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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo studio presenta una strategia di imaging neuronale intravitale non invasiva combinata con una nuova strategia software per ottenere un tracciamento e un'analisi automatizzati e imparziali delle dinamiche plus-end dei microtubuli (MT) in vivo nei dendriti sensoriali e nelle giunzioni neuromuscolari di Drosophila.
I microtubuli (MT) svolgono un ruolo fondamentale nello sviluppo neuronale, ma rimangono molte domande sui meccanismi molecolari della loro regolazione e funzione. Inoltre, nonostante i progressi nella comprensione delle MT postsinaptiche, si sa molto meno sui contributi delle MT presinaptiche alla morfogenesi neuronale. In particolare, gli studi sulle dinamiche MT in vivo nei dendriti sensoriali di Drosophila hanno prodotto informazioni significative sul comportamento a livello di polimero. Tuttavia, le sfide tecniche e analitiche associate all'imaging dal vivo della giunzione neuromuscolare del moscerino (NMJ) hanno limitato studi comparabili sulla dinamica della MT presinaptica. Inoltre, mentre esistono molte strategie software altamente efficaci per l'analisi automatizzata delle dinamiche MT in vitro ed ex vivo, i dati in vivo spesso richiedono un input significativo da parte dell'operatore o un'analisi completamente manuale a causa del rapporto segnale/rumore intrinsecamente inferiore nelle immagini e della complessa morfologia cellulare. Per risolvere questo problema, questo studio ha ottimizzato una nuova piattaforma software per il rilevamento automatizzato e imparziale di particelle in vivo. L'analisi multiparametrica di immagini confocali time-lapse dal vivo di MT marcate con EB1-GFP è stata eseguita sia nei dendriti che nell'NMJ di larve di Drosophila e ha riscontrato notevoli differenze nei comportamenti MT. La dinamica della MT è stata inoltre analizzata in seguito al knockdown della proteina MT-associated (MAP) dTACC, un regolatore chiave dello sviluppo delle sinapsi di Drosophila, e ha identificato cambiamenti statisticamente significativi nella dinamica della MT rispetto al tipo selvatico. Questi risultati dimostrano che questa nuova strategia per l'analisi multiparametrica automatizzata delle dinamiche MT pre e postsinaptiche a livello di polimero riduce significativamente i criteri human-in-the-loop. Lo studio mostra inoltre l'utilità di questo metodo nel rilevare comportamenti distinti della MT dopo dTACC-knockdown, indicando una possibile applicazione futura per gli screening funzionali dei fattori che regolano la dinamica della MT in vivo. Le future applicazioni di questo metodo potrebbero anche concentrarsi sul chiarimento dei comportamenti MT specifici del tipo cellulare e/o del compartimento e sull'imaging correlativo multicolore di EB1-GFP con altri marcatori cellulari e subcellulari di interesse.
Le cellule si organizzano per formare strutture funzionali attraverso il coordinamento dei cambiamenti intra e intercellulari attraverso la morfogenesi. Un notevole esempio di morfogenesi è lo sviluppo della struttura neuronale altamente specializzata. I neuroni mostrano una notevole polarizzazione, in cui estendono due tipi di processi strutturalmente e funzionalmente distinti, i dendriti e gli assoni1, che possono raggiungere lunghezze immense. La complessità dello sviluppo neuronale deriva non solo dalle dimensioni dei dendriti e degli assoni, ma anche dalla difficoltà di formare le loro geometrie intricate 2,3. La morfogenesi neuronale e le sue conseguenze nell'apprendimento e nella memoria4 motivano l'indagine in corso sia del suo controllo genetico che dei meccanismi biologici cellulari sottostanti. Tali meccanismi includono, ma non sono limitati a, il trasporto intracellulare della membrana e i numerosi riarrangiamenti citoscheletrici necessari per i cambiamenti nella morfologia neuronale 1,2,3.
