imager les embryons et comment analyser le flux global de LD à l’aide de la vélocimétrie par image de particules (PIV, adapté de6). Il fournit des conseils sur le dépannage pour assurer la survie de l’embryon et créer le meilleur système pour l’imagerie. Il est également question de savoir comment le protocole peut être modifié pour imager simultanément les LD et les microtubules ou pour l’appliquer à l’étude d’autres organites, y compris les lysosomes, les mitochondries, les vésicules vitellins et le réticulum endoplasmique (RE).

Protocol

1. Préparer le matériel nécessaire REMARQUE: Ces préparations sont mieux faites des jours ou des semaines à l’avance. Préparez des aiguilles d’injection.REMARQUE: Les aiguilles peuvent être stockées indéfiniment dans un récipient couvert. Les aiguilles doivent être assez fines pour délivrer environ 700 fL tout en étant assez solides pour percer la membrane vitelline. Placez un capillaire dans le porte-capillaire sur le tiroir à aiguilles. Fixez le capillaire avec les écrous d’aile. Alignez le centre du capillaire avec l’élément chauffant de sorte que deux aiguilles symétriques soient générées. Choisissez les réglages appropriés sur l’extracteur d’aiguilles conformément aux instructions du fabricant. Effectuez un contrôle qualité à l’aide d’une étendue de dissection.REMARQUE: Les pointes d’aiguille doivent être aussi fines que possible. Les pointes d’aiguille fissurées, déchiquetées ou de gros calibre sont jetées. Préparez des lots de 10 aiguilles (valeur de 5 capillaires) à la fois. Placez un mastic déformable, qui a été enroulé dans un cylindre, au centre du fond d’un récipient avec un couvercle. Appuyez soigneusement les aiguilles dans le mastic de manière à ce qu’il les maintienne horizontalement avec les pointes de l’aiguille suspendues en toute sécurité dans l’air pour éviter tout dommage. Couvrir avec le couvercle et conserver jusqu’à utilisation. Préparez des assiettes de collecte d’œufs. Conserver à 4 °C.REMARQUE: Les assiettes de collecte d’œufs sont de petites assiettes de gélose complétées par du jus de fruit pour encourager la ponte. La façon de les préparer est décrite dans de nombreux protocoles, y compris13. Préparez de la colle heptane.REMARQUE: Cette colle est extraite du ruban adhésif double face et est utilisée pour attacher solidement les embryons à un couvercle. Il empêche l’embryon de flotter hors de la mise au point pendant l’injection et l’imagerie. La colle peut être préparée des jours ou des semaines à l’avance. Remontez du ruban adhésif double face à une taille plus grande qu’une balle de golf et placez-le au fond d’un récipient en verre d’environ 50 ml avec un couvercle hermétiquement fermé. Emballez le ruban adhésif hermétiquement pour qu’il y ait suffisamment d’adhésif. Dans une hotte, remplissez le récipient en verre avec de l’heptane pour couvrir tout le ruban adhésif. Gardez le récipient hermétiquement fermé lorsqu’il n’est pas utilisé.ATTENTION : L’heptane est inflammable sous forme de liquide et de vapeur. Il peut causer une irritation des yeux, de la peau et des voies respiratoires. Respirer des vapeurs peut causer de la somnolence, des étourdissements et des lésions pulmonaires. Gardez l’heptane à l’écart des sources d’inflammation et stockez-le dans un endroit bien ventilé destiné aux substances inflammables et à l’abri des substances incompatibles. Laissez la colle heptane reposer toute la nuit ou plus longtemps. Pour de meilleurs résultats, placez le récipient sur un agitateur ou un autre agitateur pendant la nuit pour aider à dissoudre l’adhésif.REMARQUE: Le ruban lui-même restera, mais l’adhésif sera dissous dans l’heptane. À l’étape 5.1.2, la colle est appliquée sur un couvercle; l’heptane s’évapore, laissant la colle derrière. Testez la préparation de colle heptane en en plaçant une goutte sur une lame de verre et en vous assurant qu’il reste un résidu collant une fois que l’heptane s’est évaporé. Si un résidu d’adhésif n’est pas visible par la suite, ajoutez plus de ruban adhésif dans le récipient en verre et répétez l’étape précédente.REMARQUE: Une fois préparée, la colle peut être utilisée pendant des mois, voire des années. Préparer une solution mère BODIPY493/503 à 1 mg/mL (3,8 mM) en diluant la préparation obtenue commercialement dans du DMSO anhydre pur. Gardez-le couvert pour le protéger de la lumière et de l’eau. Conserver indéfiniment à -20 °C ou à court terme à 4 °C. 2. Préparez des cages de collecte d’œufs REMARQUE: Faites-le au moins un jour (de préférence 2 ou 3 jours) avant la ou les injections prévues. Préparez la pâte de levure.REMARQUE: La pâte de levure complète les protéines et d’autres nutriments essentiels non fournis dans les assiettes de jus de pomme. Il favorise la production d’œufs et la ponte. Ajouter 2 à 10 g de levure de boulangerie sèche, puis 1 mL d’eau du robinet dans un petit bécher. Mélanger à l’aide d’une spatule. Continuez à ajouter de l’eau du robinet par incréments de 1 mL jusqu’à ce que la consistance souhaitée, semblable à celle d’un dentifrice, soit atteinte. Couvrir le mélange et le conserver à 4 °C. Installez des cages à mouches pour la collecte des œufs.REMARQUE: Les mouches mâles et femelles du génotype souhaité sont requises: 10 à 50 femelles de moins de 2 semaines et un nombre similaire de mâles. Un certain nombre d’options différentes pour les cages à mouches sont disponibles, y compris les options maison14,13. Il est important que la taille des assiettes de jus de pomme soit adaptée à la taille des cages à mouches. Placez un petit frottis de pâte de levure sur une assiette de jus de pomme. Gardez-le couvert et laissez-le venir à température ambiante car les mouches ne pondront pas d’œufs sur l’assiette s’il fait trop froid. Transférer les mouches dans une cage de collecte d’embryons, sceller avec la plaque de jus de pomme à levure et fixer la plaque à la cage de collecte d’embryons. Laissez les mouches nouvellement transférées s’acclimater à la cage pendant 1 à 2 jours, en remplaçant