Name: Auteur in de schijnwerpers: onthulling van de dynamiek van mechanische en biochemische signalen in onderzoek naar morfogenese bij dieren
Uploaded: 2024-01-19T13:55:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Unveiling the Dynamics of Mechanical and Biochemical Signals in Animal Morphogenesis Research at JoVE.com

We willen Dr. Jennifer A. Zallen bedanken voor het leveren van de Sqh-GFP Drosophila-lijn en ondersteuning voor de eerste ontwikkeling van deze techniek, en Dr. Francois Schweisguth voor het leveren van de Notch-GFP Drosophila-lijn . Dit werk werd ondersteund door financiering van de National Natural Science Foundation of China (32270809) aan HHYU, genereuze financiële en personeelssteun van de School of Life Sciences, SUSTech, en financiering aan Y. Yan van de Shenzhen Science and Technology Innovation Commission/JCYJ20200109140201722.

De experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen en goedkeuring van de School of Life Sciences, SUSTech University. Het gebruikte organisme is Drosophila melanogaster en de genotypen zijn Notch-Knockin-GFP (chromosoom X) en Sqh-sqh-GFP (chromosoom II), genereus geleverd door de laboratoria van respectievelijk Dr. Francois Schweisguth (Institute Pasteur) en Dr. Jennifer Zallen (Sloan Kettering Institute). Hoewel dit protocol zich voornamelijk richt op aspecten van de etikettering van antili...

