Method Article
Mutations that lead to congenital heart defects benefit from in vivo investigation of cardiac structure during development, but high-resolution structural studies in the mouse embryonic heart are technically challenging. Here we present a robust immunofluorescence and image analysis method to assess cardiomyocyte-specific structures in the developing mouse heart.
期间心脏发育,心肌特异性的结构和功能单位,其中包括肌节,肌原纤维的收缩,闰盘,并costameres产生需要多个部件的在时间和空间的协调组件。破坏这些组件组装导致发育心脏缺陷。通常使用免疫荧光染色技术在培养的心肌细胞,以探测肌原纤维的成熟,但这种体外方法由程度上限制向其中细胞将充分分化培养心内膜线索,缺乏正常体内机械输入,和不存在。免疫荧光技术来开发小鼠心脏研究中的应用是可取的,但更多的技术上的挑战,和方法往往缺乏足够的灵敏度和分辨率,可视化肌节的心脏发育的早期阶段。在这里,我们描述了一个强大的和可重复的方法共同免疫染色万亩ltiple蛋白质或共同与可视化免疫荧光染色荧光蛋白在小鼠胚胎心脏,用这种方法来分析发展中的肌原纤维,闰盘和costameres。该方法可进一步用于评估突变引起的,导致发育心脏缺陷的心肌的结构变化。
在开发过程中,心脏收缩开始后不久,心肌细胞移植到中线,形成线性心脏管1,2。肌节是心肌细胞内的基本收缩单位;这个高度组织细胞骨架结构包含锚定于Z盘由肌节α辅肌动蛋白(S-α辅肌动蛋白)和肌球蛋白纤维锚固到M个行( 图1)的肌动蛋白丝。作为心肌的成熟,肌节组装串联形成肌原纤维跨越小区延伸。肌原纤维由闰盘固定在心肌细胞的端部,包含与Z-盘元素如S-α辅肌动蛋白3,粘着的一个子集的过渡交界处的细胞间交界结构连接蛋白,例如N-钙粘蛋白和β连环蛋白,间隙连接蛋白,和桥粒( 图1)4。沿着纵向膜,在Z光盘周肌原纤维也附加到经由costameres细胞膜;这些专门粘着斑提供的肌原纤维,质膜,和细胞外基质,以提供对心肌额外的结构支撑之间的锚定( 图1)4。早在心脏发育,心肌细胞排列在称为小梁手指状突起伸入所述室的空间和包含相对成熟的肌原纤维5。作为心脏发育的进行,在副心外膜区域的心肌细胞增殖,以形成紧凑的心肌,其包括心室壁,但肌节肌原纤维和组件被延迟与小梁心肌5,6相比较。
肌节肌原纤维和组件的模型主要来自免疫荧光研究对培养心肌细胞的7-10,这是简单的,但缺乏的三维环境中,血流量,并与其他的心脏细胞接触S出现在体内,小鼠胚胎心脏免疫高分辨率结构的研究在技术上具有挑战性,而且很少有研究探索闰盘和costameres小鼠心脏发育过程中的出现。该粘着连接蛋白β连环似乎定位于闰盘由胚胎天(E)17.5 11,N-cadherin的本地化到可能代表闰盘由E18.5 12与0 13日龄线性结构,并costameres都在被检测E18.5 14,但这些蛋白显示在早期发育时间点11-13漫射和更连续膜分布。
在这里,我们描述了染色和切片小鼠胚胎心脏的荧光显微镜一个简单的和可重复的方法,允许肌原纤维和心肌细胞的发展进行详细分析,包括intercala的出现泰德早在E12.5和新生costameres在E16.5光盘。该协议可以是用于探测上肌节的形成以及肌原纤维和心肌细胞的成熟突变的影响是有用的。
注:所有实验程序批准了加州大学旧金山分校机构动物护理和使用委员会。
1.冷冻和胚胎小鼠心脏的固定。
1.1)管理单元冷冻胚胎的心
1.2)备选:多聚甲醛(PFA)固定,cryoprotecting和OCT嵌入胚胎的心
2. Cryosectioning
3.免疫
4.共焦成像和图像分析