la plaque par une assiette fraîche tous les jours. Si toute la levure a été mangée le lendemain, augmentez la quantité de pâte de levure pour les collectes futures.REMARQUE: Il s’agit d’une étape importante pour augmenter le rendement des œufs, car les femelles bien nourries pondent plus d’œufs. 3. Le jour de l’injection, préparez la solution injectable et chargez-la dans l’aiguille Utiliser la solution mère de BODIPY 493/503 (3,8 mM dans le DMSO) comme solution injectable. Chargez une seule aiguille avec 1 μL de la solution injectable à l’aide d’embouts de chargement d’aiguille.REMARQUE: Efforcez-vous d’amener le liquide jusqu’à la pointe sans piéger les bulles d’air. Soyez prêt à remplacer rapidement l’aiguille chargée en cas de bris accidentel. Fixez une pointe de chargement à une micropipette et aspirez 1 μL de la solution injectable dans la pointe. À l’aide de gants, tenez l’aiguille dans une main avec sa pointe pointée vers l’extérieur pour minimiser le risque de casse. Insérez soigneusement la pointe de chargement dans l’aiguille et poussez-la près de la pointe de l’aiguille. Distribuer le liquide près de la pointe de l’aiguille. Après avoir retiré la pipette, maintenez l’aiguille verticalement avec sa pointe vers le bas jusqu’à ce que le liquide s’écoule vers la pointe. Conservez les aiguilles chargées dans un récipient séparé avec du mastic comme ci-dessus (voir l’étape 1.1.5).REMARQUE: Les aiguilles doivent être préparées à l’avance (jusqu’à plusieurs heures) d’injection, mais ne doivent pas être utilisées après plus d’une journée. Gardez les aiguilles à l’abri de la lumière ambiante pour éviter le blanchiment des colorants. Couvrez le récipient de stockage avec du papier d’aluminium sans endommager les pointes de l’aiguille. Assurez-vous que toute la lumière est obscurcie. 4. Collecte d’embryons pour injection REMARQUE: Le moment de la collecte dépend du stade des embryons où l’injection doit être effectuée. Avec le schéma de synchronisation ci-dessous, les embryons au moment de la préparation à l’injection auront une durée de 0 à 90 minutes, ce qui correspond aux stades de clivage15. Le jour de l’injection, préparez des assiettes de jus de pomme avec de la levure, comme à l’étape 2.2.1. Si N séries d’injections sont prévues, préparez N + 2 plaques. Conservez ces plaques à température ambiante.REMARQUE: En plus des plaques N pour collecter des embryons pour injection, une plaque est nécessaire comme plaque de pré-collecte et une autre pour nourrir les mouches dans la cage une fois les collections terminées. Remplacez la plaque sur la cage par une plaque de levure fraîche (plaque de pré-collecte) et laissez-la sur la cage pendant 1-2 h. Remplacez la plaque sur la cage par une assiette fraîche (plaque de collecte). Jetez la plaque de pré-collecte, car elle contiendra des embryons plus âgés que souhaité. Ensuite, laissez les mouches pondre des œufs pendant 1,5 h.REMARQUE: Comme les mouches bien nourries pondent généralement leurs œufs peu de temps après la fécondation des œufs, un temps de collecte de 1,5 h garantit qu’à la fin de la collecte, la plupart des embryons sur la plaque ont entre 0 et 90 minutes, c’est-à-dire sont en phase de clivage. Les mouches femelles qui n’ont pas été nourries avec de la levure fraîche depuis la veille auront tendance à retenir les œufs fécondés pendant une période indéterminée avant la ponte. Par conséquent, la plaque de pré-collecte peut avoir des embryons qui ont été fécondés avant le début de la collecte et sont donc âgés de plus de 60 min, parfois beaucoup plus vieux. Remplacez la plaque sur la cage par une assiette fraîche à levure. Couvrez la plaque de collecte afin que les mouches errantes ne pondent pas d’œufs dessus. 5. Préparer les embryons pour la micro-injection Assemblez les matériaux nécessaires. Fixez un morceau de ruban adhésif double face à une lame de verre. Évitez de toucher le ruban avec les doigts, car cela réduit son adhérence.REMARQUE: Cette diapositive sera utilisée pour retirer le chorion et non pour l’imagerie. À l’aide d’une pipette de transfert ou d’une micropipette (p200 ou p1000), placez une petite goutte (200 μL ou moins) de colle heptane grossièrement au centre d’un couvercle rectangulaire (60 x 25 mm). Laissez l’heptane s’évaporer (cela prend moins d’une minute).REMARQUE: Ce couvercle sera utilisé pour monter les embryons pour l’injection et l’imagerie. Les dimensions sont choisies pour tenir dans un support métallique réglable sur le microscope confocal. Assemblez une chambre de dessiccation, une chambre scellée (par exemple, une boîte à sandwich Tupperware) contenant des perles de dessiccation. N’utilisez que des perles de dessiccation qui ne se sont pas hydratées.REMARQUE: Pour s’assurer que les embryons absorbent la solution injectable, l’embryon doit être légèrement desséché pour réduire la pression interne. Cela se fait en plaçant la lèvre de couverture avec les embryons déséchorionés et exposés à l’air dans la chambre de dessiccation. Retirez mécaniquement le chorion. Couvrez la plaque embryonnaire vieillie de manière appropriée avec une fine couche d’huile d’halocarbure 27 pour rendre la coquille d’œuf transparente.REMARQUE: Les embryons deviennent translucides en quelques dizaines de secondes15. Si cette étape ne se produit pas efficacement, les assiettes de jus de pomme peuvent être trop humides et doivent être séchées avant utilisation. Visualisez la plaque sous une lunette de dissection avec transillumination (c’est-à-dire la lumière traversant la plaque dans les oculaires) pour confirmer le stade des embryons. Sélectionnez les embryons en phase de clivage.NOTE: Les embryons au stade du clivage sont entièrement opaques; les stades post-blastodermiques suivants peuvent être reconnus par une bande de cytoplasme transparent tout autour du centre opaque15. Une bonne introduction sur la façon de reconnaître les différents stades embryonnaires est disponible sur le site Web (donné dans la référence16) maintenu par la Society