Name: light-induced gfp expression in zebrafish embryos using the optogenetic tael/c120 system
Uploaded: 2021-08-19T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Light-Induced GFP Expression in Zebrafish Embryos using the Optogenetic TAEL/C120 System at JoVE.com

ステファン・マテルナとウーとマテルナの研究室のメンバーに、このプロトコルに関する有益な提案とコメントに感謝します。アンナ・リード、ケビン・ガードナー、ローラ・モッタ・メナに感謝し、このプロトコルを開発しながら貴重な議論と洞察を得た。この研究は、国立衛生研究所(NIH)からの助成金によって支えられた。R03 DK106358)とカリフォルニア大学がん研究調整委員会(CRN-20-636896)からS.W.

この研究は、カリフォルニア大学マーセド校の施設動物のケアと使用委員会(IACUC)の承認を得て行われました。
1. ゼブラフィッシュの交差と胚のコレクション
<ol><li>TAEL転写活性化剤またはC120制御レポーター遺伝子のいずれかを含む別々のトランスジェニックゼブラフィッシュラインを維持し、スプリアス活性化を最小限に抑えます。</li>
	<li>TAELとC120成分の両方を含む?...

<ol>
	<li>Knopf, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dually+inducible+TetON+systems+for+tissue-specific+conditional+gene+expression+in+zebrafish.">Dually inducible TetON systems for tissue-specific conditional gene expression in zebrafish.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (46), 19933-19938 (2010).</li><li>Halloran, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+gene+expression+in+specific+cells+of+transgenic+zebrafish.">Laser-induced gene expression in specific cells of transgenic zebrafish.</a> Development. 127 (9), 1953-1960 (2000).</li><li>Hesselson, D., Anderson, R. M., Beinat, M., Stainier, D. Y. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distinct+populations+of+quiescent+and+proliferative+pancreatic+beta-cells+identified+by+HOTcre+mediated+labeling.">Distinct populations of quiescent and proliferative pancreatic beta-cells identified by HOTcre mediated labeling.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (35), 14896-14901 (2009).</li><li>Tischer, D., Weiner, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Illuminating+cell+signalling+with+optogenetic+tools.">Illuminating cell signalling with optogenetic tools.</a> Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 15 (8), 551-558 (2014).</li><li>Reade, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TAEL:+a+zebrafish-optimized+optogenetic+gene+expression+system+with+fine+spatial+and+temporal+control.">TAEL: a zebrafish-optimized optogenetic gene expression system with fine spatial and temporal control.</a> Development. 144 (2), 345-355 (2017).</li><li>LaBelle, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TAEL+2.0:+An+improved+optogenetic+expression+system+for+zebrafish.">TAEL 2.0: An improved optogenetic expression system for zebrafish.</a> Zebrafish. 18 (1), 20-28 (2021).</li><li>Rivera-Cancel, G., Motta-Mena, L. B., Gardner, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+natural+and+artificial+DNA+substrates+for+light-activated+LOV-HTH+transcription+factor+EL222.">Identification of natural and artificial DNA substrates for light-activated LOV-HTH transcription factor EL222.</a> Biochemistry. 51 (50), 10024-10034 (2012).</li><li>Motta-Mena, L. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optogenetic+gene+expression+system+with+rapid+activation+and+deactivation+kinetics.">An optogenetic gene expression system with rapid activation and deactivation kinetics.</a> Nature Chemical Biology. 10 (3), 196-202 (2014).</li><li>Avdesh, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regular+care+and+maintenance+of+a+zebrafish+(Danio+rerio)+laboratory:+an+introduction.">Regular care and maintenance of a zebrafish (Danio rerio) laboratory: an introduction.</a> Journal of visualized experiments: JoVE. (69), e4196 (2012).</li><li>Holder, N., Xu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microinjection+of+DNA,+RNA,+and+Protein+into+the+Fertilized+Zebrafish+Egg+for+Analysis+of+Gene+Function.">Microinjection of DNA, RNA, and Protein into the Fertilized Zebrafish Egg for Analysis of Gene Function.</a> Molecular Embryology. , 487-490 (1999).</li><li>Livak, K. J., Schmittgen, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+relative+gene+expression+data+using+real-time+quantitative+PCR+and+the+2(-Delta+Delta+C(T))+Method.">Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method.</a> Methods. 25 (4), 402-408 (2001).</li><li>Wang, X., Chen, X., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+control+of+gene+expression+by+a+light-switchable+transgene+system.">Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable transgene system.</a> Nature Methods. 9 (3), 266-269 (2012).</li><li>Mruk, K., Ciepla, P., Piza, P. A., Alnaqib, M. A., Chen, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+cell+ablation+in+zebrafish+using+optogenetic+transcriptional+control.">Targeted cell ablation in zebrafish using optogenetic transcriptional control.</a> Development. 147 (12), (2020).</li><li>Liu, H., Gomez, G., Lin, S., Lin, S., Lin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+control+of+transcription+in+zebrafish.">Optogenetic control of transcription in zebrafish.</a> PloS One. 7 (11), 50738 (2012).</li><li>Shimizu-Sato, S., Huq, E., Tepperman, J. M., Quail, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+light-switchable+gene+promoter+system.">A light-switchable gene promoter system.</a> Nature Biotechnology. 20 (10), 1041-1044 (2002).</li><li>Krueger, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+and+applications+of+optogenetics+in+developmental+biology.">Principles and applications of optogenetics in developmental biology.</a> Development. 146 (20), (2019).</li></ol>

