Hibridização In Situ fluorescente e marcação de 5-etil-2'-desoxiuridina para células-tronco em águas-vivas hidrozoárias Cladonema pacificum
Summary
Aqui, descrevemos um protocolo para visualização de células-tronco proliferantes na água-viva Cladonema. A hibridização in situ fluorescente de montagem completa com um marcador de células-tronco permite a detecção de células-tronco, e a marcação de 5-etil-2′-desoxiuridina permite a identificação de células em proliferação. Juntas, células-tronco em proliferação ativa podem ser detectadas.
Abstract
Os cnidários, incluindo anêmonas do mar, corais e águas-vivas, exibem morfologia e estilos de vida diversos que se manifestam em pólipos sésseis e medusas de natação livre. Como exemplificado em modelos estabelecidos, como Hydra e Nematostella, as células-tronco e/ou células proliferativas contribuem para o desenvolvimento e regeneração de pólipos cnidários. No entanto, os mecanismos celulares subjacentes na maioria das águas-vivas, particularmente no estágio de medusa, são em grande parte obscuros e, portanto, o desenvolvimento de um método robusto para identificar tipos específicos de células é crítico. Este trabalho descreve um protocolo para a visualização de células-tronco proliferantes na água-viva hidrozoária Cladonema pacificum. Cladonema medusae possuem tentáculos ramificados que crescem continuamente e mantêm a capacidade regenerativa durante toda a sua fase adulta, fornecendo uma plataforma única com a qual estudar os mecanismos celulares orquestrados por células proliferantes e / ou semelhantes a troncos. A hibridização in situ fluorescente de montagem completa (FISH) usando um marcador de células-tronco permite a detecção de células-tronco, enquanto a marcação de pulso com 5-etil-2′-desoxiuridina (EdU), um marcador de fase S, permite a identificação de células em proliferação. Combinando a rotulagem FISH e EdU, podemos detectar células-tronco em proliferação ativa em animais fixos, e essa técnica pode ser amplamente aplicada a outros animais, incluindo espécies de águas-vivas não modelo.
Introduction
Cnidaria é considerado um filo de metazoários basalmente ramificado contendo animais com nervos e músculos, colocando-os em uma posição única para a compreensão da evolução do desenvolvimento e fisiologia animal 1,2. Os cnidários são categorizados em dois grupos principais: Anthozoa (por exemplo, anêmonas do mar e corais) possuem apenas larvas de plânula e estágios sésseis, enquanto Medusozoa (membros de Hydrozoa, Staurozoa, Scyphozoa e Cubozoa) normalmente assumem a forma de medusas de natação livre, ou águas-vivas, bem como larvas de plânula e pólipos. Os cnidários comumente exibem alta capacidade regenerativa, e seus mecanismos celulares subjacentes, particularmente sua posse de células-tronco adultas e células proliferativas, têm atraído muita atenção 3,4. Inicialmente identificadas na Hydra, as células-tronco hidrozoárias estão localizadas nos espaços intersticiais entre as células epiteliais ectodérmicas e são comumente referidas como células intersticiais ou i-células3.
As células i hidrozoárias compartilham características comuns que incluem multipotência, expressão de marcadores de células-tronco amplamente conservadas (por exemplo, Nanos, Piwi, Vasa) e potencial de migração 3,5,6,7,8. Como células-tronco funcionais, as células i estão amplamente envolvidas no desenvolvimento, fisiologia e respostas ambientais de animais hidrozoários, o que atesta sua alta capacidade regenerativa e plasticidade3. Embora as células-tronco, semelhantes às células i, não tenham sido identificadas fora dos hidrozoários, mesmo na espécie modelo estabelecida Nematostella, as células proliferativas ainda estão envolvidas na manutenção e regeneração do tecido somático, bem como da linha germinativa9. Como os estudos sobre desenvolvimento e regeneração cnidária têm sido predominantemente conduzidos em animais do tipo pólipo, como Hydra, Hydractinia e Nematostella, a dinâmica celular e as funções das células-tronco em espécies de águas-vivas permanecem em grande parte sem solução.
