C. elegans excretory kanalen er en unik encellede modell for synlig i vivo analyse av de novo polarisert membran biogenesis. Denne protokollen beskriver en kombinasjon av standard genetisk/RNAi og imaging tilnærminger, tilpasses identifikasjon og karakterisering av molekyler regi encellede tubulogenesis og apikale membran og lumen biogenesis.
Fire C. elegans excretory kanalene er smale rør utvides gjennom lengden på dyret fra en enkelt celle, med nesten like langt utvidet intracellulær endotubes som bygger og stabilisere lumen membranen og submembraneous cytoskeleton apikale karakter. Excretory cellen utvider sin lengde ca 2000 ganger for å generere disse kanalene, noe som gjør denne modellen unikt i vivo -vurdering av de novo polarisert membran biogenesis, intracellulær lumen morphogenesis og encellede tubulogenesis. Protokollen presenteres her viser hvordan kombinere standard merking, gevinst og tap-av-funksjon genetisk eller RNA-interferens (RNAi)-, og mikroskopiske tilnærminger bruker denne modellen til å visuelt dissekere og funksjonelt analysere disse prosesser på molekylært nivå. Som et eksempel på en etikettmetoden skisserer protokollen generering av transgene dyr med fluorescerende fusion proteiner for live analyse av tubulogenesis. Som et eksempel på en genetisk tilnærming fremhever det nøkkelpunkt av en visuell RNAi-basert samhandling skjerm designet for å endre en gevinst-av-funksjon cystisk kanalen fenotypen. De bestemte metodene beskrives slik: label og visualisere kanalene ved å uttrykke fluorescerende proteiner; lage et målrettet RNAi bibliotek og strategi RNAi screening for molekylær analyse av kanalen morphogenesis; vurdere visuelt modifikasjoner av kanalen fenotyper; score dem ved å dissekere fluorescens mikroskopi; kjennetegner subcellular kanalen komponenter med høyere oppløsning av AC confocal mikroskopi; og kvantifisere visuelle parametere. Tilnærmingen er nyttig for etterforsker som er interessert i å dra nytte av C. elegans excretory kanalen for å identifisere og karakterisere gener involvert i phylogenetically bevart prosessene av intracellulær lumen og encellede rør morphogenesis.
Alle indre organer består av rør, avgjørende for sine mange ulike funksjoner, som transport og utveksling av gasser, væsker og næringsstoffer og utskillelse av metabolsk avfall. Deres polarisert karakter, med forskjellige apikale og lumenal membraner, er tilpasset disse bestemte funksjoner mangler i biogenesis av systemene endo- og plasma membranen er en hyppig årsak til menneskelig sykdom1,2. Fleste av rør er blodkar og indre organer er flercellede og danne en lumen intercellularly; Imidlertid kan encellede rør, som danner lumen intracellulært, for eksempel representere så mye som 30-50% av menneskelig kapillære senger2. Polarisert membraner av multi- og encellede rør er like i sammensetning, men deres microdomains kan variere basert på tuben bestemt funksjon (f.eks, excretory kanalen canaliculi mot intestinal microvilli i Caenorhabditis elegans; se medfølgende papir på C. elegans intestinal tubulogenesis)3. Prinsippene om polarisert membran biogenesis og tubulogenesis er bevart blant Metazoer, og en lignende molekylær maskiner leder dem1,2,4.