このプロトコルは、光遺伝学的TAEL/C120系を用い、青色光誘導性遺伝子発現を達成することを説明する。このシステムは、青色光で照明時に二量体化し、C120調節要素の下流の対象遺伝子の転写を活性化する転写活性化剤TAELで構成されています。GFPレポーターの誘導発現は、わずか30分の光暴露後に検出することができ、このアプローチは比較的速く応答性の高い動態を有することを示唆してい...

誘導可能な遺伝子発現システムは、遺伝子発現量、タイミング、位置を制御するのに役立ちます。しかし、多細胞生物の空間的・時間的制御を正確に行うのも困難でした。時間制御は、最も一般的には、低分子化合物1 またはヒートショックプロモーター2の活性化を加えることによって達成される。それでも、どちらのアプローチもタイミング、誘導強度、およびオフターゲットのストレス応答の問題に対して脆弱です。空間制御は、主に組織特異的プロモーター3の使用によって達成されるが、このアプローチは、常に利用可能ではない適切なプロモーターまたは調節要素を必要とし、サブ組織レベルの誘導を助長しない。
このような従来のアプローチとは対照的に、光活性化光遺伝学的転写活性化剤は、遺伝子発現の空間的および時間的制御を細かくする可能性を有する。青色の光応答性TAEL/C120システムは、ゼブラフィッシュ胚5,6での使用に最適化された。このシステムは、細菌由来の細菌E.リソラリス7,8からの内因性光活性化転写因子に基づいている。TAEL/C120システムは、TAELと呼ばれる転写活性化剤で構成されており、これは、カル-TA4トランスアクティベートドメイン、青色光応答性LOV(光-酸素電圧センシング)ドメイン、およびらせん旋回らせん(HTH)DNA結合ドメイン5を含む。照射されると、LOVドメインは、2つのTAEL分子が二量体化し、TAEL応答性C120プロモーターに結合し、対象となる下流遺伝子の転写を開始することを可能にする立体構造変化を受ける5,8。TAEL/C120システムは、毒性を最小限に抑えた迅速かつ強い誘導を示し、いくつかの異なる光送達モダリティによって活性化することができます。最近、TAEL/C120系の改良は、核局在化シグナルをTAEL(TAEL-N)に加え、C120調節要素をcFos基底プロモーター(C120F)に結合させることによって行われた(図1A)。これらの改変は、誘導レベルを15倍以上6倍に改善した。
このプロトコルでは、TAEL/C120システムを活性化し、レポーター遺伝子GFPのユビキタス発現を誘導するために、シンプルなLEDパネルが使用されます。発現誘導は、定量的リアルタイムPCR(qRT-PCR)を用いて転写レベルを測定することにより、蛍光強度を観察するか定量的に観察することにより、定性的にモニタリングすることができる。このプロトコルは 、In vivoでの遺伝子発現の堅牢な調節を可能にする、多目的で使いやすいツールとしてTAEL/C120システムを実証する。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>BioRender web-based science illustration tool</td>
			<td>BioRender</td>
			<td></td>
			<td>https://biorender.com/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Color CCD digital camera</td>
			<td>Lumenara</td>
			<td>755-107</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Compact Power and Energy Meter Console, Digital 4&#34; LCD</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PM100D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excitation filter, 545 nm</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>ET545/25x</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>illustra RNAspin Mini kit</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>95017-491</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instsant Ocean Sea Salt</td>
			<td>Instant Ocean</td>
