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L'objectif de ce protocole est d'utiliser l'imagerie vivante pour visualiser les effets des dommages oxydatifs sur la localisation et la dynamique des structures subcellulaires dans les ovaires de Drosophila.
L'imagerie vivante des ovaires de Drosophila melanogaster a joué un rôle déterminant dans la compréhension d'une variété de processus cellulaires de base pendant le développement, y compris le mouvement des particules ribonucléoprotéines, la localisation de l'ARNm, le mouvement des organelles et la dynamique cytosquelettique. Plusieurs méthodes d'imagerie en direct ont été mises au point. En raison du fait que chaque méthode consiste à disséquer les ovarioles individuels placés dans les médias ou l'huile d'halocarbone, des dommages cellulaires dus à l'hypoxie et/ou à la manipulation physique se produiront inévitablement au fil du temps. Un effet en aval de l'hypoxie est d'augmenter les dommages oxydatifs dans les cellules. Le but de ce protocole est d'utiliser l'imagerie en direct pour visualiser les effets des dommages oxydatifs sur la localisation et la dynamique des structures subcellulaires dans les ovaires de Drosophila après l'induction des dommages cellulaires contrôlés. Ici, nous utilisons du peroxyde d'hydrogène pour induire des dommages oxydatifs cellulaires et donner des exemples des effets de tels dommages sur deux structures subcellulaires, les mitochondries et les particules de bonheur Clu. Toutefois, cette méthode s'applique à toute structure subcellulaire. Les limites sont que le peroxyde d'hydrogène ne peut être ajouté à des médias aqueux et ne fonctionnerait pas pour l'imagerie qui utilise de l'huile d'halocarbone. Les avantages sont que le peroxyde d'hydrogène est facilement disponible et peu coûteux, agit rapidement, ses concentrations peuvent être modulées, et les dommages oxydatifs est une bonne approximation des dommages causés par l'hypoxie ainsi que les dommages généraux des tissus dus à la manipulation.
Plusieurs facteurs de stress cellulaires différents peuvent survenir au cours de la culture expérimentale et de la manipulation des tissus ex vivo, y compris le choc thermique, le stress oxydatif, le stress osmotique, le stress nutritionnel et les conditions de toxicité. L'imagerie en direct est un outil puissant utilisé pour visualiser les changements en temps réel dans les tissus ex vivo après un traitement expérimental et une manipulation. Les dissections et la manipulation des tissus fins prennent de la pratique, et le temps entre la dissection et l'imagerie peut varier selon l'expérience. La raison d'être du développement de cette méthode est basée sur la préoccupation que la préparation des tissus à l'imagerie vivante peut causer un stress cellulaire pendant la dissection et la préparation à l'imagerie. Cela pourrait être particulièrement problématique pour les processus sensibles aux changements du métabolisme cellulaire et les niveaux d'oxygène disponibles, tels que la fonction mitochondrique. Bien qu'avoir un échantillon parallèle de type sauvage soit un contrôle important, il est toujours possible que certains ou tous les changements observés dans les structures subcellulaires puissent être dus à des dommages ou à un stress cellulaire dû à la dissection et ne reflètent pas la physiologie normale ou le traitement ou la mutation à l'étude.
