これは、 C.エレガンス 生殖腺解離とそれに続く凍結亀裂に一般的に使用される方法であり、抗体染色 による 免疫蛍光のための生殖細胞系列サンプルの生成、またはDNAを視覚化するための単純なDAPI染色に使用されます。このプロトコルは、研究室の学部生やコースベースの学部生の研究経験で成功しています。
C. elegans生殖細胞系列は、解剖動物の細胞学的分析を容易に行うことができるため、減数分裂を研究するための優れたモデルとなります。ホールマウント調製物は減数分裂核の構造を保存し、重要なことに、各生殖腺アームには減数分裂のすべての段階が含まれており、さまざまな段階で核を簡単に識別できる時間空間進行で編成されています。成体の雌雄同体には2本の生殖腺腕があり、それぞれが遠位閉鎖端に増殖する生殖系列幹細胞と近位開放端に細胞化卵母細胞を備えた閉じた管として組織化されており、子宮の中心で結合しています。解剖は、片方または両方の生殖腺腕を体腔から解放し、減数分裂全体を視覚化できるようにします。ここでは、目的のタンパク質に対する免疫蛍光の一般的なプロトコルを提示し、続いてDAPI染色してすべての染色体をマークします。若年成人はレバミゾールに固定され、2本の注射針を使用して迅速に解剖されます。生殖細胞系列の押し出し後、液体窒素中で凍結亀裂を受ける前にサンプルを固定し、キューティクルおよび他の組織を透過させるのに役立ちます。その後、サンプルをエタノール中で脱水し、再水和し、一次抗体および二次抗体とともにインキュベートすることができます。DAPIは封入剤中のサンプルに添加されるため、DNAの信頼性の高い視覚化が可能になり、蛍光顕微鏡で画像化する動物を簡単に見つけることができます。この技術は、解剖方法自体の練習に数時間費やした後、C.エレガンスの取り扱いに精通している人によって容易に採用されます。このプロトコルは、研究室で働く高校生と学部生に教えられ、リベラルアーツカレッジでのコースベースの学部研究経験に組み込まれています。
減数分裂は、すべての有性生殖生物において配偶子(卵子および精子/花粉)を作り出すために使用される特殊な細胞分裂です1,2。交叉組換えは、相同染色体間のDNAの相互交換です。減数分裂には不可欠であり、遺伝的多様性の重要な源を提供し、世代を超えてゲノムの安定性を促進します。減数分裂中に少なくとも1つの交叉を形成できない染色体はランダムに分離し、染色体の非分離をもたらし、染色体の数が正しくない配偶子を作成します–結果として生じる子孫3にとって通常致命的な状態です。減数分裂中、交叉はプログラムされた二本鎖DNA切断によって誘発されます4。これらの切断のサブセットは、細胞分裂5の準備として相同染色体の方向付けに役立つキアスマタと呼ばれるDNAの物理的結合を提供するクロスオーバーとして修復されます。減数分裂期はすべての真核生物にわたって高度に保存されており、それらの染色体立体配座はそれらを容易に識別することを可能にする。
生物学の基本的な概念として、減数分裂は学生がさまざまな生物学コースで何度も遭遇するトピックです。彼らはしばしば高校で減数分裂染色体分離のメカニズムに紹介されますが、大学レベルのコースは分離の細胞生物学と交叉組換えの遺伝的影響に焦点を当てています。ただし、減数分裂は多くの学生にとって悪名高いトリッキーな概念です1。遺伝子、DNA、染色体、減数分裂の関係を理解しないと、学生の誤解や理解のギャップが生じ、遺伝的遺伝の完全な理解が妨げられる可能性があります6,7。抽象的なトピックに対する学生の理解を深める1つの方法は、具体的で実践的な活動を提供することです。例えば、減数分裂を教える場合、教員は分子解析8を模倣するアクティビティ、分子9を操作できる3Dモデル、または生徒自身が分子振り付け1を演じるロールプレイから選択できます。成果が不明な研究を取り入れることは、学生の理解を深める上で特に効果的な方法です。この実践は、コースベースの学部研究経験(CURE)として知られており、特にSTEM10,11で過小評価されているグループに属する学生にとって、学生の態度とエージェンシーを強化するという追加の利点があります。線虫Caenorhabditis elegansは、行動、生殖能力、および遺伝的交配の教室での研究に特に適しており、学生に生物学的研究を紹介するための効果的なモデルです12。
C. elegansは、分子遺伝学と簡単な細胞学的解析を組み合わせることにより、細胞生物学の強力なモデル生物を作ります。また、生物学教室での使用にも特に適しています13、14、15。ラボでの維持は簡単で経済的であり、標準的な室温または最も一般的なインキュベーション温度である20°Cの両方で、3日ごとに数百の子孫を生産します。重要なことに、それらはグリセロールストックとして凍結し、-80°Cの冷凍庫に保管できるため、初心者の研究者が犯した飼育ミスを簡単に修正できます16。さらに、そのよく注釈されたゲノムは、順方向および逆方向の遺伝的手法を可能にし17,18、C.エレガンスを使用して、分子から進化に至るまでの生物学的問題に対処することを可能にします。最後に、C.エレガンスの研究者は、新進の科学者に助けやアドバイスを提供することをいとわない支援コミュニティを作成しました19。これらの利点により、C.エレガンスはさまざまなタイプの施設で多くのCUREに組み込まれています12、19、20、21、22、23。