A água-viva hidrozoária Clytia hemisphaerica , uma espécie cosmopolita de águas-vivas com diferentes habitats ao redor do mundo, incluindo o Mar Mediterrâneo e a América do Norte, tem sido utilizada como animal modelo experimental em diversos estudos evolutivos e de desenvolvimento10. Com seu tamanho pequeno, fácil manuseio e ovos grandes, o Clytia é adequado para manutenção em laboratório, bem como para a introdução de ferramentas genéticas, como os métodos de transgênese e knockout recentemente estabelecidos11, abrindo a oportunidade para uma análise detalhada dos mecanismos celulares e moleculares subjacentes à biologia das águas-vivas. No tentáculo de Clytia medusa, as células i estão localizadas na região proximal, chamada bulbo, e progenitores como os nematoblastos migram para a ponta distal, diferenciando-se em tipos celulares distintos, incluindo os nematócitos12.
Durante a regeneração da Clytia manubrium, órgão oral das águas-vivas, as células i Nanos1+ presentes nas gônadas migram para a região onde o manúbrio é perdido em resposta a danos e participam da regeneração do manúbrio7. Essas descobertas apoiam a ideia de que as células i em Clytia também se comportam como células-tronco funcionais que estão envolvidas na morfogênese e regeneração. No entanto, dado que as propriedades das células i diferem entre os animais representativos do tipo pólipo, como Hydra e Hydractinia3, é possível que as características e funções das células-tronco sejam diversificadas entre as espécies de águas-vivas. Além disso, com exceção de Clytia, as técnicas experimentais têm sido limitadas para outras águas-vivas, e a dinâmica detalhada das células proliferativas e células-tronco é desconhecida13.
A água-viva hidrozoária Cladonema pacificum é um organismo modelo emergente que pode ser mantido em um ambiente de laboratório sem uma bomba de água ou sistema de filtração. A Cladonema medusa possui tentáculos ramificados, característica comum na família Cladonematidae, e um órgão fotorreceptor chamado ocellus na camada ectodérmica próxima ao bulbo14. O processo de ramificação do tentáculo ocorre em um novo local de ramificação que aparece ao longo do lado adaxial do tentáculo. Com o tempo, os tentáculos continuam a se alongar e se ramificar, com os galhos mais antigos sendo empurrados para fora em direção à ponta15. Além disso, os tentáculos de Cladonema podem se regenerar dentro de alguns dias após a amputação. Estudos recentes têm sugerido o papel das células proliferantes e células-tronco na ramificação e regeneração de tentáculos em Cladonema16,17. No entanto, embora a hibridização in situ convencional (ISH) tenha sido utilizada para visualizar a expressão gênica no Cladonema, devido à sua baixa resolução, atualmente é difícil observar a dinâmica das células-tronco no nível celular em detalhes.
Este trabalho descreve um método de visualização de células-tronco em Cladonema por FISH e cocoloração com EdU, um marcador de proliferação celular18. Visualizamos o padrão de expressão de Nanos1, um marcador de células-tronco 5,17, pelo FISH, que permite a identificação da distribuição de células-tronco no nível de célula única. Além disso, a co-coloração da expressão de Nanos1 com a marcação EdU permite distinguir células-tronco em proliferação ativa. Este método para monitorar células-tronco e células proliferativas pode ser aplicado a uma ampla gama de áreas de investigação, incluindo ramificação de tentáculos, homeostase tecidual e regeneração de órgãos em Cladonema, e uma abordagem semelhante pode ser aplicada a outras espécies de águas-vivas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Células proliferantes e células-tronco são importantes fontes celulares em diversos processos, como morfogênese, crescimento e regeneração21,22. Este trabalho descreve um método de cocoloração do marcador de células-tronco Nanos1 por marcação FISH e EdU em Cladonema medusae. Trabalhos anteriores utilizando a marcação EdU ou BrdU sugeriram que as células proliferativas se localizam nos bulbos dos tentáculos16,17<…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela AMED sob o número de concessão JP22gm6110025 (para Y.N.) e pelo JSPS KAKENHI Grant Number 22H02762 (para Y.N.).