Pour résoudre ce problème potentiel, nous utilisons l'ajout de peroxyde d'hydrogène pendant l'imagerie en direct afin d'induire des dommages oxydatifscellulaires 1. Le but de cette méthode est d'induire des dommages aux tissus afin de surveiller l'effet sur les structures subcellulaires. Ce protocole est utile à deux fins : 1) déterminer si les changements dans la localisation subcellulaire de la structure d'intérêt sont dus au stress causé par la dissection inexpérimentée et 2) une fois que le chercheur est confiant avec les techniques de dissection décrites pour surveiller l'effet du stress contrôlé sur la structure d'intérêt. Ici, nous montrons deux exemples de la façon dont l'augmentation des dommages oxydatifs provoque des changements dans deux structures subcellulaires, mitochondries et particules de bonheur Clu. Pour ce faire, nous utilisons l'ovaire Drosophila qui est un modèle commun pour les études d'imagerie en direct. Le premier exemple examine la localisation mitochondrique. D'après notre expérience, la localisation mitochondrique normale dans les cellules germinales femelles est très sensible aux perturbations et peut agir comme un signe avant-coureur du stress cellulaire. Les mitochondries dans les cellules germinales femelles de Drosophila sont normalement dispersées uniformément dans tout le cytoplasme2. L'ajout de peroxyde d'hydrogène amène les organites à se délocaliser rapidement et à se regrouper de la même manière que diverses mutations3,4,5. Le deuxième exemple sont les particules de bonheur formées par Clueless (Clu). Clu est une ribonucléoprotéine qui est diffuse dans tout le cytoplasme; cependant, il forme également des particules mitochondries-associées dans des conditions cellulaires optimales5. Puisque la présence des particules de Clu dépend des conditions cellulaires saines, nous les avons appelées particules de « bonheur» 3,5,6. L'ajout de peroxyde d'hydrogène provoque la dispersion rapide de ces particules et leur homogénéité dans lecytoplasme 5. Au cours de nos études, nous avons observé des changements dans la localisation de ces deux structures subcellulaires, mais ce n'est qu'après avoir effectué des études d'imagerie en direct que nous avons pu apprécier pleinement l'effet du stress cellulaire et des dommages oxydatifs sur la localisation et la dynamique des mitochondries et des particules de bonheur.
L'utilité de ce protocole en tant qu'ajout à des méthodes déjà établies ou alternatives dépend de plusieurs facteurs. Tout d'abord, le protocole d'imagerie doit être utile à l'ajout de médicaments. Si l'échantillon est monté sous un coverslip et dans l'huile d'halocarbone, cette méthode ne serait pas possible7. H2O2 addition provoque une augmentation rapide des dommages oxydatifs, par conséquent, cette échelle de temps peut ne pas être approprié. Les dommages oxydatifs peuvent être considérés comme un proxy pour l'hypoxie ; cependant, il peut être trop dur ou trop généralisé pour fonctionner comme un contrôle approprié pour les dommages pour certains composants subcellulaires. Enfin, pour les expériences d'imagerie qui durent des heures comme celles qui suivent un processus de développement, h2O2 addition peut être trop forte (par exemple8). L'essai d'une courbe de concentration peut surmonter cette limitation.
1. Préparation de la dissection et des supports d'imagerie
REMARQUE : Les supports les mieux adaptés à cette expérience d'imagerie en direct contiennent les supports Drosophila de Schneider contenant 15 % de sérum bovin fœtal inactivé par chaleur, 0,6 x Pen-Strep et 200 μg/mL d'insuline bovine, appelée ci-après les médias de Complete Schneider.
2. Collection de Drosophile pour la dissection
REMARQUE : Des procédures détaillées de collecte et de dissection de Drosophila peuvent également être trouvées dans Weil et coll.10 et Parker et coll.11.
3. Dissection de l'ovaire Drosophila
REMARQUE : Il est important de préparer les solutions multimédias fraîches parce que le peroxyde d'hydrogène est sensible à l'oxydation et que tmre se dégrade avec le temps.
4. Préparation des ovarioles à l'imagerie
5. Coloration des mitochondries avec TMRE
REMARQUE : D'autres procédures détaillées sur la coloration vivante des mitochondries avec des colorants fluorescents peuvent être trouvées dans Parker et coll. 2017.
