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Method Article
已经建立了一种在培养的 果蝇 脑外植体中重新激活静止神经干细胞的方法。使用这种方法,全身信号的作用可以从组织内在信号中分离出来,调节神经干细胞的静止,进入和退出。
神经干细胞(NSC)具有增殖,分化,进行细胞凋亡甚至进入和退出静止的能力。其中许多过程是由NSC内在遗传程序与NSC外在因素(局部和系统性)之间的复杂相互作用控制的。在遗传模式生物体中, 黑腹果蝇NSCs,称为神经母细胞(NBs),在胚胎到幼虫的转变过程中从静止到增殖。在此期间,幼虫从蛋壳中出来并开始爬行,寻找饮食营养。作为对动物喂养的反应,脂肪体,具有脂质储存能力的内分泌器官,产生信号,该信号被系统地释放到循环血淋巴中。作为对脂肪体源信号(FBDS)的反应, 果蝇 胰岛素样肽(Dilps)产生并从脑神经分泌神经元和神经胶质细胞释放,导致NBs及其神经胶质和气管生态位中PI3激酶生长信号传导的下游激活。虽然这是NBs如何从静止转向增殖的当前模型,但FBDS外在线索的性质仍然难以捉摸。为了更好地了解NB外在系统性线索如何调节静止状态,开发了一种在动物喂养前体外培养早期幼虫大脑的方法。使用这种方法,可以将外源因子提供给培养基并测定NB从静止中退出。我们发现,外源性胰岛素足以使NBs从全脑外植体的静止中重新激活。由于这种方法非常适合大规模筛选,因此我们的目标是识别调节NB静止与增殖决策的其他外在线索。由于调节NSC增殖决定的基因和途径在进化上是保守的,因此该测定的结果可以为改善临床再生疗法提供见解。
干细胞因其在再生医学中的潜力而引起人们的极大兴趣1,2。许多动物,特别是那些长寿的动物,在成年组织中维持干细胞。这些常驻干细胞具有维持组织稳态的功能,并用于物理损伤或疾病后的修复3,4。成体动物中的大多数干细胞是静止的,一种相对休眠的状态,其特征在于细胞周期停滞和生长信号传导失活5。作为对外在线索的反应,干细胞从静止中退出,进入细胞周期并开始产生特定于其组织类型的子后代。例如,为了建立有效的免疫应答,抗原呈递细胞诱导静止的幼稚T细胞进入细胞周期并克隆扩增6.作为对骨骼肌损伤的反应,肌肉卫星干细胞进入细胞周期并产生子成肌细胞以取代受损的肌原纤维5,7。虽然很明显,静止的干细胞对外在信号有反应,但在许多情况下,外在线索的性质以及线索诱导的干细胞活化的机制仍然不清楚。更好地了解静止干细胞如何响应外在线索并进入细胞周期将有助于在临床上开发更好的干细胞疗法并增加科学知识。
几十年来,模式生物一直被用来揭示在发育和成年期调节干细胞增殖的基因和细胞信号通路。在 果蝇中,神经干细胞(NSC),称为神经母细胞(NBs),在整个发育过程中分裂,产生所有神经元和神经胶质细胞,最终整合,形成大脑功能所需的神经回路8,9。像其他干细胞一样,NBs不对称地分裂以进行自我更新,并且在某些情况下,对称地扩展干细胞库。在胚胎发生期间指定NBs,并且大多数在接近结束时进入静止状态,这与母体营养储存的减少相吻合(图1)。胚胎发生完成后,幼虫孵化并开始进食。作为对动物喂养的反应,NBs从静止中重新激活并恢复细胞分裂10,11,12,13,14,15,16。由于 果蝇 CNS相对简单,并且由于NBs在规定时间进入和退出静止,因此使用 果蝇 来研究静止,进入和退出的调节被证明是理想的。
