מעקב וכימות תהליכים התפתחותיים ב<em> C. elegans</em> שימוש בכלי קוד פתוח
Summary
Here it is shown how to track and quantify developmental processes in C. elegans. The methods presented are based on open-source tools that can be easily implemented. It is demonstrated how to reconstruct 3D cell-shape models, how to manually track subcellular structures, and how to analyze cortical contractile flow.
Abstract
כמותית לכידת תהליכים התפתחותיים היא חיונית כדי להפיק מודלים ומפתח מכניסטית לזהות ולתאר פנוטיפים מוטציה. כאן פרוטוקולים מוצגים להכנת עוברים וג הבוגר elegans בעלי חיים למיקרוסקופיה זמן לשגות טווח קצר וארוך ושיטות למעקב וכימות של תהליכים התפתחותיים. כל השיטות שהוצגו מבוססות על ג זנים זמינים במרכז לגנטיקת Caenorhabditis ועל תוכנת קוד פתוח elegans שניתן ליישם בקלות בכל מעבדה עצמאית של מערכת מיקרוסקופיה בשימוש. בנייה מחדש של מודל תא-צורת 3D באמצעות IMOD תוכנת דוגמנות, (velocimetry תמונה דיגיטלי חלקיקים זמן נפתר מעקב ידני של מבני subcellular fluorescently שכותרתו באמצעות התכנית רב תכליתי ניתוח תמונת Endrov, וניתוח של זרימת התכווצות בקליפת המוח באמצעות PIVlab כלי לMATLAB) מוצג. הוא דן כיצד גם ניתן לפרוס שיטות אלה לאo ללכוד כמותית תהליכים התפתחותיים אחרים בדגמים שונים, לדוגמא, מעקב תא ושושלת ההתחקות, מעקב של זרימת שלפוחית.
Introduction
עם השיפורים מתמידים של חלבוני ניאון, הנדסה גנטית, מיקרוסקופ אור, ורך מחשב וחומרה, עכשיו זה אפשרי להקליט פיתוח של אורגניזמים מודל רבים ברזולוציה מרחב ובזמן חסרת תקדים. הדבר מאפשר לחוקרים לשאול שאלות שלא ניתן לטפל בעבר או לבקר תהליכים התפתחותיים ידועים כדי לחפש את היבטים התעלמו. התקדמות זו עוררה את תחום הביולוגיה התפתחותית כמותיים, שמטרתה להפוך את הדגמים איכותיים, פורמליים למודלים כמותיים על ידי מדידות יסודיות וניתוחים סטטיסטיים.
תאי מעקב ומבני subcellular הפכו אותו ניתן להפיק מודלים כמותיים של התפתחות עוברית, פעילות מערכת עצבים, או תא חלוקה 1-12. על ידי מעקב אחר שרידי חלוקת התא במהלך ההתפתחות המוקדמת של ג עובר elegans, אנו יכולים לחשוף לאחרונה שהם בצעו סטריאוקיטוב חשוב הקליד נתיב ומהווה גורמי 13,14.
הנה, פרוטוקולים מוצגים שהופכים את הביולוגיה התפתחותית כמותיים גישות נגישות לאינם מומחים. המוקד נמצא על שלושה כלים ישר קדימה, זמינים באופן חופשי כי הם ישימים בכל מעבדה יש לו גישה למיקרוסקופיה confocal סטנדרטית ומחשבים. אלה כוללים פרוטוקול כדי ליצור צורות תא 3D, פרוטוקול כדי לעקוב אחר שרידי חלוקת תא, ופרוטוקול לתאר כמותית דינמיקת actomyosin קליפת המוח. נמטודות ג elegans משמש כמקרה למופת, לעומת זאת, השיטות וכלים שנדונו כאן הם מתאימות למגוון רחב של שאלות במודלים אחרים ביולוגיים, למשל, תאים בתרבית, explants רקמות, organoids או spheroids, עוברים אחרים, וכו '
בדרך כלל, חלק מהניתוחים המוצגים כאן יכול גם להתבצע עם ImageJ כלי הקוד פתוח הפופולרי (http://imagej.nih.gov/ij/docs/index.html; או פיג'י, "הסוללות כלולות" גרסה של ImageJ, http://fiji.sc/Fiji) שלתוספים רבים לניתוחים כמותיים שונים זמינים. עם זאת, התוכניות שנדונו כאן נועדו להתמודד עם בעיות ספציפיות.