图2到用于在快速冷冻和丙酮固定心脏共染色不同的蛋白质6表示典型的结果。对抗体的S-α辅肌动蛋白再现地标记的Z-光盘和闰盘以高特异性和最小的背景( 图2A,3A,4A,5A,6A和6C);图6表明了抗小鼠IgG(H + L)的单价Fab片段有效地阻断内源性小鼠IgG通过抗小鼠二级抗体结合。针对粘着连接蛋白β连环蛋白抗体结合的两个心肌细胞和非心肌细胞的膜,和共定位与S-α辅肌动蛋白发生推定闰盘在E16.5( 图2C和D)中,从预期在成人心脏β18 catenin的染色模式。 β在胚胎心脏1整联免疫是特别具有挑战性的并且经常不能识别粘着斑14,但在这些研究中β1整合染色显示信号具有相同的周期为s-α辅肌动蛋白-标记的Z-光盘,这可能反映了新生costameres在形成E16.5( 图3D)。
在E12.5,S-α辅肌动蛋白和肌球蛋白(肌节薄丝蛋白),免疫荧光显示,与常规周期与在这些细胞( 图4A和5A的S-α辅肌动蛋白肌原纤维的成熟一致小梁心肌细胞染色模式; 图4B对原肌球蛋白)。小梁心肌细胞在E12.5心中的N-钙粘蛋白染色往往与共同定位激烈的S-α辅肌动蛋白染色区( 图5B - D和图6A - C)可能代表闰盘。在对比于小梁细胞,S-α辅肌动蛋白在紧凑区域比线性多点状,而原肌球蛋白染色是弥漫性而不是线性( 图4A和4B)。因此,肌节装配以后可能会在紧凑型相比,小梁心肌发生。此外,S-α辅肌动蛋白和肌球蛋白在紧凑的区域差异模式表明,S-α辅肌动蛋白组织成泪点和不成熟的Z-盘初,而原肌球蛋白纳入细丝可能是肌原纤维组装以后的事件。
图7,电影1,电影和2展示出从PFA固定E12.5胚胎的心脏典型结果。在这些例子中,一个LifeAct-RFPruby转基因胚胎用于成像;在LifeAct-RFPruby转基因标签19丝状肌动蛋白,但需要PFA固定。 Z-光盘标记与S-α辅肌动蛋白很容易在大多数领域可视化,但信噪比为decre ASED相比速冻心脏切片( 图7A);这个信号是典型的PFA固定的组织,其中的表位可通过蛋白质交联被掩蔽以s-α辅肌动蛋白免疫荧光。 图7B示出了共同的可视化丝状肌动蛋白的免疫标记和内的肌原纤维(箭头)S-α辅肌动蛋白相邻小梁细胞(箭头)的心内膜细胞内和丝状肌动蛋白。三维图像重建显露额外的细节:个体心肌细胞更容易分辨,心肌细胞内的肌原纤维被大致彼此平行的,但个体心肌细胞定向在不同的角度,以彼此( 图7C和D,电影1,电影和2 )。心内膜细胞和心肌细胞之间的紧密近似被更好地理解,在三维视图以及。
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图2. S-α辅肌动蛋白和β连环蛋白免疫的16.5天胚胎的心脏被切除,快速冷冻,冰冻切片,丙酮固定,并用免疫染色(A)鼠单克隆克隆EA53对S-α辅肌动蛋白的抗体,其中合并标记的心肌细胞的Z盘和闰盘,和对粘着连接蛋白β连环蛋白(B)的兔polycloncal抗体。(C)的图像显示S-α辅肌动蛋白和β连环蛋白染色。(D)的放大的自组C兴趣区;星号标记推测闰盘与合作,本地化S-α辅肌动蛋白和β连环蛋白。图像从周边左心室壁或紧凑心肌得到,与心外膜层的面板的AC左上方。亮度直方图显示范围460-1600(出ÒF可0-65535),同时为S-α辅肌动蛋白/ 488 nm和β连环素/ 561 nm激光通道。比例尺10微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3. S-α辅肌动蛋白和β1整合免疫16.5天胚胎的心脏被切除,快速冷冻,冰冻切片,丙酮固定,并用(A)鼠单克隆克隆EA53对S-α辅肌动蛋白抗体免疫染色和(B)的山羊多克隆抗体对黏着蛋白β1整合。(C)的合并的图像显示在心肌β1整合以及非心肌细胞。请注意这两个弥漫性和点状β1在心肌细胞整合信号(D)的放大的从面板C.注意点状,周期β1整合染色(箭头)与周期性类似附近的S-α辅肌动蛋白染色的Z-光盘兴趣区。这些结构可能代表costameres。图像从左心室心肌紧凑获得。亮度直方图显示范围460-1200(出可能0-65535)用于对β1整合/ 561 nm激光通道的S-α辅肌动蛋白/ 488 nm激光通道和460-600。比例尺10微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4. S-α辅肌动蛋白和胚胎12.5天原肌球蛋白免疫荧光:肌原纤维组织小梁和紧凑的心肌。从窝胚胎心脏切下,快速冷冻,冰冻切片,丙酮固定,并使用(A)的小鼠单克隆的克隆EA53针对S-α辅肌动蛋白和(B)的小鼠单克隆抗体抗肌纤维细长丝抗体免疫染色蛋白原肌球蛋白(发展研究杂交瘤细胞银行CH1)。小梁(箭头)和紧凑心肌(箭头)表示。注意线性S-α辅肌动蛋白染色用常规的周期性在小梁心肌相比,一系列的染色模式,包括泪点,以及在所述致密层(A)的线性染色。还要注意线性原肌球蛋白染色常规周期性小梁心肌更弥漫染色紧凑的心肌。亮度直方图显示范围460-1,400(出可能0-65535)为原肌球蛋白通道的S-α辅肌动蛋白通道和460-1,000。比例尺为10μm。"https://www.jove.com/files/ftp_upload/52644/52644fig4large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。