C. elegans excretory systemet består av fem celler: excretory cellen (EC), duct-cellen (DC), pore cellen (PC) og to kjertel celler. Ablasjon EC, DC eller PC fører væske opphopning i kroppens hulrom og dyr dør på en tidlig larvestadiet5. Intriguingly, disse tre encellede rør lage deres lumen på tre forskjellige måter: celle hollowing (EC); cellen innpakning kombinert med autocellular junction dannelse (PC); og av cellen innpakning kombinert med autofusion (DC); ulike mekanismer av lumen morphogenesis som alle phylogenetically bevart6,7. EF, ligger den laterale venstre bakre pharyngeal pære, sender ut to laterale utvidelser som fire kanalene armen ut til å utvide peke og posteriorly (på både høyre og venstre side) til tuppen av ormen nese og hale , henholdsvis (figur 1)5,6,8. EF går fra ca 1 µm til 2 x 1000 µm, og den største cellen i dyret. På et subcellular nivå er excretory kanalen en enkel tube, generert fra en basal membran rettet mot pseudocoelom og tunneled av en lumenal membran (endotube). Kanalen lumenal membranen kobles til rør lumenal membranen sin bare intercellulære avkjørsel; kanalene er ellers junctionless langs deres lengder (figur 1). Excretory kanalen lumenal membranen og dens submembraneous cytoskjelett er apikale, definert av molekylære sammensetningen som ligner sammensetningen av apikale membranen og submembraneous cytoskjelett flercellet rør, for eksempel tarmen, og andre (f.eksflat) epithelia. Cytoplasmatiske organeller, inkludert endosomal vesicula og andre (f.eksGolgi) endomembranes er fordelt langs kanalen. I tillegg er flere canalicular blemmer – enten koblet til lumenal membranen, og/eller sammenkoblet, eller isolert – tredd gjennom kanalen cytoplasma7,8,–9,10 . Denne dynamiske plasma-membran/canalicular tilkoblingen videre utvider kanalsystemet membran og bidrar til både lumen morphogenesis og osmoregulation10. Excretory kanalen dermed består nesten utelukkende av endo- og plasma membraner, gir en utmerket modell for analyse av polarisert membran biogenesis og regulering av endo-plasma membranen grensesnitt. Dramatisk utvidelse av apikale membranen under kanalen morphogenesis – i én celle systemet samtidig med lumen utvidelsen-kan også analysere de arkitektoniske problemene som følge av behovet for å stabilisere og sentrum en intracellulær lumenal membran . Denne protokollen fokuserer på analyse av kanalen tunnelbane og lumen’s strukturelle morphogenesis og intracellulær membran dynamikken kreves for denne prosessen ikke på signaler som direkte celle bevegelser som genererer EUs posisjon i den excretory systemet og bygge sine intrikate forbindelser til andre Mobiltlf elementer (omtalt i6).
Enda en fordel av C. elegans encellede kanalen system for analyse av polarisert membran og intracellulær lumen biogenesis er dens evne til å skille, gjennom utviklingsmessige tid, generering av ulike komponenter i sin membraner og veikryss. EU er født ved ventrale nedleggelse og utligner ventro-lateralt av pharynx under midten embryogenesis5,6,8, når tid lateral kanalen forlengelse og forgrening forekomme. Dette etterfølges av anterior-posterior kanalen under sent embryogenesis, en prosess som fortsetter L1-larvestadiet (figur 1). I en nyklekte larven, bakre kanalen spissen når ca midten av ormen, fullt utvide til halen på slutten av L1 scenen, etter hvilken tid kanalen elongates sammen med ormen8. Aktiv kanal vekst med en hastighet over av dyrets vekst dermed ender på første larvestadiet, men ytterligere vekst skjer parallelt med veksten av hele dyret under den ekstra larver stadier (L2-4). Denne innstillingen gir mulighet til å analysere forskjellige trinn av de novo polarisert membran biogenesis uavhengig av polarisert celledeling eller migrering. Dessuten, det tillater separasjon av denne prosessen fra monteringen av veikryss (som forekommer i embryo før lumen Start); deres nøyaktige krav i membranen polarisering er fortsatt et åpent spørsmål i feltet polaritet. Til slutt, det unikt skiller apikale fra basale membran ekspansjon, sistnevnte prosessen før tidligere i excretory kanalene10. C. elegans excretory kanalen modellen er derfor spesielt informativ supplerer intestinal modellen som deler en rekke fordelene for analyse av polarisert membran biogenesis men utfører den i en flercellet (se det medfølgende papiret på intestinal tubulogenesis3).
Selv om vill-type kanalene ultrathin tubules i denne lille ormen, kan deres lumen visualized direkte av Nomarski optikk i denne gjennomsiktige dyr. Faktisk kan mutant cystisk kanalen morphologies være preget i umerkede dyr med lav forstørrelse dissekere mikroskopi, som har blitt brukt med stor virkning i fremover genetisk skjermene for å identifisere tilblivelse involvert inne tubulogenesis11. Forbedret visualisering av morfologi av kanalene og forskjellsbehandling av deres polarisert membraner, cellen cytoskjelett komponenter, ulike intracellulær organeller og andre subcellular strukturer, men krever merking og høyere makt lysstoffrør dissecting og AC confocal mikroskopi. Selv om kanalene fine struktur innebærer en rekke vanskeligheter for merking og mikroskopi, membraner og subcellular komponenter kan skilles via bestemte molekylene unike for hver avdeling, og dyr kan være trygt montert for mikroskopi hvis visse forholdsregler er tatt for å unngå å innføre gjenstander (se protokollen og diskusjon). Merking kan gjøres av immunhistokjemi i fast prøver, eller ved å generere transgene ormer uttrykke fluorescerende fusion proteiner under kontroll av sine egne eller excretory kanalen-spesifikke arrangører for i vivo bildebehandling. Denne protokollen beskriver den sistnevnte merking teknikken (se medfølgende avisen intestinal tubulogenesis for antistoff flekker3).