ראשית, IMOD, עיבוד תמונה, דוגמנות וחבילת תצוגה יכולים לשמש לשחזורי 3D סעיפים סדרתי מאלקטרון או מיקרוסקופ אור 15. IMOD מכיל גם כלים להצגת נתוני 3D מכל כיוון. שנית, Endrov, תכנית Java נועדה לבצע ניתוח תמונה, עיבוד נתונים, וביאור של רשתות או רצועות (בין יתר) על בסיס ארכיטקטורת תוסף מורחב, עם תאימות תוסף ImageJ 16. הוא מכיל מעל 140 פעולות עיבוד תמונה וממשק משתמש להרחבה שבמודל והנתונים גולמיים מוצגים בנפרד. ניתן למצוא את קוד המקור שלה בhttps://github.com/mahogny/Endrov. שלישית, PIVlab, Mכלי ATLAB לvelocimetry תמונת חלקיק דיגיטלי המאפשר למשתמש כמותית ואיכותי לנתח זרימת חלקיקי שדות 17. השימוש בתוכניות זה טעון רישוי MATLAB הכולל עיבוד תמונת ארגז כלים (http://mathworks.com). PIVlab היא תכנית שנועדה לתאר זרימת כמותית. היא מחשבת את חלוקת מהירות, גודל, ערבוליות, סטייה, או הגזירה בתוך זוגות תמונה או סדרה. לשם כך, בין-קורלציה אזורים קטנים של תמונות ('עובר' בשם בסעיף הפרוטוקול) של צמד תמונה לגזור את עקירת חלקיקים הסבירה ביותר. חוצה קשר זה מניב מטריצת מתאם שניתן לנתח בתחום החלל או תדירות או באמצעות מתאם צולב ישיר או שינוי פורייה מהיר (FFT), בהתאמה.
הציוד המשמש כאן הוא מיקרוסקופ הפוך מצויד בניפקוב ("ספינינג") דיסק, EMCCD, 488 ומוצק 561 ננומטר סטנדרטילייזרים של מצב, ו20x אוויר או 40x או 60x תכנית / Apochromat מטרות נפט או מים טבילה. עם זאת, אפשר גם לבצע הדמיה הזמן לשגות עם שיטות הדמיה אחרות, למשל, על נקודה, סכן למעשה או מיקרוסקופיה גיליונות סריקה מבוססת לייזר, מיקרוסקופיה רב-פוטון, כמו גם במיקרוסקופ פלואורסצנטי עלית בשילוב עם deconvolution או מובנה תְאוּרָה. היתרון של שימוש במערכת דיסק ניפקוב הוא רכישת תמונה מאוד מהר, במיוחד אם מצב הזרמה (תנועה וסריקה של האובייקט בממד z רציף) זמין. בנוסף, כדי לשפר את הרזולוציה, ניתן להשתמש במאריך מגדלת פי 1.5 מול EMCCD.
Protocol
Representative Results
Discussion
באמצעות מעקב אחר אובייקט בפיתוח, במעקב גרעיני מסוים, זה כבר אפשרי להבהיר מנגנוני דפוסים מרכזיים של ג elegans עובר 1,23,24. הרחבת אסטרטגיה זו לתפוקה גבוהה יותר, זה כבר אפשרי לאחרונה לחשוף כללי דפוסים נוספים ולהציע שיטה איך להסיק דפוסים שולטת דה נובו 10. ל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Stereo microscope | Motic/VWR | OT4005S | Stereo microscope for dissection and mounting |
| Polybead Polystyrene Microspheres, | Polysciences | 18329 | Embryo mounting |
| 20 µm | |||
| Polybead Polystyrene Microspheres, | Polysciences | 876 | Adult animal mounting |
| 0.1 µm | |||
| Microscope slides | VWR | 631-0902 | Adult animal mounting |
| Cover glass 18×18 mm | VWR | 631-1331 | Embryo/adult mounting |
| Cover glass 24×60 mm | VWR | 631-1339 | Embryo mounting |
| Scalpel | VWR | 233-5455 | Embryo dissection |
| Silicone tubing | VWR | 228-1501 | Tubing for mouth pipette |
| 30 mm PTFE membrane filter | NeoLab | Jul-01 | Filter for mouth pipette |
| Capillary tubes | VWR | 621-0003 | Pipette tip for mouth pipette |
| Vaseline | Roth | E746.1 | Embryo/adult mounting |
| Agar | Roth | 5210.5 | Adult animal mounting |
| Potassium-di-hydrogenphosphate | Roth | P018.2 | M9 buffer |
| Di-sodium- hydrogenphosphate | Roth | P030.2 | M9 buffer |
| Sodium chloride | Roth | 3957.1 | M9 buffer |
| VisiScope Spinning Disc Confocal System | Visitron Systems | n/a | Confocal microscopy |
References
- Sulston, J. E., Schierenberg, E., White, J. G., Thomson, J. N. The embryonic cell lineage of the nematode Caenorhabditis elegans. Dev. Biol. 100 (1), 64-119 (1983).
- Kimmel, C. B., Warga, R. M. Tissue-specific cell lineages originate in the gastrula of the zebrafish. Science. 231 (4736), 365-368 (1986).
- Nishida, H. Cell lineage analysis in ascidian embryos by intracellular injection of a tracer enzyme. III. Up to the tissue restricted stage. Dev. Biol. 121 (2), 526-541 (1987).
- Lee, T., Luo, L. Mosaic analysis with a repressible cell marker for studies of gene function in neuronal morphogenesis. Neuron. 22 (3), 451-461 (1999).