Verbetering van eiwitvisualisatie met antilichaam-gemedieerde live beeldvorming

<ol>
	<li>Coons, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+beginnings+of+immunofluorescence.">The beginnings of immunofluorescence.</a> Journal of Immunology (Baltimore, Md). 87, 499-503 (1961).</li><li>Arthur, G., 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=Harnessing+the+power+of+the+antibody.">Harnessing the power of the antibody.</a> The Lancet Respiratory Medicine. 4 (3), 181-182 (2016).</li><li>Im, K., Mareninov, S., Diaz, M. F. P., Yong, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biobanking,+methods+and+protocols.">Biobanking, methods and protocols.</a> Methods in Molecular Biology. 1897, 299-311 (2018).</li><li>Ragkousi, K., Gibson, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epithelial+integrity+and+cell+division:+Concerted+cell+cycle+control.">Epithelial integrity and cell division: Concerted cell cycle control.</a> Cell Cycle. 17 (4), 399-400 (2018).</li><li>Herszterg, S., Leibfried, A., Bosveld, F., Martin, C., Bellaiche, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interplay+between+the+dividing+cell+and+its+neighbors+regulates+adherens+junction+formation+during+cytokinesis+in+epithelial+tissue.">Interplay between the dividing cell and its neighbors regulates adherens junction formation during cytokinesis in epithelial tissue.</a> Developmental Cell. 24 (3), 256-270 (2013).</li><li>Shimomura, O., Johnson, F. H., Saiga, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extraction,+purification+and+properties+of+aequorin,+a+bioluminescent+protein+from+the+luminous+hydromedusan,+aequorea.">Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, aequorea.</a> Journal of Cellular and Comparative Physiology. 59 (3), 223-239 (1962).</li><li>Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W., Prasher, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Green+fluorescent+protein+as+a+marker+for+gene+expression.">Green fluorescent protein as a marker for gene expression.</a> Science. 263 (5148), 802-805 (1994).</li><li>Boshart, M., 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=A+very+strong+enhancer+is+located+upstream+of+an+immediate+early+gene+of+human+cytomegalovirus.">A very strong enhancer is located upstream of an immediate early gene of human cytomegalovirus.</a> Cell. 41 (2), 521-530 (1985).</li><li>Brand, A. H., Perrimon, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+gene+expression+as+a+means+of+altering+cell+fates+and+generating+dominant+phenotypes.">Targeted gene expression as a means of altering cell fates and generating dominant phenotypes.</a> Development. 118 (2), 401-415 (1993).</li><li>Rodriguez, E. 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=The+growing+and+glowing+toolbox+of+fluorescent+and+photoactive+proteins.">The growing and glowing toolbox of fluorescent and photoactive proteins.</a> Trends in Biochemical Sciences. 42 (2), 111-129 (2016).</li><li>Berg, E. A., Fishman, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Labeling+antibodies+using+N+-Hydroxysuccinimide+(NHS)-fluorescein.">Labeling antibodies using N -Hydroxysuccinimide (NHS)-fluorescein.</a> Cold Spring Harbor Protocols. 2019 (3), (2019).</li><li>Saerens, 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=Identification+of+a+universal+VHH+framework+to+graft+non-canonical+antigen-binding+loops+of+camel+single-domain+antibodies.">Identification of a universal VHH framework to graft non-canonical antigen-binding loops of camel single-domain antibodies.</a> Journal of Molecular Biology. 352 (3), 597-607 (2005).</li><li>Loncar, D., Singer, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+membrane+formation+during+the+cellularization+of+the+syncytial+blastoderm+of+Drosophila.">Cell membrane formation during the cellularization of the syncytial blastoderm of Drosophila.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 92 (6), 2199-2203 (1995).</li><li>Lye, C. M., Naylor, H. W., Sanson, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subcellular+localisations+of+the+CPTI+collection+of+YFP-tagged+proteins+in+Drosophila+embryos.">Subcellular localisations of the CPTI collection of YFP-tagged proteins in Drosophila embryos.