* These authors contributed equally
Es muy deseable un método de conservación a largo plazo para las cepas de Drosophila como alternativa a la transferencia frecuente de moscas adultas a viales de alimentos frescos. Este protocolo describe la criopreservación de células germinales primordiales de Drosophila y la reactivación de cepas a través de su trasplante a embriones de huésped agavésico.
Las cepas de Drosophila deben mantenerse mediante la transferencia frecuente de moscas adultas a nuevos viales. Esto conlleva un peligro de deterioro mutacional y cambios fenotípicos. Por lo tanto, es imperativo desarrollar un método alternativo para la conservación a largo plazo sin tales cambios. A pesar de los intentos exitosos anteriores, la criopreservación de embriones de Drosophila todavía no es de utilidad práctica debido a su baja reproducibilidad. Aquí, describimos un protocolo para la criopreservación de células germinales primordiales (PGC) y la reactivación de cepas mediante el trasplante de PGC criopreservadas en embriones hospedadores de Drosophila melanogaster (D. melanogaster) agastéticos. Las CGP son altamente permeables a los agentes crioprotectores (CPA), y la variación morfológica y de desarrollo entre cepas es menos problemática que en la criopreservación de embriones. En este método, las PGC se recolectan de aproximadamente 30 embriones de donantes, se cargan en una aguja después del tratamiento con CPA y luego se criopreservan en nitrógeno líquido. Para producir gametos derivados de donantes, las PGC criopreservadas en una aguja se descongelan y luego se depositan en aproximadamente 15 embriones de huésped agastético. Con este protocolo se logró una frecuencia de al menos un 15% de moscas fértiles, y el número de progenie por pareja fértil fue siempre más que suficiente para revivir la cepa original (el número promedio de progenie es de 77,2 ± 7,1), lo que indica la capacidad de las PGC criopreservadas para convertirse en células madre de la línea germinal. El número promedio de moscas fértiles por acícula fue de 1,1 ± 0,2, y 9 de 26 acículas produjeron dos o más progenies fértiles. Se encontró que 11 agujas son suficientes para producir 6 o más descendientes, en las que probablemente se incluyan al menos una hembra y un macho. El huésped agagmático permite revivir la cepa rápidamente simplemente cruzando moscas hembra y macho recién emergidas. Además, las PGC tienen el potencial de ser utilizadas en aplicaciones de ingeniería genética, como la edición del genoma.
El mantenimiento de cepas de Drosophila mediante la transferencia de moscas adultas a nuevos viales de alimento resulta inevitablemente en la acumulación de mutaciones y cambios epigenéticos a lo largo del tiempo. Es imperativo desarrollar un método alternativo para el mantenimiento a largo plazo de las cepas de Drosophila sin tales cambios, especialmente para las cepas de referencia en las que se debe mantener el genoma completo. Se han descrito varios intentos exitosos de criopreservar embriones u ovarios de Drosophila 1,2,3. Desafortunadamente, todavía no son de uso práctico debido a su baja reproducibilidad. De hecho, los embriones en estadios tempranos tienen una baja tasa de supervivencia después de la criopreservación debido a su alto contenido en yema, lo que impide la permeabilidad y difusión del agente crioprotector (CPA) 2,3. La permeabilidad a la CPA también está severamente limitada por las capas cerosas de los embriones en etapa tardía. Es difícil y requiere mucho tiempo encontrar un período de tiempo específico de la cepa en el que los embriones tengan una alta tasa de supervivencia y una capa de cera más delgada. Recientemente, Zhan et al.4 mejoraron los métodos de permeabilización embrionaria, carga de CPA y vitrificación y criopreservaron con éxito embriones de múltiples cepas. Sin embargo, los métodos no son fáciles de aplicar porque la viabilidad de los embriones después de la permeabilización tiende a ser pobre. Por lo tanto, todavía es necesario seguir mejorando y desarrollando enfoques alternativos. Los métodos que implican la criopreservación de células germinales primordiales (PGC) son un enfoque alternativo para el mantenimiento a largo plazo de las cepas de Drosophila.