of Developmental Biology. À l’aide d’une pince à épiler fine, attrapez un embryon du stade souhaité par ses appendices dorsaux et transférez-le sur la lame de verre préparée recouverte d’un morceau de ruban adhésif double face. Placez l’embryon sur la bande. Minimiser le transfert d’huile. Aussi doucement que possible, roulez l’embryon sur la surface du ruban en poussant doucement l’embryon avec le côté de la pointe de la pince à épiler. Ne piquez pas l’embryon directement avec les pointes pointues de la pince.REMARQUE: Si la force appliquée est trop faible, l’embryon ne roulera pas. S’il est trop haut, il éclatera. Trouver la force intermédiaire appropriée nécessite de l’expérience et, par conséquent, cette étape doit être pratiquée au préalable. Continuez à rouler l’embryon jusqu’à ce que le chorion adhère transitoirement au ruban adhésif et se fissure. Une fois que le chorion se fissure, continuez à rouler pour séparer l’embryon (toujours à l’intérieur de la membrane vitelline) du chorion car le chorion reste collé au ruban adhésif. Confirmez que le chorion est complètement retiré en observant la perte des appendices dorsaux de l’embryon. Retournez l’embryon sur le chorion, qui est moins adhésif que le ruban adhésif. Frottez doucement l’embryon avec la pince à épiler jusqu’à ce qu’il se fixe à la pince à épiler pour le transfert. Transférez l’embryon dans la lèvre de couverture avec la colle heptane et mettez-le en contact avec la colle, qui le détache généralement des pinces à épiler. Ajustez l’orientation de l’embryon sur le couvercle. Incorporer la surface latérale de l’embryon dans la colle.REMARQUE: La surface de l’embryon incorporée dans la colle est celle qui sera imagée. L’intégration de la surface latérale est la plus simple, mais cela peut être ajusté en fonction des préférences personnelles ou de la question biologique à laquelle il faut répondre. Orientez l’axe long de l’embryon perpendiculairement à l’axe long de la couche de couverture. Si l’embryon ne repose pas dans l’orientation préférée, nettoyez la pince à épiler pour enlever toute huile qui détacherait l’embryon de la colle. Ensuite, essayez doucement de rouler l’embryon en position. Préparez le nombre souhaité d’embryons pour l’injection de la manière décrite ci-dessus.REMARQUE: Au fur et à mesure que le temps passe après le retrait du chorion, l’air ambiant commencera à dessécher les embryons et donc l’effet de l’étape 5.3 sera inégal pour les embryons sur la couche de couverture, qui ont été décholonnés à différents moments. En règle générale, 1 à 3 embryons sont les plus faciles à gérer. Dessécher les embryons. Placez le couvercle avec des embryons dans la chambre de dessiccation préparée et scellez-le. Laissez les embryons se dessécher pendant 5 à 12 min.REMARQUE: Le moment de cette étape dépend de la température ambiante et de l’humidité et doit donc être déterminé empiriquement. Retirez le couvercle de la chambre et placez une goutte d’huile d’halocarbure 700 dessus, recouvrant complètement les embryons, pour éviter toute dessiccation ultérieure. Inspectez les embryons sur une lunette de dissection pour juger de la dessiccation appropriée. Si les embryons sont légèrement ratatinés, mais pas dégonflés, passez à la micro-injection (étape 6). Si les embryons ne sont pas suffisamment ou trop desséchés, revenez à l’étape 5.2 et préparez un nouveau lot d’embryons car l’huile d’halocarbure 700 ne peut pas être retirée. Si les embryons ont été trop desséchés, raccourcir le temps de dessiccation pour le prochain lot d’embryons de 3 min; s’ils étaient sous-desséchés, augmentez le temps de dessiccation de 3 min. 6. Microinjecter des embryons REMARQUE: Assurez-vous que la configuration de micro-injection comprend un microscope inversé, un micromanipulateur pour maintenir et positionner l’aiguille d’injection et un micro-injecteur commercial pour fournir des volumes contrôlés. Mettez le micro-injecteur sous tension et entrez les paramètres préférés.REMARQUE: Pour ce protocole, il est recommandé d’utiliser la sortie de mouvement linéaire et le réglage rapide, mais beaucoup d’autres fonctionneront. L’exploitant doit déterminer sa préférence personnelle. Chargez l’aiguille dans le micromanipulateur. Pour éviter que l’aiguille ne soit endommagée lors du chargement de la housse contenant les embryons, déplacez-la dans une position sûre. Placez le couvercle sur la scène, avec des embryons sur le dessus, vers l’aiguille. Ensuite, replacez soigneusement l’aiguille en position pour injection, avec sa pointe encore bien au-dessus de la scène. Placez l’objectif 4x dans le chemin de la lumière. À l’aide du bouton de mise au point du microscope, mettez les embryons au point.REMARQUE: Ce sera le plan focal utilisé pour l’injection et ne sera ajusté que très peu à l’avenir. À l’aide des commandes de scène, déplacez les embryons horizontalement au centre du champ de vision. Éloignez-vous des embryons, en les maintenant au bord du champ de vision, en préparation de l’abaissement de l’aiguille. Restez dans le même plan focal pour vous assurer que l’aiguille est abaissée à la bonne position. Abaissez la pointe de l’aiguille dans le plan focal correct et assurez-vous qu’elle est visible dans le champ de vision avec les embryons. En utilisant les commandes du micromanipulateur et en regardant d’en haut (pas encore à travers les oculaires), déposez lentement la pointe de l’aiguille dans l’huile, en visant la zone où pointe l’objectif. Comme l’huile est assez visqueuse, allez-y lentement pour éviter d’endommager l’aiguille. Une fois que l’aiguille est visible à travers les oculaires, continuez à utiliser les commandes du micromanipulateur jusqu’à ce que la pointe de l’aiguille soit au point et au centre du champ de vision. En déplaçant la scène, ramenez les embryons au centre du champ de vision. Utilisez la commande de scène, les commandes de micromanipulateur et le bouton de mise au point pour affiner la position de l’embryon et de la pointe de l’aiguille l’un par