</a> Development. 141 (20), 4006-4017 (2014).</li><li>Iordanou, E., Chandran, R. R., Blackstone, N., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RNAi+interference+by+dsRNA+injection+into+Drosophila+embryos.">RNAi interference by dsRNA injection into Drosophila embryos.</a> Journal of Visualized Experiments. 50, e2477 (2011).</li><li>Figard, L., Sokac, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+cell+shape+change+in+living+Drosophila+embryos.">Imaging cell shape change in living Drosophila embryos.</a> Journal of Visualized Experiments. 49, e2503 (2011).</li><li>Campos-Ortega, J. A., Hartenstein, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+embryonic+development+of+Drosophila+melanogaster.">The embryonic development of Drosophila melanogaster.</a> , 9-102 (1997).</li><li>Ho, D. M., Artavanis-Tsakonas, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Notch-mediated+proliferation+circuitry.">The Notch-mediated proliferation circuitry.</a> Current Topics in Developmental Biology. 116, 17-33 (2016).</li><li>Kopan, R., Ilagan, X. G., Ma, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+canonical+Notch+signaling+pathway:+unfolding+the+activation+mechanism.">The canonical Notch signaling pathway: unfolding the activation mechanism.</a> Cell. 137 (2), 216-233 (2009).</li><li>Fehon, R. G., 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=Molecular+interactions+between+the+protein+products+of+the+neurogenic+loci+Notch+and+Delta,+two+EGF-homologous+genes+in+Drosophila.">Molecular interactions between the protein products of the neurogenic loci Notch and Delta, two EGF-homologous genes in Drosophila.</a> Cell. 61 (3), 523-534 (1990).</li><li>Struhl, G., Greenwald, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Presenilin+is+required+for+activity+and+nuclear+access+of+Notch+in+Drosophila.">Presenilin is required for activity and nuclear access of Notch in Drosophila.</a> Nature. 398 (6727), 522-525 (1999).</li><li>Henrique, D., Schweisguth, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+Notch+signaling:+a+simple+logic+deployed+in+time+and+space.">Mechanisms of Notch signaling: a simple logic deployed in time and space.</a> Development. 146 (3), dev172148 (2019).</li><li>Trylinski, M., Mazouni, K., Schweisguth, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intra-lineage+fate+decisions+involve+of+notch+receptors+basal+to+the+midbody+in+drosophila+sensory+organ+precursor+cells.">Intra-lineage fate decisions involve of notch receptors basal to the midbody in drosophila sensory organ precursor cells.</a> Current Biology. 27 (15), 2239.e3-2247.e3 (2017).</li><li>Hunter, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+kinases+and+phosphatases:+The+Yin+and+Yang+of+protein+phosphorylation+and+signaling.">Protein kinases and phosphatases: The Yin and Yang of protein phosphorylation and signaling.</a> Cell. 80 (2), 225-236 (1995).</li><li>Glenney, J. R., Zokas, L., Kamps, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monoclonal+antibodies+to+phosphotyrosine.">Monoclonal antibodies to phosphotyrosine.</a> Journal of Immunological Methods. 109 (2), 277-285 (1988).</li><li>Hunter, T., Cooper, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidermal+growth+factor+induces+rapid+tyrosine+phosphorylation+of+proteins+in+A431+human+tumor+cells.">Epidermal growth factor induces rapid tyrosine phosphorylation of proteins in A431 human tumor cells.</a> Cell. 24 (3), 741-752 (1981).</li><li>Yu, H. H., Zallen, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abl+and+Canoe/Afadin+mediate+mechanotransduction+at+tricellular+junctions.">Abl and Canoe/Afadin mediate mechanotransduction at tricellular junctions.</a> Science. 370 (6520), eaba5528 (2020).</li><li>Martin, A. C., Kaschube, M., Wieschaus, E. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pulsed+contractions+of+an+actin&#8211;myosin+network+drive+apical+constriction.">Pulsed contractions of an actin&#8211;myosin network drive apical constriction.</a> Nature. 457 (7228), 495-499 (2009).</li></ol>

