우리는 형광 칼슘 화상 진찰을 계면 혼성화에서 결합하는 2개의 부분 프로토콜을 제시합니다, 실험자가 단하나 세포 수준에 유전자 발현 단면도와 칼슘 활동의 패턴을 상호 연관시키는 것을 허용하.
자발적인 세포내 칼슘 활성은 다양한 세포 유형에서 관찰될 수 있으며 다양한 생리학적 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 제안된다. 특히, 배아 발생 시 칼슘 활성 패턴의 적절한 조절은 적절한 신경관 폐쇄, 시냅토제네시스 및 신경전달물질 표현형 사양을 포함한 척추동물 신경 발달의 많은 양상에 필요하다. 칼슘 활동 패턴이 주파수와 진폭 모두에서 다를 수 있다는 관측은 이러한 플럭스가 인코딩된 신호를 다운스트림 이펙터에 전달하고 유전자 발현을 조절할 수 있는 강력한 메커니즘을 시사합니다. 인구 수준 접근 방식은 이러한 가능성을 더 탐구하는 데 필요한 정밀도가 부족했습니다. 더욱이, 이러한 접근법은 세포-세포 접촉이 없는 상태에서 신경 측정 상태를 분석하는 능력을 배제함으로써 세포-세포 상호작용의 역할에 대한 연구를 제한한다. 따라서, 우리는 계종 혼성화 분석실험에서 형광과 해리된 신경 이종의 시간 경과 칼슘 이미징을 결합하는 실험 워크플로우를 수립하여 칼슘 활성 패턴과 분자간의 명확한 상관관계를 허용했습니다. 단일 세포 수준에서 표현형. 우리는 성공적으로 신경 세포와 신경 전구 세포를 분화와 관련된 특정 칼슘 활동 패턴을 구별하고 특성화하기 위해이 방법을 사용할 수 있었다, 각각; 그러나, 이 문서에서 기술된 실험 프레임워크는 임의의 시계열 활성 프로필과 관심 있는 유전자 또는 유전자의 발현 사이의 상관관계를 조사하기 위해 쉽게 적응될 수 있다.
자유 세포질 칼슘은 세포 증식 및 이동에서 세포 사멸 및 자가 포식1,2,3에이르기까지 다양한 생물학적 과정에 매우 중요합니다. 이 통로 내의, 칼슘은 단백질 활동 및 상호 작용을 조절하는 구조물 변경을 유도하기 위하여 칼슘 결합 도메인과 상호 작용해서 유전자 발현에 다운스트림 효력을 발휘할 수 있습니다. 예를 들어, 하류 조절 요소 길항제 변조기 (DREAM)로 알려진 신경 칼슘 센서는 칼슘에 의해 결합 될 때 전개 된 중간 형태에서 개최되어 단백질 및 DNA 표적과 상호 작용하는 것을방지합니다 4. 그러나 단순한 신호 분자로서의 역할을 넘어, 세포내 칼슘 과도의 동적 성질은 이러한 활성 패턴을 보다 복잡한 진폭 또는 주파수 기반 신호5,6을인코딩할 수 있게 한다. 활성화된 T 세포(NFAT)의 전사 인자 핵 인자의 핵 전좌는 고주파 칼슘 진동에 의해 강화되지만 저주파 진동에 의해억제된다 7. 설득력있게, 최근 연구는 NFAT가 실제로 누적 칼슘노출에반응 할 수 있음을 제안했다 8 . 칼시뉴린과Ca2+/칼모둘린 의존성 단백질 키나아제 II(CaMKII)는 또한 특정 주파수, 지속 시간 또는 진폭9의칼슘 과도에 대한 뚜렷한 반응을 나타낸다. 규제 복잡성의 추가 수준을 추가하기 위해, 전산 모델은 많은 다운스트림 칼슘 결합 단백질이 결합 경쟁자의 존재 또는 부재에 반응하여 더 많거나 적은 주파수 의존체가 될 것을 제안한다10,11.
