Een celvrij Assay met behulp van<em> Xenopus laevis</em> Embryo Extracten om te studeren mechanismen van Nuclear Size Verordening
Summary
Mechanisms of cellular and intra-cellular scaling remain elusive. The use of Xenopus embryo extracts has become increasingly common to elucidate mechanisms of organelle size regulation. This method describes embryo extract preparation and a novel nuclear scaling assay through which mechanisms of nuclear size regulation can be identified.
Abstract
Een fundamentele vraag in de celbiologie is hoe cel en organel maten worden gereguleerd. Het is al lang bekend dat de grootte van de kern algemeen schalen met de grootte van de cel, met name tijdens embryogenese als dramatische daling van zowel cellen en nucleaire grootte voorkomen. Mechanismen van grootte regelgeving nucleaire zijn grotendeels onbekend en kunnen kanker relevant zijn waar veranderde nucleaire grootte is een belangrijke diagnostische en prognostische parameter. In vivo zal het identificeren van nucleaire grootte toezichthouders worden bemoeilijkt door de essentiële en complexe aard van de nucleaire functie. De in vitro benadering beschreven afmetingen control nucleaire studie maakt gebruik van de normale verlaging kerngrootte die tijdens Xenopus laevis ontwikkeling. Eerst worden kernen geassembleerd in X. laevis ei extract. Vervolgens worden deze kernen geïsoleerd en opnieuw gesuspendeerd in cytoplasma van embryo laat stadium. Na 30-90 min incubatieperiode nucleaire oppervlaktegebieddaalt met 20-60%, waardoor een bruikbare test om cytoplasmatische componenten aanwezig zijn in een vergevorderd stadium embryo's die bijdragen aan de ontwikkeling van nucleaire grootte schalen te identificeren. Een belangrijk voordeel van deze aanpak is het relatieve gemak waarmee de eieren en embryo-extracten biochemisch kan worden gemanipuleerd, waardoor de identificatie van nieuwe eiwitten en activiteiten die kerngrootte regelen. Zoals bij elke in vitro benadering van validatie resulteert in een in vivo systeem belangrijk is en micro-injectie van X. laevis embryo's is bijzonder geschikt voor deze studies.
Introduction
De afmetingen van cellulaire organellen typisch schalen met de grootte van de cel, en dit is wellicht het best beschreven voor de schaal van nucleaire grootte met celgrootte 1-10. Dit geldt met name tijdens embryogenese en celdifferentiatie bij dramatische vermindering van zowel de cel kerngrootte vaak waargenomen 11,12. Bovendien veranderde kerngrootte is een belangrijke parameter voor kanker diagnose en prognose 13-17. Mechanismen die bijdragen tot de grootte regelgeving nucleaire zijn grotendeels onbekend, voor een deel te wijten aan de complexiteit en de essentiële aard van de nucleaire structuur en functie. De hier beschreven methode werd ontwikkeld als een in vitro assay voor kerngrootte schalen die vatbaar is voor biochemische manipulatie en opheldering van mechanismen van regulatie nucleaire grootte.
Xenopus laevis ei extract is een goed opgezet systeem te herhalen en te studeren complexe cellulaire processen in een in vitro </em> Context. Deze extracten zijn nieuwe fundamentele informaties verscheidene cellulaire processen waaronder de aanmaak en functie van de mitotische spoel, endoplasmatisch reticulum en kern 18-22 geopenbaard. Een belangrijk voordeel van het extractiesysteem dat X. laevis ei extracten geven een nagenoeg onverdund cytoplasma waarvan de samenstelling is makkelijk te veranderen, bijvoorbeeld door toevoeging van recombinante eiwitten of immunodepletie. Verder is men in staat om essentiële processen te manipuleren door gebruik behandelingen die anderszins letale in een in vivo context. Wijzigingen van het ei extract procedure mogelijk maken voor de isolatie van uittreksels uit X. laevis embryo's in plaats van eieren, en deze embryo-extracten zijn even vatbaar voor biochemische manipulatie 23. Tijdens X. laevis ontwikkeling, de eencellige bevruchte embryo (~ 1 mm diameter) ondergaat een reeks van twaalf snelle celdelingen (stappen 1-8) genereren duizenden 50 μm diameter en kleinere cellen, het bereiken van een ontwikkelingsstadium aangeduid als de midblastula overgang (MBT) of stadium 24-26 augustus. De MBT wordt gekenmerkt door het begin van zygote transcriptie, celmigratie, asynchrone celdelingen, verwerving van gap fasen en vaststelling van nucleaire steady-state en zijn geen continue nucleaire expansie zoals in de pre-MBT embryo. Van stap 4 tot gastrulatie (stadia 10,5-12), het volume van individuele kernen daalt met meer dan 10-voudig 11.