图5. S-α辅肌动蛋白和N-cadherin的免疫为12.5天胚胎:肌原纤维和闰盘小梁心肌细胞的心脏被切除,快速冷冻,冰冻切片,丙酮固定,并用免疫染色(A)鼠单克隆克隆EA53抗体对S-α辅肌动蛋白和抗粘着蛋白的N-钙粘蛋白(B)的兔多克隆抗体。为0.2μm的光学片被收集作为z栈,和z栈被压扁,以产生图像。(C)的合并的扁平堆叠显示小梁心肌内既N-二钙粘蛋白和s-α辅肌动蛋白染色为瓦特ELL作为从C图放大感兴趣的细胞核标记用Hoechst染料(D)区。星号标记闰盘与合作,本地化S-α辅肌动蛋白和N-cadherin表达。强度直方图显示范围470-1,200(在可能0-65535)为Hoechst公司/ 405 nm激光信道和470-2,000关于S-α辅肌动蛋白/ 488纳米和N-钙粘蛋白/ 561纳米的激光通道两者。比例尺10微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6.抗小鼠IgG(H + L)的单价Fab片段有效地阻断内源性小鼠IgG通过抗小鼠二级抗体结合。胚胎心脏切下的E12.5,快速冷冻,冰冻切片,丙酮固定,并进行免疫染色。 (AC)的切片阻断用1×封闭缓冲液,随后通过抗小鼠IgG单价Fab片段,暴露于小鼠单克隆的克隆EA53初级抗体对S-α辅肌动蛋白和兔多克隆第一抗体对于N-钙粘蛋白,洗涤,并暴露到的Alexa Fluor 488抗-小鼠和Alexa Fluor 586的抗兔次级抗体。使用强度直方图显示范围480-2500(A)的合并图像(在可能0-65535)。星号音符区,其中的N-钙粘蛋白的信号被限制为小梁心肌,这可能代表新生闰盘的横向端。(B)中的N-钙粘蛋白,仅使用亮度直方图显示范围480-2,500通道。(℃)S-α辅肌动蛋白,仅使用亮度直方图显示范围480-2,500通道。(DG)将切片阻断用1×封闭缓冲液(不使用抗小鼠IgG单价Fab片段阻断步骤)中,暴露于兔多克隆使用强度直方图显示范围480-2500对于N-钙粘蛋白(不使用小鼠单克隆第一抗体),洗涤,并暴露于的Alexa Fluor 488抗-小鼠和Alexa Fluor 586的抗兔次级抗体。(D)的第一抗体合并图像。 (E)N-钙粘蛋白,仅使用亮度直方图显示范围480-2500通道。(F)的 S-α辅肌动蛋白,仅使用亮度直方图显示范围480-2,500通道。(G)的 S-α辅肌动蛋白,仅使用信道高灵敏度的强度直方图的显示范围480-530,这揭示了背景检测内源性小鼠IgG在不存在抗小鼠IgG单价Fab片段阻断步骤。(香港)将切片阻断用1×封闭缓冲液,随后通过抗小鼠IgG单价Fab片段,暴露于对于N-钙粘蛋白(无小鼠单克隆第一抗体)中,用兔多克隆第一抗体,并暴露于的Alexa Fluor 488抗 - 小鼠和甲LEXA氟586抗兔次级抗体。(H)的使用强度直方图显示范围480-2,500合并图像。(Ⅰ)的N-钙粘蛋白,仅使用亮度直方图显示范围480-2,500通道。(J),S-α-actinin-仅使用信道强度直方图显示范围480-2,500。(K)的 S-α辅肌动蛋白,仅使用高灵敏度的强度直方图的显示范围480-530,这表明缺乏背景内源性小鼠IgG检测通道时的抗小鼠IgG单价Fab片段堵步骤使用。 请点击此处查看该图的放大版本。