			<td>SS15-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MARS AQUA Dimmable 165 W LED Aquarium light (blue and white)</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B017GWDF7E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methylcellulose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M7140</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NEARPOW Programmable digital timer switch</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B01G6O28NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PerfeCTa SYBR green fast mix</td>
			<td>Quantabio</td>
			<td>101414-286</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoshop image procesing software</td>
			<td>Adobe</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prism graphing and statistics software</td>
			<td>GraphPad</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>qScript XLT cDNA SuperMix</td>
			<td>Quantabio</td>
			<td>10142-786</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>QuantStudio 3 Real-Time PCR System</td>
			<td>Applied Biosystems</td>
			<td>A28137</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereomicroscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>SZX16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tricaine (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>E10521</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-Cite 120 Fluorescence LED light source</td>
			<td>Excelitas</td>
			<td>010-00326R</td>
			<td>Discontinued. It has been replaced with the X-Cite mini+</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

light-induced gfp expression in zebrafish embryos using the optogenetic tael/c120 system

誘導可能な遺伝子発現系は、生物学的プロセスを研究するための非常に貴重なツールです。光遺伝学的発現系は、誘導剤として光を用いた遺伝子発現タイミング、位置、振幅を精密に制御できる。このプロトコルでは、ゼブラフィッシュ胚における光誘導性遺伝子発現を達成するために光遺伝学的発現系が用いられる。このシステムは、細菌 E.リトオラリスからの自然発生する光活性化転写因子に基づいてTAELと呼ばれる設計された転写因子に依存する。青色光で照らされると、TAELは二量体化し、C120と呼ばれるその同結合調節要素に結合し、転写を活性化する。このプロトコルは、ユビキタス ubb プロモーターの制御下でTAEL転写因子を発現するトランスジェニックゼブラフィッシュ胚を使用する。同時に、C120調節エレメントは、蛍光レポーター遺伝子(GFP)の発現を駆動します。青色光を活性化するシンプルなLEDパネルを使用して、GFP発現の誘導は、最初に30分後の照明の後に検出することができ、3時間の光処理後に130倍以上の誘導のピークに達します。発現誘導は、定量的リアルタイムPCR(qRT-PCR)および蛍光顕微鏡法により評価することができます。この方法は、光遺伝学的遺伝子発現のための多目的かつ使いやすいアプローチです。

このデモンストレーションでは、C120応答性GFPレポーターライン(Tg(C120F:GFP)ucm107)がユビキチンb(ubb)プロモーター(Tg(ubb:TAEL-N)ucm113)からTAEL-Nをユビキタスに表現するトランスジェニックラインと交差し、両方の要素を含む二重トランスジェニック胚を生成しました。24時間受精後、胚を青色光を活性化させることに曝され、1時間オン/1時間オフの頻度で?...

