세포내 루멘 Morphogenesis 그리고 Vivo에서 편광 막 속 단일 셀에 대 한 모델로 선 충 C. Excretory 운하: GFP 융해, RNAi 상호 작용 화면 및 이미징 라벨

Summary

C. 선 충 배설 운하 드 노 보 편광 막 속의 시각적 vivo에서 분석에 대 한 고유한 단일 셀 모델입니다. 이 프로토콜 표준 유전 RNAi 및 이미징 접근, 식별 및 분자 단 세포 tubulogenesis, 그리고 꼭대기 막 및 루멘 속 감독의 특성에 대 한 적응의 조합을 설명 합니다.

Abstract

4 선 충 C. 배설 운하는 좁은 튜브를 거의 동등 하 게 멀리 확장된 세포내 endotubes 구축 하 고 막 및 submembraneous 루멘 안정화와 함께 단일 셀에서 동물의 길이 통해 확장 꼭대기 캐릭터의 골격입니다. 배설 셀 확장의 길이 약 2, 000 번 드 노 보 편광 막 속, 세포내 루멘 morphogenesis vivo에서 평가 대 한 독특한이 모델을 만드는이 운하를 생성 및 단 세포 tubulogenesis입니다. 여기에 제시 된 프로토콜 표준 라벨, 이득 및 손실-의-기능 유전자 또는 RNA 간섭 (RNAi) 결합 하는 방법을 보여줍니다-, 그리고를 사용 하 여이 모델 기능 분자 수준에서이 프로세스를 분석 하 고 시각적으로 해 부 현미경 접근. 표기 방법의 예를 들어, 프로토콜 tubulogenesis의 실시간 분석을 위한 유전자 변형 동물 형광 성 융해 단백질의 생성을 설명합니다. 유전 접근의 예를 들어, 그것은 함수 이득 낭 성 운하 형을 수정 하도록 설계 된 시각적 RNAi 기반 상호 작용 스크린의 핵심 포인트를 강조 표시 합니다. 특정 방법을 설명 하는 방법: 레이블 및 형광 단백질; 표현 하 여 운하를 시각화 타겟된 RNAi 라이브러리를 구성 하 고 전략을 RNAi 운하 morphogenesis;의 분자 분석에 대 한 심사 시각적으로 고기;의 수정 평가 형광 현미경 검사 법;를 해 부하 여 점수 confocal 현미경 검사 법;에 의해 더 높은 해상도에서 subcellular 운하 구성 요소 특징 그리고 시각적 매개 변수를 측정. 방식은 확인 및 intracellular 루멘 phylogenetically 보존된 과정에 참여 하 고 단 세포 유전자에 대 한 선 충 C. 배설 채널의 활용에 관심이 있는 탐정에 대 한 유용 morphogenesis 튜브.

Introduction

모든 내부 장기의 튜브, 전송 및 가스, 액체 및 영양분의 교환 및 변화 낭비의 배설물 같은 그들의 여러 가지 기능에 대 한 중요 한 구성 됩니다. 그들의 편광된 캐릭터, 독특한 꼭대기와 lumenal 멤브레인과 이러한 특정 기능, 적응 하 고 결함 그들의 엔도-및 플라즈마 멤브레인 시스템의 속에는 인간의 질병^1,2의 빈번한 원인이. 튜브는 맥 관 구조와 내부 장기의 대부분은 다세포 이며 intercellularly;는 루멘을 형성 그러나, 침 루멘을 형성, 단 세포 관, 수 예, 나타낼 만큼 인간의 모 세관 침대²의 30-50%. 비록 그들의 microdomains 튜브의 특정 기능 (예를 들어, 꼬마 장 microvilli 대 배설 운하 canaliculi에 따라 다를 수 있습니다 멀티-및 단 세포 튜브의 편광된 막 구성 면에서 유사 하다 선 충; C. 선 충 장 tubulogenesis 종이 동반 참조)³. 편광된 막 속 및 tubulogenesis의 원리는, metazoans 중 보존 하 고 유사한 분자 기계는 그들에 지시^1,,24.