研究と教育のためのその利点に加えて、C.エレガンスは減数分裂と生殖細胞系列の発達の研究のための人気のあるモデルになりました24,25,26。これらの動物の光学的透明度は細胞学的アプローチを簡素化し27、成人では生殖腺が動物のほぼ半分を占め、研究する数百の減数分裂細胞を提供します。生殖腺では、減数分裂生殖細胞核が組立ラインのように配置されています(図1)。有糸分裂複製は生殖腺の遠位端で起こり、核は生殖腺の近位端に向かって移動し、受精胚が外陰部から出現するにつれて減数分裂期を進行する。ステレオタイプの空間組織は減数分裂による時間的進行も表すため、染色体組織と生殖腺内の位置に基づいてさまざまな段階を簡単に識別できます。最後に、減数分裂を混乱させ、異数性を引き起こすプロセスは、不妊、胚致死、または男性の高い発生率(Him表現型)など、初心者でも簡単に特徴付けることができる表現型を作成します28。
これは、C.エレガンスの減数分裂染色体を視覚化するための簡単なプロトコルです。マウント、解剖、固定、抗体染色はすべて同じ顕微鏡スライド上で実行されるため、プロトコルが簡素化され、ほぼ完璧なサンプル回収が可能になります。この方法は、染色体を視覚化するための簡単なDAPI染色に機能し、生殖腺内のタンパク質の局在を視覚化するための免疫蛍光に使用できます。学生は、基本的な解剖顕微鏡を使用して生殖腺を解剖し、DNAまたは免疫蛍光を視覚化するためのホールマウント調製物を生成し、それらを複合蛍光顕微鏡でイメージングします。このプロトコルは、C.エレガンスの研究室で働く高校生と学部生に教えられ、リベラルアーツカレッジのCUREに組み込まれています12。CUREのクラスサイズは比較的小さかったが、このプロトコルは、ワーム株と試薬のコストが比較的低いため、さまざまな機関のクラスに適している。インストラクターは、使用できる解剖顕微鏡の数によってのみ制限されます。以前の実装では、学生が3人のグループで1つの顕微鏡を共有し、解剖の練習、解剖とDAPI染色の実施、広視野蛍光顕微鏡でのスライドの画像化の3つの90分のセッションにわたって行われました。学部研究への参加は、学生に多くの利益をもたらします11,29、学術的および個人的な両方。CUREを介してコースに研究を組み込むことで、学生は通常の授業時間11,30,31の間に研究に参加できるため、これらのメリットをより利用しやすく公平に利用できるようになります。
有性生殖は、減数分裂の特殊な細胞分裂を介して産生される一倍体配偶子の作成を必要とします。C.エレガンスは、その光透過性、便利な生殖細胞系の解剖学、および強力な遺伝学により、減数分裂の細胞学的研究の人気のあるモデルになりました28。生殖能力と胚の致死性を評価する簡単な生物実験を分子遺伝学と組み合わせて、実験室や教室での多くの質問に対処することができます。たとえば、クロスオーバーは適切な染色体分離に不可欠であるため、それらの形成または分解能を妨害するプロセスは異数性配偶子を生成します。次に、異数性は生存不可能な子孫をもたらし、それは子孫を数えることによって、または胚の致死性を決定するわずかに複雑な方法を通して容易に評価することができる。細胞学的には、クロスオーバーの欠如は、ジアキネシス中に観察されるDAPI染色体の数に影響を与えます。DAPI染色の堅牢性とスコアリングの容易さにより、これは細胞学的技術を教えるための理想的な実験になります。雌雄同体の生殖細胞系列における核の時間空間レイアウトは、ある瞬間における減数分裂の各段階のスナップショットを提供する。核は、生殖系列の遠位有糸分裂末端から近位端に進むのに約54時間かかる(例えば、Jaramillo-Lambert et al.33、Stamper et al.34およびLibuda et al.35を参照されたい)。減数分裂の進行のこの確立されたタイミングは、パルスチェイス標識またはDNA損傷実験を可能にします。