개발 신 경계 내에서, 칼슘 활동 행동의 두 가지 주요 클래스 정의 하 고 특정 생물 학적 과정과 관련 된. 칼슘 유입은 개별 세포 내에서 발생하는 경우 “스파이크”로 분류되며, 5초 이내에 기준선의 400%의 피크 강도에 도달하고, 이중 지수 붕괴12를나타낸다. 신호의 이 모형은 신경 전달물질 표현형명세서 13와13와 주로 연관됩니다. 대조적으로, “파도”는 세포의 세포 내 칼슘 농도가 30 초 이상 동안 기준선의 ~ 200 %로 상승한 다음 몇 분동안 12에걸쳐 부패하는 더 느리고 덜 극단적 인 칼슘 과도성으로 정의됩니다. 이러한 신호는 종종 여러 인접 세포에 걸쳐 전파되며, 그들의 존재는 신경외 세포 증식14,15와연관되어 있다. 그러나, 이 2개의 종류는 특징적인 운동 단면도에 근거를 둔 정의되었더라도, 이 패턴의 어떤 특성이 실제로 세포에 의해 검출되고 다운스트림 이펙터에 의해 번역되고 있는지 정확하게 불분명하게 남아 있습니다.
세포내 칼슘 진동과 유전자 발현 사이의 관계를 이해하면 신경계의 적절한 발달과 패터닝을 보장하는 규제 메커니즘 중 하나에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이를 위해, 배아 척수의 연구는 개발 중 칼슘 스파이크 활성이 증가하면 억제 뉴런의 상부와 연관되어 있음을 입증했으며, 반면 감소된 칼슘 스파이크 활동은 흥분성 뉴런의 상부와 연관되어13. 그러나, 이러한 인구 수준 분석은 단세포 수준에 유전자 발현과 칼슘 활동을 연관시키기 위하여 이용되지 않았습니다.
단일 셀의 수준에서 이러한 질문에 접근하는 것은 이전 작업에 비해 몇 가지 뚜렷한 장점을 제공합니다. 하나, 많은 세포에서 칼슘 활성 및 유전자 발현을 개별적으로 평가하는 능력은 벌크 레벨 측정에 의해 난독화되지 않고 독특한 활성 패턴의 전체 레퍼토리를 관찰 할 수 있습니다. 추가적으로, 단세포 1 차적인 문화에서 이 관계를 공부하는 것은 칼슘 활동과 유전자 발현 사이 세포 자율적인 링크가 유지된다는 것을 의미합니다, 세포 세포 통신을 요구하는 상호 작용은 중단될 것입니다 동안. 그러므로, 이 접근은 이 세포 자율적인 기계장치를 격리에서 공부하는 것을 허용합니다. 그러나, 그것은 또한 비 세포 자율 적인 칼슘 활동의 역할을 해명 하 고 심문 할 수 있습니다. 예를 들어, 세포는 신경 판 단계에서 배아로부터 해부될 수 있고, 형제 대조가 신경관 단계에 도달할 때까지 배양된 다음, 신경관 단계 배아로부터 갓 해부된 세포와 비교될 수 있다. 이것은 세포 세포 통신이 폐지된 것과 중요한 발달 기간에 걸쳐 세포 세포 통신을 유지하는 세포의 직접적인 비교를 허용합니다.
이전 실험 접근법의 한계를 해결하기 위해, 우리는 개별 신경 전구 세포에서 칼슘 활성과 유전자 발현을 모두 평가할 수 있는 프로토콜을 개발하여 후속 분화 프로그램과 특정 활성 패턴의 상관 관계를 촉진했습니다. 신경 조직은 신경 발달의 다양한 단계에서 제노푸스 laevis에서 해부되고, 단일 세포로 해리되고, 형광 칼슘 지표가있는 공초점 현미경을 통해 이미지화되었습니다. 살아있는 세포 화상 진찰에 따라, 견본은 관심있는 유전자 의 발현 또는 이소포름을 검출하기 위하여 사이투 혼성화 (FISH)에 있는 형광을 통해 고쳐지고 분석되었습니다. 중요한 것은, 개별적인 세포는 두 화상 진찰 실험을 통해 추적될 수 있습니다, 세포의 칼슘 활동 단면도 및 그것의 유전자 발현 수준이 서로 연관될 수 있다는 것을 의미합니다(그림 1). 여기에서 보고된 프로토콜은 제노푸스 laevis에있는 배아 신경 발달을 통해 칼슘 활동 패턴 그리고 유전자 발현 사이 관계를 탐구하기 위한 것입니다. 그러나, 더 넓은 실험 적인 틀 (물고기와 화상 공동 등록에 선행된 단세포 시간 과정 화상 진찰)는 거의 모든 세포 모형, 형광 리포터 및 관심있는 유전자에 수정되고 적용될 수 있습니다.
