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* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Regulatoren der Melanozytenfunktionen bestimmen sichtbare Unterschiede im Pigmentierungsergebnis. Die Entschlüsselung der molekularen Funktion des Kandidaten-Pigmentierungsgens stellt eine Herausforderung dar. Hier demonstrieren wir die Verwendung eines Zebrafisch-Modellsystems, um Kandidaten zu identifizieren und sie in Regulatoren des Melaningehalts und der Melanozytenzahl zu klassifizieren.
Melanozyten sind spezialisierte Neuralleistenzellen, die in der epidermalen Haut vorhanden sind. Diese Zellen synthetisieren Melaninpigmente, die das Genom vor schädlichen ultravioletten Strahlen schützen. Störungen der Melanozytenfunktion führen zu Pigmentstörungen wie Piebaldismus, Albinismus, Vitiligo, Melasma und Melanom. Zebrafisch ist ein ausgezeichnetes Modellsystem, um die Funktionen von Melanozyten zu verstehen. Das Vorhandensein auffälliger pigmentierter Melanozyten, die einfache genetische Manipulation und die Verfügbarkeit transgener fluoreszierender Linien erleichtern die Untersuchung der Pigmentierung. In dieser Studie werden Wildtyp- und transgene Zebrafischlinien verwendet, die die Expression von grün fluoreszierenden Proteinen (GFP) unter mitfa - und tyrp1-Promotoren steuern, die verschiedene Stadien von Melanozyten markieren.
Morpholino-basiertes Silencing von Kandidatengenen wird erreicht, um das phänotypische Ergebnis der Larvenpigmentierung zu bewerten und ist für das Screening auf Pigmentierungsregulatoren anwendbar. Dieses Protokoll demonstriert die Methode von der Mikroinjektion über die Bildgebung bis hin zur Fluoreszenz-aktivierten Zellsortierung (FACS)-basierten Dissektion von Phänotypen unter Verwendung von zwei Kandidatengenen, Carboanhydrase 14 (Ca14) und einer Histonvariante (H2afv), um das Pigmentierungsergebnis umfassend zu bewerten. Darüber hinaus demonstriert dieses Protokoll die Trennung von Kandidatengenen in Melanozytenspezifizierer und -differenzierer, die die Melanozytenzahl bzw. den Melaningehalt pro Zelle selektiv verändern.
Während sich die Verwendung von Melanin für den Lichtschutz im Tierreich mehrmals weiterentwickelt hat, haben Wirbeltiere den Prozess scheinbar perfektioniert. Spezielle pigmentproduzierende Zellen mit einer ausgeklügelten Maschinerie zur Synthese und Eindämmung von Melanin werden vom Fisch bis zum Menschen konserviert1. Das Ergebnis der Pigmentierung ist jedoch dramatisch unterschiedlich, reicht von der Farbe bis zur Wahrnehmung, und zeigt sich als lebendige Muster auf den Integumenten, der Haut und den Haaren2. Trotz der Vielfalt ist das Repertoire an Genen, die an der Pigmentierungsreaktion beteiligt sind, auffallend konserviert. Die Kernkomponenten der Melanin-synthetisierenden Maschinerie, wie die wichtigsten Melanin-synthetisierenden Enzyme, die Komponenten der Melanosomen und die vorgeschaltete Konnektivität zum Signalweg, bleiben im Wesentlichen über alle Organismen hinweg identisch. Subtile genetische Unterschiede führen zu dramatischen Veränderungen in den Pigmentierungsmustern, die bei Spezies3 beobachtet werden. Daher bietet ein umgekehrter genetischer Ansatz in einem niederen Wirbeltierorganismus, dem Zebrafisch (Danio rerio), eine hervorragende Möglichkeit, die Beteiligung von Genen an der Wiedergabe des pigmentierten Zustands zu entschlüsseln4.