DAPI染色はほぼ常に機能するため、蛍光顕微鏡の有用な技術的コントロールとして機能します(そして、トレーニング中の顕微鏡医に満足を提供することができます)。抗体染色はより多様であり、反復間の再現性の優れた尺度です。 C.elegans 生殖腺は、染色体構造を維持しながら十分な抗体拡散を可能にすることのバランスを必要とするため、一貫して固定するのが難しい場合があります。ホルムアルデヒドで固定すると染色体の形態が最もよく保存され、パラホルムアルデヒドアンプルから新鮮なホルムアルデヒドを調製することが最も再現性のある結果をもたらしました。また、ホルマリン(37%ホルムアルデヒド水溶液及びメタノール)から調製したホルムアルデヒドを用いることもできる。固定強度およびタイミングは、各抗体について経験的に決定する必要があるかもしれない。別の方法としては、ステップ2.4のホルムアルデヒド固定をスキップし、凍結クラックに続いて、-20°Cの100%エタノールに浸漬するか、100%メタノールに10分間浸漬した後、-20°Cで100%アセトンに10分間浸漬します。 これらの固定条件は、より良い抗体浸透を可能にしますが、組織の形態に悪影響を及ぼします(染色体は吹き飛ばされてふくらんでいるように見えます)。
タイミングは、ステップ2で概説した解剖と修正の手順にとって非常に重要です。解剖液の量が非常に少ないため、蒸発は最終的な固定濃度に影響を与える可能性があり、抗体染色が変動します。経験豊富な C.エレガンス ハンドラーは、開始(ステップ2.3)から修正(ステップ2.4)まで2分以内にスライドを準備できます。主な技術的ハードルは、解剖液の滴に動物を選び、それらを素早く解剖する能力です。より大きなボリュームで解剖する方法を学ぶ方が簡単です。新しい研修生はまず、ガラス胚染色皿で50〜200 μLの解剖液に動物をピッキングすることから始めます(図2D)。表面が広いため、生殖腺の良好な押し出しに理想的な針の位置を特定する際に操作する余地が増えますが、液体の量が多いほど蒸発の問題が少なくなります。解剖の動きに慣れると、研修生は皿の中でわずか50μLを使用して解剖を開始し、スライド上で20μLで解剖に切り替えます。スライドで解剖すると、研修生は4 μLで蒸発を無視できるほど速く作業できるようになるまで、溶液の量をすばやく減らし始めることができます。
解剖のタイミングが依然として問題である場合、研修生はステップ2.3で8μLの解剖液で解剖することができます。次に、ステップ2.4中に、8 μLの固定溶液を追加し、穏やかにピペッティングして完全に混合し(死体が破壊されたりピペットで取り除かれたりしないように注意深く監視します)、混合溶液から8 μLを除去します。この代替アプローチにより、同じ最終容量8 μLと同じ最終固定濃度が得られます。このボリュームは、ステップ2.5のフリーズクラック中にカーカスがカバーガラスとスライド面の両方に接触するようにするために重要です。解剖量が大きくても各スライドを準備するタイミングが問題となる場合は、生殖細胞系列免疫蛍光プロトコルの懸濁方法がGervaiseとArur26によって説明されています。
免疫蛍光法を使用してタンパク質を その場 で可視化することの主な制限は、目的の特定のタンパク質を標的とする一次抗体が利用できることです。ただし、タンパク質のタグ付きバージョンが操作されている場合、このプロトコルをタンパク質タグを視覚化するように適合させることができます。FLAG、HA、GFPなどの一般的なタグを標的とする抗体が一般的に入手可能です。GFPのような蛍光タグは、固定ステップによって消光されることが多いため、ネイティブの蛍光シグナル自体に依存するのではなく、GFPを標的とする一次抗体を使用することをお勧めします。このプロトコルの別の制限は、単一の時間枠内で生殖細胞系列を捕捉することです(ただし、卵形成のすべての段階は生殖系列内で表されます)。したがって、この技術は、卵母細胞が卵形成によって進行するにつれて起こり得る動的変化を見逃す可能性がある。しかし、配偶子形成のタイミングは C.エレガンスでよく研究されています。野生型の若年成人では、卵母細胞が生殖系列の遠位端(有糸分裂帯)からジアキネシス33まで進行するのに約60時間かかります。したがって、パルスチェイスまたは照射のような特定の介入とそれに続く時間経過は、減数分裂の異なる段階での効果の観察を可能にするであろう。
結論として、このプロトコルは、 C.エレガンス 生殖腺解離とそれに続くDAPIおよび蛍光顕微鏡検査のための抗体染色について説明しています。解剖と固定(ステップ2)は、生成されるスライドの数に応じて、60〜90分かかります。抗体染色(ステップ3)はほとんどハンズオフで行われ、抗体のインキュベーション時間に応じて、最低7時間から1.5日の範囲です。取り付け(手順4.1〜4.7)には約15分かかります。生殖細胞系列の染色体と生殖腺を視覚化するためのこの一般的なアプローチは、抗体または蛍光タグ試薬が存在する場合、あらゆるタンパク質の細胞学的研究に使用できます。最も単純な形態では、ジアキネシス核のDAPI染色を使用して、減数分裂組換えに影響を与える因子をスクリーニングできます。子孫数、雄の発生率(Him表現型)、および胚致死率の生物分析と組み合わせると、この細胞学的アプローチは、集団ベースの分析に対する単一細胞の対比を提供します。
