* These authors contributed equally
En langsiktig konserveringsmetode for Drosophila-stammer som et alternativ til hyppig overføring av voksne fluer til ferske matflasker er svært ønskelig. Denne protokollen beskriver kryopreservering av Drosophila primordiale kimceller og stammegjenoppliving via transplantasjon til agametiske vertsembryoer.
Drosophila-stammer må opprettholdes ved hyppig overføring av voksne fluer til nye hetteglass. Dette medfører fare for mutasjonsforringelse og fenotypiske forandringer. Utvikling av en alternativ metode for langtidsbevaring uten slike endringer er derfor avgjørende. Til tross for tidligere vellykkede forsøk, er kryopreservering av Drosophila-embryoer fortsatt ikke av praktisk nytte på grunn av lav reproduserbarhet. Her beskriver vi en protokoll for primordial kimcelle (PGC) kryopreservering og stammegjenoppliving via transplantasjon av kryopreserverte PGC til agametiske Drosophila melanogaster (D. melanogaster) vertsembryoer. PGC er svært gjennomtrengelige for kryobeskyttende midler (CPA), og utviklingsmessig og morfologisk variasjon mellom stammer er mindre problematisk enn ved embryokryopreservering. I denne metoden samles PGC fra ca. 30 donorembryoer, lastes inn i en nål etter CPA-behandling, og deretter kryopreserveres i flytende nitrogen. For å produsere donoravledede kjønnsceller, tines de kryopreserverte PGCene i en nål og deponeres deretter i ca. 15 agametiske vertsembryoer. En frekvens på minst 15% fruktbare fluer ble oppnådd med denne protokollen, og antall avkom per fruktbart par var alltid mer enn nok til å gjenopplive den opprinnelige stammen (gjennomsnittlig avkomstall er 77,2 ± 7,1), noe som indikerer evnen til kryopreserverte PGCer til å bli kimlinjestamceller. Gjennomsnittlig antall fertile fluer per nål var 1,1 ± 0,2, og 9 av 26 nåler produserte to eller flere fruktbare avkom. Det ble funnet at 11 nåler er nok til å produsere 6 eller flere avkom, hvor minst en kvinne og en hann sannsynligvis er inkludert. Den agametiske verten gjør det mulig å gjenopplive stammen raskt ved ganske enkelt å krysse nyoppståtte kvinnelige og mannlige fluer. I tillegg har PGC potensial til å bli brukt i genteknologiske applikasjoner, for eksempel genomredigering.
Vedlikehold av Drosophila-stammer ved overføring av voksne fluer til nye matflasker resulterer uunngåelig i akkumulering av mutasjoner og epigenetiske endringer over tid. Utvikling av en alternativ metode for langsiktig vedlikehold av Drosophila-stammer uten slike endringer er avgjørende, spesielt for referansestammer der hele genomet må opprettholdes. Flere vellykkede forsøk på å kryobevare Drosophila-embryoer eller eggstokker har blitt beskrevet 1,2,3. Dessverre er de fortsatt ikke av praktisk bruk på grunn av lav reproduserbarhet. Faktisk har embryoer i tidlig stadium en lav overlevelsesrate etter kryopreservering på grunn av deres høye eggeplommeinnhold, noe som hindrer kryobeskyttende middel (CPA) permeasjon og diffusjon 2,3. CPA permeabilitet er også sterkt begrenset av voksagtige lag av sent stadium embryoer. Det er vanskelig og tidkrevende å finne en stammespesifikk tidsperiode der embryoer har høy overlevelse og et tynnere vokslag. Nylig forbedret Zhan et al.4 metoder for embryopermeabilisering, CPA-belastning og vitrifikasjon og vellykket kryopreserverte embryoer av flere stammer. Metodene er imidlertid ikke enkle å anvende fordi levedyktigheten til embryoer etter permeabilisering har en tendens til å være dårlig. Derfor er det fortsatt behov for ytterligere forbedring og utvikling av alternative tilnærminger. Metoder som involverer kryopreservering av primordiale kimceller (PGC) er en alternativ tilnærming for langsiktig vedlikehold av Drosophila-stammer.