6. Acquisition d'images en direct
7. Ajout de peroxyde d'hydrogène pendant l'imagerie
Les protocoles décrits peuvent être utilisés pour étudier les effets du peroxyde d'hydrogène lors de l'imagerie en direct des ovaires de Drosophila. Comme le montre la figure 3, la figure 4, la vidéo 3 et la vidéo 4, cette procédure fournit un moyen efficace de visualiser les changements et la dynamique des tissus après un traitement expérimental en temps réel. Fait important, ce protocole est spécifique pour l'ajout de H2O2 aux ovarioles lors de l'imagerie; cependant, il peut être adapté pour l'ajout exogène d'autres drogues ou reagents d'intérêt. De plus, les follicules peuvent être étiquetés avec des colorants fluorescents d'intérêt (p. ex., tétramethylrhodamine (TMRE), LysoTracker) avant l'imagerie (Vidéo 3). Les étapes les plus critiques pour obtenir des résultats d'imagerie clairs sont 1) la dissection et l'isolement appropriés des ovarioles simples avec tous les éléments contractiles enlevés(figure 1 et figure 2) et 2) la vitesse à laquelle l'imagerie est redémarrée après l'ajout de peroxyde d'hydrogène. La vidéo 4 est une illustration d'un follicule correctement disséqué qui reste stable tout au long de la durée de l'imagerie par rapport à la vidéo 1, qui illustre un follicule mal disséqué sortant du champ de vision pendant l'imagerie. La vidéo 5 est une illustration dans laquelle les effets H2O2 sur les mitochondries étiquetées TMRE ont déjà progressé avant le début de l'imagerie en raison de trop de temps écoulé. Par rapport à la vidéo 3 dans laquelle l'imagerie a été redémarrée immédiatement après l'ajout de peroxyde d'hydrogène (temps 0) et intacte, les mitochondries dispersées sont encore visibles, les mitochondries de la vidéo 5 ont déjà commencé à s'agglutiner visiblement et à perdre leur potentiel membranaire lors du redémarrage de l'imagerie. Ce problème est principalement attribué à la perturbation des positions de l'échantillon pendantl'ajout deH 2 O2 et peut être atténué en suivant la technique pour garder le média d'imagerie et la position de l'échantillon intacts (Vidéo 2). Il convient de noter que dans les expériences de contrôle réalisées sans H2O2 ajouté aux médias, les mitochondries dans les follicules restent correctement dispersées, et le colorant TMRE reste séquestré dans les mitochondries.
Figure 1: Isolement des ovarioles simples des ovaires de Drosophila. (A) Dessin animé indiquant une paire d'ovaires, un ovariole unique (flèche) avec le germarium à la pointe (pointe de flèche) et les deux gaines musculaires qui entourent l'ovariole (brun, épithélial) et l'ovaire (brun, péritonéal). (B) Ovaire disséqué Drosophila. (C) Séparation subséquente de l'ovaire taquiné en ovarioles individuels (flèche). Barre d'échelle = 100 um. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2: Ablation des fibres nerveuses et des éléments contractiles des ovarioles simples. (A) Ovariole simple avec des restes de tissu nerveux et de la gaine musculaire encore attachée (flèche). (B) Enlèvement doux de tous les tissus restants attachés à l'ovariole en A (flèche). Barre d'échelle = 100 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3: H2O2 provoque une mauvaise localisation mitochondriale. (A-A") Images vivantes d'un follicule cluCA06604 (Clu:::GFP flies). L'ajout de H2O2 provoque l'agglutinage des mitochondries pendant toute la durée de l'imagerie. L'étiquetage TMRE des mitochondries indique que les mitochondries sont d'abord dispersées au moment 0 (A), et que les mitochondries commencent à s'agglutiner après h2O2 addition (A′) À un moment ultérieur, l'étiquetage TMRE devient inégale en raison de mitochondries perdre leur potentiel membrannaire et donc leur capacité à séquestrer le colorant (A). Blanc = TMRE (A-A"). Barres d'échelle: 10 μm in (A) pour A-A"5. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4: H2O2 disperse Clu. (A-A") Images vivantes d'un follicule cluCA06604 bien nourri. L'ajout de H2O2 provoque la dispersion des particules et l'homogénéité du cytoplasme pendant toute la durée de l'imagerie. Blanc = Clu::GFP (A-A"). Barre d'échelle: 40 μm in (A) pour A-A"5. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Vidéo 1: Follicule d'une femelle cluCA06604. Tel que décrit dans la figure 2,l'omission d'enlever les éléments contractiles de fibre nerveuse des ovarioles simples causera la dérive et le mouvement marqués des ovarioles pendant l'imagerie et l'incapacité suivante d'analyser des données d'imagerie. Blanc = Clu::GFP. S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Vidéo 2 : Ajout approprié de H2O2à l'échantillon de plat. Le peroxyde d'hydrogène doit être ajouté à la vaisselle de l'échantillon à l'aide d'une micropipette de taille appropriée. Distribution H2O2 sans casser la surface du média. On prend soin d'éviter de briser la surface du média d'imagerie afin de minimiser la dérive de l'échantillon lors de l'ajout de peroxyde d'hydrogène. S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Vidéo 3 : Ajout de H2O2 pendant l'imagerie des follicules étiquetés TMRE. Follicule d'un cluCA06604 femelle souillée avec TMRE. H2O2 provoque une mauvaise localisation mitochondrique dans les follicules de Drosophila. Blanc = colorant TMRE. Imaged un cadre par 15 s pendant 20 min, et la vidéo est de 10 images par seconde5. S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Vidéo 4: H2O2 addition pendant l'imagerie de Clu::GFP follicules. Follicule d'une femelle cluCA06604. H2O2 disperse les particules de Clu telles que décrites dans la figure 4. Blanc = Clu::GFP. Imaged un cadre par 15 s pendant 15 min, et la vidéo est de 10 images par seconde. 