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Describimos un método para la preparación y obtención de imágenes en vivo de extractos citoplasmáticos sin diluir de huevos de Xenopus laevis .
Tradicionalmente utilizados para ensayos bioquímicos a granel, los extractos de huevo de Xenopus laevis se han convertido en una poderosa herramienta basada en imágenes para estudiar fenómenos citoplasmáticos, como la citocinesis, la formación del huso mitótico y el ensamblaje del núcleo. Basándose en los primeros métodos que tomaban imágenes de extractos fijos muestreados en puntos de tiempo dispersos, los enfoques recientes de imágenes de extractos en vivo utilizando microscopía de lapso de tiempo, revelando características más dinámicas con una resolución temporal mejorada. Estos métodos generalmente requieren tratamientos superficiales sofisticados del vaso de imágenes. Aquí presentamos un método alternativo para obtener imágenes en vivo de extractos de huevo que no requieren tratamiento químico de superficie. Es fácil de implementar y utiliza consumibles de laboratorio producidos en masa para obtener imágenes. Describimos un sistema que se puede utilizar tanto para microscopía de campo amplio como para microscopía confocal. Está diseñado para extractos de imágenes en un campo de 2 dimensiones (2D), pero se puede extender fácilmente a imágenes en 3D. Es muy adecuado para estudiar la formación de patrones espaciales dentro del citoplasma. Con datos representativos, demostramos la organización dinámica típica de microtúbulos, núcleos y mitocondrias en extractos de interfase preparados utilizando este método. Estos datos de imagen pueden proporcionar información cuantitativa sobre la dinámica citoplasmática y la organización espacial.
El citoplasma constituye el volumen principal de una célula y tiene una organización distinta. Los ingredientes del citoplasma eucariota pueden autoensamblarse en una amplia gama de estructuras espaciales, como los ásteres de microtúbulos y el aparato de Golgi, que a su vez están dispuestos dinámicamente y se voltean dependiendo de la identidad y el estado fisiológico de la célula. Por lo tanto, comprender la organización espacial del citoplasma y su vínculo con las funciones celulares es importante para comprender cómo funciona la célula. Los extractos de huevo de Xenopus laevis se han utilizado tradicionalmente para ensayos bioquímicos a granel 1,2,3,4,5,6,7,8, pero trabajos recientes los establecen como un poderoso sistema de imágenes en vivo para estudios mecanicistas de estructuras citoplasmáticas y sus funciones celulares 9,10,11, 12,13,14,15,16,17,18. Estos extractos no diluidos preservan muchas estructuras y funciones del citoplasma, al tiempo que permiten manipulaciones directas de los contenidos citoplasmáticos no alcanzables en modelos convencionales basados en células19,20. Esto los hace ideales para caracterizar fenómenos citoplasmáticos y diseccionar sus fundamentos mecanicistas.
Los métodos existentes para obtener imágenes de extractos requieren modificaciones químicas de la superficie o la fabricación de dispositivos microfluídicos. Un método basado en cubreobjetos requiere la pasivación del polietilenglicol (PEG) de los cubreobjetos de vidrio21. Un método basado en microemulsiones requiere la deposición de vapor de tricloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctil)silano en superficies de vidrio22,23. Los sistemas basados en microfluídicos permiten un control preciso del volumen, geometría y composición de las gotas de extracción, pero requieren instalaciones especializadas de microfabricación11,12,24.
Aquí presentamos un método alternativo para obtener imágenes de extractos de huevo que es fácil de implementar y utiliza materiales fácilmente disponibles y de bajo costo. Esto incluye la preparación de una cámara de imágenes con un portaobjetos y un cubreobjetos recubiertos con cinta de etileno propileno fluorado (FEP). La cámara se puede utilizar para extraer imágenes con una variedad de sistemas de microscopía, incluidos estereoscopios y microscopios verticales e invertidos. Este método no requiere tratamiento químico de superficies, al tiempo que logra una claridad óptica similar obtenida con los métodos existentes basados en vidrio discutidos anteriormente. Está diseñado para obtener imágenes de una capa de extractos con un grosor uniforme en un campo 2D, y se puede extender fácilmente para obtener imágenes de un volumen 3D de extractos. Es muy adecuado para imágenes de lapso de tiempo del comportamiento citoplasmático colectivo en un amplio campo de visión.