Gli studi sulla morfogenesi neuronale hanno prodotto una varietà di tecniche di visualizzazione avanzate. I metodi statici, come la microscopia elettronica o la microscopia a fluorescenza di sonde fisse, sono ampiamente utilizzati per eseguire analisi morfologiche e strutturali ad alta risoluzione. Tuttavia, oltre agli artefatti che sono inevitabili per qualsiasi metodo di conservazione, la visualizzazione statica non può catturare i cambiamenti dinamici che sono alla base della morfogenesi. Pertanto, molte intuizioni fondamentali hanno avuto origine dalla microscopia a fluorescenza time-lapse di tessuti viventi. I primi lavori di Lichtman e colleghi 5,6,7 hanno utilizzato l'imaging in vivo del sistema nervoso dei mammiferi per studiare la rigenerazione/degenerazione degli assoni, l'organizzazione dei componenti sinaptici e il trasporto assonale a lungo raggio. Inoltre, gli studi seminali sugli espianti neuronali primari sono stati fondamentali per stabilire l'importanza della dinamica dei microtubuli (MT) per l'allungamento e la motilità assonale 8,9. Fondamentalmente, i primi studi di espianti neuronali hanno stabilito l'uso di proteine della famiglia legante le estremità (EB) marcate in fluorescenza per ottenere informazioni preziose sulle dinamiche più-estremità della MT nello sviluppo dei neuroni a livello dei singoli polimeri MT10. Questi studi sono nati dall'osservazione che il membro della famiglia EB EB1 si localizza preferenzialmente in MT più estremità11 in S. cerevisiae12 e in cellule in coltura13. Da allora, EB1 e altre proteine di tracciamento della punta (+TIP)14,15 sono state ampiamente utilizzate in studi in vivo sull'instabilità dinamica della MT16, anche nel contesto dello sviluppo neuronale17.
Drosophila è un potente modello per studi di imaging in vivo della dinamica MT durante lo sviluppo neuronale grazie ai vasti strumenti genetici e di imaging disponibili per gli studi sui moscerini18,19 e alle somiglianze nella struttura e nella funzione tra Drosophila e i neuroni dei vertebrati1. Uno studio precoce chiave della giunzione neuromuscolare (NMJ) delle larve di Drosophila ha eseguito l'imaging ripetuto non invasivo di un marcatore di membrana fluorescente attraverso la cuticola traslucida di animali intatti per documentare la morfogenesi terminale presinaptica20. Utilizzando un metodo simile per l'imaging di larve di Drosophila intere e vive, è stata fornita una dimostrazione iniziale dell'analisi subcellulare a livello di particelle del movimento processivo dei carichi motori negli assoni21. Più recentemente, studi meticolosi di Rolls e colleghi sui dendriti sensoriali delle larve intatte di Drosophila 22,23,24,25,26,27 hanno caratterizzato la dinamica postsinaptica MT plus-end eseguendo il tracciamento delle particelle e l'analisi di EB1 marcata con proteina fluorescente verde (GFP). Tali studi su Drosophila 22,23,24,25,26,27 e altri sistemi 28,29,30,31,32 hanno fatto progredire significativamente la comprensione del comportamento del singolo polimero della MT più le estremità nei dendriti dei neuroni in via di sviluppo 33.
Nonostante gli impressionanti studi in vivo sulla dinamica postsinaptica della MT 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31, ci sono stati molti meno studi comparabili sulla dinamica presinaptica della MT al terminale dell'assone in via di sviluppo. La dinamica della MT presso la larva di Drosophila NMJ è stata studiata utilizzando la microscopia a macchie fluorescenti (FSM) e il recupero della fluorescenza dopo fotosbiancamento (FRAP)34. Queste tecniche valutano la cinetica complessiva della tubulina, ma non il comportamento delle singole estremità più MT. Al momento della stesura di questo articolo, c'è stata un'unica indagine sulle singole MT plus ends presso il NMJ di Drosophila: questo studio ha combinato l'imaging time-lapse dal vivo con l'analisi manuale dei chimografi per caratterizzare una popolazione di MT dinamici, etichettati EB1-GFP come "pionieristici" che apparivano distinti da una popolazione più ampia di MT stabilizzati35. Questa mancanza di ricerca sulla dinamica della MT presinaptica può essere dovuta almeno in parte all'anatomia: mentre è relativamente semplice ottenere immagini di dendriti a causa della loro vicinanza alla cuticola larvale, le NMJ sono ostruite da altri tessuti, rendendo difficile l'acquisizione di immagini con un rapporto segnale/rumore sufficiente per l'analisi a livello di particelle. Tuttavia, data l'importanza ben consolidata delle MT presinaptiche per la morfogenesi e la stabilizzazione sinaptica36, nonché i loro legami con i disturbi dello sviluppo neurologico e neurodegenerativi37, è probabile che colmare questo divario tra la comprensione delle MT pre- e postsinaptiche produca intuizioni preziose.