- Livet, J., Weissman, T. A., Kang, H., Draft, R. W., Lu, J., Bennis, R. A., Sanes, J. R., Lichtman, J. W. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system. Nature. 450 (7166), 56-62 (2007).
- Fernandez, R., Das, P., Mirabet, V., Moscardi, E., Traas, J., Verdeil, J. L., Malandain, G., Godin, C. Imaging plant growth in 4D: robust tissue reconstruction and lineaging at cell resolution. Nat. Methods. 7 (7), 547-553 (2010).
- Olivier, N., et al. Cell lineage reconstruction of early zebrafish embryos using label-free nonlinear microscopy. Science. 329 (5994), 967-971 (2010).
- Kitajima, T. S., Ohsugi, M., Ellenberg, J. Complete kinetochore tracking reveals error-prone homologous chromosome biorientation in mammalian oocytes. Cell. 146 (4), 568-581 (2011).
- Schrödel, T., Prevedel, R., Aumayr, K., Zimmer, M., Vaziri, A. Brain-wide 3D imaging of neuronal activity in Caenorhabditis elegans with sculpted light. Nat. Methods. 10 (10), 1013-1020 (2013).
- Du, Z., Santella, A., He, F., Tiongson, M., Bao, Z. De novo inference of systems-level mechanistic models of development from live-imaging-based phenotype analysis. Cell. 156 (1-2), 359-372 (2014).
- Amat, F., et al. Fast, accurate reconstruction of cell lineages from large-scale fluorescence microscopy data. Nat. Methods. 11 (9), 951-958 (2014).
- He, B., Doubrovinski, K., Polyakov, O., Wieschaus, E. Apical constriction drives tissue-scale hydrodynamic flow to mediate cell elongation. Nature. 508 (7496), 392-396 (2014).
- Singh, D., Pohl, C. Coupling of rotational cortical flow, asymmetric midbody positioning, and spindle rotation mediates dorsoventral axis formation in C. elegans. Dev. Cell. 28 (3), 253-267 (2014).
- Singh, D., Pohl, C. A function for the midbody remnant in embryonic patterning. Commun. Integr. Biol. 7, e28533 (2014).
- Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD. J. Struct. Biol. 116 (1), 71-76 (1996).
- Henriksson, J., Hench, J., Tong, Y. G., Johansson, A., Johansson, D., Bürglin, T. R. Endrov: an integrated platform for image analysis. Nat. Methods. 10 (6), 454-456 (2013).
- Thielicke, W., Stamhuis, E. J. PIVlab – Towards User-friendly, Affordable and Accurate Digital Particle Image Velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software. 2 (1), e30 (2014).
- Kim, E., Sun, L., Gabel, C. V., Fang-Yen, C. Long-term imaging of Caenorhabditis elegans using nanoparticle-mediated immobilization. PLoS One. 8 (1), e53419 (2013).
- Dickinson, D. J., Ward, J. D., Reiner, D. J., Goldstein, B. Engineering the Caenorhabditis elegans genome using Cas9-triggered homologous recombination. Nat. Methods. 10 (10), 1028-1034 (2013).
- Schonegg, S., Constantinescu, A. T., Hoege, C., Hyman, A. A. The Rho GTPase-activating proteins RGA-3 and RGA-4 are required to set the initial size of PAR domains in Caenorhabditis elegans one-cell embryos. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104 (38), 14976-14981 (2007).
- Schmutz, C., Stevens, J., Spang, A. Functions of the novel RhoGAP proteins RGA-3 and RGA-4 in the germ line and in the early embryo of C. elegans. Development. 134 (19), 3495-3505 (2007).
- Naganathan, S. R., Fürthauer, S., Nishikawa, M., Jülicher, F., Grill, S. W. Active torque generation by the actomyosin cell cortex drives left-right symmetry breaking. Elife. 3, e04165 (2014).
- Kaletta, T., Schnabel, H., Schnabel, R. Binary specification of the embryonic lineage in Caenorhabditis elegans. Nature. 390 (6657), 294-298 (1997).
- Schnabel, R., et al. Global cell sorting in the C. elegans embryo defines a new mechanism for pattern formation. Dev. Biol. 294 (2), 418-431 (2006).
- Murray, J. I., Bao, Z., Boyle, T. J., Waterston, R. H. The lineaging of fluorescently-labeled Caenorhabditis elegans embryos with StarryNite and AceTree. Nat. Protoc. 1 (3), 1468-1476 (2006).
- Giurumescu, C. A., et al. Quantitative semi-automated analysis of morphogenesis with single-cell resolution in complex embryos. Development. 139 (22), 4271-4279 (2012).
- Dejima, K., Kang, S., Mitani, S., Cosman, P. C., Chisholm, A. D. Syndecan defines precise spindle orientation by modulating Wnt signaling in C. elegans. Development. 141 (22), 4354-4365 (2014).
- Schnabel, R., Hutter, H., Moerman, D., Schnabel, H. Assessing normal embryogenesis in Caenorhabditis elegans using a 4D microscope: variability of development and regional specification. Dev Biol. 184 (2), 234-265 (1997).