Hemos utilizado extractos de huevo detenidos entre fases para demostrar nuestro método de imagen. La preparación del extracto sigue el protocolo de Deming y Kornbluth19. Brevemente, los huevos naturalmente detenidos en la metafase de la meiosis II son aplastados por un giro de baja velocidad. Este giro libera el citoplasma del paro meiótico y permite que el extracto proceda a la interfase. Normalmente, la citocalasina B se agrega antes del giro de trituración para inhibir la formación de actina F. Sin embargo, se puede omitir si se desea F-actina. La cicloheximida también se agrega antes del centrifugado para evitar que el extracto de interfase entre en la siguiente mitosis. Los extractos se colocan posteriormente en las cámaras de imagen antes mencionadas y se colocan en un microscopio. Finalmente, las imágenes se registran a lo largo del tiempo a intervalos definidos por una cámara conectada al microscopio, produciendo series de imágenes de lapso de tiempo que capturan el comportamiento dinámico del extracto en un campo 2D.
Todos los métodos descritos aquí han sido aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Universidad de Stanford.
1. Preparación de portaobjetos y cubreobjetos
2. Preparación e imágenes en vivo de extractos de huevo detenidos entre fases
NOTA: El siguiente protocolo está adaptado de Deming y Kornbluth19, Murray20 y Smythe y Newport25 con modificaciones. Todos los pasos deben realizarse a temperatura ambiente a menos que se indique lo contrario.
Los extractos de huevo de Xenopus laevis se pueden utilizar para estudiar la autoorganización del citoplasma durante la interfase. La figura 2A muestra los resultados de un experimento exitoso. Suplementamos extractos detenidos entre fases con núcleos de espermatozoides 19 de Xenopus laevis demembranados a una concentración de 27 núcleos/μL y 0,38 μM purificados GST-GFP-NLS 27,28,29,30 (proteína de fusión que consiste en glutatión-S-transferasa, proteína fluorescente verde y una secuencia de localización nuclear) para permitir la reconstitución y visualización de núcleos interfásicos. También agregamos tubulina marcada con fluorescencia de 1 μM para visualizar microtúbulos, y 500 nM MitoTracker Red CMXRos para visualizar mitocondrias. Momentos después de colocar el extracto en la cámara de imágenes, el citoplasma parecía desorganizado. En el transcurso de los siguientes 30 minutos a temperatura ambiente, el citoplasma comenzó a autoorganizarse en compartimentos similares a células. Los ásteres de microtúbulos crecieron a partir de centrosomas introducidos con los núcleos de los espermatozoides y formaron zonas fronterizas agotadas en microtúbulos cuando se encontraron con microtúbulos de ásteres vecinos. Proteína GST-GFP-NLS translocada en los núcleos redondos de interfase autoensamblados a partir de los núcleos de espermatozoides demembranados añadidos. Las áreas agotadas de componentes citoplasmáticos de dispersión de luz fueron visibles tanto en los canales de campo claro como en los de las mitocondrias (Figura 2A, 20 min y 35 min). Las mitocondrias también se agotaron de los bordes establecidos por los microtúbulos, y se enriquecieron en compartimentos aislados que se alinearon con los compartimentos de microtúbulos. A los 60 min a temperatura ambiente, un patrón espacial que consiste en compartimentos similares a células debe estar bien establecido, con microtúbulos formando una estructura hueca similar a una corona, y mitocondrias claramente divididas en cada compartimento (Figura 2A, 53 min).