Un'ulteriore sfida per l'analisi delle dinamiche MT in vivo in generale, a differenza dell'analisi in vitro o ex vivo, è rappresentata dai limitati strumenti software automatizzati in grado di estrarre parametri dinamici da dati in vivo. Attualmente, una delle tecniche più popolari e potenti per l'analisi delle estremità positive MT marcate +TIP è plusTipTracker38,39, un software basato su MATLAB che consente il tracciamento e l'analisi automatizzati di più parametri dinamici. In particolare, plusTipTracker misura non solo la crescita della traduzione automatica, ma anche il restringimento e i salvataggi: mentre le etichette +TIP come EB1-GFP si associano solo a fini positivi crescenti, plusTipTracker può dedurre algoritmicamente i tassi di contrazione e gli eventi di salvataggio. Tuttavia, mentre plusTripTracker è stato applicato con successo a molti contesti, tra cui la precedente analisi multiparametrica delle dinamiche MT ex vivo nelle cellule S2 di Drosophila40, plusTipTracker non è ottimale per l'analisi di dati in vivo a causa del loro rapporto segnale/rumore inferiore. Di conseguenza, gli studi in vivo sulla dinamica plus-end ai dendriti 22,23,24,25,26,27 e all'NMJ35 di Drosophila si sono basati sulla generazione manuale e sull'analisi dei chimografi utilizzando software come ImageJ41, o su strategie semiautomatizzate che coinvolgono numerosi componenti human-in-the-loop.
Questo studio presenta un flusso di lavoro sperimentale e analitico che riduce il sovraccarico sperimentale e analitico necessario per eseguire analisi non invasive a livello di polimero delle dinamiche MT presinaptiche sia nei dendriti sensoriali che nel terminale dell'assone motorio delle larve di terzo stadio di Drosophila. Il protocollo utilizza larve immobilizzate e intatte e quindi evita lesioni note per innescare risposte allo stress, nonché altre condizioni non fisiologiche che potrebbero perturbare la dinamica della MT in vivo. Per marcare i plus-end MT dinamici, EB1-GFP è espresso a livello pan-neuronale utilizzando il sistema Gal4/UAS 42, consentendo la visualizzazione di MT sia ai dendriti che all'NMJ con un singolo driver. Mentre alcune fasi iniziali sono inevitabilmente soggette al processo decisionale umano, come la selezione di esemplari animali e l'identificazione delle regioni da visualizzare, le fasi successive all'acquisizione dei dati sono in gran parte automatizzate. Fondamentalmente, l'ottimizzazione di un nuovo software ha consentito un'analisi automatizzata e imparziale che richiede un intervento umano minimo. Mentre altri metodi di tracciamento delle particelle sono disponibili 43,44,45, questo studio utilizza un software proprietario perché era algoritmicamente adatto ad affrontare le sfide particolari di questo particolare set di dati. Il software è ora disponibile per gli utenti per una varietà di applicazioni. In particolare, l'uso del filtraggio della diffusione che migliora la coerenza46 è parte integrante della segmentazione automatizzata e della rimozione dello sfondo, e algoritmi personalizzati sono implementati specificamente per automatizzare il rilevamento e il tracciamento delle particelle. Questa strategia potrebbe gestire efficacemente il basso rapporto segnale/rumore inerente ai dati di questo studio, così come altre sfide, come il movimento delle comete EB1-GFP attraverso diversi piani focali. Sebbene non sia possibile testare in modo esaustivo le prestazioni di questo software rispetto a tutti gli altri software di analisi delle particelle, le prestazioni della presente strategia hanno eguagliato o si sono avvicinate alle prestazioni umane standard. Inoltre, per quanto ne sanno gli autori, non è stato addestrato nessun altro software specificamente addestrato su dati in vivo provenienti da dendriti sensoriali e dal terminale presinaptico. Dato che le prestazioni degli algoritmi di analisi delle immagini sono spesso altamente specifiche per i dati per cui sono stati progettati e che la visione artificiale generalizzata non è ancora possibile, ci si aspetta che l'addestramento del software descritto ai dati in vivo specifici di interesse sia l'approccio più valido dal punto di vista algoritmico.