图7. S-α辅肌动蛋白和骨小梁CARDI肌动蛋白组织omyocytes在12.5天胚胎的LifeAct-RFPruby转基因小鼠系用于可视化丝状肌动蛋白19,而针对S-α辅肌动蛋白的小鼠单克隆的克隆EA53抗体用于标记的Z-光盘和闰盘。胚胎PFA固定。 0.2微米光切片收集AZ栈(A)扁平ž堆栈显示,S-α辅肌动蛋白染色更加分散PFA固定组织中比快速冷冻和丙酮固定部分( 图2 - 5)。(B )扁平ž堆栈同时显示丝状肌动蛋白和s-α辅肌动蛋白。内肌原纤维(箭头)Z-盘之间的局部丝状肌动蛋白的荧光。丝状肌动蛋白荧光也见于心内膜细胞排列在小梁细胞(箭头)。(C)的小梁心肌的三维视图,如从堆栈的顶部看。(D)的立体图小梁心肌细胞,如从堆栈的底部看。强度直方图显示范围470-900(总分可能0-65535)同时为488纳米的激光信道,并在A和B的561纳米的激光通道;显示范围460-800的两个通道C和D.比例尺10微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
电影 1。 S-的α辅肌动蛋白和骨小梁心肌细胞在胚胎12.5天的肌动蛋白组织中的360°旋转的3D视图,从图6中的图像堆栈使用斐济图像分析程序中的Image J 3D查看器插件在三维渲染。亮度直方图显示范围470-800(出可能0-65535)为488 nm和561 nm激光通道。
电影 2。 S-α辅肌动蛋白和肌动蛋白组织中的骨小梁心肌细胞在胚胎12.5天 ,从图6中的图像堆栈中选择3D视图。在三个维度使用斐济图像分析程序中的Image J 3D查看器插件呈现。绕x,y和z轴的小的旋转心肌但大多数心肌细胞之间的对准差的内表现出相对对齐的肌原纤维。小旋转还展示了围绕缺乏心肌S-α辅肌动蛋白细胞心内膜的密切近似值。亮度直方图显示范围470-800(出可能0-65535)为488 nm和561 nm激光通道。
最佳组织固定技术和稀释必须为每个抗体凭经验确定。在我们手中,搭扣冷冻优于PFA固定数心肌抗原,包括S-α辅肌动蛋白,β连环蛋白,β1整联,原肌球蛋白,塔林(未示出)和N-钙粘蛋白;与此相反,PFA固定得到优异的结果为粘着斑激酶(未示出)。由PFA形成的蛋白质交联可能掩盖表位和限价抗体结合;抗原修复,可能需要在这样的情况下,以及用于抗原修复方法可在别处20找到。 PFA浓度或固定的长度可以减小,以减少表位掩蔽,以最佳条件对于每个抗体,并在每个发育阶段经验确定。当表征一个新的抗体或心脏突变体,包括免疫前血清作为初级抗体对照和一个"无第一抗体"共同适当的阴性对照,应使用ntrol。使用基因敲除小鼠是一种理想的阴性对照,但早期致死防止它们的使用对许多这里所研究的基因产物。
使用足够量以完全淹没实验组和对照载玻片在同一免疫阻断,抗体,并作为是幻灯片的孵育期间温和的摇摆,以确保各部分的解决方案的均匀曝光洗涤溶液是重要的。这种方法最小化技术变化在一个实验中的章节和幻灯片之间染色。当成本限制了抗体溶液的体积,用巴氏笔来限制流量的解决方案超出了组织切片,并在漫长的孵化保持在湿润的玻片。如果一个单克隆小鼠一次抗体 - 并且因此抗小鼠次级抗体 - 正在被使用,第二阻挡步骤以覆盖内源性小鼠免疫球蛋白将是必要的(步骤3.4),以减少非特异性背景信号。
适当显微镜和图像处理技术是在获得生物准确信息21是至关重要的。所述强度直方图表示像素的各个强度等级的分布(0 - 65535的水平为16位的图像),用于每种颜色。背景,亮度和对比度可以通过设置侧翼直方图峰的强度显示范围进行调整;使条件之间有效的比较,必须使用对照组和实验条件之间的相同的设置。
该协议提供了分析心肌细胞的成熟和发展,在本土胚胎小鼠心脏的可靠方法。而心肌细胞特异性蛋白的免疫荧光常常用于标记发展过程中的心肌细胞,少数研究采用的技术,使肌原纤维结构的高分辨率分析和闰盘和costameres 12-14,22,23的出现。此技术可用于在VIVO评估突变,导致发育心脏缺陷,作为查明改变心肌细胞的成熟,可能揭示结构异常的机制的光的装置。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Drs. Hilary Clay, Stephen Wilson, Anna Payne-Tobin, and James Smyth for helpful discussions. Microscopy was done at the Cardiovascular Research Institute Imaging Core at the University of California, San Francisco. This work was supported by NIH K08 HL105657 (LDW) and NIH HL65590 (SRC).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cryomold, Disposable Base Mold, 7x 7 mm | Richard-Allen Scientific | 58949 | This size not available from Fisher Scientific |