Zebrafischembryonen entwickeln sich innerhalb einer Zeitspanne von ~24 Stunden nach der Befruchtung (hpf)5 von einer einzelligen befruchteten Zygote zu einer Larve. Auffallend ist, dass es sich bei den Melanozyten-äquivalenten Zellen – den Melanophoren – um große Zellen handelt, die in der Dermis vorhanden sind und durch den dunklen Melaningehalt auffallen6. Diese von der Neuralleiste abgeleiteten Zellen strahlen ~11 hpf aus und beginnen, ~24 hpf 6,7 zu pigmentieren. Konservierte Genexpressionsmodule haben die Identifizierung von Schlüsselfaktoren ermöglicht, die die Funktionen von Melanozyten orchestrieren, und zur Entwicklung transgener fluoreszierender Reporterlinien Tg(sox10:GFP), Tg(mitfa:GFP) und Tg(ftyrp1:GFP)8,9,10 geführt, die selektive Stadien der Melanozytenentwicklung markieren. Die Verwendung dieser transgenen Fischlinien ermöglicht die Abfrage der Zellbiologie von Melanozyten auf organismischer Ebene im Gewebekontext mit geeigneten Hinweisen entsprechend den Entwicklungszeitplänen. Diese Reporter ergänzen die pigmentbasierte Quantifizierung von Melanozyten und ermöglichen eine eindeutige Beurteilung der Melanozytenzahl unabhängig vom Melaningehalt.
Dieser Artikel enthält ein detailliertes Protokoll zur Entschlüsselung der Biologie von Melanozyten durch die Bewertung von zwei kritischen Parametern, nämlich dem Melaningehalt und der Melanozytenzahl. Während ersteres ein übliches funktionelles Auslesen ist, das von einer Hypopigmentierungsreaktion ausgeht, ist letzteres mit einer Verringerung der Spezifikation oder des Überlebens von Melanozyten verbunden und wird häufig mit genetischen oder erworbenen Depigmentierungsbedingungen in Verbindung gebracht. Die Gesamtstrategie dieses umgekehrten genetischen Screenings besteht darin, ausgewählte Gene mit einem Morpholino zum Schweigen zu bringen und die Melanozyten-spezifischen Ergebnisse zu untersuchen. Der Melaningehalt wird mittels bildbasierter Quantifizierung der mittleren Grauwerte analysiert und anschließend mit einem Melaningehaltstest bestätigt. Die Anzahl der Melanozyten in verschiedenen Reifungsstadien wird mittels bildbasierter Quantifizierung analysiert und mittels FACS-Analyse weiter bestätigt. Hier wird das Screening-Protokoll anhand von zwei Kandidatengenen demonstriert, nämlich der Carboanhydrase 14, die an der Melanogenese beteiligt ist, und einer Histonvariante H2AFZ.2, die an der Spezifizierung von Melanozyten aus der Neuralleistenvorläuferpopulation beteiligt ist. Während ersteres den Melaningehalt und nicht die Melanozytenzahl verändert, verändert letzteres die Anzahl der spezifizierten Melanozyten und folglich den Melaningehalt im Embryo. Insgesamt bietet diese Methode ein detailliertes Protokoll, um die Rolle eines Kandidatengens bei der Pigmentierung zu identifizieren und seine Rolle bei der Kontrolle der Melanozytenzahl im Vergleich zum Melaningehalt zu unterscheiden.
Die Zebrafisch-Experimente wurden in strikter Übereinstimmung mit der institutionellen Tierethik-Genehmigung (IAEC) des CSIR-Institute of Genomics and Integrative Biology (IGIB), Indien, durchgeführt (Vorschlag Nr. 45a). Es wurden alle Anstrengungen unternommen, um das Leid der Tiere so gering wie möglich zu halten.
1. Injektion von Morpholino in Zebrafischembryonen
2. Pigmentierungsanalyse
3. Melanophor-Zählung
HINWEIS: Die Fluoreszenzanalyse in transgenen Zebrafischembryonen kann mit zwei Methoden durchgeführt werden: 1) Zählung von GFP-positiven Zellen; 2) Messung der Fluoreszenzintensität.