5S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Vidéo 5 : Imagerie retardée après l'ajoutde H 2O2. Follicule d'une femelle cluCA06604. L'ajout de peroxyde d'hydrogène aux follicules est un traitement sensible au temps. Le redémarrage de l'imagerie a été retardé dans cette vidéo en raison du déplacement de l'échantillon pendantl'ajout de H 2O2. Les mitochondries ont déjà commencé à s'agglutiner visiblement et à perdre leur potentiel membrannaire lors du redémarrage de l'imagerie au moment 0 (par rapport au temps 0 dans la vidéo 3). Le fait de ne pas reprendre l'imagerie rapidement après le traitement entraînera des résultats inexacts et inutilisables, car les premiers effets expérimentaux seront manqués avant l'imagerie. Blanc = TMRE. Imaged un cadre par 15 s pendant 20 min, et la vidéo est de 10 images par seconde. S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.
Ce protocole pourrait être un ajout utile comme un contrôle pour les artefacts en raison de la dissection des ovaires et l'incubation des tissus pour toute expérience d'imagerie en direct. Les étapes critiques sont similaires à celles trouvées pour d'autres protocoles d'imagerie en direct. Apprendre à disséquer des ovaires entiers de Drosophila prend la pratique; cependant, cette compétence peut généralement être apprise assez rapidement avec les outils de dissection appropriés. Plus difficile à maîtriser est d'enlever le muscle enveloppant les ovaires et chaque ovariole13. Cela doit être fait pour s'assurer que les contractions musculaires n'interfèrent pas avec l'acquisition d'images. Si l'utilisation d'aiguilles de tungstène aiguisées pour ce faire ne s'avère pas réussie, le germarium à la pointe de l'ovariole peut être saisi avec des forceps et l'ovariole tiré de la gaine musculaire. Toutefois, cette technique est problématique si l'on veut examiner les premiers stades de développement parce qu'ils peuvent être endommagés. Une autre étape clé est de ne pas déloger les ovarioles reposant sur le fond du plat lors de l'ajout de H2O2. Un autre aspect important est partagé par toutes les images en direct : le chercheur doit s'assurer que la structure d'intérêt est bien étiquetée avant le traitement. Les plats utilisés ici (Tableau des matériaux) sont couramment utilisés pour l'imagerie en direct; cependant, n'importe quel plat ou glissière avec un coverslip en verre sur le fond ou même un grand coverslip en verre devrait fonctionner aussi longtemps que la baisse des médias peut être couverte pour empêcher l'évaporation des médias. Alors que nous utilisons un microscope particulier, tout microscope inversé avec un objectif de grossissement suffisant pour voir la structure subcellulaire en question et une caméra attachée qui a une résolution suffisante et le taux de capture d'image devrait fonctionner.
Tandis que notre laboratoire s'intéresse principalement à la fonction mitochondrique, cette méthode pourrait être utile examinant la dynamique et la localisation de n'importe quelle structure subcellulaire ou organelle, telle que le noyau, le cytosquelette ou le réticulum endoplasmique. Toutefois, cette méthode a des limites. Afin d'ajouter du peroxyde d'hydrogène, le tissu doit être dans un média aqueux. Une autre méthode pour l'imagerie vivante est d'utiliser l'huile d'halocarbone, qui a joué un rôle déterminant dans la description de nombreux processus importants dans les ovarioles Drosophila, y compris le premier exemple de mouvement dynamique de GFP dans un organismemodèle 7,14. En outre, l'ajout de peroxyde d'hydrogène au média provoque des dommages oxydatifs à grande échelle qui peuvent être une insulte trop générale au tissu pour être instructif pour le processus cellulaire d'intérêt, en particulier pour les expériences plus longues examinant le développement. Bien qu'il puisse ne pas être possible d'effectuer des expériences qui nécessitent la visualisation de la cellule sur de longues périodes de temps en raison de ces dommages oxydatifs rapides, étendus et probablement irréversibles, nous avons vu que le traitement aigu au peroxyde d'hydrogène que nous avons décrit est applicable à la plupart des stades de l'oogenèse que nous sommes en mesure de voir les mêmes effets dans la plupart des étapes dans la période de temps d'imagerie. Compte tenu du faible coût et de la facilité du protocole, il peut être un contrôle utile pour les dommages et peut être utilisé comme un traitement avant la fixation et l'étiquetage des anticorps ainsi.
