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Method Article
Hier wird ein Protokoll zur Laser-Capture-Mikrodissektion (LCM) von Pflanzengeweben vorgestellt. LCM ist eine mikroskopische Technik zur kontaminationsfreien Isolierung von Gewebebereichen. Das Verfahren umfasst Gewebefixierung, Paraffineinbettung, Schnitt, LCM und RNA-Extraktion. RNA wird in der nachgeschalteten gewebespezifischen, zeitlich aufgelösten Analyse von Transkriptomen eingesetzt.
Die Entwicklung eines komplexen mehrzelligen Organismus wird von unterschiedlichen Zelltypen bestimmt, die unterschiedliche Transkriptionsprofile aufweisen. Um transkriptionelle regulatorische Netzwerke zu identifizieren, die Entwicklungsprozesse steuern, ist es notwendig, die räumlichen und zeitlichen Genexpressionsprofile dieser einzelnen Zelltypen zu messen. Daher ist die Einsicht in die räumlich-zeitliche Kontrolle der Genexpression unerlässlich, um zu verstehen, wie biologische und Entwicklungsprozesse reguliert werden. Hier beschreiben wir eine Laser-Capture-Mikrodissektion (LCM) Methode, um eine kleine Anzahl von Zellen aus drei Gersten-Embryo-Organen während eines Zeitverlaufs während der Keimung zu isolieren, gefolgt von Transkriptprofilierung. Die Methode besteht aus Gewebefixierung, Gewebeverarbeitung, Paraffineinbettung, Schnitt, LCM und RNA-Extraktion, gefolgt von Echtzeit-PCR oder RNA-Seq. Diese Methode hat es uns ermöglicht, räumliche und zeitliche Profile von Samenorgan-Transkriptomen aus unterschiedlicher Anzahl von Zellen (Zehn bis Hunderte) zu erhalten, was eine viel größere Gewebespezifität als typische Massengewebeanalysen bietet. Aus diesen Daten konnten wir transkriptionelle regulatorische Netzwerke definieren und vergleichen sowie kandidatenregulatorische Transkriptionsfaktoren für einzelne Gewebe vorhersagen. Die Methode sollte auf andere Pflanzengewebe mit minimaler Optimierung anwendbar sein.
Pflanzenentwicklung und -wachstum beinhalten die koordinierte Wirkung transkriptionsregulatorischer Netzwerke innerhalb verschiedener Zellen, die in einer komplexen zellulären Umgebung existieren. Um die Aktivität dieser regulatorischen Netzwerke zu verstehen, benötigen wir das Wissen über die räumliche und zeitliche Genexpression innerhalb verschiedener Zelltypen über Entwicklungsstadien hinweg. Aufgrund der technischen Herausforderung, eine kleine Anzahl von Zellen zu isolieren und zu analysieren, werden jedoch häufiger Analysen der Genexpression in ganzen Organen oder Massengewebeproben durchgeführt. Die Methode, die wir hier beschreiben, hat es ermöglicht, eine räumliche und zeitliche gewebespezifische Transkriptomanalyse durch Kopplung von LCM mit RNA-seq zu erhalten.