rapport à l’autre pendant que les deux sont au point. Essayez d’effectuer des injections aussi près que possible du couvercle. Effectuer le contrôle de la qualité des aiguilles. Pour vous assurer que l’aiguille est fonctionnelle, distribuer une partie de la solution injectable dans l’huile d’halocarbure 700 entourant l’embryon, visible sous forme de bulle dans l’huile. Si rien ne s’écoule de l’aiguille, augmentez progressivement la pression au niveau de l’injecteur. Si cela ne fonctionne pas, procurez-vous une nouvelle aiguille. Injectez l’embryon.REMARQUE: Les volumes d’injection acceptables vont de ~ 0,06-1 pL. La limite inférieure est fixée par ce qui peut être visualisé entrant dans l’embryon. La limite supérieure est fixée par le traumatisme que l’injection exerce sur l’embryon. Injectez le long des bords latéraux de l’embryon car c’est le moins invasif. À l’aide des commandes de scène, déplacez l’embryon vers la pointe de l’aiguille jusqu’à ce que cette dernière perfore doucement l’embryon et y pénètre. Dans le même temps, commencez le flux de solution injectable et surveillez l’apparition d’une tache claire transitoire sur le site de la pointe de l’aiguille, ce qui indique un transfert réussi de liquide dans l’embryon. Surveillez l’embryon. Si l’embryon résiste à l’aiguille et se rompt (le cytoplasme gicle) à l’entrée, revenez à l’étape 5 et augmentez le temps de dessiccation. Si l’embryon est plat contre le couvercle et apparaît molle pendant l’injection, revenez à l’étape 5 et raccourcissez le temps de dessiccation. Si aucun colorant n’est entré dans l’embryon, confirmez que le colorant peut encore s’écouler librement de l’aiguille comme à l’étape 6.7. Si le colorant ne coule pas, remplacez l’aiguille. Si le colorant coule, injectez un nouvel embryon et commencez à libérer le colorant juste avant que l’aiguille ne perce l’embryon.REMARQUE: Les injections répétées du même embryon ne sont pas recommandées car il rompt la plaie / le site d’injection précédent. Répétez l’opération jusqu’à ce que tous les embryons soient injectés. 7. Images d’embryons REMARQUE: Ce protocole utilise un microscope confocal à balayage laser. Placez le couvercle dans le support métallique du microscope confocal afin que les embryons soient imagés directement par le bas à travers le couvercle; au-dessus de la glissière de couverture, il n’y a que de l’huile et aucune autre barrière. Comme étape de contrôle de la qualité, imagez d’abord en utilisant la fonction d’épifluorescence sur le microscope confocal, avec un objectif 40x. Assurez-vous que le fluorophore est visible dans l’embryon avant de continuer. Si le plan d’imagerie souhaité est différent du site d’injection, prévoyez suffisamment de temps pour que le colorant se diffuse dans la zone cible.REMARQUE: Pour BOPIPY 493/503, ce temps varie généralement de 30 à 60 min. Comme le temps de diffusion dépend grandement du colorant, d’autres colorants peuvent nécessiter une optimisation du site d’injection et du temps d’attente. Utilisez différents objectifs pour l’imagerie à différentes échelles. Utilisez un objectif 40x pour imager tout l’embryon et un objectif 63x pour imager les sous-sections pour les plus petites échelles. Pour l’imagerie en direct pendant les étapes syncytriales avant la cellularisation, utilisez les conditions suivantes pour commencer : taille de l’image de 512 x 512 pixels, moyenne de ligne de 3, fréquence d’images de 0,1 image par seconde (c.-à-d. 1 image acquise toutes les 10 s). Ajuster les conditions en fonction des capacités du microscope utilisé.REMARQUE: Ces conditions permettent d’acquérir plus de 500 images à partir de BOPIPY 493/503 et de capturer la majeure partie du mouvement. 8. Analysez le flux LD en utilisant d’abord FIJI pour préparer une série chronologique d’images, puis python pour l’analyse PIV Optimisez l’acquisition d’images. Effectuer des injections du colorant souhaité au stade approprié. Répétez cette étape jusqu’à ce que la variation quotidienne soit négligeable. Optimisez les paramètres d’acquisition d’image, y compris le grossissement, le zoom, la résolution et la fréquence d’images.REMARQUE: Il existe un compromis entre les images de haute qualité (résolution + moyenne des lignes) et la vitesse d’acquisition (fréquence d’images). Préparer les données dans FIJI. Acquérir une série chronologique de haute qualité à analyser. Ouvrez une image de la série chronologique pour générer un masque avec FIJI. Dupliquez l’image. Convertissez le type de l’image en 8 bits. Définissez la limite de l’embryon à l’aide de l’outil De sélection Polygone ou Freehand. Utilisez Effacer l’extérieur pour définir les valeurs de pixels en dehors de la sélection sur 0. Effacez, puis inversez dans la sélection pour définir la valeur maximale des pixels de la sélection (255). Désélectionnez, puis utilisez la commande Histogramme pour vous assurer que seules les valeurs de pixels 0 et 255 sont présentes. Enregistrez ce nouveau masque d’image pour la série chronologique spécifique. Ouvrez la série chronologique d’intérêt. Choisissez les dix images qui capturent le mieux le temps d’intérêt, par exemple, le cycle nucléaire 9 au début de la contraction corticale. Dupliquez les dix cadres d’intérêt, formant une sous-pile. Utilisez la fonction Stack to Images pour générer 10 images à analyser avec PIV. Enregistrez les fichiers individuels de manière à préserver leur ordre (SeriesX_1, SeriesX_2, SeriesX_3 …). Utilisez le masque préparé et les cadres individuels pour l’analyse PIV, en utilisant l’exemple de script python fourni (données supplémentaires) ou un script personnalisé généré par l’utilisateur.REMARQUE: Le script fourni est basé sur l’application python d’OpenPIV17. Il produit la distance en pixels qui peuvent être converties en utilisant la largeur de pixel et la fréquence d’images pour générer des vitesses ou des vitesses. Générez des répliques en effectuant les étapes précédentes pour des embryons supplémentaires et en compilant les valeurs de sortie.