Deze gepresenteerde procedure schetst de gespecialiseerde methode van fluorescentie-etikettering met aangepaste antilichamen en daaropvolgende injectie in Drosophila-embryo's in een vroeg stadium. Deze techniek vergemakkelijkt real-time visualisatie van eiwitten of posttranslationele modificaties die in kleine hoeveelheden voorkomen en doorgaans moeilijk te observeren zijn via conventionele GFP/mCherry-taggingmethoden.
Voorzichtigheid is geboden bij het uitbreiden van deze methode om ...

Immunofluorescentie is een hoeksteentechniek van de moderne celbiologie, oorspronkelijk ontwikkeld door Albert Coons, die de detectie van moleculen in hun oorspronkelijke cellulaire compartimenten en karakterisering van de moleculaire samenstellingen van subcellulaire organellen of machinerieën mogelijk maakt. In combinatie met genetische manipulaties helpt immunofluorescentie bij het vestigen van het nu algemeen aanvaarde concept dat eiwitlokalisatie essentieel is voor zijn functie2. Afgezien van specifieke primaire antilichamen en heldere fluorescerende kleurstoffen, is het succes van deze techniek afhankelijk van een voorbereidend proces genaamd fixatie en permeabilisatie, dat cellulaire morfologieën behoudt, antigenen immobiliseert en de toegankelijkheid van antilichamen in intracellulaire compartimenten vergroot. Het is onvermijdelijk dat het fixatie- en permeabilisatieproces cellen zou doden en alle biologische processen zou beëindigen3. Daarom biedt immunofluorescentie alleen momentopnamen van de levensreis van eiwitten. Veel biologische processen, zoals celmigratie en -delingen, zijn echter dynamisch van aard en vereisen onderzoek naar eiwitgedrag op een ruimtelijk-temporeel opgeloste manier 4,5.
Om de eiwitdynamiek in levende organismen te onderzoeken, zijn live beeldvormingsmethoden ontwikkeld op basis van genetisch gecodeerde fluorescerende eiwitten zoals groen fluorescerend eiwit (GFP)6 en hogesnelheidsconfocale microscopen. Kortom, het eiwit van belang kan genetisch worden gemanipuleerd om te worden gefuseerd met GFP7 en vervolgens ectopisch tot expressie worden gebracht uit virale of gistpromotors zoals cytomegalovirus (CMV)8 of stroomopwaartse activeringssequentie (UAS)9. Omdat GFP autofluorescerend van aard is, zijn er geen fluorofoorgekoppelde antilichamen nodig om de lokalisatie van doeleiwitten te onthullen, wat de noodzaak van voorbereidende processen van fixatie of permeabilisatie omzeilt. In de afgelopen twee decennia zijn fluorescerende tags ontwikkeld die het hele spectrum van golflengten bestrijken10, waardoor meerkleurige live-beeldvorming van verschillende doeleiwitten tegelijkertijd mogelijk is. In vergelijking met chemisch gemanipuleerde fluorescerende kleurstoffen zoals AlexaFluor of ATTO, is de autofluorescentie van deze genetisch gecodeerde fluorescerende eiwitten echter relatief zwak en onstabiel wanneer ze tot expressie worden gebracht door endogene promotors, vooral tijdens live beeldvorming over langere tijdschalen10. Hoewel dit tekort kan worden verzacht door fluorescerend gelabelde doeleiwitten tot overexpressie te brengen, verstoren veel enzymatische activiteiten zoals kinasen en fosfatasen de normale biologische processen ernstig als ze niet op fysiologisch niveau tot expressie worden gebracht.
Dit protocol presenteert een methode die fototabele, op antilichamen gebaseerde doelverlichting mogelijk maakt in een live-beeldopstelling, waardoor in wezen immunofluorescentie mogelijk is zonder het proces van fixatie of permeabilisatie (Figuur 1). Door middel van een eenvoudige, op NHS gebaseerde primaire aminereactie11 kan men fluorescerende kleurstoffen zoals AlexaFluor 488 of 594 conjugeren met in wezen elk primair antilichaam of GFP/HA/Myc nanobody12. Door gebruik te maken van een ontwikkelingskenmerk dat alle embryonale cellen van Drosophila een gemeenschappelijk cytoplasma delen tijdens het syncytiumstadium13, kan men antigeenbinding en verlichting bereiken over hele embryo's na de injectie van kleurstofgeconjugeerde antilichamen. Met groeiende bibliotheken van endogeen gelabelde eiwitten die beschikbaar zijn in Drosophila en andere modelsystemen14, kan deze methode mogelijk de toepassingen van deze bibliotheken verbreden door de dynamiek van fluorescerend gelabelde eiwitten met een lage abundantie en andere niet-fluorescerend gelabelde (HA/Myc-gelabelde) eiwitten in levende weefsels te onthullen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Sangon Biotech</td>
			<td>&#160;A620014&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 594 Antibody Labeling Kit</td>
			<td>Invitrogen&#160;</td>
			<td>A20185</td>
			<td>Purification column from step 1.6 is included in this kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biological Microscope</td>
			<td>SOPTOP</td>
			<td>EX20</td>
			<td>Eyepiece lens: PL 10X/20. Objective lens: 10x/0.25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bleach</td>
			<td>Clorox&#174;</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate Glass Capillaries</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>TW100F-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>5245</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell Strainer</td>
			<td>FALCON</td>
			<td>352350</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desiccation chamber&#160;</td>
			<td>LOCK&#38;LOCK</td>
			<td>HSM8200</td>
			<td>320ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dissecting Microscope</td>
			<td>Mshot</td>
			<td>MZ62</td>
			<td>Eyepiece lens: WF10X/22mm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-sided Tape</td>
			<td>Scotch</td>
			<td>665</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fine Super Tweezer</td>
			<td>VETUS</td>
			<td>ST-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand&#8482; Cover Glasses: Rectangles</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>12-545F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand&#8482; Superfrost&#8482; Plus Microscope Slides</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>12-550-15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forcep</td>
			<td>VETUS</td>
			<td>33A-SA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Halocarbon oil 27</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>H8773-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Halocarbon oil 700</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>H8898-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heptane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>H2198-1L</td>
			<td>Heptane glue is made of double-sided tape immersed in heptane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dehydration reagent&#160;</td>
			<td>TOKAI</td>
			<td>1-7315-01</td>
			<td>Fill to 90% volume of the dessication chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual Micromanipulator</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>M3301R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette puller</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>PUL-1000</td>
			<td>Procedure: step 1, Heat: 290, Force:300, Distance:1.00, Delay:50. 
			Step 2, Heat: 290, Force:300, Distance:2.21, Delay:50&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pneumatic picopump</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>PV 830</td>
			<td>Eject: 20 psi;&#160; Range: 100ms; Duration: timed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PY20</td>
			<td>Santa Cruz</td>
			<td>SC-508</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Square petri dishes</td>
			<td>Biosharp</td>
			<td>BS-100-SD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GFP nanobody</td>
			<td>Chromotek</td>
			<td>gt</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