LCM wurde vor zwei Jahrzehnten von Emmert-Buck und Kollegen1entwickelt. Die Technik ermöglichte es den Forschern, Einzelne Zellen oder Zellcluster mithilfe direkter mikroskopischer Visualisierung und Manipulation mit einem schmalen Strahllaser1präzise aus ihrer Umgebung zu isolieren. Seitdem ist die Methode weit verbreitet in der Krebsbiologie und Pathologie2,3. Viele Pflanzenforschungsgruppen haben auch LCM für die Verwendung mit verschiedenen Pflanzenarten und verschiedenen Gewebetypen4,5,6,7,8,9,,10,11angepasst. In jüngster Zeit haben mehrere Papiere auch LCM auf Eudikot und Monocot Samen verwendet, um Embryonen, Endospermen und andere Samenstrukturen während der Samenentwicklung und Keimung10,12,13zu untersuchen. Die meisten anderen häufig verwendeten einzelligen Isolationsmethoden wie Mikropipettieren, Zellsortierung, magnetische Trennung und mikrofluidische Plattformen hängen von der enzymatischen Verdauung oder mechanischen Homogenisierung ab, um Zellen zu dissoziieren. Dies kann die Genexpression stören und technische Artefakte einführen, die die Dateninterpretation verwirren14,15. Diese Methoden erfordern auch Vorkenntnisse über Markergene für jeden Zelltyp, um die dissoziierten Zellen mit ihrer räumlichen Position und ihrem wahren Zelltyp in Beziehung zu setzen. Eine weitere Gruppe von Techniken hängt von der Affinitäts-basierten Isolierung subzellulärer Strukturen anstelle von ganzen Zellen ab, z.B. INTACT (Isolation of Nuclei Tagged in Cell Types) und TRAP (Translating Ribosome Affinity Purification)16,17. Die Affinitätskennzeichnung und -reinigung von Kernen oder Ribosomen ist jedoch bei Pflanzenarten, die keine gut etablierten Transformationsprotokolle haben, technisch eine Herausforderung. LCM nutzt die schnelle Gewebefixierung, um Transkriptionspiegel und konventionelle histologische Identifikation durch direkte Visualisierung von Zellen innerhalb ihres normalen Gewebe-Organ-Kontextes zu erhalten, wodurch diskrete Zellen in kurzer Zeit isoliert werden können18,19.
Das hier vorgestellte Protokoll ist eine optimierte Methode zur Isolierung bestimmter Zellen oder Zelltypen aus den Gewebeabschnitten von Getreidesamen, die auf die meisten Zellen angewendet werden kann, die histologisch identifiziert werden können. LCM bietet eine kontaktfreie Methode der Zellisolierung, die die Kontamination erheblich reduziert und die Integrität der zurückgewonnenen RNA erhöht. Darüber hinaus veranschaulicht die Methode die Leistungsfähigkeit von LCM in groß angelegten genomweiten Studien, beginnend mit kleinen Mengen biologischer Materialien. Wir beschreiben auch die lineare Amplifikation von RNA zur Erzeugung von ausreichendem Inputmaterial für nachgeschaltete Transkript-/Transkriptomanalysen.
Es gibt zehn Hauptschritte in diesem LCM-RNA-Seq-Protokoll für räumliche und zeitliche gewebespezifische Transkriptome, einschließlich Fixierung von Gewebeproben, Dehydrierung, Paraffinininfiltration, Einbettung, Schnitt, LCM, RNA-Extraktion, RNA-Verstärkung, RNA-Quantifizierung und qRT-PCR und/oder RNA-seq (Abbildung 1).
Abbildung 1: Flussdiagramm von LCM, gefolgt von RNA-seq oder qRT-PCR. LCM ist eine räumlich präzise und berührungslose Technik, um Zellen aus festen Gewebeabschnitten mittels eines Laserstrahls unter mikroskopischer Visualisierung zu sammeln. Der Prozess beginnt mit der Fixierung von Gewebeproben, gefolgt von einer Dehydrierung mit einer Gradientenreihe von Ethanol und Xylol und endet mit Paraffinininfiltration. Der Prozess kann mit hilfe eines Tissueprozessors vollautomatisiert werden. Sobald das Gewebe mit Paraffin infiltriert ist, wird es mit einer Einbettstation in eine Form mit geschmolzenem Paraffin eingebettet. Das Schneiden erfolgt mit Mikrotome auf die gewünschte Dicke eingestellt. Dias werden vorbereitet und LCM unmittelbar vor der RNA aus gefangenen Zellen extrahiert. Auf die RNA-Extraktion folgen direkt zwei Runden RNA-Verstärkung vor qRT-PCR und/oder RNA-seq. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Da das Endprodukt RNA ist, achten Sie darauf, die Arbeit mit RNases nicht zu kontaminieren. Das Tragen von Handschuhen ist ein Muss. Verwenden Sie Diethylpyrocarbonat (DEPC) -behandeltes Wasser, Puffer usw. Autoklav-Puffer und backen Glaswaren vor der Verwendung.