Cryomold, Disposable Base Mold, 15 x 15 mm | Fisher Scientific | 22-050-159 | Also available from Richard-Allen Scientific, catalog number 58950 |
Tissue-Tek Optimal Cutting Temperature (OCT) medium 4583 | VWR | 25608-930 | |
2-methyl butane | Sigma | M32631 | |
Paraformaldehyde | Fisher Scientific | T353-500 | Use fresh 4% solution in 1x PBS, pH 7.2-7.4. |
Sucrose | Sigma | S0389 | Use 15% and 30% solutions in 1X PBS. |
Disposable transfer pipette | Fisher Scientific | S30467-1 | |
Superfrost Plus slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | "Plus" indicates positively-charged coating and is critical for maintaining tissue adherence to the slide. |
Acetone | Sigma | 179124 | |
Triton X-100 | Sigma | X100 | |
Western Blocking Agent | Roche | 11921673001 | Blocking buffer for immunofluorescence, when secondary antibodies are from different species. Dilute to 1x in PBS. |
Tween 20 | Sigma | P9416 | |
Donkey Anti-mouse IgG (H+L) monovalent Fab fragment | Jackson ImmunoResearch | 715-007-003 | Goat Anti-mouse IgG (H+L) also available. For blocking endogenous immunoglobulins. |
Anti-s-α-actinin antibody | Sigma | A7811 | Mouse monoclonal, clone EA53. Dilute 1:400 for snap-frozen/acetone-fixed sections, dilute 1:300 for PFA-fixed sections. Before incubation on mouse tissue, block endogenous mouse immunoglobulins with anti-mouse IgG (H+L) monovalent Fab fragment. |
Anti-βcatenin antibody | Cell Signaling | 9587s | Rabbit polyclonal. Requires snap-freezing/acetone fixation. Dilute 1:400. |
Anti-β1 integrin antibody | R&D | AF2405 | Goat polyclonal. Dilute 1:200. Snap-frozen/acetone-fixed tissue staining is superior to PFA-fixed tissue. |