Dans nos mains, le traitement H2O2 imite les changements dans la mauvaise localisation mitochondriale et la dispersion des particules Clu bliss que nous voyons chez divers mutants drosophiles. Il imite également les résultats que nous voyons pour les nouveaux chercheurs dans les techniques de dissection d'apprentissage en laboratoire. Par conséquent, cette méthode a clairement indiqué que la préparation d'échantillon et le stress cellulaire général peuvent mener aux changements inattendus et précédemment inexpliqués à la mauvaise localisation mitochondrique et à la présence des particules de bonheur. En avançons dans cette technique, les concentrations de peroxyde d'hydrogène pourraient être modulées à l'aide d'une concentration plus ou moins élevée. Si un effet cellulaire est observé à l'aide d'une concentration plus faible, il est possible que le phénotype de stress puisse être réversible en remplaçant le média par celui de Complete Schneider. Différents facteurs de stress cellulaire tels que le carbonyl cyanure m-chlorophényle hydrazone (CCCP), arsenite ou simple choc thermique pourraient s'avérer utiles pour le stress cellulaire général pour d'autres structures subcellulaires. Puisque l'imagerie vivante des tissus ex vivo exige la manipulation manuelle et l'incubation dans différents médias, ce contrôle devrait être un ajout utile pour s'assurer que toutes les observations sont aussi proches de la physiologie normale que possible.
Les auteurs n'ont rien à divulguer.
Nous tenons à remercier le Dr Jeremy Smyth pour son soutien à l'imagerie et Ann C. Shenk pour ses illustrations, sa production et sa vidéographie. Ces travaux ont été soutenus par les National Institutes of Health (1R01GM127938 à R.T.C.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Active dry yeast | Red Star® | ||
CO2 gas | 99.9% purity | ||
CO2 pad | |||
Dissecting microscope, Nikon SMZ645 model | Nikon | ||
Dissecting needles - PrecisionGlide needles | BD | 305165 | B-D 21G1 size |
Dissecting needles - PrecisionGlide syringes | BD | 309657 | Luer-Lok tip, 3 mL size |
Dissecting needles - tungsten wire | Electron Microscopy Sciences | 73800 | |
Dumont #5 forceps (2 pairs) | Fine Science Tools | 11251-10 | |
NI-150 High Intensity Illuminator | Nikon Instruments Inc. | ||
Gibco Fetal Bovine Serum, Heat Inactivated | Fisher Scientific | 10082-147 | |
Gibco Schneider's Drosophila Media | Sigma-Aldrich | 21720-024 | |
Hydrogen peroxide solution, 30% (w/w) in H2O | Sigma-Aldrich | H1009 | |
Insulin from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | I6634 | |
Spinning disk microscope | Nikon | Equivalent scopes may also be used | |
Lonza BioWhittaker Antibiotics: Penicillin-Streptomycin mixtures | Fisher Scientific | 17-602E | |
MatTek Corporation Glass Bottom Dishes, 35 mm | Fisher Scientific | NC9344527 | |
Micropipettes and tips of appropiate size | Eppendorf | ||
Microcentrifuge tubes, 1.7 mL | VWR | 87003-294 | |
Tetramethylrhodamine, Ethyl Ester, Perchlorate (TMRE) | AnaSpec | AS-88061 | |
w[1118] | Bloomington Drosophila Stock Center | 5905 | Wild-type flies |
y w; clu[CA06604] | Available upon request. | Clu::GFP trap flies |
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