Dato l'ampio lavoro sui dendritici MT 22,23,24,25,26,27 e la qualità costante dei dati che possono essere acquisiti da questo sistema, la strategia di acquisizione delle immagini e di analisi del software è stata convalidata per la prima volta nei dendriti sensoriali di Drosophila. È importante sottolineare che è stato riscontrato nei dendriti che l'uso di diversi driver Gal4 neuronali, anche in background di tipo selvatico altrimenti identici, si traduce in differenze significative nella dinamica EB1-GFP a causa di differenze nel background genetico, sottolineando l'importanza di utilizzare un singolo driver Gal4 per risultati coerenti. Questa strategia è stata successivamente utilizzata per l'analisi multiparametrica della dinamica EB1-GFP al terminale presinaptico del NMJ. Per illustrare ulteriormente il valore investigativo di questo metodo, questa strategia di imaging e software è stata utilizzata per valutare la dinamica pre- e postsinaptica di EB1-GFP a seguito di knockdown di dTACC, l'omologo di Drosophila della famiglia TACC (transforming acidic coiled coil) altamente conservata47,48. Precedenti lavori sulle celluleS2 40 di Drosophila, così come il lavoro di Lowery e colleghi sul cono di crescitaXenopus 49,50,51, hanno dimostrato che i membri della famiglia TACC regolano le dinamiche più o meno MT. Inoltre, le prove recentemente riportate dall'imaging confocale e in immunofluorescenza a super-risoluzione hanno dimostrato che il dTACC è un regolatore chiave delle MT presinaptiche durante la morfogenesi neuronale52, sollevando la questione se dTACC regoli la dinamica della MT in tempo reale. Questo rapporto dimostra un metodo in grado di rilevare le differenze nei comportamenti di traduzione automatica in tempo reale al momento dell'abbattimento di dTACC. Pertanto, questo studio presenta un metodo in vivo in grado di identificare e caratterizzare efficacemente i regolatori chiave della dinamica della MT all'interno del neurone in via di sviluppo, in particolare nel compartimento presinaptico.
1. Generazione di esemplari di Drosophila
2. Configurazione dell'attrezzatura
3. Preparazione di campioni larvali per l'imaging
4. Imaging confocale time-lapse di campioni vivi
5. Elaborazione e analisi delle immagini basate su software
I moscerini sono stati allevati da stock stabili che esprimono costitutivamente il transgene UAS-EB1-GFP sia a livello panneuronale (elaV-Gal4; UAS-EB1-GFP)58,59 o nei neuroni sensoriali (221-Gal4; UAS-EB1-GFP)60,61. EB1 è stato scelto per questo studio perché si localizza specificamente alle estremità in crescita e si dissocia immediatamente dopo la ...
Questo articolo discute un protocollo per eseguire l'imaging intravitale non invasivo della dinamica MT nei dendriti e all'NMJ durante lo sviluppo. L'input umano è richiesto durante le fasi sperimentali, ad esempio nella selezione degli animali da riprodurre, e può introdurre distorsioni nel processo di raccolta dei dati che non possono essere ragionevolmente rimosse. Pertanto, un obiettivo chiave del protocollo è quello di ridurre al minimo le distorsioni, ove possibile, eseguendo an...
Gli autori Hoyin Lai, Michael Jones, Hideki Sasaki, Luciano A.G. Lucas, Sam Alworth (precedentemente) e James Shih-Jong Lee sono dipendenti di DRVision Technologies LLC, che produce il software utilizzato in questo protocollo.