Hier is het doel om mechanismen die aan deze verlaging van nucleaire grootte tijdens ontwikkeling progressie identificeren. De aanpak is om eerst te assembleren kernen in X. laevis ei extract en die kernen uit het ei cytoplasma / extract te isoleren. Deze kernen worden vervolgens opnieuw gesuspendeerd in cytoplasma van eind gastrulastadium embryo's. Na een incubatieperiode, de kernen van ei extract kleiner worden in een vergevorderd stadium embryo extract. We redeneerden dat deze would een nuttige test voor het identificeren van cytoplasmatische componenten die aanwezig zijn in een vergevorderd stadium embryo's die bijdragen aan de ontwikkeling van nucleaire grootte schalen zijn. Gebruik van deze assay, in combinatie met in vivo validatie we aangetoond dat proteïne kinase C (PKC) draagt ontwikkelingsstoornissen verlaging kerngrootte in X. laevis 23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Here is presented a novel method to study mechanisms of nuclear size regulation during X. laevis development. Developmental progression is associated with dramatic changes in cell physiology, metabolism, division rates, and migration, as well as alterations in the sizes of cells and intracellular structures. These varied processes are complex and essential, so it is difficult to study just one of these aspects of development in an in vivo setting. The X. laevis embryo extract and nuclear shrink…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Members of the Levy and Gatlin labs as well as colleagues in the Department of Molecular Biology offered helpful advice and discussions. Rebecca Heald provided support in the early stages of developing this protocol. This work was supported by the NIH/NIGMS (R15GM106318) and the American Cancer Society (RSG-15-035-01-DDC).
Materials
| Alexa Fluor 568 Donkey anti-mouse IgG | Molecular Probes | A10037 | |
| ATP disodium salt | Sigma Aldrich | A2383 | |
| Benzocaine | Sigma Aldrich | E1501 | |
| Bovine Serum Albumin | Sigma Aldrich | A3059 | |
| CaCl2 | Sigma Aldrich | C3306 | |
| Centrifuge | Beckman | J2-21M | |
| Centrifuge rotor | Beckman | JS 13.1 | |
| chymostatin | Sigma Aldrich | C7268 | |
| creatine phosphate disodium | Calbiochem | 2380 | |
| cycloheximide | Sigma Aldrich | C6255 | |
| cytochalasin D | Sigma Aldrich | C8273 | |
| disposable wipes (kimwipes) | Sigma Aldrich | Z188956 | |
| L-cysteine | Sigma Aldrich | W326306 | |
| EGTA | Sigma Aldrich | E4378 | |
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | F8775 | |
| Glass crystallizing dish (150×75 mm) | VWR | 89090-662 | |
| Glycerol | Macron | 5094-16 | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H4034 | |
| Hoechst – bisBenzimide H 33342 trihydrochloride | Sigma Aldrich | B2261 | |
| HCG – Human Chorionic Gonadotropin | Prospec | hor-250-c | |
| L15 Media | Sigma Aldrich | L4386 | |
| leupeptin | Sigma Aldrich | L2884 | |
| Lysolecithin | Sigma Aldrich | L1381 | |
| mAb414 | Abcam | ab24609 | |
| MgCl2 | EMD | MX0045-2 | |
| MgSO4 | Sigma Aldrich | M9397 | |
| Maltose | Sigma Aldrich | M5885 | |
| NP40 | BDH | 56009 | |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| Penicillin + Streptomycin | Sigma Aldrich | Pp0781 | |
| pepstatin | Sigma Aldrich | P5318 | |
| PIPES | Sigma Aldrich | P6757 | |
| Plastic paraffin film (parafilm) | Sigma Aldrich | P7793 | |
| KCl | Sigma Aldrich | P9541 | |
| KH2PO4 | Mallinckrodt | 70100 | |
| KOH | Baker | 5 3140 | |
| PMSG – Pregnant Mare Serum Gonadotropin | Prospec | hor-272-a | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S3014 | |
| NaHCO3 | Fisher | BP328 | |
| NaHPO4 | EMD | SX0720-1 | |
| NaOH | EMD | SX0590 | |
| Pestle | Thomas Scientific | 3411D56 | |
| Round bottom glass tubes, 15 ml | Corex | 8441 | |
| Secondary antibody (Alexa Fluor 568 donkey anti-mouse IgG) | ThermoFisher | A10037 | |
| sucrose | Calbiochem | 8550 | |
| thermal cycler | Bio-Rad | T100 | |
| Ultracentrifuge | Beckman | L8-80M | |
| Ultracentrifuge rotor | Beckman | SW 50.1 | |
| Vectashield (anti-fade mounting medium) | Vector | H-1000 |
References
- Conklin, E. Cell size and nuclear size. J. Exp. Embryol. 12, 1-98 (1912).