PGC (også kalt polcelle) transplantasjon har blitt brukt til å generere germline kimærer, spesielt kvinner, for å studere prosesser som mors effekter av zygotiske dødelige mutasjoner og kjønnsbestemmelse av kjønnsceller 5,6,7,8,9,10,11,12 . PGC er mye mindre enn embryoer og vil sannsynligvis være svært gjennomtrengelig for de fleste kryobeskyttelsesmidler. Videre er utviklingsmessig og morfologisk variasjon mellom stammer mindre problematisk, og en agametisk vert muliggjør rask restaurering av hele genomer. Vi har nylig utviklet en ny metode for PGC kryopreservering13, som forhindrer de ellers uunngåelige genetiske og epigenetiske endringene i Drosophila-stammer. Her presenterer vi den detaljerte protokollen.
Denne kryopreserveringsmetoden krever spesifikk ekspertise innen PGC-håndtering og instrumentering. Mens en trinnvis tilnærming kan være en effektiv løsning for de som ikke er kjent med det, kan det være uegnet for små laboratorier på grunn av instrumenteringskrav. Denne PGC-kryopreserveringsprotokollen kan lettere tilpasses for bruk med forskjellige Drosophila-arter og forskjellige insektarter enn embryokryopreserveringsprotokoller på grunn av mindre utviklingsmessige og morfologiske forskjeller. PGC kan også potensielt brukes i genteknologiske applikasjoner, for eksempel genomredigering 14,15,16. Oppsummert kan denne metoden brukes i lagersentre og andre laboratorier for å opprettholde flue- og andre insektstammer i lengre perioder uten endringer.
1. Forberedelse av utstyr
2. Innsamling og kryopreservering av PGC
3. Tining og transplantasjon av PGC
4. Inkubere embryoer og gjenopprette donorstammer
Effektiviteten av kryopreservert PGC-transplantasjon er rapportert av Asaoka et al.13 og er angitt i tabell 2 for transplantasjon av PGC kryopreservert i 1 dag eller lenger i flytende nitrogen. Klekkefrekvensen var 168/208 transplanterte embryoer (80,8%), og levedyktigheten fra embryo til voksen var 87/208 (41,8%). Frekvensen av fertile fluer var 28/87 (32,2%). Denne frekvensen var ikke forskjellig mellom PGCs cryopreservert i 8 til 30 dager og for de som kryopreserverte i 31-150 dager (20/57 vs. 8/30, G' = 0,63, p >0,1, d.f. = 1). Gjennomsnittlig antall avkom per par var 77,2 ± 7,1 (n = 18, 28-122), noe som indikerer kryopreserverte PGCs evne til å bli kimlinjestamceller. Av de 26 nålene produserte 10 ingen fruktbare avkom, 7 nåler produserte 1 fruktbart avkom, 7 nåler produserte 2 fruktbare avkom, og 2 nåler produserte 3 eller 4 fruktbare avkom. Gjennomsnittlig antall fertile fluer per nål var 1,1 ± 0,2. Basert på disse dataene, med 95% sikkerhet, er 11 nåler nok til å produsere 6 eller flere avkom, hvor minst en kvinne og en hann sannsynligvis er inkludert.
I de ovennevnte forsøkene brukte vi embryoer som uttrykker ovo-A mRNA i PGC (nanos>ovo-A, OvoA_OE embryoer) som en agametisk vert. Av 669 F1-hunner og 720 F1-hanner produsert fra transplanterte nanoer>ovo-A-par, var det ingen rømning som var avledet fra verts-PGC-ene. Flere oskar (osk) mutanter er også temperaturfølsomme agametic20,21. Fordi en osk-mutant med høy homozygot levedyktighet og den agametiske fenotypen ikke lenger er tilgjengelig, gjenskapte vi osk[8] missensemutanten20 ved CRISPR/Cas9-assistert genomredigering. Disse fluene var helt agametiske (0 rømlinger av 230 hunner og 192 hanner) ved 25 °C, men noen få rømlinger dukket opp ved 23 °C (1 av 248 hunner og 1 av 290 hanner). nanos>ovo-A anbefales derfor som agametiske vertsembryoer. Både UASp-ovo-A og nanos-Gal4 aksjer13 vil snart være tilgjengelige fra KYOTO Drosophila Stock Center.