Muligheten til å kombinere i vivo tap eller vinning-av-funksjon studier med i vivo imaging analyse på enkelt cellen nivå gjennom utvikling gjør C. elegans excretory kanalen en spesielt sterk modell for den molekylære og mobilnettet analyse av encellede tubulogenesis. Fremover eller bakover genetisk skjermer kan utføres med en vill-type eller merket transgene dyr å identifisere kanalen morphogenesis fenotyper (for eksempel cyster) og deres underliggende genet defekter. Slike skjermer kan eventuelt starte med en mutant fenotypen (f.eks, en cystisk kanal) og identifisere suppressors eller enhancers av denne fenotypen identifisere gener som funksjonelt samhandler med genen forårsaker mutant fenotypen. Den genetisk defekten forårsaker mutant fenotypen kan indusere tap (f.eks, via genet sletting) eller en gevinst (f.eks via en aktivering mutasjon eller via innføringen av overflødig genet kopier) av funksjonen undersøkt. Videresender mutagenese eller systematisk RNAi skjermer uten fordommer på gen funksjon og tillate objektiv identifikasjon av tilblivelse involvert inne funksjonen av interesse. Gitt at genomet hele RNAi fôring biblioteker, kan nesten hver genet være lett slått ned av RNAi i C. elegans, slik at en enkelt genet av interesse eller grupper av gener (f.eksi målrettede skjermer) kan også være raskt analysert for deres effekt i en omvendt genetikk tilnærming. For å demonstrere en mulig kombinasjon av tilnærminger, her beskriver vi en målrettet RNAi interaksjon skjerm, starter med en gevinst-av-funksjon cystisk excretory kanalen mutant, merket med cytoplasmatiske kanalen grønne fluorescerende protein (GFP). Mutant fenotypen ble generert av overuttrykte erm-1, en høyt konservert C. elegans ortholog av membran-utgangen koblingsfunksjonalitet familien Ezrin-Radixin-Moesin (ERM), som har vært innblandet i lumen morphogenesis og membran organisasjonen i mange arter12. C. elegans ERM-1 regionaliserer å lumenal membraner av indre organer, som excretory kanalen og tarmen, og kreves for lumen formasjon i begge13. ERM-1 overuttrykte rekrutter overflødig utgangen og blemmer til kanalen lumenal membran, øke forandring i lumen og generere en kort cystisk kanal og en crimped lumenal membran med fortykket begrepsordbok underlaget9. Protokollen beskriver hvordan å generere transgene stammer med excretory-kanalen-uttrykt merket fusion proteiner (eller andre proteiner); utføre målrettet RNAi skjermer med slike stammer, identifisere modifikatorer av en kanalen fenotypen; og visuelt analysere resultatene av slike skjermer av fluorescens dissecting og AC confocal mikroskopi, inkludert enkle måter å kvantifisere informativ tubulogenesis fenotyper. Alternativ merking teknikker og detaljer om RNAi, justert til ofte dødelig tubulogenesis genene, kan finnes i tilhørende papir på intestinal tubulogenesis3. Alle metoder kan brukes i ulike kombinasjoner for etterforskningen av andre spørsmål på kanalen tubulogenesis.
C. elegans genetisk allsidighet, åpenhet, enkel kroppen planen og konstant celle avstamning alle gjør det til en utmerket modell for analyse av morphogenesis. Denne protokollen beskriver hvordan kombinere standard genetisk manipulasjon og tenkelig studier for å dra nytte av de 2 mikron tynn C. elegans excretory kanaler for å studere polarisert membran og intracellulær lumen biogenesis i en enkelt celle rør.
Merking
C. elegans excretory kanal…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker M. Buechner (University of Kansas, Kansas, USA), K. Nehrke (University of Rochester Medical Center, Rochester, New York, USA) og Caenorhabditis genetikk sentrum, finansiert av National Institutes of Health, Office for forskningsinfrastruktur Programmer (P40 OD010440). Dette arbeidet ble støttet av tilskudd NIH GM078653 og MGH er 224570 SAA 223809 til V.G.
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) |