Representative Results

Après l’injection, le colorant sera localisé uniquement à l’endroit où la pointe de l’aiguille a été insérée. Le colorant diffusera alors loin du site d’injection en fonction de ses caractéristiques diffusives. La figure 1 montre l’injection de BODIPY 493/503, peu après l’injection (panneau A) et 24 minutes plus tard (panneau B). Après 24 minutes, le colorant a atteint à peu près le point médian du long axe de l’embryon. L’analyse de la motilité des organites peut être réalisée grâce à des injections de colorant et à l’imagerie time-lapse. Dans la figure 2, un embryon a été co-injecté avec BODIPY 493/503 (Figure 2A) et LysoTracker Red (Figure 2B) et imagé à l’aide d’une excitation laser à 488 et 596 nm, respectivement. Cet embryon a ensuite été imagé en accéléré (une image toutes les 30 s pendant 30 min, 5 min analysées). La série chronologique a ensuite été analysée par PIV, dont les résultats sont présentés par des lignes directrices à la figure 2A, B. Notez que les lignes de flux ne représentent pas la trajectoire des particules individuelles, mais le flux cytoplasmique est déduit de l’analyse de toutes les particules dans cette région du cytoplasme. Grâce au marquage de deux structures cellulaires indépendantes (LD et organites acides), l’analyse PIV trouve des flux similaires, les deux étiquettes convergeant vers la région centrale de l’embryon où le cytoplasme s’écoule à l’intérieur de l’embryon6. Les PF actuellement disponibles permettent l’étiquetage de nombreux autres organites et structures cellulaires. La figure 3 montre l’étiquetage de l’ER via ER tracker Green. ER tracker fournit une belle résolution de l’enveloppe nucléaire, permettant la visualisation des principales étapes du cycle cellulaire. ER tracker Green est imagé en utilisant une excitation de 488 nm. L’étiquetage des mitochondries est délicat, car la plupart des colorants testés semblent être piégés dans la première mitochondrie dans laquelle ils pénètrent. D’autre part, aucun signe de toxicité des colorants n’a été détecté, ce qui permet de suivre les mitochondries marquées par cellularisation et le cycle nucléaire ectodermique 15. La figure 4 montre une cellule ectodermique plusieurs heures après l’injection de Mitoview 633 (longueur d’onde d’excitation 633 nm). BODIPY, Lysotracker et LipidSpot sont robustes et peuvent être utilisés pour acquérir plus de 500 images à 512 x 512, une moyenne de ligne de 3, des fréquences d’images de 1/s à 0,1/s. ER tracker Green, SiR-tubulin et les colorants mitochondriaux mentionnés sont moins robustes et donnent ~50-200 images dans les mêmes conditions. À partir des stades blastodermiques, les LD se déplacent bidirectionnellement le long des microtubules, alimentés par les moteurs de polarité opposée kinésine-1 et dynéinecytoplasmique 5. Ce mouvement peut être visualisé en co-marquant les LD et les microtubules en injectant à la fois BODIPY 493/503 et SiR-Tubulin (Figure 5). Comme les TA inversent fréquemment leur direction de mouvement (car elles basculent entre la kinésine-1 et la dynéine cytoplasmique), des fréquences d’images plus élevées pendant l’acquisition capturent mieux les détails critiques de la motilité de la LD. L’imagerie en direct des vésicules de jaune autofluorescentes est possible sans aucune forme d’injection de colorant (Figure 6). Cependant, l’autofluorescence est faible et le laser d’excitation est phototoxique. Ainsi, l’imagerie en direct du jaune autofluorescent a un faible rapport signal/bruit par rapport à l’injection de colorant. Figure 1 : Diffusion de BODIPY 493/503 à travers l’embryon. Le colorant a été injecté le long du bord latéral vers l’extrémité antérieure (en haut à droite) et diffuse à partir de ce site d’injection dans l’embryon, marquant les LD. (A) Le colorant s’est diffusé à travers des parties de l’embryon adjacentes au site d’injection. (B) Environ 24 min/2 cycles nucléaires plus tard, le colorant s’est diffusé au-delà du point médian de l’embryon. Barre d’échelle: 100 μm. Un cadre de 1024 x 1024 (moyenne de ligne 4) a été acquis toutes les 30 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 2 : Vélocimétrie par image particulaire (PIV) pour les TA et les organites acides. Un embryon a été injecté avec BODIPY 493/503 et LysoTracker Red. (A) Canal BODIPY. (B) Canal rouge LysoTracker. (A’,B’) Rationalisez les diagrammes générés par l’analyse PIV des deux canaux générés à partir de 10 images séquentielles, y compris celles indiquées en A et B. A’ correspond à l’écoulement des LD et B’ correspond à l’écoulement des organites acides. Notez que A’ et B’ montrent tous deux une confluence à gauche du centre où le contenu embryonnaire s’écoule hors du plan de vue, dans le centre de l’embryon. Notez également que BODIPY a diffusé plus que LysoTracker car différents colorants ont des propriétés diffusives différentes. Barre d’échelle: 100 μm. Un cadre de 1024 x 1024 (moyenne de ligne 4) a été acquis toutes les 30 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 3 : Étiquettes de suivi des urgences des divisions nucléaires syncytiales. Un embryon de blastoderme syncytial a été microinjecté avec le tracker ER et une partie de sa surface a été imagée au fil du temps. (A) Assemblage de la broche au cours d’une division nucléaire. B) Abscission de l’enveloppe nucléaire au cours d’une même division. (C) Interphase ultérieure. (D) Le début de la division suivante est indiqué par l’apparence du centrosome (apparition de régions circulaires exemptes de RE, marquées par des pointes de flèches). Notez le blanchiment progressif des colorants. Longueur d’onde d’excitation: 488 nm. Barre d’échelle: 5 μm. A: cadre initial, B: 3 min écoulé, C: 10 min écoulé, D: 13 min écoulé. Un cadre de 1024 x 1024 (moyenne de ligne 4) a été acquis toutes les 30 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 4 : Marquage Mitoview 633 des mitochondries. Un embryon a été injecté avec Mitoview 633 au stade du blastoderme syncytial et imagé 4 h plus tard, après la cellularisation. L’image montre une cellule neuroectodermique d’un embryon en extension de la bande germinale. Barre d’échelle: 5 μm. Un cadre de 1024 x 1024 (moyenne de ligne 4) a été acquis toutes les 30 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 5 : Co-marquage des LD et des microtubules. Un embryon cellularisant a été injecté avec un mélange de BODIPY 493/503 (jaune A,B,C) et de sirculine SiR (magenta A’,B’,C’). A”, B”, C” montrent les chaînes fusionnées. Les panneaux A, A’ et A” montrent le cadre initial, les panneaux B, B’ et B” montrent le cadre après 5 s, et les panneaux C, C’et C” montrent le cadre après 10 s. Barre d’échelle: 5 μm. Une image de 512 x 512 (moyenne de ligne 3) a été acquise toutes les 2,5 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 6 : Imagerie de l’autofluorescence des vésicules du jaune pendant les étapes de clivage syncytial. (A) Au début de l’acquisition. (B) Après 8 min. (C) Après 16 min. Longueur d’onde d’excitation: 405 nm. Une faible intensité d’excitation a été utilisée pour maintenir l’embryon en vie. Barre d’échelle: 100 μm. Un cadre de 1024 x 1024 (moyenne de ligne 4) a été acquis toutes les 30 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Données supplémentaires. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

L’embryon de drosophile est un modèle puissant et pratique pour étudier des questions fondamentales en biologie cellulaire et des organismes. Sa simplicité relative, sa génétique puissante et sa petite taille en font un excellent système d’imagerie des processus cellulaires et du développement. Ici, un protocole de micro-injection standard est adapté pour permettre l’utilisation de la FP chez les embryons. Cette approche permet l’imagerie fluorescente de structures cellulaires spécifiques sans avoir besoin de fluorophores génétiquement codés, ouvrant de nombreux arrière-plans génétiques à l’imagerie. La combinaison de plusieurs colorants et de protéines marquées par fluorescence stratégiquement choisies peut ouvrir l’imagerie en direct multicanal couvrant tout le spectre de la lumière visible.

Étapes critiques du protocole :
Ce protocole utilise BODIPY 493/503 pour étiqueter les LD. Cette approche peut facilement être adaptée pour marquer d’autres structures cellulaires. Pour l’analyse ultérieure de l’image, l’un des facteurs les plus importants est le rapport signal/bruit, c’est-à-dire la luminosité du colorant par rapport au signal d’arrière-plan. Les lysosomes ont été imagés avec succès (LysoTracker Red, 1 mM), ainsi que les mitochondries (Mitoview 633, 200 μM), les RE (ER tracker Green, 10 μM) et les microtubules (sirculine SiR, 200 nM dans DMSO), comme le montre la figure 2, figure 3, figure 4, figure 5. De plus, les vésicules vitellins sont autofluorescentes et émettent de la lumière bleue lors de l’excitation UV (image utilisant 405 nm comme longueur d’onde d’excitation (Figure 6)). Pour les autres colorants, visez à ce que la concentration de colorant soit de 100 à 1 000 fois supérieure à ce qui serait nécessaire pour colorer les cellules cultivées vivantes; ceci est similaire à la concentration d’une solution mère qui serait diluée dans un milieu de culture cellulaire. Comme ce protocole nécessite une injection de 100 fL et que l’embryon de drosophile est d’environ 9 nL dans le volume18, ces concentrations de colorants atteindront en moyenne une concentration embryonnaire interne inférieure à 1/100e de ce qui est présent dans le milieu de culture cellulaire. Temporairement, la concentration locale sera plus élevée au site d’injection, ce qui est particulièrement pertinent pour les PF qui ne diffusent pas bien (c.-à-d. les colorants mitochondriaux et la tubuline SiR). Pour ces PF, commencez aux concentrations élevées recommandées; si un décès inattendu est observé, diluer successivement deux fois jusqu’à ce qu’un compromis acceptable entre la survie et la force du signal soit atteint.

Lors de la co-injection de plusieurs colorants, les deux colorants doivent être dans le même solvant, ou les solvants et les colorants doivent être compatibles avec le mélange (des concentrations d’alcool supérieures à ~ 10% ne sont pas recommandées).