visualizing low-abundance proteins and post-translational modifications in living drosophila embryos via fluorescent antibody injection

Visualisatie van eiwitten in levende cellen met behulp van GFP (Green Fluorescent Protein) en andere fluorescerende tags heeft het begrip van eiwitlokalisatie, dynamiek en functie sterk verbeterd. In vergelijking met immunofluorescentie geeft live beeldvorming de lokalisatie van eiwitten nauwkeuriger weer zonder mogelijke artefacten die voortvloeien uit weefselfixatie. Belangrijk is dat live beeldvorming kwantitatieve en temporele karakterisering van eiwitniveaus en lokalisatie mogelijk maakt, cruciaal voor het begrijpen van dynamische biologische processen zoals celbeweging of -deling. Een belangrijke beperking van fluorescerende tagging-benaderingen is echter de noodzaak van voldoende hoge eiwitexpressieniveaus om een succesvolle visualisatie te bereiken. Bijgevolg kunnen veel endogeen gelabelde fluorescerende eiwitten met relatief lage expressieniveaus niet worden gedetecteerd. Aan de andere kant kan ectopische expressie met behulp van virale promotors soms leiden tot verkeerde lokalisatie van eiwitten of functionele veranderingen in fysiologische contexten. Om deze beperkingen aan te pakken, wordt een benadering gepresenteerd die gebruik maakt van zeer gevoelige antilichaam-gemedieerde eiwitdetectie in levende embryo's, waarbij in wezen immunofluorescentie wordt uitgevoerd zonder de noodzaak van weefselfixatie. Als bewijs van het principe kan de endogeen GFP-gelabelde Notch-receptor die nauwelijks detecteerbaar is in levende embryo's met succes worden gevisualiseerd na injectie van antilichamen. Bovendien werd deze benadering aangepast om posttranslationele modificaties (PTM's) in levende embryo's te visualiseren, waardoor temporele veranderingen in tyrosinefosforyleringspatronen tijdens de vroege embryogenese konden worden gedetecteerd en een nieuwe subpopulatie van fosfotyrosine (p-Tyr) onder apicale membranen kon worden onthuld. Deze aanpak kan worden aangepast om andere eiwitspecifieke, tag-specifieke of PTM-specifieke antilichamen te accommoderen en moet compatibel zijn met andere injectie-ontvankelijke modelorganismen of cellijnen. Dit protocol opent nieuwe mogelijkheden voor live beeldvorming van eiwitten met een lage abundantie of PTM's die voorheen moeilijk te detecteren waren met behulp van traditionele fluorescerende tagging-methoden.