칼슘 활동의 특징적인 패턴은 개발 신경계를 구성하는 세포에서 관찰되었으며, 특정 유형의 활동은 뚜렷한 신경 발달 과정과 관련이 있습니다. 그러나, 이러한 정보 조밀한 활동 패턴이 전사 반응으로 번역되는 메커니즘에 대한 추가 이해는 단세포 분해능으로 수집될 칼슘 활성 및 유전자 발현에 대한 정보를 필요로 한다. 성숙한 뉴런과 같이 더 많은 고정관념적인 칼슘 활성을 나타내는 시스템은 벌크 수준에서 합리적으로 분석될 수 있지만, 배아 신경계를 특징짓는 불규칙한 패턴은 덜 정확한 기록으로 쉽게 가려집니다.
이 프로토콜에 확립된 실험 프레임워크는 다양한 세포 유형 및 형광 리포터에 쉽게 적응할 수 있습니다. 세포 모형의 거의 모든 세포 모형 또는 조합을 포함하는 조직은 관심있는 모형 유기체로부터 해부되고 단세포 화상 진찰을 위해 도금될 수 있습니다. 세포 식별을 허용하고 세포 자율 적 과정의 효과를 분리하는 것 외에도, 1 차적인 세포 배양 접근법은 실험자가 원하는 대로 배지 성분을 정의할 수 있게 합니다. 예를 들어, 2 mMCa2+ 용액에서 뉴런 전구체의 활성을 비교한 실험은 배아 척수에서 스파이크 주파수와 신경전달물질 표현형 사이의 관계가 세포-세포 상호작용13,20의영향 없이 재봉화될 수 있는지 여부를 조사하기 위해 수행되었다.
이 프로토콜은 형광 마커 Fluo4-AM을 활용하여 세포내 칼슘 활성을 검출하는 반면, 사용자는 유전자 인코딩된 칼슘 지표를 포함하여 시판되는 다른 마커21을선택할 수 있다. 유사하게, 대체 마커는 관심 있는 이온의 농도에 대한 동적 변화를 모니터링하는 데 사용될 수 있습니다(K+, Na+및 Zn2+를 포함),막 전위, 또는 세포 pH. 이미징 설정 및 이미지 지속 시간은 필요에 따라 수정할 수 있습니다.
우리는 특정 응용 프로그램으로 칼슘 활동 및 신경 표현형을 상관하지만,이 방법은 또한 다양한 다른 세포 특성에 적용 할 수 있습니다. 예를 들어, 사이트 혼성화에서형광은 신경 마커 ChAT 또는 전사 인자 Engrailed를 포함하여 관심 있는 임의의 유전자에 대하여 프로브로 수행될 수 있으며, 이를 통해 mRNA 종의 맞춤형 패널의 민감한 검출을 가능하게 한다. 이러한 프로브는 이소폼에 특이적이라고 설계할 수 있으며 원하는 경우 추가적인 표적 특이성을 지원합니다. 이중 FISH는 여러 개의 서로 다른 형광단에 공액된 프로브를 사용하여 수행될 수 있으며, 이는 여러 유전자의 발현을 동시에 평가할 수 있도록 한다. 그러나, 이러한 유형의 실험에 필요한 추가 적인 세차는 세포 손실 또는 운동의 증가 기회와 관련 되 고 경험 및 섬세 한 성공적으로 수행 될 필요.