La qualité des aiguilles est essentielle au succès de cette procédure, car la pointe doit être aussi fine que possible. Sinon, les dommages causés par la plaie d’injection peuvent compromettre le développement ultérieur de l’embryon. Comme les extracteurs d’aiguilles commerciaux diffèrent, il est important de suivre les suggestions du fabricant et d’essayer plusieurs paramètres de traction jusqu’à ce que la forme souhaitée soit atteinte. Il est essentiel d’effectuer l’étape de contrôle de la qualité 1.1.3, car travailler avec une pointe d’aiguille fissurée, déchiquetée ou de gros calibre rendra l’injection réussie plus difficile, voire impossible.

L’embryon doit être partiellement desséché afin que des volumes supplémentaires de liquide puissent être ajoutés pendant l’injection. Si l’embryon est sous-desséché, l’aiguille n’entrera pas facilement et le cytoplasme giclera lorsque l’aiguille pénètre ou que la solution est injectée. Si l’embryon est trop desséché, il aura l’air dégonflé et ne se développera pas correctement. Le temps de séchage exact dépend des conditions locales, par exemple l’humidité de l’air, et peut changer d’un jour à l’autre. Il doit être déterminé empiriquement pour chaque session.

La capacité de l’embryon à survivre après microinjection dépend de manière critique de la qualité de l’aiguille, de la dessiccation appropriée et de la limitation du volume d’injection à moins de 1 pL (idéalement 100 fL). Tant que ces paramètres sont optimisés, aucune toxicité significative n’est apparente lorsque les colorants décrits sont injectés aux concentrations recommandées. Si les embryons survivent aux étapes de dessiccation et d’injection, ils se développent généralement avec succès dans l’extension de la bande germinale, à l’exception des sondes microtubule et ER qui ont causé des défauts de cellularisation à des niveaux élevés (injection de 100 fL de la concentration de stock de chacun). Les tests n’ont révélé aucun défaut de développement évident lorsque le DMSO, l’eau et les mélanges des deux ont été injectés aux volumes recommandés, avec un taux de survie embryonnaire par extension de la bande germinale d’environ 75% ou plus. Des volumes d’injection supérieurs à 1 pL ont provoqué des défauts et des embryons injectés avec des volumes d’environ 4 pL se sont développés pendant moins de 1 h. Par conséquent, les volumes d’injection doivent être maintenus bas, ce qui signifie que les concentrations de colorants doivent être élevées.

Généralement, les injections le long du bord latéral de l’embryon sont recommandées car elles entraînent le moins de dommages. Cependant, le site d’injection peut devoir être ajusté en fonction des propriétés diffusives des PF utilisés. BODIPY 493/503 et LysoTracker diffusent plus rapidement sur l’ensemble de l’embryon que Lipid Spot 610 (un autre colorant pour marquer les TA), tandis que SiR-Tubulin et Mitoview 633 ne diffusent jamais complètement à travers l’embryon (imagerie jusqu’à 7 h après l’injection). Ainsi, l’injection dans ou près du site d’intérêt peut être nécessaire. Lors de l’injection dans les régions antérieures ou postérieures, une aiguille particulièrement fine est recommandée.

L’acquisition d’images repose sur la microscopie confocale pour sectionner optiquement et résoudre les petits organites et tous les composants du cytosquelette. Les techniques nécessitant l’analyse de nombreuses images (par exemple, STORM ou PALM) ne fonctionneront pas parce que le contenu embryonnaire est en mouvement et que les fluorophores ne sont pas optimisés pour la commutation de photos. La microscopie à épifluorescence n’a pas la résolution latérale et axiale pour distinguer la plupart des organites et des structures cellulaires plus petites. Pour ces raisons, il est fortement recommandé d’utiliser un microscope confocal ou d’utiliser la technologie des feuilles de lumière.

La reproductibilité de l’analyse d’image repose en grande partie sur des données d’imagerie cohérentes. Pour avoir le plus de chances de succès, il est nécessaire d’optimiser la technique d’injection et l’acquisition d’images. L’établissement et la pratique d’une technique où le ou les colorants d’intérêt, le site d’injection, l’âge de l’embryon, le volume d’injection et la configuration d’acquisition sont tous cohérents généreront les données les plus robustes pour l’analyse d’images.

Modifications et dépannage de la méthode
Ce protocole démontre une méthode d’analyse du flux global de TA dans les embryons en phase de clivage à l’aide de la vélocimétrie par image de particules. La même approche peut être utilisée pour d’autres organites, d’autres stades de développement et d’autres méthodes d’analyse. Par exemple, la figure 2 montre l’analyse des LD et des organites acides qui s’écoulent dans les stades syncytiaux de l’embryogenèse, visualisés en co-injectant BODIPY 493/503 et LysoTracker Red. D’autres images réussies du mouvement de la LD chez les embryons jusqu’à 7 heures après la fécondation ont été réalisées; ces embryons conservent la plaie d’injection mais sont capables de se développer pendant plusieurs heures.

Les données recueillies à l’aide de ce protocole ont été utilisées pour la vélocimétrie d’image de particules, mais de nombreuses autres techniques d’analyse sont disponibles. Par exemple, les programmes de suivi des particules comme ceux trouvés dans ImageJ, Imaris ou le suivi manuel peuvent être utilisés pour obtenir les vitesses et les directionnalités des structures en mouvement. Notez que la plupart de ces logiciels de suivi sont conçus pour fonctionner avec les données des systèmes de culture cellulaire planaire et ne s’adaptent pas toujours bien aux structures 3D comme l’embryon de drosophile . De plus, pour la génération de données de suivi des particules de la meilleure qualité, plusieurs plans Z devraient être imagés; cela devrait être faisable si les temps d’acquisition de la pile d’images sont inférieurs à ~2 s. Ce point de repère devrait être accessible sur les systèmes confocaux à disque rotatif, à feuille de lumière en treillis et aux systèmes confocaux à balayage laser récents. Cependant, la faisabilité du suivi des particules pour les organites abondants tels que les TA, les mitochondries et les lysosomes est faible car la quantité de signal positif dans un champ de vision est trop élevée pour les méthodes de suivi actuelles. Le suivi de structures moins abondantes comme les noyaux ou les vésicules vitellins peut être possible. PIV pour l’analyse d’écoulement fonctionne bien pour les LD et les organites acides dans les stades de clivage parce que les deux organites se déplacent librement. Les organites comme les noyaux, les RE et les mitochondries sont attachés à d’autres structures cellulaires et ne se déplacent donc pas librement et ne sont pas adaptés à l’analyse logicielle qui suppose un mouvement libre. L’investigateur doit choisir les techniques les mieux adaptées à l’organite d’intérêt.

Au cours des phases syncytiale et blastodermique cellulaire, les LD (ainsi que d’autres organites) se déplacent le long de microtubules orientés radialement5. Il est donc possible de trouver des vues transversales (comme sur la figure 5) où des microtubules simples sont mis au point sur de longues distances, permettant le suivi des particules en 2D. Étant donné que ces plans optiques sont profonds dans l’embryon, la force globale du signal est diminuée et le rapport signal/bruit est réduit.