The authors have nothing to disclose.
リー研究室での作業は、国立衛生研究所の国立総合医学研究所(賞番号1R15GM144861)および国立児童発達研究所(賞番号1R15HD104115)の支援を受けました。DAは、UMLケネディ科学大学科学奨学生プログラムによってサポートされていました。NWは、UMLオナーズカレッジフェローシップとUMLSAMPフェローシップ(助成金番号HRD-1712771で国立科学財団から資金提供)によってサポートされていました。RAD-51抗体を提供してくれたA.ガートナーに感謝します。すべての C.エレガンス 株は、国立衛生研究所の研究インフラストラクチャプログラム局によって賞番号P40 OD010440で資金提供されている Caenorhabditis Genetics Centerによって提供されました。
Alexa Fluor 488 Donkey Anti-Rabbit IgG Secondary Antibody | Molecular Probes | 711-545-152 | |
Aluminum heating/cooling block | Millipore Sigma | Z743497 | |
Bacto Peptone | Gibco | DF0118 17 0 | |
Borosilicate Glass Pasteur Pipets, Disposable, 5.75 inches | Fisherbrand | 13 678 20B | Used to make worm picks |
BSA, Bovine Serum Albumin | VWR | 97061 420 | |
C. elegans wild type (ancestral) | Caenorhabditis Genetics Center | N2 (ancestral) | |
C. elegans kle-2 (ok1151) mutants | Caenorhabditis Genetics Center | VC768 | The full genotype of this strain is: kle-2(ok1151) III/hT2 [bli-4(e937) let-?(q782) qIs48] (I;III). It has kle-2 balanced with a balancer chromosome marked with pharangeal GFP. Pick non-green animals to identify homozygous kle-2 mutants. |
C. elegans spo-11 (me44) mutants | Caenorhabditis Genetics Center | TY4342 | The full genotype of this strains is: spo-11(me44) IV / nT1[qIs51] (IV:V). It has spo-11 balanced with a balancer chromosome marked with pharangeal GFP. Pick non-green animals to identify homozygous spo-11 mutants. |
Calcium Chloride Anhydrous | VWR | 97062 590 | |
Cholesterol | Sigma Aldrich | 501848300 | |
DAPI | Life Technologies | D1306 | |
EDTA, Disodium Dihydrate Salt | Apex Bioresearch Products | 20 147 | |
Embryo Dish, glass, 30mm cavity | Electron Microscopy Services | 100492-980 | Used to practice dissecting; glass is preferred because dissected animals can stick to plastic |
Escherichia coli | Caenorhabditis Genetics Center | OP50 | |
Food storage container, plastic | various | n/a | Plastic containers with (1) relatively flat bottoms, to allow slides to rest level; (2) lids that are air-tight, but can still be easily removed without disturbing contents of container, and (3) are about 9 inches long by 6 inches wide are preferred |