Figur 1: Utstyr som kreves. (A) Et mikromanipulatorsystem for å samle inn og transplantere celler. i) invertert mikroskop, ii) mekanisk mikromanipulator, iii) sprøyte, iv) kapillærholder, v) treveis stoppekran, vi) luftfukter og vii) stereomikroskop. (B) En sprøyte. (C) En treveis stoppekran og silikonrør forbinder en sprøyte og en kapillærholder. (D) En nål og en kapillærholder er festet til en mikromanipulator. (E) Et embryooppsamlingskopp med en embryooppsamlingsplate (6 cm diameter, 7,7 cm høy). (F) En nettsil i rustfritt stål. (G) En beholder som brukes som et fuktig kammer med et glassglass. For å opprettholde fuktighet, legg vått papir på bunnen og lukk lokket. (H) En kanyleholder med en kanyle for kryopreservering. (I) Et oppbevaringsstativ for kryopreservering og en eske med nåler. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: En PGC-samling glassglass og en kryopreserveringsnål. (A) En primordial kimcelle (PGC)-samling glassglass belagt med lim. Dekorionerte embryoer er justert i to rader og orientert med deres fremre til høyre (siden som skal manipuleres) og ventral side opp. En embryo-pool ramme er festet, to dråper kryobeskyttende midler (CPA) løsning er avsatt, og bassenget er fylt med silikonolje. (B) En nål skal inneholde så liten mengde eggeplomme og andre forurensninger som mulig. PGC er sandwichet mellom to lag silikonolje når de kryopreserveres i flytende nitrogen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Fremstilling av kanylen. Tre-trinns spisspoleringsmetode for å lage en nål med en passende hullstørrelse og en skarp spiss. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Embryoinnsamlingsskjema. Etter to pre-samlinger samler vi vanligvis tre eller fire ganger per dag. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Vertsembryojustering. Justering av vertsembryoer på et glassglass. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: En oversikt over PGC-kryopreserveringsmetoden. En oversikt over alle trinnene som ble fulgt for å utføre primordial kimcelle (PGC) kryopreservering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Fuktighet i rommet | |||
< 30% | ~ 30% | > 30% | |
Juster vertsembryoer (~20 min) | Bruk en luftfukter i 2 - 10 min | Bruk en luftfukter periodisk i 1 min | Ikke bruk luftfukter |
PGC for tinedonor | Ikke aktuelt | Ikke aktuelt | Ikke aktuelt |
Lufttørre PGC-er | Utelat dette trinnet | Utelat dette trinnet | 5 min |
Påfør silikonolje | Ikke aktuelt | Ikke aktuelt | Ikke aktuelt |
Transplantasjon PGC | Ikke aktuelt | Ikke aktuelt | Ikke aktuelt |
Alle disse trinnene skal fintes på 50 min. |
Tabell 1: Tørking av embryoer under embryojustering og PGC-tining.
Donor belastning | Kryopreserveringsperiode | Antall transplanterte embryoer (A) | Antall klekkede larver (B) (lukkbarhet, B/A) | Antall lukkede voksne (F) (egg-til-voksen levedyktighet, C / A) | Antall fertile voksne (D) (frekvens av fertile fluer, D/C) |
M17 | 8 - 30 dager | 134 | 108 (80.6%) | 57 (42.5%) | 20 (35.1%) |
M17 | 31 - 150 dager | 74 | 60 (81.1%) | 30 (40.5%) | 8 (26.7%) |
M17: YW; TM6B, P{Dfd-GMR-nvYFP}4, Sb[1] Tb[1] ca[1]/ Pri[1] |
Tabell 2: Effektivitet av kryopreservert PGC-transplantasjon. Denne tabellen er endret fra13. Alle data er fra agametiske verter.