Anti-tropomyosin antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa | CH1 | Mouse monoclonal. Requires snap-freezing/acetone fixation. Dilute 1:200. Before incubation on mouse tissue, block endogenous mouse immunoglobulins with anti-mouse IgG (H+L) monovalent Fab fragment. |
Anti-N-cadherin antibody | Santa Cruz | sc-7939 | Rabbit polyclonal. Dilute 1:200. Snap-frozen/acetone-fixed tissue staining is superior to PFA-fixed tissue. |
Anti-talin antibody | Sigma | T3287 | Mouse monoclonal, clone 8d4. Requires snap-freezing/acetone fixation. Dilute 1:200. Before incubation on mouse tissue, block endogenous mouse immunoglobulins with anti-mouse IgG (H+L) monovalent Fab fragment. |
Anti-phosphotyrosine 397 focal adhesion kinase antibody | Invitrogen | 700255 | Rabbit monoclonal antibody. Requires PFA fixation. Dilute 1:500. |
Alexa Fluor 488 Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) Antibody | Life Technologies | A-21202 | |
Alexa Fluor 568 Donkey Anti-Rabbit IgG Antibody | Life Technologies | A10042 | |
Alexa Fluor 488 Goat Anti-Mouse IgG (H+L) Antibody | Life Technologies | A-11001 | |
Alexa Fluor 568 Goat Anti-Rabbit IgG (H+L)Antibody | Life Technologies | A-11011 | |
Hoechst 33342 dye | Life Technologies | H3570 | Nuclear stain |
Vectashield | Vector labs | H-1000 | |
Coverslips | Fisher Scientific | 12-548-5M | |
MLC 400B Monolithic Laser Combiner Laser box | Keysight (formerly Agilent) | ||
Clara Interline CCD camera | Andor | ||
Eclipse Ti inverted microscope | Nikon | ||
CSU-X1 Spinning disk confocal scanner unit | Yokogawa | ||
CFI Plan Apochromat 4X air objective | Nikon | Numerical aperture (NA) 0.2, Working distance (WD) 15.7 mm | |
CFI Plan Apochromat VC 60x oil immesion objective (MRD01602) | Nikon | NA 1.4, WD 0.13 mm | |
NIS Elements Imaging Software | Nikon | http://nikon.com/products/instruments/lineup/bioscience/img_soft/index.htm | |
Image analysis software | Fiji | http://fiji.sc/Fiji |
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