이 프로토콜에 대한 실험별 수정에 관계없이 주의해야 하는 몇 가지 주요 단계가 있습니다. 해부는 모든 오염 조직 또는 세포 집단을 제거하기 위하여 주의해서 수행되어야 합니다; 이식이 해리될 때 공간 패터닝이 손실되기 때문에 이웃 조직의 나머지 세포는 관심 있는 세포와 산재하고 구별할 수 없게 됩니다. 세포가 도금된 후에는 세포가 빠지지 않도록 가능한 한 부드럽게 샘플을 처리해야 합니다. 가장 중요한 것은 솔루션이 제거되고 추가될 때 파이펫을 플레이트 가장자리에 배치하여 모든 솔루션 변경을 천천히 신중하게 수행해야 한다는 것입니다. 이것은 세포가 칼슘과 FISH 심상 둘 다에서 자신있게 확인될 수 있다는 것을 보장할 것입니다. 처리 중에 세포가 중단되면 두 이미지 간에 해당 셀의 일부 또는 전부를 식별하는 것이 불가능할 수 있습니다. 이러한 할당에 주의를 기울이면 명확하지 않은 해당 셀만 추가 분석을 위해 사용되는 것이 좋습니다.
해결되는 생물학적 질문에 따라 다양한 분석 접근법이 적절할 수 있습니다. 타임시리즈 칼슘 활성은 다양한 방법으로 처리 및 정량화될 수 있으며, 실험자는 추세 가감소 매개변수, 분석 메트릭 및 분석 매개변수(예: 칼슘 스파이크를 정의하는 데 사용되는 기준선 임계값%)를 선택할 수 있는 유연성을 제공합니다. 칼슘 활성과 유전자 발현 수준 사이의 상관관계는 FISH 이미지로부터 추출된 절대 또는 상대형형광값으로서 유전자 발현을 분석함으로써 그려질 수 있다. 양자택일로, 칼슘 활동과 유전자 발현 사이 상관관계 (존재/부재) 양성 유전자 발현 신호에 대한 형광 임계값을 정의하고 개별 세포에 ‘예’ 또는 ‘아니오’ 식별자를 할당해서 그릴 수 있습니다. 전체적으로 이 실험 스키마는 세포 일치 유전자 발현 데이터와 함께 타임시리즈 데이터의 수집 및 예비 분석을 위한 매우 유연한 파이프라인을 제공합니다. 이러한 실험은 배아 제노푸스 라에비스에서억제-운명 및 흥분성 신경 지방 전구체의 특징인 칼슘 활성 패턴의 식별에 의해 예시된 바와 같이 세포 역학 및 전사 변화 사이의 복잡한 관계를 더 잘 이해하는 데 매우 중요할 것이다.
The authors have nothing to disclose.
우리는 이러한 프로토콜의 개발에 기여에 대한 웬디 허스트와 린지 슐라이퍼에게 감사드립니다. 이 작품은 국립 보건원 (1R115NS06756-01, 1R15HD077624-01 및 1R15HD096415-01)에서 MSS에 대한 보조금에 의해 지원되었습니다.