En kritisk faktor for suksess i PGC kryopreservering og vekkelse er å bruke gode embryoer. Unge hunner (f.eks. 3 til 5 dager gamle) bør brukes til embryoinnsamling. Både donor- og vertsembryoer vurderes ved mikroskopisk inspeksjon, og bare de på blastodermstadiet (trinn 5) brukes12. For PGC-innsamling justerer vi vanligvis ca. 40 donorembryoer i løpet av en periode på 20 minutter og samler PGC fra ca. 30 embryoer tidlig i fase 5; Eldre og defekte embryoer brukes ikke. Etter kryopreservering og tining bør PGC opprettholde sin form; PGC-brudd ved mislykket konservering. Vertsembryoer bør også være på stadium 5 og ha et moderat indre trykk; Embryoer bør sakte gå tilbake til sin opprinnelige form etter mild prodding. Altfor og utilstrekkelig tørkede embryoer vil ikke utvikle seg normalt etter transplantasjon. Fordi heteroseksuell transplantasjon av PGC ikke klarer å produsere kjønnsceller i Drosophila 5,10, er transplantasjon av PGC fra flere donorembryoer til vertsembryoer mer sannsynlig å gi fruktbare voksne. For dette formål samler vi vanligvis PGC fra omtrent 30 embryoer per nål.
Som kryobeskyttelsesmidler prøvde vi etylenglykol, dimetylsulfoksid og glyserol sammen med sukrose i forskjellige konsentrasjoner. Vi bestemte at EBR inneholdende 20% etylenglykol og 1 M sukrose var den beste13; Bruk av forskjellige kryobeskyttelsesmidler kan imidlertid forbedre PGC-bevaring22.
Denne kryopreserveringsmetoden krever spesialiserte ferdigheter innen PGC-håndtering, og omtrent 6 ukers trening er nødvendig for å samle og transplantere PGC komfortabelt. For å vurdere og forbedre ferdighetsferdighetene, kan dette deles inn i seks treningstrinn: 1) justere embryoer på et glassglass, 2) kontrollere en manipulator, 3) transplantere PGC fra et embryo til et annet embryo uten kryopreservering, 4) transplantere PGC fra 10 eller flere embryoer til 5 til 10 embryoer, 5) transplantere PGC etter påføring av CPA, og 6) transplantere PGC etter frysetining. Hvert trinn kan ta 1 uke. De kortsiktige målene i trinn 3 er en klekkefrekvens på 40%, levedyktighet fra embryo til voksen på 10%-20%, og en frekvens av fertile fluer på 20%.
PGC-kryopreservering krever kostbar instrumentering og høyt kvalifisert personell. Derfor kan denne metoden ikke vedtas av mange laboratorier. Den nåværende PGC-metoden har imidlertid flere viktige aspekter. For det første er PGC mye mindre enn embryoer og er svært gjennomtrengelige for kryobeskyttelsesmidler. I motsetning til dette er kryobeskyttelsesmiddelpermeabiliteten sterkt begrenset av de voksagtige lagene av Drosophila-embryoer, som er det alvorligste problemet ved embryokryopreservering. Faktisk har tidligere studier gjort store anstrengelser for å finne et tidsvindu der embryoer har høy overlevelse og et tynnere vokslag. Den andre er opptatt av utviklingsmessig og morfologisk variasjon mellom stammer. PGC samles fra tidlige stadium-5 embryoer (2 t 30 min-3 t 20 min etter egglegging), mens embryokryopreservering utføres på stadium-16 embryoer (14-22 timer etter egglegging). Embryoene er derfor mye eldre og viser mye større belastningsvariasjon i det optimale tidsvinduet for kryopreservering sammenlignet med PGC-kryopreservering. Faktisk varierte frekvensen av verter som produserte donoravledet avkom ikke mellom fem stammer studert av Asaoka et al.13, selv om vertene ikke var agametisk. Videre har PGC potensial til å bli brukt i genteknologiske applikasjoner, for eksempel genomredigering 14,15,16.