C. 선 충 배설 시스템 이루어져 5: 배설 셀 (EC), 덕트 세포 (DC), 셀 (PC)와 두 개의 선 셀 기 공. EC, DC 또는 PC의 절제는 바디 구멍에 한 초기 애벌레 단계⁵에서 동물 다 액체 축적을 발생합니다. 이 3 단 세포 관 글, 세 가지 방법으로 그들의 루멘을 만들: (EC)를 공동 화; 세포에 의해 셀 포장 결합 autocellular 접합 형성 (PC); 그리고 셀 배치 하 여 결합 autofusion (DC); 다른 메커니즘의 루멘 morphogenesis 모든 phylogenetically 보존된^6,7입니다. EC, 후부 인 두 전구의 측면 왼쪽에 있는 밖으로 보내는 두 측면 확장 4 운하 anteriorly 확장 하는 확장에서 그리고 뒤로 (둘 다 오른쪽과 왼쪽 측면) 벌레의 코 및 꼬리의 끝에 각각 (그림 1)^5,,68. EC에서에서 확장 약 1 µ m 2 x 1000 µ m, 동물에서 가장 큰 셀을 만들기. Subcellular 수준에 배설 채널 pseudocoelom, 향해 이동 하 고 lumenal 막 (endotube)에 의해 터널링 기저 막에서 생성 된 간단한 튜브입니다. 그것의 유일한 세포 접합;에서 덕트 lumenal 막에 연결 하는 운하 lumenal 막 운하는 그렇지 않으면 그들의 길이 (그림 1)에 따라 junctionless. 배설 운하 lumenal 막 및 그것의 submembraneous 골격 꼭대기 막의 조성과 소장, 같은 다세포 튜브의 submembraneous 골격 유사한 그들의 분자 구성에 의해 정의 된 꼭대기는 그리고 다른 (예를 들어, 평면) epithelia의. 세포질 세포, endosomal 나노미터 및 기타 (예, 골) endomembranes는 운하의 길이 따라 배포를 포함 하 여 또한, 여러 canalicular 소포-중 lumenal 막에 연결 된 상호 또는 절연-운하 세포질^{7,,89,10 통해 스레드는} . 이 동적 플라즈마 멤브레인/canalicular 연결 추가 채널의 막 시스템을 확장 하 고 모두 루멘 morphogenesis 및 osmoregulation¹⁰에 기여. 배설도 따라서 엔도-와 편광된 막 속의 분석 및 엔도-플라즈마 멤브레인 인터페이스의 규제에 대 한 훌륭한 모델을 제공 하는 플라즈마 세포 막의 거의 전적으로 구성 되어 있습니다. 이 단일 셀 시스템-루멘 확장명이 일치에서 운하 morphogenesis-동안 꼭대기 막의 극적인 확장 하실 수 있습니다을 안정 시키고 세포내 lumenal 막 센터는 필요에 의해 발생 하는 건축 문제를 분석 하 . 이 프로토콜에 초점을 맞추고 보다 직접 셀 움직임에서 EC의 위치를 생성 하는 신호 채널 튜브와 루멘의 구조 morphogenesis 및이 프로세스에 필요한 세포내 막 역동성의 분석에는 배설 체계 다른 세포 요소 (^6에서검토) 그것의 복잡 한 연결을 구성 하 고.