Ringraziamo i nostri colleghi del laboratorio Van Vactor e di DRVision, oltre ai dottori Max Heiman, Pascal Kaeser, David Pellman e Thomas Schwarz per l'utile discussione. Ringraziamo la dottoressa Melissa Rolls per aver generosamente fornito l'elaV-Gal4; UAS-EB1-GFP; UAS-DCR2 e 221-Gal4; Azioni UAS-EB1-GFP utilizzate in questo studio. Ringraziamo le dottoresse Jennifer Waters e Anna Jost del Nikon Imaging Center di Harvard per l'esperienza nel microscopio ottico. Questo lavoro è finanziato dal National Institutes of Health (F31 NS101756-03 a V.T.C., SBIR 1R43MH100780-01D a J.S.L.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL microcentrifuge tube | Eppendorf | 21008-959 | Sample preparation |
1000 µL TipOne pipette tips | USA Scientific | 1111-2721 | Sample preparation |
200 µL TipOne pipette tips | USA Scientific | 1120-8710 | Sample preparation |
221-Gal4 flies | Bloomington Drosophila Stock Center (US) | 26259 | Drosophila genetics/crosses |
60x Objective Lens | Nikon | Plan Apo 60x Oil | Image acquisition |
6-well plate | BD Falcon | 353224 | Sample preparation |
Agar | MoorAgar | 41084 | Drosophila food |
Aivia | DRVision LLC | Optimized as part of this study | |
Chloroform (stabilized with amylenes) | Sigma-Aldrich | C2432 | Sample preparation |
CO2 blowgun (for selection of flies for crosses) | Genesee | 54-104 | Drosophila genetics/crosses |
CO2 bubbler (for selection of flies for crosses) | Genesee | 59-180 | Drosophila genetics/crosses |
Cooled CCD camera | Hamamatsu | ORCA-R2 | Image acquisition |
Cornmeal | Genesee | 62-101 | Drosophila food |
Distilled Water | Drosophila food | ||
Double-sided tape | Scotch | Sample preparation | |
Drosophila vials | Genesee | 32-109 | Drosophila food |
Droso-plugs (foam plugs for vials) | Genesee | 59-200 | Drosophila food |
Dumont #5 Biologie Inox Forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | Sample preparation |
elaV-Gal4;UAS-EB1-GFP;UAS-Dcr2 flies | Gift of Melissa Rolls (Penn State University) | N/A | Drosophila genetics/crosses |
Ethanol (95%) | VWR | 75811-022 | Drosophila food |
Fiber optic illuminator/light source for stereomicroscope | Nikon | NI-150 | Sample preparation |
Flypad (for selection of flies for crosses) | Genesee | 59-172 | Drosophila genetics/crosses |
Forma Environmental Chamber/Incubator | ThermoFisher | 3940 | Drosophila genetics/crosses |
Halocarbon oil 700 | Sigma-Aldrich | H8898 | Sample preparation |
Immersion Oil | Nikon | MXA22168 | Image acquisition |
Kimwipe Delicate Wipes | Fisher Scientific | 34120 | Sample preparation |
Laser Merge Module | Spectral Applied Research | LMM-5 | Image acquisition |
Light Source for Confocal | Lumencor | SOLA 54-10021 | Image acquisition |
MetaMorph Microscopy Automation & Image Analysis Software | Molecular Devices | Image acquisition | |
Micro Cover Glasses, Square, No. 1 1/2 (#1.5) | VWR | 48366-205 | Sample preparation |
Motorized inverted microscope with Perfect Focus System | Nikon | TI-ND6-PFS-S | Image acquisition |
Motorized stage and shutters | Prior | Proscan III | Image acquisition |
Multi-purpose scissors | Scotch | MMM1428 | Sample preparation |
Nail Polish | Sally Hansen | 784179032016 074170382839 | Sample preparation |
Optical Filter | Chroma | ET480/40m | Image acquisition |
P1000 Pipetman | Gilson | F123602 | Sample preparation |
P200 Pipetman | Gilson | F123601 | Sample preparation |
PBS (10X) ph 7.4 | ThermoFisher | 70011044 | Sample preparation |
Propionic Acid | Fisher | A258-500 | Drosophila food |
Spinning disk confocal scanner unit | Yokagawa | CSU-X1 | Image acquisition |
Stereomicroscope | Nikon | SMZ800N | Sample preparation |
Sugar (Sucrose) | Genesee | 62-112 | Drosophila food |
Superfrost Slide | VWR | 48311-600 | Sample preparation |
Tegosept | Genesee | 20-258 | Drosophila food |
UAS-dtacc-RNAi flies | Vienna Drosophila Resource Center (Vienna, Austria) | VDRC-101439 | Drosophila genetics/crosses |
Vaseline petroleum jelly | WB Mason | DVOCB311003 | Sample preparation |
Winsor & Newton Brush Regency Gold 520, Size 0 | Staples | 5012000 | Drosophila genetics/crosses |
Yeast | VWR | Torula Yeast IC90308580 | Drosophila food |
Yokogawa dichroic beamsplitter | Semrock | Di01-T405/488/568/647-13x15x0.5 | Image acquisition |
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