Pour l’analyse de suivi, l’imagerie aussi rapide que possible peut révéler des détails cruciaux du mouvement et donc de la machine mobile. Par exemple, le mouvement lipid-gouttelette est un mélange de deux états mobiles, le mouvement lent-court (~200 nm/s; distance moyenne de déplacement ~100 nm) et le mouvement rapide-long (~450 nm/s; distance de déplacement moyenne ~1 000 nm)19; ainsi, si des images sont prises toutes les secondes ou même moins fréquemment, l’état lent-court devient indétectable. Cependant, l’imagerie fréquente induit également le blanchiment des fluorophores et la phototoxicité. Les conditions d’imagerie doivent donc être ajustées en fonction de la question exacte à traiter.

Limites de la méthode
Selon le colorant souhaité, la méthode peut être limitée par la compatibilité entre la solubilité du colorant et la toxicité de la solution injectable. Les alcools comme l’isopropanol et l’éthanol sont difficiles à manipuler dans une aiguille en raison de leur viscosité plus faible et semblent endommager les composants cellulaires et tuer l’embryon.

La méthode n’est pas non plus bien adaptée à la visualisation des premières étapes de l’embryogenèse, car il faut plus de 30 minutes pour préparer les embryons à l’injection. À température ambiante, les cycles cellulaires initiaux de l’embryon ne durent que 10 minutes chacun; Ainsi, même si l’on devait cueillir un ovule nouvellement fécondé à l’étape 5.2.3, les premiers cycles cellulaires seraient déjà terminés au moment où l’embryon est prêt pour l’imagerie.

L’éclairage avec une lumière dans la gamme UV/bleu est considérablement plus phototoxique que pour les longueurs d’onde plus longues. Dans de telles conditions (p. ex., pour suivre des vésicules de jaune autofluorescentes; Figure 6), il faut limiter le temps d’imagerie (ce qui conduit à des séries chronologiques plus courtes) ou utiliser une puissance laser plus faible (ce qui entraîne une réduction du rapport signal/bruit).

Après la cellularisation, les colorants injectés dans un endroit spécifique ont tendance à mal diffuser, car ils doivent traverser de nombreuses membranes cellulaires. Cela limite la région d’observation dans les stades de développement ultérieurs.

L’importance de la méthode par rapport aux méthodes existantes/alternatives
Le mouvement des TA et d’autres organites contenant des lipides dans les embryons précoces peut être visualisé avec des fluorophores génétiquement codés, des techniques sans étiquette et par l’introduction de FP. Ce dernier peut être réalisé par perméabilisation de la membrane vitelline12 ou par l’approche de micro-injection discutée ici.

Les fluorophores génétiquement codés sont des marqueurs polyvalents dont les niveaux sont généralement hautement reproductibles d’un embryon à l’autre. Cependant, ils ont des rendements quantiques plus faibles et blanchissent plus facilement que les FP. En règle générale, ils ne sont disponibles que dans une ou deux versions marquées (par exemple, GFP ou mCherry), ce qui limite le choix des structures pouvant être imagées simultanément. Les PF, en revanche, existent souvent dans une grande variété; par exemple, divers colorants spécifiques aux gouttelettes lipidiques sont disponibles avec des spectres d’émission allant d’Autodot dans le spectre UV/bleu à Lipidtox et LipidSpot 610 dans le spectre rouge lointain. Les PF peuvent également être appliqués directement à n’importe quelle souche d’intérêt, et ne nécessitent donc pas de construction de souche pour, par exemple, introduire le marqueur d’organite souhaité dans une souche mutante d’intérêt. Cet avantage est particulièrement prononcé lorsque plusieurs structures doivent être étiquetées simultanément; au lieu de croisements chronophages couvrant plusieurs générations, cela peut être réalisé en une seule journée en mélangeant les colorants pertinents et en les introduisant en même temps. Enfin, si les processus cellulaires doivent être sondés avec une inhibition pharmacologique, les médicaments et les colorants peuvent être introduits ensemble.

Les méthodes sans étiquette sont des approches très puissantes pour détecter des structures cellulaires spécifiques. Par exemple, les TA peuvent être spécifiquement détectées chez les embryons précoces par microscopie de troisième génération harmonique20 ou par microscopie à perte raman stimulée femtoseconde21. Comme les PF, ces approches peuvent être appliquées dans n’importe quel fond génétique, et parce qu’elles ne provoquent pas de blanchiment, elles permettent potentiellement une acquisition d’image plus rapide. Cependant, ils sont généralement limités à des organites spécifiques et ne prennent donc pas en charge l’imagerie multiplexe; ils nécessitent également des microscopes spécialisés.

Il existe deux stratégies générales pour introduire de petites molécules dans les embryons. L’un est l’approche de micro-injection employée ici; l’autre est un traitement chimique (terpène) pour perméabiliser la membrane vitelline. Cette dernière approche12 est moins impliquée que la microinjection, mais aussi plus variable d’un embryon à l’autre. De plus, après la perméabilisation, la protection fournie par la membrane vitelline est compromise et l’embryon proprement dit est accessible au milieu externe, ce qui rend plus difficile son maintien en vie. La microinjection est beaucoup moins susceptible de faire dérailler le développement embryonnaire que la perméabilisation. Cependant, la perméabilisation est recommandée si de nombreux embryons doivent être surveillés simultanément, par exemple à des fins de dépistage de drogues. Pour suivre le mouvement des structures cellulaires et obtenir des séries d’images reproductibles adaptées à l’analyse d’images, la microinjection est la méthode de choix.

Importance et applications potentielles de la méthode dans des domaines de recherche spécifiques
L’embryon de drosophile est un système modèle important pour l’étude de nombreux processus cellulaires, biologiques etdéveloppementaux 1,5,6. Le marquage des organites avec des protéines fluorescentes a apporté des contributions majeures à la compréhension de la façon dont l’embryon précoce se développe, comment divers organites circulent et comment ce trafic est modulé sur le plan du développement et génétiquement. Cependant, leur propension à blanchir et les défis liés à la génération de souches dans lesquelles plusieurs organites sont étiquetés avec des couleurs différentes limitent l’application de cette approche. L’utilisation de FP introduits par micro-injection résout bon nombre de ces défis et peut même être combinée avec des protéines marquées par fluorescence. Cette technique permet l’imagerie de multiples organites, structures cellulaires et composants du cytosquelette dans n’importe quel fond génétique. En conséquence, plusieurs génotypes peuvent être comparés via l’imagerie en direct, ce qui permet de déterminer l’effet des mutations sur le trafic de plusieurs organites.

Ce protocole démontre l’approche d’injection FP pour les embryons de Drosophila melanogaster, mais en principe, cette approche s’applique à tous les œufs d’insectes pour lesquels des techniques de micro-injection ont été établies, y compris d’autres espèces de drosophiles, de grillons22 et de pucerons23.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous remercions Pakinee Phromsiri, Brian Jencik, Jinghong (James) Tang et Roger White pour leurs commentaires sur le manuscrit. Nous remercions Patrick Oakes, Stefano Di Talia et Victoria Deneke d’avoir partagé leur expertise sur la façon d’effectuer une analyse PIV. Ce travail a été soutenu par les subventions F31 HD100127 des National Institutes of Health (à M. D. K.) et R01 GM102155 (à M. A. W).