- Wilson, E. B. . The Cell in Development and Heredity. , 727-733 (1925).
- Levy, D. L., Heald, R. Nuclear size is regulated by importin alpha and Ntf2 in Xenopus. Cell. 143 (2), 288-298 (2010).
- Chan, Y. H., Marshall, W. F. Scaling properties of cell and organelle size. Organogenesis. 6 (2), 88-96 (2010).
- Walters, A. D., Bommakanti, A., Cohen-Fix, O. Shaping the nucleus: Factors and forces. J Cell Biochem. 113 (9), 2813-2821 (2012).
- Webster, M., Witkin, K. L., Cohen-Fix, O. Sizing up the nucleus: nuclear shape, size and nuclear-envelope assembly. J Cell Sci. 122 (Pt 10), 1477-1486 (2009).
- Edens, L. J., White, K. H., Jevtic, P., Li, X., Levy, D. L. Nuclear size regulation: from single cells to development and disease. Trends Cell Biol. 23 (4), 151-159 (2013).
- Jevtic, P., Edens, L. J., Vukovic, L. D., Levy, D. L. Sizing and shaping the nucleus: mechanisms and significance. Curr Opin Cell Biol. 28, 16-27 (2014).
- Levy, D. L., Heald, R. Mechanisms of intracellular scaling. Annu Rev Cell Dev Biol. 28, 113-135 (2012).
- Vukovic, L. D., Jevtic, P., Edens, L. J., Levy, D. L. New insights into the mechanisms and functions of nuclear size regulation. Int Rev Cell Mol Biol. 322, 1-59 (2016).
- Jevtic, P., Levy, D. L. Nuclear size scaling during Xenopus early development contributes to midblastula transition timing. Curr Biol. 25 (1), 45-52 (2015).
- Hara, Y., Iwabuchi, M., Ohsumi, K., Kimura, A. Intranuclear DNA density affects chromosome condensation in metazoans. Mol Biol Cell. 24 (15), 2442-2453 (2013).
- Zink, D., Fischer, A. H., Nickerson, J. A. Nuclear structure in cancer cells. Nat Rev Cancer. 4 (9), 677-687 (2004).
- Jevtic, P., Levy, D. L. Mechanisms of nuclear size regulation in model systems and cancer. Adv Exp Med Biol. 773, 537-569 (2014).
- Chow, K. H., Factor, R. E., Ullman, K. S. The nuclear envelope environment and its cancer connections. Nat Rev Cancer. 12 (3), 196-209 (2012).
- Blom, J. H., Ten Kate, F. J., Schroeder, F. H., van der Heul, R. O. Morphometrically estimated variation in nuclear size. A useful tool in grading prostatic cancer. Urol Res. 18 (2), 93-99 (1990).
- Dey, P. Cancer nucleus: morphology and beyond. Diagn Cytopathol. 38 (5), 382-390 (2010).
- Cross, M. K., Powers, M. A. Learning about cancer from frogs: analysis of mitotic spindles in Xenopus egg extracts. Dis Model Mech. 2 (11-12), 541-547 (2009).
- Voeltz, G. K., Prinz, W. A., Shibata, Y., Rist, J. M., Rapoport, T. A. A class of membrane proteins shaping the tubular endoplasmic reticulum. Cell. 124 (3), 573-586 (2006).