편광된 막과 세포내 루멘 속의 분석에 대 한 선 충 C. 단일 셀 운하 시스템의 추가 이용은 개발 시간을 통해 그것의 막의 다른 구성 요소의 세대를 분리 하는 기능 그리고 접속점입니다. EC와 복 부 폐쇄의 시간에 태어난 ventro 옆 인 두의 중간 embryogenesis^5,6,8, 동안 시간 측면 운하 확장 하 고 분기 발생 동안 침전. 이것은 늦은 embryogenesis, (그림 1) L1 애벌레 단계에 계속 하는 과정 동안 앞쪽 후부 운하 확장에 의해 선행 된다. 새로 부 화 애벌레, 후부 운하 끝에 도달 하면 벌레의 중간 약, 벌레⁸함께 elongates 완전히 확장 꼬리에 L1 무대의 끝에 어느 시간 후 운하. 그러나 따라서 동물의 성장을의 그것을 초과 하는 속도에서 활성 채널 성장 종료 첫 번째 애벌레 단계에서, 추가 성장 추가 애벌레 단계 (L2-4) 전체 동물의 성장과 동시에 발생 합니다. 이 설정은 드 노 보 편광 막 속의 편광된 세포 분열 또는 마이그레이션 독립의 다른 단계를 분석할 기회를 제공 한다. 또한, 접속점 (에서 발생 하는 루멘 개시 전에 배아);의 어셈블리에서이 프로세스의 분리 허용 막 분극에 그들의 정확한 요구 사항을 여전히 극성 필드에 오픈 질문 이다. 마지막으로, 그것은 고유 하 게 꼭대기 기저 막 확장, 배설 운하¹⁰전 앞 후자의 프로세스에서에서 분리 합니다. C. 선 충 배설 채널 모델은 따라서 편광된 막 속의 분석에 대 한 이러한 장점의 번호를 공유 하지만 다세포 설정 (참조 실행 장 모델에 특히 유익한 보완 함께 종이 장 tubulogenesis³에).

야생-타입 운하는이 작은 벌레의 ultrathin tubules, 비록 그들의 루멘 6 수 있습니다.이 투명 한 동물에 Nomarski 광학에 의해 직접 sualized. 사실, 돌연변이 낭 성 운하 형태학 레이블이 없는 동물 해 부 현미경, tubulogenesis¹¹에 관련 된 유전자를 식별 하기 위해 앞으로 유전 스크린에 큰 효과를 사용 하는 낮은 확대를 사용 하 여 특징 수 있습니다. 그러나 향상 된 시각화 운하의 형태와 그들의 편광된 막, cytoskeletal 구성 요소, 다른 세포내 세포 및 다른 subcellular 구조의 구별의, 라벨링 요구 하 고 높은 형광등을 전원 해 고 confocal 현미경 검사 법입니다. 비록 운하 미세 구조 포즈 다양 한 라벨 및 현미경 검사 법에 대 한 어려움, 막 및 subcellular 구성 요소는 각 구획에 고유한 특정 분자를 통해 구별 될 수 있다 및 동물 안전 하 게 장착할 수 현미경에 대 한 경우 특정 아티팩트 ( 프로토콜 및 토론참조) 소개를 피하기 위해 주의. 라벨 immunohistochemistry 고정된 표본에 의해 또는 그들의 자신의 통제 형광 성 융해 단백질을 표현 하는 유전자 변형 벌레를 생성 하 여 수행할 수 있습니다 또는 vivo에서 화상 진 찰에 대 한 배설 운하 관련 발기인. 이 프로토콜 설명는 후자의 라벨 (동반 종이³를 얼룩이 지는 항 체에 대 한 장 tubulogenesis 참조).