Immunofluorescence is a cornerstone technique of modern cell biology originally developed by Albert Coons, which enables the detection of molecules at their native cellular compartments and characterization of the molecular compositions of subcellular organelles or machineries1. Coupled with genetic manipulations, immunofluorescence helps establish the now well-accepted concept that protein localization is essential for its function2. Aside from specific primary antibodies and bright fluorescent dyes, the success of this technique relies on a preliminary process named fixation and permeabilization, which preserves cellular morphologies, immobilizes antigens, and increases the accessibility of antibodies into intracellular compartments. Inevitably, the fixation and permeabilization process would kill cells and terminate all biological processes3. Therefore, immunofluorescence only provides snapshots of the life journey of proteins. However, many biological processes such as cell migration and divisions are dynamic in nature, requiring investigation of protein behaviors in a spatial-temporally resolved manner4,5.
To examine protein dynamics in living organisms, live imaging methods based on genetically encoded fluorescent proteins such as green fluorescent protein (GFP)6 and high-speed confocal microscopes have been developed. Briefly, the protein of interest can be genetically manipulated to be fused with GFP7, and then ectopically expressed from viral or yeast promoters such as cytomegalovirus (CMV)8 or upstream activation sequence (UAS)9. Because GFP is autofluorescent in nature, no fluorophore-coupled antibodies are required to reveal the localization of target proteins, which bypasses the necessity of preliminary processes of fixation or permeabilization. Over the last two decades, fluorescent tags spanning the whole spectrum of wavelength have been developed10, enabling multi-color live imaging of several target proteins at the same time. However, compared to chemically engineered fluorescent dyes such as AlexaFluor or ATTO, the autofluorescence of these genetically encoded fluorescent proteins is relatively weak and unstable when expressed from endogenous promoters, especially during live imaging over longer time scales10. While this shortfall can be mitigated by over-expressing fluorescently tagged target proteins, many with enzymatic activities such as kinases and phosphatases severely disrupt normal biological processes if not expressed at physiological levels.
This protocol presents a method that enables photostable antibody-based target illumination in a live image setup, essentially allowing immunofluorescence without the process of fixation or permeabilization (Figure 1). Through a simple NHS-based primary amine reaction11, one can conjugate fluorescent dyes such as AlexaFluor 488 or 594 with essentially any primary antibody or GFP/HA/Myc nanobody12. Taking advantage of a developmental feature that all Drosophila embryonic cells share a common cytoplasm during the syncytium stage13, one can achieve antigen binding and illumination across entire embryos after the injection of dye-conjugated antibodies. With expanding libraries of endogenously tagged proteins available in Drosophila and other model systems14, this method can potentially broaden applications of these libraries by revealing dynamics of low-abundance fluorescently tagged proteins and other non-fluorescently tagged (HA/Myc-tagged) proteins in living tissues.

Auteur in de schijnwerpers: onthulling van de dynamiek van mechanische en biochemische signalen in onderzoek naar morfogenese bij dieren 

Visualisatie van eiwitten met een lage abundantie en posttranslationele modificaties in levende Drosophila-embryo's via fluorescerende antilichaaminjectie

We aim to understand how mechanical and biochemical signals correlate animal morphogenesis, including the detection and the response to forces by cells and molecules. More molecules have been discovered to be mechanosensitive, functioning differently under varying levels of tension. However, the physiological context and the function of these force-sensitive events remain largely unknown.Due to the dynamic nature of force-sensitive events, our field largely relies on high-speed fluorescence imaging and time-lapse recording to capture molecular and cellular behaviors. Many fluorescently-tagged proteins are not bright enough to be imaged, and it requires spatial-temporal resolution without significant bleach. On the other hand, traditional immunofluorescence methods can only capture a snapshot of molecular and cellular fixture after fixation.This method paves the way to dynamically track the localization of many low-abundance protein receptors of major signaling pathways, such as Notch, Wnt, and the BMP pathways. Eventually, in addition to the traditional linear signaling cascades, we can pinpoint and where the signaling events occur at the subcellular scales.

Om de voordelen van de antilichaaminjectiemethode ten opzichte van op fluorescerende tags gebaseerde live beeldvorming of immunofluorescentie aan te tonen, worden twee casestudy's gegeven die de dynamische lokalisatie van een transmembraanreceptor met lage abundantie, Notch, en een type posttranslationele modificatie genaamd tyrosinefosforylering in levende embryo's karakteriseren.
Notch-signaleringsactiviteit speelt een belangrijke rol bij het bepalen van het lot van cellen tijdens embryogene...