Glass Coplin Jar | DWK Life Sciences Wheaton | 08-813E | |
Hydrophobic Barrier PAP Pen | ImmEdge | NC9545623 | |
Kimwipes | Kimtech Science | 06 666A | |
Levamisole Hydrochloride | Sigma Aldrich | L0380000 | |
Magnesium Sulfate Anhydrous | Fisher Chemical | M65 500 | |
Needles, Single-use, 25 G | BD PrecisionGlide | 14 821 13D | blue, 1 inch |
NGM Agar, Granulated | Apex Bioresearch Products | 20 249NGM | |
Parafilm | Bemis | 16 101 | |
Paraformaldehyde (16% w/v) Aqueous Solution | Electron Microscopy Sciences | 50 980 487 | |
PBS, Phosphate Buffered Saline (10x Solution) | Fisher BioReagents | BP399500 | |
Petri Dishes, 60-mm | Tritech Research | NC9321999 | Non-vented, sharp edge |
Platinum wire (90% platinum, 10% iridium) | Tritech Research | PT 9010 | Used to make worm picks |
Potassium Chloride | Fisher | BP366-500 | |
Potassium Phosphate Dibasic | VWR BDH Chemicals | BDH9266 500G | |
Potassium Phosphate Monobasic | VWR BDH Chemicals | BDH9268 500G | |
Premium Cover Glasses 18 mm x 18 mm | Fisherbrand | 12-548-AP | 0.13–0.17 mm thickness |
Razor Blades, Single Edge | VWR | 55411 055 | |
SlowFade Gold Antifade Mountant | Molecular Probes | S36937 | Alternatives: VectaShield Antifade Mounting Medium (Vector Laboratories, H-1000-10) or ProLong Diamond Antifade (Thermo Fisher Scientific, P36970). If using ProLong Diamond, no nail polish is required for sealing, but slides must cure for 24 hours before imaging. |
Sodium Azide | Fisher BioReagents | BP922I 500 | |
Sodium Chloride | Fisher Chemical | S271 500 | |
Sodium Phosphate Dibasic Anhydrous | Sigma Aldrich | 7558 79 4 | |
Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate | Sigma Aldrich | S9390 | |
Styrofoam box | various | n/a | Approximate dimensions of interior: 12 inches long, 9 inches wide, 8 inches deep |
Superfrost Plus Microscope Slides | Fisherbrand | 22 037 246 | |
Triton X-100 | Fisher BioReagents | BP151 500 | |
Tryptone | Apex Bioresearch Products | 20 251 | |
Tween 20 | Fisher Chemical | BP337 500 | |
Yeast Extract | Apex Bioresearch Products | 20 254 |