El trasplante de PGC (también llamado de células polares) se ha utilizado para generar quimeras de la línea germinal, especialmente en hembras, para estudiar procesos como los efectos maternos de las mutaciones letales cigóticas y la determinación del sexo de las células germinales 5,6,7,8,9,10,11,12 . Las CGP son mucho más pequeñas que los embriones y es probable que sean muy permeables a la mayoría de los crioprotectores. Además, la variación morfológica y de desarrollo entre cepas es menos problemática, y un huésped agastático permite una rápida restauración de genomas completos. Recientemente hemos desarrollado un nuevo método de criopreservación de PGC13, que previene los cambios genéticos y epigenéticos que de otro modo serían inevitables en las cepas de Drosophila. A continuación, presentamos el protocolo detallado.
Este método de criopreservación requiere conocimientos específicos en el manejo e instrumentación de PGC. Si bien un enfoque paso a paso puede ser una solución eficiente para aquellos que no están familiarizados con él, puede no ser adecuado para laboratorios pequeños debido a los requisitos de instrumentación. Este protocolo de criopreservación de PGC se puede adaptar más fácilmente para su uso con diferentes especies de Drosophila y diferentes especies de insectos que los protocolos de criopreservación de embriones debido a las diferencias morfológicas y de desarrollo más pequeñas. Las PGC también pueden utilizarse potencialmente en aplicaciones de ingeniería genética, como la edición del genoma 14,15,16. En resumen, este método se puede utilizar en centros de almacenamiento y otros laboratorios para mantener las cepas de moscas y otros insectos durante períodos prolongados de tiempo sin cambios.
1. Preparación del equipo
2. Recolección y criopreservación de PGCs
3. Descongelación y trasplante de PGC
4. Incubación de embriones y restauración de cepas donantes
La eficacia del trasplante de PGC criopreservado ha sido reportada por Asaoka et al.13 y se indica en la Tabla 2 para el trasplante de PGC criopreservadas durante 1 día o más en nitrógeno líquido. La tasa de eclosión fue de 168/208 embriones trasplantados (80,8%) y la viabilidad de embrión a adulto fue de 87/208 (41,8%). La frecuencia de moscas fértiles fue de 28/87 (32,2%). Esta frecuencia no difirió entre las CGP criopreservadas durante 8 a 30 días y para las criopreservadas durante 31-150 días (20/57 vs. 8/30, G' = 0,63, p >0,1, d.f. = 1). El número promedio de descendientes por pareja fue de 77,2 ± 7,1 (n = 18, 28-122), lo que indica la capacidad de las PGC criopreservadas para convertirse en células madre de la línea germinal. De las 26 agujas, 10 no produjeron progenie fértil, 7 agujas produjeron 1 progenie fértil, 7 agujas produjeron 2 progenie fértil y 2 agujas produjeron 3 o 4 progenie fértil. El número promedio de moscas fértiles por acícula fue de 1,1 ± 0,2. Con base en estos datos, con un 95% de confianza, 11 agujas son suficientes para producir 6 o más descendientes, en los que es probable que se incluyan al menos una hembra y un macho.
En los experimentos anteriores, utilizamos embriones que expresan ARNm de ovo-A en PGC (nanos>ovo-A, OvoA_OE embriones) como huésped agástico. De las 669 hembras F1 y 720 machos F1 producidos a partir de parejas nanos>ovo-A trasplantadas, no hubo ningún escapante derivado de las PGC del huésped. Varios mutantes oskar (osk) también son gaméticos sensibles a la temperatura20,21. Debido a que ya no se dispone de un mutante osk con alta viabilidad homocigota y el fenotipo agavésico, recreamos el mutante20 con cambio de sentido osk[8] mediante edición genómica asistida por CRISPR/Cas9. Estas moscas eran completamente agamáticas (0 escapadas de 230 hembras y 192 machos) a 25 °C, pero algunas escapadas emergieron a 23 °C (1 de 248 hembras y 1 de 290 machos). Por lo tanto, los nanos>ovo-A se recomiendan como embriones de huésped agastético. Tanto las existencias de UASp-ovo-A como las de nanos-Gal4 13 estarán disponibles pronto en el Centro de Existencias de Drosophila de KYOTO.
Figura 1: Equipo necesario. (A) Un sistema de micromanipulación para recolectar y trasplantar células. i) microscopio invertido, ii) micromanipulador mecánico, iii) jeringa, iv) soporte capilar, v) llave de paso de tres vías, vi) humidificador y vii) microscopio estereoscópico. (B) Una jeringa. (C) Una llave de paso de tres vías y tubos de silicona conectan una jeringa y un soporte capilar. (D) Una aguja y un soporte capilar están unidos a un micromanipulador. (E) Un vaso de recolección de embriones con una placa de recolección de embriones (6 cm de diámetro, 7,7 cm de alto). (F) Un colador de malla de acero inoxidable. (G) Un recipiente utilizado como cámara húmeda con un portaobjetos de vidrio. Para mantener la humedad, coloque papel mojado en el fondo y cierre la tapa. (H) Un soporte de aguja con una aguja para criopreservación. (I) Un estante de almacenamiento para criopreservación y una caja con agujas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Un portaobjetos de vidrio de recolección de PGC y una aguja de criopreservación. (A) Un portaobjetos de vidrio de recolección de células germinales primordiales (PGC) recubierto con pegamento. Los embriones decorionados se alinean en dos filas y se orientan con la parte anterior hacia la derecha (el lado a manipular) y el lado ventral hacia arriba. Se coloca un marco de piscina de embriones, se depositan dos gotas de solución de agentes crioprotectores (CPA) y la piscina se llena con aceite de silicona. (B) Una aguja debe contener la menor cantidad posible de yema y otros contaminantes. Los PGC se intercalan entre dos capas de aceite de silicona cuando se criopreservan en nitrógeno líquido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Fabricación de la aguja. Método de pulido de punta de tres pasos para hacer una aguja con un tamaño de orificio apropiado y una punta afilada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Esquema de recolección de embriones. Después de dos pre-recolecciones, solemos recolectar tres o cuatro veces al día. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Alineación del embrión huésped. Alineación de embriones hospedadores en un portaobjetos de vidrio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Descripción general del método de criopreservación de PGC. Una visión general de todos los pasos seguidos para llevar a cabo la criopreservación de células germinales primordiales (CGP). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Humedad ambiental | |||
< 30% | ~ 30% | > 30% | |
Alinear los embriones del huésped (~20 minutos) | Use un humidificador durante 2 a 10 minutos | Use un humidificador de forma intermitente durante 1 minuto | No utilice un humidificador |
Descongelar los PGC de donantes | No aplicable | No aplicable | No aplicable |
Secado al aire libre de PGC | Omitir este paso | Omitir este paso | 5 minutos |
Aplicar aceite de silicona | No aplicable | No aplicable | No aplicable |
Trasplante de PGC | No aplicable | No aplicable | No aplicable |
Todos estos pasos deben completarse en 50 minutos. |
Tabla 1: Secado de embriones durante el alineamiento embrionario y descongelación de PGC.
Cepa donante | Periodo de criopreservación | Número de embriones trasplantados (A) | Número de larvas eclosionadas (B) (incubabilidad, B/A) | Número de adultos encerrados (C) (viabilidad del huevo al adulto, C/A) | Número de adultos fértiles (D) (frecuencia de moscas fértiles, D/C) |
M17 | 8 - 30 días | 134 | 108 (80.6%) | 57 (42.5%) | 20 (35.1%) |
M17 | 31 - 150 días | 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] |
Tabla 2: Eficiencia del trasplante de PGC criopreservado. Esta tabla es una modificación dela 13. Todos los datos provienen de hosts agávicos.
Un factor crítico para el éxito en la criopreservación y reactivación de PGC es el uso de buenos embriones. Se deben utilizar hembras jóvenes (p. ej., de 3 a 5 días de edad) para la recolección de embriones. Tanto los embriones de la donante como los del huésped se evalúan mediante inspección microscópica, y solo se utilizan los que se encuentran en la etapa de blastodermo (etapa 5)12. Para la recolección de PGC, generalmente alineamos aproximadamente 40 embriones de donantes en un período de 20 minutos y recolectamos PGC de aproximadamente 30 embriones en la etapa temprana 5; No se utilizan embriones más viejos y defectuosos. Después de la criopreservación y descongelación, los PGC deben mantener su forma; Las CGP se rompen en la preservación infructuosa. Los embriones huéspedes también deben estar en la etapa 5 y tener una presión interna moderada; Los embriones deben volver lentamente a su forma original después de un suave pinchazo. Los embriones excesivamente secos e insuficientemente secos no se desarrollarán normalmente después del trasplante. Debido a que el trasplante heterosexual de PGCs no produce gametos en Drosophila 5,10, es más probable que el trasplante de PGCs de múltiples embriones de donantes a embriones hospedadores produzca adultos fértiles. Para ello, solemos recolectar PGCs de aproximadamente 30 embriones por aguja.
Como crioprotectores, probamos etilenglicol, dimetilsulfóxido y glicerol junto con sacarosa en varias concentraciones. Determinamos que el EBR que contenía 20% de etilenglicol y 1 M de sacarosa era el mejor13; sin embargo, el uso de diferentes crioprotectores puede mejorar la preservación de los PGC22.
Este método de criopreservación requiere habilidades especializadas en el manejo de PGC, y se necesitan aproximadamente 6 semanas de capacitación para recolectar y trasplantar cómodamente PGC. Para evaluar y mejorar el dominio de las habilidades, esto se puede dividir en seis pasos de entrenamiento: 1) alinear los embriones en un portaobjetos de vidrio, 2) controlar un manipulador, 3) trasplantar PGC de un embrión a otro embrión sin criopreservación, 4) trasplantar PGC de 10 o más embriones a 5 a 10 embriones, 5) trasplantar PGC después de aplicar CPA y 6) trasplantar PGC después de la congelación-descongelación. Cada paso puede tardar 1 semana. Los objetivos a corto plazo en el paso 3 son una tasa de eclosión del 40%, una viabilidad de embrión a adulto del 10%-20% y una frecuencia de moscas fértiles del 20%.
La criopreservación de PGC requiere instrumentación costosa y personal altamente calificado. Por lo tanto, es posible que muchos laboratorios no adopten este método. Sin embargo, el método actual de PGC tiene varios aspectos importantes. En primer lugar, las CGP son mucho más pequeñas que los embriones y son muy permeables a los crioprotectores. Por el contrario, la permeabilidad de los crioprotectores está severamente limitada por las capas cerosas de los embriones de Drosophila, que es el problema más grave en la criopreservación de embriones. De hecho, estudios anteriores han hecho grandes esfuerzos para encontrar una ventana de tiempo en la que los embriones tengan una alta tasa de supervivencia y una capa de cera más delgada. El segundo se refiere a la variación morfológica y de desarrollo entre cepas. Las CGP se recogen de embriones en estadio 5 temprano (2 h 30 min-3 h 20 min después de la puesta de huevos), mientras que la criopreservación de embriones se realiza en embriones de estadio 16 (14-22 h después de la puesta de huevos). Por lo tanto, los embriones son mucho más viejos y muestran una variación de cepa mucho mayor en la ventana de tiempo óptima para la criopreservación en comparación con la criopreservación de PGC. De hecho, la frecuencia de hospederos productores de progenie derivada del donante no varió entre las cinco cepas estudiadas por Asaoka et al.13, aunque los hospedadores no eran agastáticos. Además, las PGC tienen el potencial de ser utilizadas en aplicaciones de ingeniería genética, como la edición del genoma 14,15,16.
Agradecemos al KYOTO Drosophila Stock Center por las cepas de moscas. También agradecemos a la Sra. Wanda Miyata por la edición en inglés del manuscrito y al Dr. Jeremy Allen de Edanz (https://jp.edanz.com/ac) por editar un borrador de este manuscrito. Este trabajo contó con el apoyo de subvenciones (JP16km0210072, JP17km0210146, JP18km0210146) de la Agencia Japonesa de Investigación y Desarrollo Médico (AMED) a T.T.-S.-K., subvenciones (JP16km0210073, JP17km0210147, JP18km0210145) de AMED a S.K., una subvención (JP20km0210172) de AMED a T.T.-S.-K. y S.K., una subvención para la investigación científica (C) (JP19K06780) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) a T.T.-S.-K., y una subvención para la investigación científica en áreas innovadoras (JP18H05552) de JSPS a 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 |
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