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Light-Induced GFP Expression in Zebrafish Embryos using the Optogenetic TAEL/C120 System

光遺伝学は、幅広いアプリケーションを備えた強力なツールです。このプロトコルは、青色の光応答性TAEL/C120系を用いてゼブラフィッシュ胚における光誘導性遺伝子発現を達成する方法を示している。

光遺伝学的TAEL/C120系を用いたゼブラフィッシュ胚における光誘導GFP発現

Inducible gene expression systems are an invaluable tool for studying biological processes. Optogenetic expression systems can provide precise control ...

このプロトコルは、遺伝子発現をインタクトな生物に誘導するための光遺伝学的、または光活性化方法であるため、重要である。私たちの場合、ゼブラフィッシュ胚。この技術の利点は、誘導の非常に正確な、容量および時間的制御を可能にする誘導剤として、光を使用することである。このプロトコルは、誘導可能な遺伝子発現が有用であろうあらゆる状況に有用であろう。これには、系統トレース、機能獲得アッセイ、レスキュー実験などがあります。まず、一度にいくつかの胚に光の平方センチメートルの1.5ミリワットの電力を提供するための胚を含むペトリ皿に対するLEDパネルを位置付けます。テール転写アクティベーターの写真損傷のリスクを低減するには、タイマーリレーを使用して1時間のオンオフ間隔で光をポストします(3時間以上照らす場合)。ペトリ皿の蓋を取り外して、結露による光の散乱を最小限に抑えます。コントロール胚と暗いコントロールのための防明箱を含むペトリ皿を置きます。希望の活性化持続時間の後に、照明から胚を取り除きます。RNAの全抽出には、RNA抽出キットを使用してください。胚を1.5ミリリットルのマイクロ遠心分離チューブに移し、余分な卵水を取り除きます。リシスバッファーを追加した後、プラスチックの害虫で胚を均質化します。ライセートをキットに移し、メーカーの指示に従ってRNAを精製します。精製されたRNAを、マイナス20〜マイナス80°Cで保存し、1マイクログラムからcDNAを使用するか、またはすぐに合成するまで、cDNA合成キットを使用して全RNAを、製造業者の指示に従うことによって保管する。薄い壁に0.2ミリリットル、PCRチューブ、5回のcDNA反応マスターミックス、1マイクロリットルの添加、20倍の逆転写酵素酵素溶液の薄い壁にRNAの1マイクログラムを追加します。次に、ヌクレアーゼを含まない水で20マイクロリットルの最終容積を構成する。cDNA合成のためのプログラムされたサーモサイクラーにチューブを置きます。使用するか、またはすぐに定量的評価に使用するまで、合成されたcDNAをマイナス20°Cで保存します。サイバーグリーン酵素マスターミックスを含む定量PCR反応を設定します。325ナノモル濃度で325ナノモル濃度で5倍希釈されたcDNAおよびGFPプライマーは、プログラムされたリアルタイムPCRマシンで反応を行います。反応が完了したら、メルト曲線を分析して反応特異性を決定します。二重デルタCT法を用いて、コントロール胚に対するフォールド変化として光活性化誘導を計算する。そして、統計ソフトウェアを使用して有意性を判断します。照明から胚を除去した後、ガラスうつ病スライドで0.01%トリカインを含む3%メチルセルロースでイメージング用の胚を固定化する。標準GFPフィルタ設定を使用して、デジタルカメラに接続された蛍光ステレオ顕微鏡で蛍光画像と明視野画像を取得します。取得後の明視野画像と蛍光画像を画像処理ソフトウェアとマージします。GFP発現の定量化は、青色光暴露後30分で発現誘導を示した。GFP発現のレベルは、その後、着実に後活性化、6時間まで増加し続けました。GFP誘導はまた、活性化後のポイントと同時に蛍光強度を調べることによって定性的に評価した。バックグラウンドレベルを超えるGFP蛍光は、最初に活性化後3時間で観察され、6時間の後活性化で顕著に明るくなった。対照的に、すべての時間ポイントに対する対照胚は、暗所に保たれ、示さなかった、任意のかなりのGFP蛍光を示した。活性化光は可視光スペクトルの青色の範囲になければなりません。部屋の光と日光の両方に青色の光が含まれています。だから、任意の周囲の光源からあなたの負のコントロールを保護するために注意してください。TAEL C120システムは、遺伝的にコードされ、モジュラーであり、関心のある任意の遺伝子の発現を駆動することができる。したがって、他の技術と組み合わせることで、様々な生物学的な質問に答えるために使用することができます。