1. Gewebefixierung
2. Gewebeverarbeitung
3. Paraffin-Einbettung
4. Herstellung von Polyethylennaphthaat (PEN) Membranschlitten
5. Schnitt
6. Laser-Capture-Mikrodissektion
7. RNA-Extraktion
8. RNA-Verstärkung
9. RNA-Quantifizierung
10. qRT-PCR und/oder RNA-seq
Mit unserem LCM RNA-seq-Protokoll10haben wir räumliche und zeitliche gewebespezifische Transkriptome aus Gerstensamen während der Keimung erzeugt. Die Studie wurde durchgeführt, indem LCM RNA-seq auf eine kleine Anzahl von Zellen aus drei Embryoorganen (Plumule, Radicle Tip, Scutellum) alle 8 h über einen 48 h-Zeitverlauf während der Keimung (0-48 h, 7 Zeitpunkte) angewendet wurde (Abbildung 2A,B).
Viele gewebespezifische Genexpressionsstudien wurden durch die Handsektion von Proben begrenzt, was zeitaufwändig, arbeitsintensiv ist, ein hohes Kontaminationsrisiko hat und nur Proben verwenden kann, die ein menschlicher Aktivist ausreichend geschickt ernten kann. LCM ist eine präzise und berührungslose Technik, um Zellen aus festen Gewebeabschnitten mithilfe eines mechanisch betriebenen Laserstrahls unter mikroskopischer Visualisierung zu sammeln.
Eine gute Probenvorbereitung ist für LC...
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Diese Arbeit wurde vom Australian Research Council Centre of Excellence in Plant Energy Biology (CE140100008) an JW unterstützt. M.G.L wurde von einem Startstipendium der La Trobe University unterstützt. Wir danken der La Trobe Genomics Platform für ihre Unterstützung bei der Sequenzierung und Datenanalyse mit hohem Durchsatz. Wir danken Associate Professor Matthew Tucker für die fachkundige Beratung bei der Einrichtung von LCM in unserem Labor.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic acid 100 % ACS/R. | AnalaR NORMAPUR (BioStrategies) | VWRC20104.323 | |
AdhesiveCap 200 opaque | Zeiss | 415190-9181-000 | |
Clear base moulds 8 X 10 | Leica | 3803015 | |
Diethyl pyrocarbonate | Sigma-Aldrich | 40718-25ML | |
High Sensitivity RNA ScreenTape | Agilent | 5067-5579 | |
Lowprofile disp.blades DB80LS | Leica | 14035843489 | |
MembraneSlide 1.0 PEN | Zeiss | 415190-9041-000 | |
MessageAmp II aRNA Amplification Kit | Ambion (ThermoFisher) | AMB17515 | |
On-Column DNase I Digestion Set | Sigma-Aldrich | DNASE70 | |
Ovation RNA-Seq System V2 | NuGen (Integrated Science) | 7102-08 | |
Paraffin (Surgipath Paraplast) | Leica | 39601006 | |
PicoPure RNA Isolation Kit | ABI (ThermoFisher) | KIT0214 | |
RNaseZap RNase Decontamination Solution | Ambion (ThermoFisher) | AM9780 | |
Xylene | AnalaR NORMAPUR (BioStrategies) | VWRC28975.360 | |
Leica Benchtop Tissue Processor | Leica Biosystems | TP1020 | |
Leica Heated Paraffin Embedding Module | Leica Biosystems | EG1150H | |
Leica Cold Plate | Leica Biosystems | EG1150C | |
Safemate Class 2 Biological Safety Cabinets | LAF Technologies Pty Ltd | Safemate 1.5 | |
Leica Fully Automated Rotary Microtome | Leica Biosystems | RM2265 | with PALMRobo v 4.6 software |
Zeiss PALM MicroBeam LCM system | Zeiss miscroscopy | ||
TapeStation | Agilent | TapeStation 2200 |
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