图1:CB NBs(中枢脑神经母细胞,红色)和MB NBs(蘑菇体神经母细胞,蓝色)在发育过程中的相对增殖。 在胚胎发生结束时,大多数NBs(红线)停止增殖并进入静止状态。静止一直持续到刚孵化的幼虫吃完第一顿完整的食物。该方法的时间焦点以红色圆圈表示(1,静止和2,重新激活)。MB NBs(蓝色)是在整个发育过程中连续分裂的中枢脑NBs的一个子集(每个大脑半球4个)。 请点击此处查看此图的大图。
作为对动物喂养的反应,PI3激酶和TOR生长信号通路在NBs及其神经胶质和气管生态位10,11,15,16中变得活跃。当膳食营养素被撤回或当PI3激酶水平降低时,NBs无法重新激活,神经胶质细胞和气管的生长也减少了10,11,15,16。目前的模型假设NB再激活与脂肪体的幼虫生长耦合,其释放系统信号以响应动物喂养12,17,18。这种信号仍然难以捉摸,可能促进果蝇胰岛素样肽(Dilps)在大脑中的表达和释放,从而导致NBs及其神经胶质和气管生态位中PI3激酶的下游激活。为了更好地了解系统线索的性质,我们开发了一种在培养的大脑外植体中重新激活静止NBs的方法。使用这种方法,可以在没有整个动物全身线索的情况下测定NBs的再激活。外源因子可以重新供应到培养基中,并且基于掺入胸苷类似物EdU的NB再活化测定。使用这种方法,我们确定外源性胰岛素足以重新激活大脑外植体中的静止NBs。未来的工作将旨在确定其他因素,当添加回去时,这些因素会积极或消极地调节大脑外植体中的NB静止。
1. 果蝇 幼虫收集
注意:在开始之前,请准备酵母盘,葡萄糊和Fly公寓:
图2:倒置苍蝇瓶(公寓)与男性和女性 果蝇 成虫的视觉表示。 塑料瓶有小穿刺,用18 G针产生,用于氧气交换。瓶子的嘴用琼脂葡萄汁帽密封,倒置并储存在25°C的培养箱中。 请点击此处查看此图的大图。
2. 培养基和工具制备
3. 解剖和脑培养
图3: 果蝇 幼虫在带有SSM的玻璃手表盘中。 镊子位置正确,用于解剖。幼虫脑的位置(深灰色)位于嘴钩的后方(黑色),两者都显示在幼虫内部。 请点击此处查看此图的大图。
图4:脑培养和免疫染色。 (A)在含有1 mL SSM的12孔培养皿中的全脑。然后将培养皿置于25°C培养箱中24小时。(B)72孔迷你托盘,该托盘在免疫染色期间容纳脑外植体。使用设置为10μL的P20微量移液管清洗大脑并转移溶液。 请点击此处查看此图的大图。
4. 增殖试验、脑固定和抗体染色
5. 安装和成像大脑
图5:显示幼虫脑中的显微镜载玻片,方向和细胞类型的示意图。 (A)显微镜载玻片的视觉表示,在其上安装幼虫脑并准备成像。(B)还显示指南用于组织取向。(C)显微镜载玻片准备在共聚焦显微镜上进行成像。(D)卡通显示幼虫大脑中的一些细胞类型。 请点击此处查看此图的大图。
6. 数据分析
新鲜孵化的OregonR野生型大脑在补充胰岛素的施耐德培养基(SSM)中解剖并培养24小时。根据方案固定和组织染色。使用针对Deadpan(Dpn)产生的一抗来检测NBs和Scribble来标记细胞膜。加入胸苷类似物5-乙炔基-2′-脱氧尿苷(Edu)以检测S相进入和NB再活化。我们在培养24小时后发现大尺寸的Edu阳性和Dpn阳性NBs(图6A-C)。接下来,将新鲜孵化的OregonR野生型...
这里描述的培养大脑外植体的方法可以在大多数实验室环境中进行。所需的工具以及程序和数据收集都简单明了。通过这种方法,人们可以测试各种假设,包括与细胞信号传导级联和调节NB再激活和增殖的外在因素相关的假设。在这里,使用野生型OregonR动物,我们发现外源性胰岛素足以独立于其他动物特异性全身线索的静止中重新激活NBs。使用GAL4 / UAS系统,还可以以细胞类型特异性方式敲低或过...