For Animal Husbandry & Cell Culture | |||
CHORULON (chorionic gonodotropin) | Merck Animal Health | ||
Gentamycin sulfate salt | Millipore Sigma | G1264 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Pyrex petri dishes, 100 mm x 20 mm | Millipore Sigma | CLS3160102 | |
Corning Falcon Easy-Grip Tissue Culture Dishes, 35mm | Fisher Scientific | 08-772A | |
Corning Falcon Easy-Grip Tissue Culture Dishes, 60mm | Fisher Scientific | 08-772F | |
Falcon Standard Tissue Culture Dishes | Fisher Scientific | 08-772E | |
Thermo Scientifc Nunc Cell Culture / Petri Dishes, 35x10mm Dish, Nunclon Delta | Fisher Scientific | 12-565-90 | |
Fisherbrand Standard Disposable Transfer Pipettes, Nongraduated; Length: 5.875 in.; Capacity: 7.7 mL | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Millipore Sigma | E10521 | |
Collagenase B | Millipore Sigma | 11088807001 | |
Dumont #55 Forceps, Dumostar | Fine Science Tools | 11295-51 | |
Dumont #5 Forceps, Dumostar | Fine Science Tools | 11295-00 | |
Cellattice Micro-Ruled Cell Culture Surface | Nexcelom Bioscience | CLS5-25D-050 | |
For Calcium Imaging | |||
Fluo-4, AM, cell permeant | Thermo Fisher Scientific | F14201 | |
Pluronic F-127, 0.2 µm filtered (10% Solution in Water) | Thermo Fisher Scientific | P6866 | |
For RNA Probe Generation | |||
PureYield Plasmid Miniprep System | Promega | A1222 | |
rATP | Promega | P1132 | |
rCTP | Promega | P1142 | |
rGTP | Promega | P1152 | |
rUTP | Promega | P1162 | |
Digoxigenin-11-UTP | Millipore Sigma | 3359247910 | |
Rnase Inhibitor | Thermo Fisher Scientific | N8080119 | |
T3 RNA Polymerase | Promega | P2083 | |
T7 RNA Polymerase | Promega | P2075 | |
SP6 RNA Polymerase | Promega | P1085 | |
RQ1 Rnase-Free Dnase | Promega | M6101 | |
LiCl Precipitation Solution (7.5 M) | Thermo Fisher Scientific | AM9480 | |
For Fluorescence In Situ Hybridization | |||
Acetic Anhydride | Thermo Fisher Scientific | 320102 | |
Blocking Reagent | Millipore Sigma | 11096176001 | |
Anti-Digoxigenin-POD, Fab fragments | Millipore Sigma | 11207733910 | |
Cy3 Mono-Reactive NHS Ester | Millipore Sigma | GEPA13105 | |
Solution Components | |||
Calcium chloride, 96% extra pure, powder, anhydrous, ACROS Organixs | Fisher Scientific | AC349610 | |
Calcium chloride dihydrate | Millipore Sigma | C3306 | |
CHAPS hydrate | Millipore Sigma | C3023 | |
Denhardt's Solution (50X) | Thermo Fisher Scientific | 750018 | |
DTT, Molecular Grade (DL-Dithiothreitol) | Promega | P1171 | |
Ethylenediaminetetraacetic Acid, Disodium Salt Dihydrate | Fisher Scientific | S311 | |
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N',N'-tetraacetic acid | Millipore Sigma | E3889 | |
Formamide (Deionized) | Thermo Fisher Scientific | AM9342 | |
Herparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Millipore Sigma | H3393 | |
HEPES (Ultra Pure) | Thermo Fisher Scientific | 11344041 | |
Hydrogen peroxide solution | Millipore Sigma | H1109 | |
L-Cysteine | Millipore Sigma | 168149 | |
Magnesium chloride, pure, ACROS Organics | Fisher Scientific | AC223211000 | |
Magnesium sulfate, 97% pure, ACROS Organixs, anhydrous | Fisher Scientific | AC413480050 | |
Maleic Acid, 99%, ACROS Organics | Fisher Scientific | ACS125231000 | |
MOPS (Fine White Crystals/Molecular Biology), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP308 | |
Potassium chloride | Millipore Sigma | P9541 | |
Ribonucleic acid from torula yeast, Type IX | Millipore Sigma | R3629 | |
Sodium chloride | Millipore Sigma | S7653 | |
Triethanolamine | Millipore Sigma | 90279 | |
Tris | Millipore Sigma | GE17-1321-01 | |
TWEEN 20 | Millipore Sigma | P9416 | |
Equipment | |||
Laminar Flow Hood | model of choice | ||
Dissecting Microscope | model of choice | ||
Inverted Fluorescence Microscope | Nikon | TE200 | |
NIS-Elements Imaging Software | Nikon | ||
Shaking Incubator | model of choice | ||
Refrigerated Centrifuge | model of choice | ||
Miscellaneous | |||
Corning bottle-top vaccum filter system, 0.22 μm pore, 500 mL bottle capacity | Millipore Sigma | CLS430769 | |
Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 |