Der in Abbildung 1 beschriebene Arbeitsablauf wurde verwendet, um eine morpholinobasierte genetische Störung im Zebrafisch-Einzellstadium durchzuführen. Die Pigmentanalyse wurde mit verschiedenen Methoden durchgeführt, wie unten erwähnt. Um die repräsentativen Ergebnisse zu veranschaulichen, wurden standardisierte Volumina von Antisense-Morpholino-Genen, die auf h2afv und ca14 abzielen, in das Eigelb- oder Einzellstadium des Zebrafischembryos injiziert. Die anfänglich...
Der Pigmentierungsphänotyp äußert sich häufig in Veränderungen des Melaningehalts oder der Anzahl der pigmenttragenden Melanozyten. Das hierin beschriebene Verfahren erlaubt die Dissektion dieser Dichotomie und erlaubt sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Beurteilung des Melaningehalts und der Anzahl der Melanophoren pro Embryo, unabhängig vom Melaningehalt. Die hohe Fruchtbarkeit des Zebrafisches, die sichtbare Natur der pigmentierten Melanozyten und der Mangel an Melanosomentransfer ermöglichen die...
Alle Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Wir danken der finanziellen Unterstützung des Rates für wissenschaftliche und industrielle Forschung im Rahmen des Projekts MLP2008 und des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie für das Projekt GAP165 für die Unterstützung der in diesem Manuskript vorgestellten Arbeit. Wir danken Jeyashri Rengaraju und Chetan Mishra für ihre Hilfe bei den Experimenten.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL Microtubes | Axygen | MCT-150-A | For preparing MO solution |
2 mL Microtubes | Axygen | MCT-200-C | For washing steps in FACS protocol |
Agarose | Sigma-Aldrich | A-9539-500G | For microinjection |
BD FACSAria II | BD Biosciences | NA | For cell sorting |
Capillary tube | Drummond | 1-000-0010 | |
Corning cell strainer | Corning | CLS431751 | For making single cell suspension |
DMEM High Glucose Media | Sigma-Aldrich | D5648 | FACS protocol |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (Tricaine) | Sigma-Aldrich | E10521-50G | to immobilize ZF for imaging |
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | Sigma-Aldrich | E5134 | For cold lysis buffer |
FACS tubes | BD-Biosciences | 342065 | FACS protocol |
Fetal bovine serum (FBS) | Invitrogen | 10270 | FACS protocol |
Graphpad prism Software | Graphstats Technologies | NA | For data representation |
ImageJ Software | National Institute of health | NA | For image analysis |
Insulin Syringes (1 mL) | DispoVan | NA | For manual dechorionation |
Melanin, Synthetic | Sigma-Aldrich | M8631 | For melanin content assay |
Methylcellulose | Sigma-Aldrich | M7027-250G | to immobilize ZF for imaging |
Microloader tips | Eppendorf | 5242956003 | For microinjection |
Morpholino | Gene-tools | NA | For knock-down experiments |
N-Phenylthiourea (PTU) | Sigma-Aldrich | P7629 | to inhibit melanin formation |
Needle puller | Sutter Instrument | P-97 | For microinjection |
Nunc 15 mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes | Thermo Fisher Scientific | 339650 | FACS protocol |
Petridish (60 mm) | Tarsons | 460090 | For embryo plates |
Phenylmethylsulphonyl fluoride | Sigma-Aldrich | 10837091001 | For cold lysis buffer |
Phosphate buffer saline (PBS) | HiMedia | TL1099-500mL | For washing cells |
Pronase | Sigma-Aldrich | 53702 | For dechorionation |
Protease inhibitor cocktail | Sigma-Aldrich | P8340 | For cold lysis buffer |
Sheath fluid | BD FACSFlowTM | 342003 | FACS protocol |
Sodium phosphate | Merck | 7558-79-4 | Cold lysis buffer |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9284-500ML | For cold lysis buffer |
TrypLE | Gibco | 1677119 | For trypsinization |
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