Materials
| 2-Mercaptoethanol | Wako | 137-06862 | |
| 3.1 mL transfer pipette | Thermo Scientific | 233-20S | |
| 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside (X-Gal) | Wako | 029-15043 | |
| anti-DIG-POD | Roche | 11207733910 | |
| Cladonema pacificum Nanos1 forward primer | 5’-AAGAGACACAGTCATTATCAAGC GA-3’ |
||
| Cladonema pacificum Nanos1 reverse primer | 5’-CGACGTGTCCAATTTTACGTGCT -3’ | ||
| Cladonema pacificum Piwi forward primer | 5’- AAAAGAGCAGCGGCCAGAAAGA AGGC -3’ |
||
| Cladonema pacificum Piwi reverse primer | 5’- GCGGGTCGCATACTTGTTGGTA CTGGC -3’ |
||
| Click-iT EdU Cell Proliferation Kit for Imaging, Alexa Fluor 488 dye | Invitrogen | C10337 | EdU kit |
| Coroline off | GEX Co. ltd | N/A | chlorine neutralizer |
| DIG Nucleic Acid Detection Kit Blocking Reagent | Roche | 11175041910 | blocking buffer |
| DIG RNA labeling mix | Roche | 11277073910 | |
| DTT | Promega | P117B | |
| ECOS competent cell DH5α | NIPPON GENE | 316-06233 | competent cell |
| Fast gene Gel/PCR Extraction kit | Fast gene | FG-91302 | gel extraction kit |
| Fast gene plasmid mini kit | Fast gene | FG-90502 | plasmid miniprep |
| Formamide | Wako | 068-00426 | |
| Heparin sodium salt from porcine | SIGMA-ALDRICH | H3393-10KU | |
| Isopropyl-β-D(-)-thiogalactopyranoside (IPTG) | Wako | 096-05143 | |
| LB Agar | Invitrogen | 22700-025 | agar plate |
| LB Broth Base | Invitrogen | 12780-052 | LB medium |
| Maleic acid | Wako | 134-00495 | |
| mini Quick spin RNA columns | Roche | 11814427001 | clean-up column |
| NaCl | Wako | 191-01665 | |
| NanoDrop OneC Microvolume UV-Vis Spectrophotometer with Wi-Fi | Thermo Scientific | ND-ONEC-W | spectrophotometer |
| Polyoxyethlene (20) Sorbitan Monolaurate (Tween-20) | Wako | 166-21115 | |
| PowerMasher 2 | nippi | 891300 | homogenizer |
| Proteinase K | Nacarai Tesque | 29442-14 | |
| RNase Inhibitor | TaKaRa | 2313A | |
| RNeasy Mini kit | Qiagen | 74004 | total RNA isolation kit |
| RQ1 RNase-Free Dnase | Promega | M6101 | |
| Saline Sodium Citrate Buffer 20x powder (20x SSC) | TaKaRa | T9172 | |
| SEA LIFE | Marin Tech | N/A | mixture of mineral salts |
| T3 RNA polymerase | Roche | 11031163001 | |
| T7 RNA polymerase | Roche | 10881767001 | |
| TAITEC HB-100 | TAITEC | 0040534-000 | Hybridization incuvator |
| TaKaRa Ex Taq | TaKaRa | RR001A | Taq DNA polymerase |
| TaKaRa PrimeScript 2 1st strand cDNA Synthesis Kit | TaKaRa | 6210A | cDNA synthesis kit |
| Target Clone | TOYOBO | TAK101 | pTA2 Vector |
| tRNA | Roche | 10109541001 | |
| TSA Plus Cyanine 5 | AKOYA Biosciences | NEL745001KT | tyramide signal amplification (TSA) technique |
| Zeiss LSM 880 | ZEISS | N/A | laser scanning confocal microscope |
References
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