Watch this Scientific Journal Video about Unveiling the Dynamics of Mechanical and Biochemical Signals in Animal Morphogenesis Research at JoVE.com

Dit protocol beschrijft de op maat gemaakte op antilichamen gebaseerde fluorescentie-etikettering en injectie in vroege Drosophila-embryo's om live beeldvorming van eiwitten met een lage abundantie of posttranslationele modificaties mogelijk te maken die moeilijk te detecteren zijn met behulp van traditionele GFP/mCherry-tag-benaderingen.

Visualization of proteins in living cells using GFP (Green Fluorescent Protein) and other fluorescent tags has greatly improved understanding of protein ...

We willen begrijpen hoe mechanische en biochemische signalen de morfogenese van dieren correleren, inclusief de detectie van en de reactie op krachten door cellen en moleculen. Er zijn meer moleculen ontdekt die mechanosensitief zijn en anders functioneren onder verschillende spanningsniveaus. De fysiologische context en de functie van deze krachtgevoelige gebeurtenissen blijven echter grotendeels onbekend.Vanwege de dynamische aard van krachtgevoelige gebeurtenissen, vertrouwt ons vakgebied grotendeels op hogesnelheidsfluorescentiebeeldvorming en time-lapse-opname om moleculair en cellulair gedrag vast te leggen. Veel fluorescerend gelabelde eiwitten zijn niet helder genoeg om te worden afgebeeld, en het vereist ruimtelijk-temporele resolutie zonder noemenswaardig bleekmiddel. Aan de andere kant kunnen traditionele immunofluorescentiemethoden alleen een momentopname van moleculaire en cellulaire fixatie vastleggen na fixatie.Deze methode maakt de weg vrij voor het dynamisch volgen van de lokalisatie van veel eiwitreceptoren met een lage abundantie van belangrijke signaalroutes, zoals Notch, Wnt en de BMP-routes. Uiteindelijk, naast de traditionele lineaire signaleringscascades, kunnen we lokaliseren en waar de signaleringsgebeurtenissen plaatsvinden op de subcellulaire schaal.

visualizing-low-abundance-proteins-post-translational-modifications

Research

JoVE Journal

Developmental Biology

Visualizing Low-Abundance Proteins and Post-Translational Modifications in Living Drosophila Embryos via Fluorescent Antibody Injection

Visualization of proteins in living cells using GFP (Green Fluorescent Protein) and other fluorescent tags has greatly improved understanding of protein localization, dynamics, and function. Compared to immunofluorescence, live imaging more accurately reflects protein localization without potential artifacts arising from tissue fixation. Importantly, live imaging enables quantitative and temporal characterization of protein levels and localization, crucial for understanding dynamic biological processes such as cell movement or division. However, a major limitation of fluorescent tagging approaches is the need for sufficiently high protein expression levels to achieve successful visualization. Consequently, many endogenously tagged fluorescent proteins with relatively low expression levels cannot be detected. On the other hand, ectopic expression using viral promoters can sometimes lead to protein mislocalization or functional alterations in physiological contexts. To address these limitations, an approach is presented that utilizes highly sensitive antibody-mediated protein detection in living embryos, essentially performing immunofluorescence without the need for tissue fixation. As proof of principle, endogenously GFP-tagged Notch receptor that is barely detectable&#160;in living embryos can be successfully visualized after antibody injection. Furthermore, this approach was adapted to visualize post-translational modifications (PTMs) in living embryos, allowing the detection of temporal changes in tyrosine phosphorylation patterns during early embryogenesis and revealing a novel subpopulation of phosphotyrosine (p-Tyr) underneath apical membranes. This approach can be modified to accommodate other protein-specific, tag-specific, or PTM-specific antibodies and should be compatible with other injection-amenable model organisms or cell lines. This protocol opens new possibilities for live imaging of low-abundance proteins or PTMs that were previously challenging to detect using traditional fluorescent tagging methods.

This protocol describes the customized antibody-based fluorescence labeling and injection into early Drosophila embryos to enable live imaging of low-abundance proteins or post-translational modifications that are challenging to detect using traditional GFP/mCherry-tag approaches.