결합 손실 또는 이득-의-기능 학문 vivo에서 vivo에서 이미징 단일 셀에서 분석 하는 능력 개발은 전체 선 충 C. 배설 운하는 분자에 대 한 특히 강한 모델 레벨 및 단 세포 tubulogenesis의 세포 분석입니다. 정방향 또는 역방향 유전 스크린 운하 morphogenesis 고기 (예를 들어, cysts)을 식별 하는 야생-타입 또는 레이블이 유전자 변형 동물 시작 수행할 수 있습니다 그리고 그들의 기본 유전자 결함. 또는, 이러한 화면 돌연변이 표현 형 (예, 낭 성 운하)로 시작 하 고 진압 또는 증강이이 형의 유전자 돌연변이 표현 형을 일으키는 기능적으로 상호 작용 하는 유전자를 식별 식별 수 있습니다. 돌연변이 체 표현 형을 일으키는 유전적 결함 (예를들면, 유전자 삭제 통해 ) 손실 또는 이득 일으킬 수 있다 (예를 들어,를 통해 활성화 돌연변이 또는 초과 유전자의 도입을 통해) 조사 기능. 앞으로 mutagenesis 또는 체계적인 RNAi 스크린 유전자 기능에 편견 없이 고 관심의 기능에 관련 된 유전자의 편견된 식별을 허용. 라이브러리를 수 유 하는 게놈 넓은 RNAi의 가용성을 감안할 때 거의 모든 유전자 수 수 쉽게 뜨 RNAi C. 선 충에 의해 그런 관심사의 어떤 단일 유전자 또는 유전자 (예를 들어, 대상된 화면에서)의 어떤 그룹 수 있습니다 또한 신속 하 게 찾는 것 대 한 반전 유전학 접근에 그들의 효과. 접근의 가능한 조합을 보여, 우리 여기 설명 대상된 RNAi 상호 작용 화면 기능 이득 낭 성 배설 운하 돌연변이로 시작 세포질 운하 녹색 형광 단백질 (GFP)으로 표시. 돌연변이 형 음-1, 높은 보존된 C. 선 충 의 overexpression에 의해 생성 된 막 걸 링커 가족 Ezrin-Radixin-Moesin (ERM), 루멘 morphogenesis 및 막에 연루 되어 있는의 ortholog 많은 종¹²조직입니다. C. 선 충 음 1 배설 운하 등 소장, 내부 장기의 lumenal 막 localizes 및 두¹³루멘 형성에 대 한 필요 합니다. 음-1 overexpression 초과 말라와 루멘에 플럭스를 증가 하 고 짧은 낭 운하와 두꺼워 말라 undercoat⁹방해 lumenal 막 생성의 운하 lumenal 막에 소포를 보충 한다. 프로토콜 융합 단백질 (또는 다른 단백질); 운하 표현 배설와 유전자 변형 종자를 생성 하는 방법을 설명 합니다. 타겟된 RNAi 스크린 운하 형;의 한정자를 식별 하기 위해 이러한 긴장 시작을 수행 하는 방법 그리고 시각적으로 형광 해 고 confocal 현미경 검사 법, 유익한 tubulogenesis 고기를 계량 하는 간단한 방법을 포함 하 여 이러한 스크린의 결과 분석 하는 방법. 대체 기술 및 RNAi, 종종 치명적인 tubulogenesis 유전자 조정의 세부 사항 라벨 장 tubulogenesis³에 동반 종이에서 찾을 수 있습니다. 모든 메서드는 채널 tubulogenesis에 다른 질문의 조사에 대 한 다양 한 조합에 사용할 수 있습니다.

Protocol

1. 형광 성 융해 단백질 14 C. 선 충 Excretory 운하 라벨 참고: 장 tubulogenesis에 함께 종이 참조 3 현장에서 항 체 절차를 배설 운하에 얼룩으로 라벨에 대 한. C. 선 충 배설 운하 엔도-및 플라즈마 막, 발기인 배설도 운전 하는 식의 예제를 보려면 표 2를 시각화 하는 데 유용 하 게 입증 하는 분자의 예제를 보려?…

Representative Results

이 프로토콜에는 시각과 분자로 분석 단 세포 tubulogenesis 및 단일 셀에서 세포내 루멘 morphogenesis C. 선 충 배설 운하를 사용 하는 방법을 설명 합니다. 성인 기 중반 embryogenesis의 시간에서 그들의 확장, 동안 4 개의 배설 운하 그들의 basolateral 및 그들의 canalicular 및 endosomal endomembrane 시스템을 제공 하는 독특한 모델을 함께 꼭대기/lumenal 막 확장 계속 드 노 보 의 <…

Discussion

C. 선 충 유전 다양성, 투명성, 간단한 몸 계획, 고정 세포 계보는 우수한 morphogenesis의 분석 모델 만들. 이 프로토콜 표준 유전 조작 및 이미징 결합 하는 방법을 설명 합니다 2 미크론의 활용 연구 얇은 편광된 막과 세포내 루멘 속 단일 셀 튜브에서 연구 선 충 C. 배설 운하.