Research

JoVE Journal

Developmental Biology

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Here we describe a method to conditionally induce epithelial cell transformation by the use of the 4-Hydroxytamoxifen (4-OHT) inducible KalTA4-ERT2/UAS ...

Measuring Protein Stability in Living Zebrafish Embryos Using Fluorescence Decay After Photoconversion (FDAP)

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光変換後の蛍光減衰を使用して生活ゼブラフィッシュ胚におけるタンパク質の安定性の測定（FDAP）

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Here we describe a protocol to generate a co-culture consisting of 2 different neuronal populations. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are ...

Functional Cloning Using a Xenopus Oocyte Expression System

Functional Cloning Using a Xenopus Oocyte Expression System

用いた機能クローニング<em&gt;アフリカツメガエル</em&gt;卵母細胞発現システム

Identification of genes responsible for embryonic induction poses a number of challenges; to name a few, secreted molecules of interest may be low in ...

Tracking Cells in GFP-transgenic Zebrafish Using the Photoconvertible PSmOrange System

Photoconvertible PSmOrangeシステムを用いたGFPトランスジェニックゼブラフィッシュで細胞を追跡

The rapid development of transparent zebrafish embryos (Danio rerio) in combination with fluorescent labelings of cells and tissues allows visualizing ...

Multi-target Chromogenic Whole-mount In Situ Hybridization for Comparing Gene Expression Domains in Drosophila Embryos

Multi-target Chromogenic Whole-mount In Situ Hybridization for Comparing Gene Expression Domains in Drosophila Embryos

マルチターゲット発色ホールマウント<em&gt;その場で</em&gt;ハイブリダイゼーションにおける遺伝子発現のドメインを比較します<em&gt;ショウジョウバエ</em&gt;胚

To analyze gene regulatory networks active during embryonic development and organogenesis it is essential to precisely define how the different genes are ...

Biosensing Motor Neuron Membrane Potential in Live Zebrafish Embryos

生きたゼブラフィッシュ胚における運動ニューロン膜電位のバイオセンシング

The protocols described here are designed to allow researchers to study cell communication without altering the integrity of the environment in which the ...

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In Vivo Imaging of Transgenic Gene Expression in Individual Retinal Progenitors in Chimeric Zebrafish Embryos to Study Cell Nonautonomous Influences

細胞非自律影響を研究するためのキメラゼブラフィッシュ胚における個々の網膜前駆細胞におけるトランスジェニック遺伝子発現のin vivoイメージング

The genetic and technical strengths have made the zebrafish vertebrate a key model organism in which the consequences of gene manipulations can be traced ...

Fast and Efficient Expression of Multiple Proteins in Avian Embryos Using mRNA Electroporation

mRNAエレクトロポレーションを用いて鳥類胚における複数のタンパク質の迅速かつ効率的な発現

We report that mRNA electroporation permits fluorescent proteins to label cells in living quail embryos more quickly and broadly than DNA electroporation. ...

Quantification of Ethanol Levels in Zebrafish Embryos Using Head Space Gas Chromatography

ヘッドスペースガスクロマトグラフィーを用いたゼブラフィッシュ胚におけるエタノール濃度の定量

Fetal Alcohol Spectrum Disorders (FASD) describe a highly variable continuum of ethanol-induced developmental defects, including facial dysmorphologies ...