作者没有相互竞争的利益。
我们感谢LSAMP Bridges to Doctorate计划(CNK)以及NIH / NIGMS(R01-GM120421和R35-GM141886)。我们感谢 Conor Sipe 博士提供图 1。我们也感谢所有Siegrist实验室成员的持续支持和指导。我们特别感谢Chhavi Sood和Gary Teeters仔细阅读手稿并提供评论。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 µL Pipette tips | Denville Sci | P2102 | |
1000 µL Pipette tips | Denville Sci | P2103-N | |
1000 µL Pipettor | Gilson | P1000 | |
16% paraformaldehyde (10 x 10 mL) | Electron Microscopy Sciences | 2912.60.0000 | Used for Fixation of Larval Brains |
20 µL Pipette | Gilson | P20 | |
200 µL Pipette tips | Denville Sci | 1158U56 | |
24-well multiwell culture plates | Fisher Scientific | 50-197-4477 | |
35 mm Petri dishes | Fisher Scientific | 08-757-100A | Grape Plate Ingredients |
4 °C refrigerator | Fisher Scientific | Provides an ideal temperature for >24 h incubations in antibody solution | |
63x Objective | Lecia | ||
Active dry yeast | Most supermarkets | ||
Agarose | Fisher Scientific | 214010 | Grape Plate Ingredients |
Click-iT EdU Cell Proliferation Kit for Imaging, Alexa Fluor 647 dye | Thermo Fisher Scientific | C10340 | to label proliferating cells |
Confocal Microscope | Leica | SP8 | |
Coverslips 22 mm x 22 mm x 1 mm , 10 pack of 4 oz | Fisher Scientific | 12-544-10 | Two Coverslips are super glued to the ends of the microscope slide. This creates a space that allows for the brains to float in antifade while being imaged. |
Coverslips, 22 mm x 50 mm x 1 mm | Fisher Scientific | 12-545E | The coverslip is placed on two square coverslips on the microscope slide ensuring that the brain in the antifade does not move while imaging. |
Dissecting microscope | Zeiss | Stemi 2000 | |
Ethanol 200 proof (100%), Decon Labs, 1 gallon bottle | Fisher Scientific | 2701 | Used to wash off the larvae before the 24 hr hold in culture medium |
Fetal Bovine Serum (10%) | Sigma | F4135-100ML | Supplement for cell culture media. |
Fine forceps for dissection | Fine Science Tools | 11295-20 | Forcepts used in disections. They work best when sharpened. |
Fly Bottles for Crossing | Genessee Scientific | 32-130 | This bottle is used as a container that lets the flies lay eggs on the grape plate. |
Glass Dissection Dish (3 well) | These are no longer available | ||
Glutathione | Sigma | G6013 | Provides oxidative protection during cell culture. |
Goat Serum | Sigma | G9023- 10ML | Blocking Agent |
Grape Plates | Made in house | Made in house | Grape juice/agarose plates for collecting freshly hatched eggs |
Image J | Imagej.net/fiji/downloads | Free Download: https://fiji.sc | Imaging platform that is used to count cells and Edu reactivation |
Incubator | Thermo Fisher Scientific | Ensures that the temperature, humidity, and light exposure is exactly the same throughout experiment. | |
Insulin | Sigma | I0516 | Independant variable of the experiment |
Laminar flow hood | For aliquoting culture media | ||
L-Glutamine | Sigma | G7513 | Provides support during cell culture |
Nunc 72-well Microwell Mini Trays | Fisher Scientific | 12-565-154 | Immunostaining steps are performed in this tray |
Parafilm | Fisher Scientific | S37440 | Film used to seal plates in order to prevent evaporation |
Pen-Strep | Sigma | P4458-100ml | Antibiodics used to prevent bacterial contamination of cells during culture. |
Phosphate Buffer, pH7.4 | Made in house | Made in house | Solvent used to wash the brains after fixing and staining steps |
Pick | Fine Science Tools | 10140-01 | Used to pick larvae off of the grape plate |
Propionic acid | Fisher Scientific | A-258 | Grape Plate Ingredients |
Rabbit 405 | Abcam | ab175653 | Antibodies used for immunostaining |
Rat 555 | Abcam | ab150166 | Antibodies used for immunostaining |
Rb Scribble | A Gift from Chris Doe | Antibodies used for immunostaining | |
Rt Deadpan | Abcam | ab195173 | Antibodies used for immunostaining |
Schneiders Culture Medium | Life Tech | 21720024 | Contains nutrients that help the cells grow and proliferate |
SlowFade Diamond Antifade (5 x 2 mL) | Life Tech | S36963 | Reagent that provides protection against fading fluorophores |
Sterile Water | Autoclave Milli-Q water made in house | Needed for Solutions | |
Sucrose | Fisher | S2-12 | Grape Plate Ingredients |
Superfrost Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-544-7 | |
Superglue | Most supermarkets | ||
Tegosept | Genesee Scientific | 20-259 | Grape Plate Ingredients |
Triton-X 100 | Sigma | T9284-100ML | PBT |
Welch's 100% grape grape juice | Most supermarkets | Grape Plate Ingredients |
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