라벨
C. 선 충 배설 운하 허용 하는 라이브 분석 (여기에 설명 된), 형?…

Materials

Cloning
Plasmid pPD95.75	Addgene	Cat. No. 37464
PCR Kit	Qiagen	Cat. No. 27106
Ligation kit	New England Biolabs	Cat. No. E2611L
DNA marker	Thermo Scientific	Cat. No. SM1331
Agarose DNA grade	Fisher Scientific	Cat. No. BP164-100
Competent cells	New England Biolabs	Cat. No. C2987H
Tris	Fisher Scientific	Cat. No. BP154-1
EDTA	Sigma	Cat. No. ED-1KG
Acetic acid	Fisher Scientific	Cat. No. A38S-500
Ethidium bromide	Fisher Scientific	Cat. No. BP1302-10
Equipments
PCR machine	MJ Research	Cat. No. PTG-200
Centrifuge	Eppendorf	Cat. No. 5415C
Water Bath	Precision Scientific	Cat. No. 666A3
Gel running instrument	Fisher Scientific	Cat. No. 09-528-165
Gel running power supply	Fisher Scientific	Cat. No. 45-000-465
Molecular Imager Gel Doc XR System	Bio-Rad	Cat. No. 1708195EDU
Nanodrop Spectrophotometer	Thermo Scientific	Cat. No. ND1000
C. elegans related1			1see reference27 for standard C. elegans culture and maintenance procedures.
LB Medium and plates2			2see reference24 for protocols.
Tryptone	Acros Organics	Cat. no. 611845000
Yeast Extract	BD Biosciences	Cat. no. 212750
NaCl	Sigma	Cat. no. S7653
Bacto Agar	BD Biosciences	Cat. no. 214040
Ampicillin	Sigma	Cat. no. A0116
Tetracycline	Fisher Scientific	Cat. no. BP912
M9 Medium2					2see reference24 for protocols.
NaCl	Sigma	Cat. no. S7653
KH2PO4	Sigma	Cat. no. P0662
Na2HPO4	Sigma	Cat. no. S7907
MgSO4	Sigma	Cat. no. M2773
NGM plates 2			2see reference24 for protocols.
NaCl	Sigma	Cat. no. S7653
Peptone	BD Biosciences	Cat. no. 211677
Tryptone	Acros Organics	Cat. no. 611845000
Bacto Agar	BD Biosciences	Cat. no. 214040
MgSO4	Sigma	Cat. no. M2773
CaCl2	Sigma	Cat. no. C3881
Cholesterol	Sigma	Cat. no. C8667
K2HPO4	Sigma	Cat. no. P3786
KH2PO4	Sigma	Cat. no. P0662
RNAi plates3			3see reference60 for protocols.
NaCl	Sigma	Cat. no. S7653
Peptone	BD Biosciences	Cat. no. 211677
Tryptone	Acros Organics	Cat. no. 611845000
Bacto Agar	BD Biosciences	Cat. no. 214040
MgSO4	Sigma	Cat. no. M2773
CaCl2	Sigma	Cat. no. C3881
Cholesterol	Sigma	Cat. no. C8667
K2HPO4	Sigma	Cat. no. P3786
KH2PO4	Sigma	Cat. no. P0662
IPTG	US Biological	Cat. no. I8500
Carbenicillin	Fisher Scientific	Cat. no. BP2648
NaOH	Fisher Scientific	Cat. no. SS266-1
Sodium hypochlorite	Fisher Scientific	Cat. no. 50371500
Bacteria
OP50 bacteria	CGC
HT115 bacteria	CGC
Genome-wide RNAi libraries
Ahringer genome-wide RNAi feeding library (ref29,49)	Source BioScience
C. elegans ORF-RNAi feeding library (ref50)	Source BioScience
Imaging related
Lidocaine	MP Biomedicals,LLG	Cat. no. 193917
Materials
Vacuum Grease Silicone	Beckman	Cat. no. 335148
Microscope slides	Fisher Scientific	Cat. no. 4448
Microscope coverslips (22×22-1）	Fisher Scientific	Cat. no. 12-542-B
Tissue culture plate, 6 well	Corning Inc.	Cat. no. 08-772-33
Equipment
SMZ-U dissecting microscope (Nikon)
SZX12 dissecting microscope (Olympus), equipped with a high-power stereo fluorescence attachment (Kramer Scientific), CCD camera with Q capture software and X-Cite fluorescent lamp (Photonic Solutions).
TCS SL Laser-scanning confocal microscope (Leica Microsystem)
C2 laser-scanning confocal mounted on an ECLIPSE Ti-E inverted microscope (Nikon)