Vi takker KYOTO Drosophila Stock Center for fluestammer. Vi takker også Wanda Miyata for engelskspråklig redigering av manuskriptet og Dr. Jeremy Allen fra Edanz (https://jp.edanz.com/ac) for redigering av et utkast til dette manuskriptet. Dette arbeidet ble støttet av tilskudd (JP16km0210072, JP17km0210146, JP18km0210146) fra Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) til T.T.-S.-K., tilskudd (JP16km0210073, JP17km0210147, JP18km0210145) fra AMED til SK, et tilskudd (JP20km0210172) fra AMED til T.T.-S.-K. og S.K., et stipend for vitenskapelig forskning (C) (JP19K06780) fra Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) til T.T.-S.-K., og et stipend til vitenskapelig forskning på innovative områder (JP18H05552) fra JSPS til S.K.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic acid | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 017-00256 | For embryo collection |
Agar powder | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 010-08725 | For embryo collection |
Calcium chloride | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 038-24985 | For EBR solution |
Capillary | Sutter Instrument | B100-75-10-PT | BOROSILICATE GLASS; O.D: 1.0mm, I.D: 0.75mm , length: 10cm, 225Pcs |
Capillary holder | Eppendorf | 5196 081.005 | Capillary holder 4; for micromanipulation |
Chromic acid mixture | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 037-05415 | For needle washing |
CPA solution | 1x EBR containing 20% ethylene glycol and 1M sucrose | ||
Double-sided tape | 3M | Scotch w-12 | For glue extracting |
Ephrussi–Beadle Ringer solution (EBR) | 130 mM NaCl, 5 mM KCl, 2 mM CaCl2, and 10 mM Hepes at pH 6.9 | ||
Ethanol (99.5) | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 057-00451 | For embryo collection |
Ethylene glycol | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 054-00983 | For CPA solution |
Falcon 50 mm x 9 mm bacteriological petri dish | Corning Inc. | 351006 | For embryo collection |
Forceps | Vigor | Type5 Titan | For embryo handling |
Grape juice | Asahi Soft Drinks Co., LTD. | Welch's Grape 100 | For embryo collection |
Grape juice agar plate | 50% grape juice, 2% agar, 1% ethanol, 1% acetic acid | ||
Heptane | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 084-08105 | For glue extracting |
Humidifier | APIX INTERNATIONAL CO., LTD. | FSWD2201-WH | For embryo preparation |
Inverted microscope | Leica Microsystems GmbH | Leica DM IL LED | For micromanipulation |
Luer-lock glass syringe | Tokyo Garasu Kikai Co., Ltd. | 0550 14 71 08 | Coat a plunger with silicon oil (FL-100-450CS);for micromanipulation |
Mechanical micromanipulator | Leica Microsystems GmbH | For micromanipulation | |
Micro slide glass | Matsunami Glass Ind., Ltd. | S-2441 | For embryo aligning |
Microgrinder | NARISHIGE Group | Custom order | EG-401-S combined EG-401 and MF2 (with ocular lens MF2-LE15 ); for needle preparation |
Microscope camera | Leica Microsystems GmbH | Leica MC170 HD | For micromanipulation |
Needle holder | Merck KGaA | Eppendorf TransferTip (ES) | For cryopreservation |
Potassium chloride | Nacalai Tesque, Inc. | 28514-75 | For EBR solution |
Puller | NARISHIGE Group | PN-31 | For needle preparation; the heater level is set to 85.0-98.4, the magnet main level to 57.8, and the magnet sub level to 45.0. |
PVC adhesive tape for electric insulation | Nitto Denko Corporation | J2515 | For embryo-pool frame |
Silicon oil | Shin-Etsu Chemical, Co, Ltd. | FL-100-450CS | For embryo handling |
Sodium chloride | Nacalai Tesque, Inc. | 31320-05 | For EBR solution |
Sodium hypochlorite solution | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation | 197-02206 | Undiluted and freshly prepared; for embryo breaching |
Sucrose | Nacalai Tesque, Inc. | 30404-45 | For CPA solution |
Explore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
ABOUT JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved