* These authors contributed equally
È altamente auspicabile un metodo di conservazione a lungo termine per i ceppi di Drosophila come alternativa al frequente trasferimento di mosche adulte in fiale di cibo fresco. Questo protocollo descrive la crioconservazione delle cellule germinali primordiali di Drosophila e la rinascita del ceppo attraverso il loro trapianto in embrioni ospiti agametici.
I ceppi di Drosophila devono essere mantenuti mediante il frequente trasferimento di mosche adulte in fiale nuove. Ciò comporta il pericolo di deterioramento mutazionale e cambiamenti fenotipici. Lo sviluppo di un metodo alternativo per la conservazione a lungo termine senza tali modifiche è quindi imperativo. Nonostante i precedenti tentativi di successo, la crioconservazione degli embrioni di Drosophila non è ancora di uso pratico a causa della bassa riproducibilità. Qui, descriviamo un protocollo per la crioconservazione delle cellule germinali primordiali (PGC) e la rinascita del ceppo tramite trapianto di PGC crioconservate in embrioni ospiti agametici di Drosophila melanogaster (D. melanogaster). Le PGC sono altamente permeabili agli agenti crioprotettivi (CPA) e la variazione evolutiva e morfologica tra i ceppi è meno problematica rispetto alla crioconservazione degli embrioni. In questo metodo, le PGC vengono raccolte da circa 30 embrioni donatori, caricate in un ago dopo il trattamento CPA e quindi crioconservate in azoto liquido. Per produrre gameti derivati da donatori, le PGC crioconservate in un ago vengono scongelate e quindi depositate in circa 15 embrioni ospiti agagametici. Con questo protocollo è stata raggiunta una frequenza di almeno il 15% di moscerini fertili e il numero di progenie per coppia fertile è sempre stato più che sufficiente per far rivivere il ceppo originale (il numero medio di progenie è stato di 77,2 ± 7,1), indicando la capacità delle PGC crioconservate di diventare cellule staminali germinali. Il numero medio di mosche fertili per ago era di 1,1 ± 0,2 e 9 aghi su 26 hanno prodotto due o più progenie fertile. Si è scoperto che 11 aghi sono sufficienti per produrre 6 o più progenie, in cui è probabile che siano inclusi almeno una femmina e un maschio. L'ospite agagametico permette di ravvivare rapidamente il ceppo semplicemente incrociando mosche femmine e maschi appena emerse. Inoltre, le PGC hanno il potenziale per essere utilizzate in applicazioni di ingegneria genetica, come l'editing del genoma.
Il mantenimento dei ceppi di Drosophila mediante il trasferimento di mosche adulte in nuove fiale di cibo comporta inevitabilmente l'accumulo di mutazioni e cambiamenti epigenetici nel tempo. Lo sviluppo di un metodo alternativo per il mantenimento a lungo termine dei ceppi di Drosophila senza tali cambiamenti è imperativo, soprattutto per i ceppi di riferimento in cui l'intero genoma deve essere mantenuto. Sono stati descritti diversi tentativi riusciti di crioconservare embrioni o ovaie di Drosophila 1,2,3. Sfortunatamente, non sono ancora di uso pratico a causa della bassa riproducibilità. Infatti, gli embrioni in fase iniziale hanno un basso tasso di sopravvivenza dopo la crioconservazione a causa del loro alto contenuto di tuorlo, che impedisce la permeazione e la diffusione dell'agente crioprotettivo (CPA) 2,3. La permeabilità al CPA è anche fortemente limitata dagli strati cerosi degli embrioni in fase avanzata. È difficile e dispendioso in termini di tempo trovare un periodo di tempo specifico per ceppo in cui gli embrioni abbiano un alto tasso di sopravvivenza e uno strato di cera più sottile. Recentemente, Zhan et al.4 hanno migliorato i metodi per la permeabilizzazione degli embrioni, il carico di CPA e la vitrificazione e hanno crioconservato con successo embrioni di ceppi multipli. Tuttavia, i metodi non sono facili da applicare perché la vitalità degli embrioni dopo la permeabilizzazione tende ad essere scarsa. Pertanto, sono ancora necessari ulteriori miglioramenti e lo sviluppo di approcci alternativi. I metodi che prevedono la crioconservazione delle cellule germinali primordiali (PGC) sono un approccio alternativo per il mantenimento a lungo termine dei ceppi di Drosophila.
Il trapianto di PGC (chiamato anche cellula polare) è stato utilizzato per generare chimere germinali, in particolare femmine, per studiare processi come gli effetti materni delle mutazioni letali zigotiche e la determinazione del sesso delle cellule germinali 5,6,7,8,9,10,11,12 . Le PGC sono molto più piccole degli embrioni e sono probabilmente altamente permeabili alla maggior parte dei crioprotettori. Inoltre, la variazione evolutiva e morfologica tra i ceppi è meno problematica e un ospite agametico consente un rapido ripristino di interi genomi. Recentemente abbiamo sviluppato un nuovo metodo di crioconservazione PGC13, che previene i cambiamenti genetici ed epigenetici altrimenti inevitabili nei ceppi di Drosophila. Qui presentiamo il protocollo dettagliato.
Questo metodo di crioconservazione richiede competenze specifiche nella manipolazione e nella strumentazione delle PGC. Mentre un approccio graduale può essere una soluzione efficiente per coloro che non hanno familiarità con esso, potrebbe non essere adatto per i piccoli laboratori a causa dei requisiti della strumentazione. Questo protocollo di crioconservazione PGC può essere adattato più facilmente per l'uso con diverse specie di Drosophila e diverse specie di insetti rispetto ai protocolli di crioconservazione degli embrioni a causa delle minori differenze di sviluppo e morfologiche. Le PGC possono anche essere potenzialmente utilizzate in applicazioni di ingegneria genetica, come l'editing del genoma 14,15,16. In sintesi, questo metodo può essere utilizzato nei centri di stoccaggio e in altri laboratori per mantenere mosche e altri ceppi di insetti per periodi di tempo prolungati senza cambiamenti.
1. Preparazione dell'attrezzatura
2. Raccolta e crioconservazione delle PGC
3. Scongelamento e trapianto di PGC
4. Incubazione di embrioni e ripristino dei ceppi di donatori
L'efficienza del trapianto di PGC crioconservato è stata riportata da Asaoka et al.13 ed è riportata nella Tabella 2 per il trapianto di PGC crioconservati per 1 giorno o più in azoto liquido. Il tasso di schiusa è stato di 168/208 embrioni trapiantati (80,8%) e la vitalità da embrione ad adulto è stata di 87/208 (41,8%). La frequenza di mosche fertili è stata di 28/87 (32,2%). Questa frequenza non differiva tra le PGC crioconservate per 8-30 giorni e quelle crioconservate per 31-150 giorni (20/57 vs. 8/30, G' = 0,63, p >0,1, d.f. = 1). Il numero medio di progenie per coppia è stato di 77,2 ± 7,1 (n = 18, 28-122), indicando la capacità delle PGC crioconservate di diventare cellule staminali germinali. Dei 26 aghi, 10 non hanno prodotto progenie fertile, 7 aghi hanno prodotto 1 progenie fertile, 7 aghi hanno prodotto 2 progenie fertile e 2 aghi hanno prodotto 3 o 4 progenie fertile. Il numero medio di mosche fertili per ago è stato di 1,1 ± 0,2. Sulla base di questi dati, con una confidenza del 95%, 11 aghi sono sufficienti per produrre 6 o più progenie, in cui è probabile che siano inclusi almeno una femmina e un maschio.
Negli esperimenti di cui sopra, abbiamo utilizzato embrioni che esprimono l'mRNA ovo-A in PGC (nanos>ovo-A, OvoA_OE embrioni) come ospite agagametico. Su 669 femmine F1 e 720 maschi F1 prodotti da coppie nanos>ovo-A trapiantate, non c'era alcun escaper derivato dalle PGC ospiti. Diversi mutanti di Oskar (osk) sono anche sensibili alla temperatura agagametico20,21. Poiché non è più disponibile un mutante osk con un'elevata vitalità omozigote e il fenotipo agagametico, abbiamo ricreato il mutante missenso osk[8] 20 mediante editing genomico assistito da CRISPR/Cas9. Questi moscerini erano completamente agametici (0 fuggi su 230 femmine e 192 maschi) a 25 °C, ma alcuni fuggivano a 23 °C (1 su 248 femmine e 1 su 290 maschi). nanos>ovo-A sono quindi raccomandati come embrioni ospiti agagametici. Sia UASp-ovo-A che nanos-Gal4 stock 13 saranno presto disponibili presso il KYOTO Drosophila Stock Center.
Figura 1: Attrezzatura necessaria. (A) Un sistema di micromanipolatori per raccogliere e trapiantare cellule. i) microscopio invertito, ii) micromanipolatore meccanico, iii) siringa, iv) supporto capillare, v) rubinetto a tre vie, vi) umidificatore e vii) stereomicroscopio. (B) Una siringa. (C) Un rubinetto a tre vie e tubi in silicone collegano una siringa e un supporto capillare. (D) Un ago e un supporto capillare sono collegati a un micromanipolatore. (E) Una coppetta per la raccolta degli embrioni con una piastra per la raccolta degli embrioni (6 cm di diametro, 7,7 cm di altezza). (F) Un filtro a rete in acciaio inossidabile. (G) Un contenitore utilizzato come camera umida con un vetrino. Per mantenere l'umidità, posizionare la carta bagnata sul fondo e chiudere il coperchio. (H) Un porta-aghi con un ago per la crioconservazione. (I) Una rastrelliera per la crioconservazione e una scatola con aghi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Un vetrino per la raccolta di PGC e un ago per crioconservazione. (A) Un vetrino per la raccolta di cellule germinali primordiali (PGC) rivestito di colla. Gli embrioni decoroniati sono allineati su due file e orientati con la parte anteriore a destra (il lato da manipolare) e il lato ventrale rivolto verso l'alto. Viene apposta una cornice per la piscina embrionale, vengono depositate due gocce di soluzione di agenti crioprotettivi (CPA) e la piscina viene riempita con olio di silicone. (B) Un ago dovrebbe contenere la minor quantità possibile di tuorlo e altri contaminanti. I PGC sono inseriti tra due strati di olio siliconico quando crioconservati in azoto liquido. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Realizzazione dell'ago. Metodo di lucidatura della punta in tre fasi per realizzare un ago con una dimensione del foro appropriata e una punta affilata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Schema di raccolta degli embrioni. Dopo due pre-ritiri, di solito raccogliamo tre o quattro volte al giorno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Allineamento dell'embrione ospite. Allineamento degli embrioni ospiti su un vetrino. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Una panoramica del metodo di crioconservazione PGC. Una panoramica di tutti i passaggi seguiti per effettuare la crioconservazione delle cellule germinali primordiali (PGC). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Umidità dell'ambiente | |||
< 30% | ~ 30% | > 30% | |
Allineare gli embrioni ospiti (~20 minuti) | Utilizzare un umidificatore per 2 - 10 minuti | Utilizzare un umidificatore a intermittenza per 1 minuto | Non utilizzare un umidificatore |
Scongelare le PGC donatrici | Non applicabile | Non applicabile | Non applicabile |
PGC essiccati all'aria | Omettere questo passaggio | Omettere questo passaggio | 5 minuti |
Applicare l'olio di silicone | Non applicabile | Non applicabile | Non applicabile |
PGC per trapianti | Non applicabile | Non applicabile | Non applicabile |
Tutti questi passaggi dovrebbero essere completati in 50 minuti. |
Tabella 1: Essiccazione degli embrioni durante l'allineamento embrionale e lo scongelamento delle PGC.
Ceppo del donatore | Periodo di crioconservazione | Numero di embrioni trapiantati (A) | Numero di larve schiuse (B) (schiusa, B/A) | Numero di adulti chiusi (C) (vitalità da uovo ad adulto, C/A) | Numero di adulti fertili (D) (frequenza di mosche fertili, D/C) |
Visualizzazione del materiale M17 | 8 - 30 giorni | 134 | 108 (80.6%) | 57 (42.5%) | 20 (35.1%) |
Visualizzazione del materiale M17 | 31 - 150 giorni | 74 | 60 (81.1%) | 30 (40.5%) | 8 (26.7%) |
M17: imbardata; TM6B, P{Dfd-GMR-nvYFP}4, Sb[1] Tb[1] ca[1]/ Pri[1] |
Tabella 2: Efficienza del trapianto di PGC crioconservato. Questa tabella è stata modificata da13. Tutti i dati provengono da ospiti agagametici.
Un fattore critico per il successo nella crioconservazione e nella rianimazione delle PGC è l'utilizzo di embrioni buoni. Le femmine giovani (ad esempio, da 3 a 5 giorni) dovrebbero essere utilizzate per la raccolta degli embrioni. Sia gli embrioni donati che quelli ospiti vengono valutati mediante ispezione microscopica e vengono utilizzati solo quelli allo stadio di blastoderma (stadio 5)12. Per la raccolta di PGC, di solito allineiamo circa 40 embrioni donati in un periodo di 20 minuti e raccogliamo PGC da circa 30 embrioni nella fase iniziale 5; Gli embrioni più vecchi e difettosi non vengono utilizzati. Dopo la crioconservazione e lo scongelamento, i PGC dovrebbero mantenere la loro forma; I PGC si rompono in una conservazione infruttuosa. Anche gli embrioni ospiti dovrebbero essere allo stadio 5 e avere una pressione interna moderata; Gli embrioni dovrebbero tornare lentamente alla loro forma originale dopo una leggera sollecitazione. Gli embrioni troppo essiccati e non sufficientemente essiccati non si svilupperanno normalmente dopo il trapianto. Poiché il trapianto eterosessuale di PGC non riesce a produrre gameti in Drosophila 5,10, il trapianto di PGC da embrioni di donatori multipli in embrioni ospiti ha maggiori probabilità di produrre adulti fertili. A tal fine, di solito raccogliamo PGC da circa 30 embrioni per ago.
Come crioprotettori, abbiamo provato glicole etilenico, dimetilsolfossido e glicerolo insieme al saccarosio a varie concentrazioni. Abbiamo determinato che l'EBR contenente il 20% di glicole etilenico e 1 M di saccarosio è il migliore13; tuttavia, l'uso di diversi crioprotettori può migliorare la conservazione delle PGC22.
Questo metodo di crioconservazione richiede competenze specializzate nella gestione delle PGC e sono necessarie circa 6 settimane di formazione per raccogliere e trapiantare comodamente le PGC. Per valutare e migliorare la competenza delle abilità, questo può essere suddiviso in sei fasi di addestramento: 1) allineamento degli embrioni su un vetrino, 2) controllo di un manipolatore, 3) trapianto di PGC da un embrione in un altro embrione senza crioconservazione, 4) trapianto di PGC da 10 o più embrioni in 5-10 embrioni, 5) trapianto di PGC dopo l'applicazione di CPA e 6) trapianto di PGC dopo il congelamento-scongelamento. Ogni passaggio può richiedere 1 settimana. Gli obiettivi a breve termine della fase 3 sono un tasso di schiusa del 40%, una vitalità da embrione ad adulto del 10%-20% e una frequenza di mosche fertili del 20%.
La crioconservazione PGC richiede strumentazione costosa e personale altamente qualificato. Pertanto, questo metodo potrebbe non essere adottato da molti laboratori. Tuttavia, l'attuale metodo PGC presenta diversi aspetti importanti. In primo luogo, le PGC sono molto più piccole degli embrioni e sono molto permeabili ai crioprotettori. Al contrario, la permeabilità crioprotettiva è fortemente limitata dagli strati cerosi degli embrioni di Drosophila, che è il problema più grave nella crioconservazione degli embrioni. In effetti, studi precedenti hanno fatto grandi sforzi per trovare una finestra temporale in cui gli embrioni hanno un alto tasso di sopravvivenza e uno strato di cera più sottile. Il secondo riguarda lo sviluppo e la variazione morfologica tra i ceppi. Le PGC vengono raccolte dagli embrioni in stadio 5 (2 ore e 30 minuti e 20 minuti dopo la deposizione delle uova), mentre la crioconservazione degli embrioni viene eseguita sugli embrioni in stadio 16 (14-22 ore dopo la deposizione delle uova). Gli embrioni sono, quindi, molto più vecchi e mostrano una variazione di ceppo molto maggiore nella finestra temporale ottimale per la crioconservazione rispetto alla crioconservazione PGC. In effetti, la frequenza degli ospiti che producevano progenie derivata da donatori non variava tra i cinque ceppi studiati da Asaoka et al.13, sebbene gli ospiti non fossero agametici. Inoltre, le PGC hanno il potenziale per essere utilizzate in applicazioni di ingegneria genetica, come l'editing del genoma 14,15,16.
Ringraziamo il KYOTO Drosophila Stock Center per i ceppi di mosca. Ringraziamo anche la signora Wanda Miyata per l'editing in lingua inglese del manoscritto e il Dr. Jeremy Allen di Edanz (https://jp.edanz.com/ac) per aver curato una bozza di questo manoscritto. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni (JP16km0210072, JP17km0210146, JP18km0210146) dall'Agenzia giapponese per la ricerca e lo sviluppo medico (AMED) a T.T.-S.-K., sovvenzioni (JP16km0210073, JP17km0210147, JP18km0210145) da AMED a S.K., una sovvenzione (JP20km0210172) da AMED a T.T.-S.-K. e S.K., una sovvenzione per la ricerca scientifica (C) (JP19K06780) della Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) a T.T.-S.-K., e una sovvenzione per la ricerca scientifica in aree innovative (JP18H05552) da 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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