Um ensaio-Free Cell Usando<em> Xenopus laevis</em> Embryo Extrai para estudar mecanismos de regulação Tamanho Nuclear
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
Uma questão fundamental em biologia celular é como tamanhos de células e organelas são regulados. Tem sido desde há muito reconhecido que o tamanho do núcleo geralmente escalas com o tamanho da célula, nomeadamente durante a embriogénese, quando ocorrer uma redução dramática tanto na célula e tamanhos nucleares. Mecanismos de regulação tamanho nuclear são em grande parte desconhecido e pode ser relevante para o cancro onde o tamanho nuclear alterada é um parâmetro de diagnóstico e prognóstico chave. In vivo abordagens para identificar reguladores tamanho nuclear são complicados pela natureza essencial e complexo da função nuclear. A abordagem in vitro descrito aqui para estudar o controlo tamanho nuclear aproveita as reduções de tamanho normal nucleares que ocorrem durante o desenvolvimento de Xenopus laevis. Em primeiro lugar, os núcleos são montados em X. laevis extracto de ovo. Em seguida, esses núcleos são isoladas e novamente suspensas em citoplasma de embriões de fase tardia. Depois de um período de 30 – 90 min de incubação, a área de superfície nucleardiminui em 20 – 60%, proporcionando um ensaio útil para identificar componentes citoplasmáticos presentes em embriões de fase tardia que contribuem para o desenvolvimento de escalonamento tamanho nuclear. Uma das principais vantagens desta abordagem é a relativa facilidade com que os extractos de ovos, bem como de embriões pode ser manipulado bioquimicamente, permitindo a identificação de novas proteínas e actividades que regulam o tamanho nuclear. Tal como acontece com qualquer uma abordagem in vitro, a validação dos resultados de um sistema in vivo é importante, e micro-injecção de X. embriões laevis é particularmente apropriado para estes estudos.
Introduction
Os tamanhos de organelos celulares tipicamente dimensionado de acordo com o tamanho da célula, e esta tem sido talvez mais bem documentadas para o dimensionamento do tamanho dos núcleos com tamanho de célula de 1-10. Isto é particularmente verdadeiro durante a embriogénese e diferenciação celular, quando reduções dramáticas em ambos celular e tamanho nuclear são frequentemente observados 11,12. Além disso, o tamanho nuclear alterado é um parâmetro chave no diagnóstico e prognóstico do cancro 13-17. Mecanismos que contribuem para a regulamentação tamanho nuclear são pouco conhecidos, em parte devido à complexidade e à natureza essencial da estrutura e função nuclear. O método aqui descrito foi desenvolvido como um ensaio in vitro para o tamanho nuclear de escala que é propício à manipulação bioquímica e a elucidação dos mecanismos de regulação tamanho nuclear.
Xenopus laevis extrato de ovo é um sistema bem estabelecido de recapitular e estudar processos celulares complexos em um in vitro </em> Contexto. Esses extratos revelaram novas informações fundamentais sobre vários processos celulares, incluindo a montagem e função do fuso mitótico, retículo endoplasmático, e no núcleo 18-22. Uma vantagem chave do sistema extracto é que X. laevis extratos de ovos representam um citoplasma quase não diluído cuja composição pode ser facilmente alterado, por exemplo, através da adição de proteínas recombinantes ou imunodepleção. Além disso, é capaz de manipular processos essenciais através do emprego de tratamentos que poderiam ser letal num contexto in vivo. Modificações do procedimento de extracto de ovo permitir o isolamento de extratos de X. laevis embriões em vez de ovos, e estes extractos de embriões são igualmente passíveis de manipulação bioquímica 23. Durante X. laevis desenvolvimento, o embrião fertilizado de uma única célula (~ 1 mm de diâmetro) é submetido a uma série de doze divisões celulares rápidas (etapas 1-8) para gerar vários milhares de 50 μm de diâmetro e células menores, chegando a um estágio de desenvolvimento denominado transição midblastula (MBT) ou estágio agosto 24-26. O MBT é caracterizado pelo início da transcrição zigótica, migração celular, divisão celular assíncronos, aquisição de fases de hiato, e estabelecimento de tamanhos de estado estacionário nucleares em vez de expansão nuclear contínuo como no embrião pré-MBT. De estágio 4 a gastrulação (estádios 10,5-12), o volume de núcleos individuais, diminui em mais de 10 vezes 11.
Aqui, o objetivo é identificar os mecanismos responsáveis por estas reduções no tamanho nuclear durante a progressão do desenvolvimento. A abordagem é a primeira a montar núcleos em X. laevis extrato de ovo e isolar os núcleos do citoplasma do ovo / extract. Estes núcleos são então ressuspensas em citoplasma de embriões de fase de gástrula tardia. Após um período de incubação, os núcleos de extracto de ovo tornam-se menores no final de extrato fase de embrião. Nós fundamentado que este woulseria um ensaio útil para a identificação de componentes citoplasmáticos presentes em embriões em estágio final que contribuem para o desenvolvimento de escala de tamanho nuclear. Utilizando este ensaio, juntamente com a validação in vivo, demonstrou que a proteína quinase C (PKC) contribui para a redução do desenvolvimento em tamanho nuclear em 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).