Materials

AUTODO abcepta SM1000a Stains lipid droplets in violet/blue
BODIPY 493/503 ThermoFisher D3922 Stains lipid droplets in green
Desiccant Beads –Desiccant-Anhydrous Indicating Drierite W.A. Hammond Drierite Company 21001
Dissecting microscope SteREO DiscoveryV20 with transillumination base Zeiss 4350030000000000
Double sided tape-Permanent Double-Sided Tape Scotch (3M) Sold by many vendors
ER-Tracker Green (BODIPY FL Glibenclamide) ThermoFisher E34251 Stains the ER/nuclear envelope
Femptotip II Eppendorf H129354N Ready to use
Glass capillaries -Glass Thinw w/fil 1.0mm 4in World Precision Instruments TW100F-4 Must be pulled
Glass coverslip Buy the appropriate refractive index for your objective lens
Glass slides -Double Frosted Microscope Slides precleaned FisherBrand 12-550-343
Halocarbon oil 27 Sigma-Aldrich H8773-100ML
Halocarbon oil 700 Sigma-Aldrich H8898-50ML
Heptane
greener alternative
anhydrous, 99%
Sigma-Aldrich 246654-1L Heptane is considered toxic by the USA's OSHA
Confocal microscope Leica Sp5 Many different types of confocal microscopes will work.
LipidSpot 610 Biotium #70069 Stains lipid droplets in far red
LysoTracker Red ThermoFisher L7528 Stains lysosomes in red
MitoView 633 Biotium #70055 Stains mitochondria
Needle loading pipette tips – 20uL microloader tips Eppendorf # 5242956.003
P-1000, Next Generation Micropipette Puller Sutter Instruments P-1000 The settings used are heat-470, pull-70, velocity-60, delay-90, pressure-200, ramp-479 at 1×1. They refer to the intensity and length of the heating, the timing of pulling force and whether the force is applied linearly. Using these conditions, one capillary generates two usable needles with fine openings at the tip.
SiR-Tubulin Cytosketon Inc CY-SC014 Made by Spirochrome; Cytoskeleton Inc. is the North American distributor. Stains microtubules in far red
TransferMan Eppendorf  5178 NK
ViaFluor 405 Biotium #70064 Stains microtubules in violet/blue

References

  1. Chowdhary, S., Tomer, D., Dubal, D., Sambre, D., Rikhy, R. Analysis of mitochondrial organization and function in the Drosophila blastoderm embryo. Scientific Reports. 7 (1), 5502 (2017).
  2. Mavor, L. M., et al. Rab8 directs furrow ingression and membrane addition during epithelial formation in Drosophila melanogaster. Development. 143 (5), 892-903 (2016).
  3. Riggs, B., et al. Actin cytoskeleton remodeling during early Drosophila furrow formation requires recycling endosomal components Nuclear-fallout and Rab11. Journal of Cell Biology. 163 (1), 143-154 (2003).
  4. Welte, M. A., Gross, S. P., Postner, M., Block, S. M., Wieschaus, E. F. Developmental regulation of vesicle transport in Drosophila embryos: forces and kinetics. Cell. 92 (4), 547-557 (1998).
  5. Welte, M. A. As the fat flies: The dynamic lipid droplets of Drosophila embryos. Biochimica et Biophysica Acta. 1851 (9), 1156-1185 (2015).
  6. Deneke, V. E., et al. Self-organized nuclear positioning synchronizes the cell cycle in Drosophila embryos. Cell. 177 (4), 925-941 (2019).
  7. Welte, M. A., et al. Regulation of lipid-droplet transport by the perilipin homolog LSD2. Current Biology. 15 (14), 1266-1275 (2005).
  8. Bailey, A. P., et al. Antioxidant role for lipid droplets in a stem cell niche of Drosophila. Cell. 163 (2), 340-353 (2015).
  9. Johnson, M. R., et al. H2Av buffering via dynamic sequestration to lipid droplets in Drosophila embryos. Elife. 7, 36021 (2018).
  10. Lowe, N., et al. Analysis of the expression patterns, subcellular localisations and interaction partners of Drosophila proteins using a pigP protein trap library. Development. 141 (20), 3994-4005 (2014).
  11. Rambold, A. S., Cohen, S., Lippincott-Schwartz, J. Fatty acid trafficking in starved cells: regulation by lipid droplet lipolysis, autophagy, and mitochondrial fusion dynamics. Developmental Cell. 32 (6), 678-692 (2015).
  12. Rand, M. D., Kearney, A. L., Dao, J., Clason, T. Permeabilization of Drosophila embryos for introduction of small molecules. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 40 (11), 792-804 (2010).
  13. Tran, S. L., Welte, M. A. In-vivo centrifugation of Drosophila embryos. Journal of Visualized Experiments. (40), (2010).
  14. Rothwell, W. F., Sullivan, W. Drosophila embryo collection. CSH Protocols. 2007, (2007).
  15. Wieschaus, E., Nüsslein-Volhard, C., Roberts, D. B. . Drosophila: A Practical Approach. , 179-214 (1998).
  16. . The Interactive Fly: Stages of Development and Mitotic Domains Available from: https://www.sdbonline.org/sites/fly/aimain/2stages.htm (1999)
  17. Liberzon, A., et al. . OpenPIV/openpiv-python: OpenPIV – Python (v0.22.2) with a new extended search PIV grid option. , (2020).
  18. Markow, T. A., Beall, S., Matzkin, L. M. Egg size, embryonic development time and ovoviviparity in Drosophila species. Journal of Evolutionary Biology. 22 (2), 430-434 (2009).
  19. Gross, S. P., Welte, M. A., Block, S. M., Wieschaus, E. F. Dynein-mediated cargo transport in vivo. A switch controls travel distance. Journal of Cell Biology. 148 (5), 945-956 (2000).
  20. Debarre, D., et al. Imaging lipid bodies in cells and tissues using third-harmonic generation microscopy. Nature Methods. 3 (1), 47-53 (2006).
  21. Dou, W., Zhang, D., Jung, Y., Cheng, J. X., Umulis, D. M. Label-free imaging of lipid-droplet intracellular motion in early Drosophila embryos using femtosecond-stimulated Raman loss microscopy. Biophysical Journal. 102 (7), 1666-1675 (2012).
  22. Barry, S. K., et al. Injecting Gryllus bimaculatus Eggs. Journal of Visualized Experiments. (150), (2019).
  23. Le Trionnaire, G., et al. An integrated protocol for targeted mutagenesis with CRISPR-Cas9 system in the pea aphid. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 110, 34-44 (2019).

Play Video

Cite This Article
Kilwein, M. D., Welte, M. A. Visualizing Cytoskeleton-Dependent Trafficking of Lipid-Containing Organelles in Drosophila Embryos. J. Vis. Exp. (178), e63291, doi:10.3791/63291 (2021).

View Video