- Chan, R. C., Forbes, D. I. In vitro study of nuclear assembly and nuclear import using Xenopus egg extracts. Methods Mol Biol. 322, 289-300 (2006).
- Edens, L. J., Levy, D. L., Kloc, M., Kubiak, J. Z. . Xenopus Development. , 325-345 (2014).
- Levy, D. L., Heald, R. Biological Scaling Problems and Solutions in Amphibians. Cold Spring Harb Perspect Biol. 8 (1), a019166 (2016).
- Edens, L. J., Levy, D. L. cPKC regulates interphase nuclear size during Xenopus development. J Cell Biol. 206 (4), 473-483 (2014).
- Nieuwkoop, P. D., Faber, J. . Normal Table of Xenopus laevis (Daudin). , (1967).
- Newport, J., Kirschner, M. A major developmental transition in early Xenopus embryos: II. Control of the onset of transcription. Cell. 30 (3), 687-696 (1982).
- Newport, J., Kirschner, M. A major developmental transition in early Xenopus embryos: I. characterization and timing of cellular changes at the midblastula stage. Cell. 30 (3), 675-686 (1982).
- Maresca, T. J., Heald, R. Methods for studying spindle assembly and chromosome condensation in Xenopus egg extracts. Methods Mol Biol. 322, 459-474 (2006).
- Hannak, E., Heald, R. Investigating mitotic spindle assembly and function in vitro using Xenopus laevis egg extracts. Nat Protoc. 1 (5), 2305-2314 (2006).
- Murray, A. W. Cell cycle extracts. Methods Cell Biol. 36, 581-605 (1991).
- Khan, M. A., et al. Quantitative alterations in nuclear structure predict prostate carcinoma distant metastasis and death in men with biochemical recurrence after radical prostatectomy. Cancer. 98 (12), 2583-2591 (2003).
- Tan, P. H., Goh, B. B., Chiang, G., Bay, B. H. Correlation of nuclear morphometry with pathologic parameters in ductal carcinoma in situ of the breast. Mod Pathol. 14 (10), 937-941 (2001).
- Zeimet, A. G., et al. DNA ploidy, nuclear size, proliferation index and DNA-hypomethylation in ovarian cancer. Gynecol Oncol. 121 (1), 24-31 (2011).
- Theerthagiri, G., Eisenhardt, N., Schwarz, H., Antonin, W. The nucleoporin Nup188 controls passage of membrane proteins across the nuclear pore complex. J Cell Biol. 189 (7), 1129-1142 (2010).
- Wuhr, M., et al. Evidence for an upper limit to mitotic spindle length. Curr Biol. 18 (16), 1256-1261 (2008).
- Loughlin, R., Wilbur, J. D., McNally, F. J., Nedelec, F. J., Heald, R. Katanin contributes to interspecies spindle length scaling in Xenopus. Cell. 147 (6), 1397-1407 (2011).
- Wilbur, J. D., Heald, R. Mitotic spindle scaling during Xenopus development by kif2a and importin. eLife. 2, e00290 (2013).
- Kieserman, E. K., Heald, R. Mitotic chromosome size scaling in Xenopus. Cell Cycle. 10 (22), 3863-3870 (2011).
- Maresca, T. J., Freedman, B. S., Heald, R. Histone H1 is essential for mitotic chromosome architecture and segregation in Xenopus laevis egg extracts. J Cell Biol. 169 (6), 859-869 (2005).
- MacCallum, D. E., Losada, A., Kobayashi, R., Hirano, T. ISWI remodeling complexes in Xenopus egg extracts: identification as major chromosomal components that are regulated by INCENP-aurora B. Mol Biol Cell. 13 (1), 25-39 (2002).
- Goehring, N. W., Hyman, A. A. Organelle growth control through limiting pools of cytoplasmic components. Curr Biol. 22 (9), R330-R339 (2012).
- Du Toit, A. Development: Honey, I shrunk the nucleus. Nat Rev Mol Cell Biol. 15 (10), 633 (2014).
- Buchner, K. The role of protein kinase C in the regulation of cell growth and in signalling to the cell nucleus. J Cancer Res Clin Oncol. 126 (1), 1-11 (2000).
- Mochly-Rosen, D., Das, K., Grimes, K. V. Protein kinase C, an elusive therapeutic target. Nat Rev Drug Discov. 11 (12), 937-957 (2012).