La Figura 2B compara el rendimiento de extracción en cámaras de imagen con y sin cintas FEP en vidrio. Suplementamos extractos detenidos entre fases con núcleos de espermatozoides 19 de Xenopus laevis demembranados a una concentración de 27 núcleos/μL y 0,35 μM GST-mCherry-NLS27,28,29,30 (proteína de fusión que consiste en glutatión-S-transferasa, proteína fluorescente mCherry y una secuencia de localización nuclear) para permitir la reconstitución y visualización de núcleos interfásicos. También agregamos tubulina marcada con fluorescencia de 1 μM para visualizar microtúbulos. Las diferencias en la dinámica se hicieron evidentes en aproximadamente 20 minutos a temperatura ambiente. En la cámara hecha con vidrio FEP-taped, el extracto se autoorganizó en patrones normales similares a células (Figura 2B, imágenes en las filas 1 y 3). Sin embargo, en la cámara donde las superficies de vidrio no estaban cubiertas por la cinta FEP (sin pasivar), el extracto mostró patrones anormales de campo brillante y microtúbulos que se interrumpieron cada vez más con el tiempo (Figura 2B, imágenes en las filas 2 y 4). No se observaron diferencias significativas en la importación nuclear de la proteína GST-mCherry-NLS (Figura 2B, imágenes en las filas 5 y 6).
Figura 1: Esquemas y fotos relacionadas con el procedimiento experimental. (A) Diagrama esquemático para preparar cubreobjetos y portaobjetos de vidrio recubiertos con cinta FEP. (B) Huevos de Xenopus laevis depositados en tampón de puesta de huevos, con ejemplos de huevos de mala calidad indicados por flechas. Flechas amarillas, ejemplos de huevos que parecen bolas hinchadas blancas. Flechas rojas, ejemplos de huevos que aparecen en una cadena. (C) Ejemplos de huevos de Xenopus laevis con apariencia normal. (D) Ejemplos de huevos de mala calidad con pigmento irregular o moteado. (E) Un huevo deteriorado con una región blanca en crecimiento. (F) Un huevo que muestra un área pigmentada oscurecida y contraída, posiblemente debido a la activación partenogenética. (G) Las capas formadas por huevos rotos de Xenopus laevis después de la centrifugación de 12.000 x g en el paso 2.11. (H) Esquemas para preparar la cámara de imagen del extracto en el paso 2.15. (I) Una foto de una cámara de imágenes preparada con un extracto de huevo en su interior. (C) y (D) comparten la misma barra de escala en la parte inferior de (D). (E) y (F) comparten la misma barra de escala en la parte inferior de (F). Las barras de escala en (B) (C) (D) (E) (F) e (I) son aproximadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Los extractos de huevos detenidos por interfase se autoorganizan en compartimentos similares a células . (A) Montaje de lapso de tiempo de formación de patrones autoorganizados en una capa delgada (120 μm) de extracto de huevo de Xenopus laevis detenido entre fases . El extracto se complementó con 27 núcleos/μL de núcleos de espermatozoides de Xenopus laevis demembranados para permitir la reconstitución de los núcleos interfásicos. Los microtúbulos fueron visualizados por la tubulina marcada con HiLyte 647 (que se muestra en magenta), las mitocondrias por MitoTracker Red CMXRos (que se muestra en rojo) y los núcleos por GST-GFP-NLS (que se muestra en verde). (B) Formación de patrones autoorganizados en extractos de huevo de Xenopus laevis detenidos entre fases colocados en cámaras con y sin superficies de vidrio cubiertas con cinta FEP. Los extractos se complementaron con 27 núcleos/μL de núcleos de espermatozoides de Xenopus laevis demembranados para permitir la reconstitución de los núcleos interfásicos. Los microtúbulos fueron visualizados por tubulina marcada con HiLyte 488 (mostrada en magenta) y núcleos por GST-mCherry-NLS (mostrada en verde). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Sello secundario opcional para la cámara de imágenes. Esquemas para preparar un sello secundario opcional con aceite mineral para evitar que el extracto entre en contacto prolongado con el aire. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los extractos de huevos de Xenopus laevis se han convertido en un poderoso sistema modelo para estudios basados en imágenes de diversas estructuras subcelulares 10,14,15,16,17,18,21,31,32,33,34,35,36 y organización citoplasmática en su conjunto Escala celular9. Aquí hemos descrito un método de imagen en vivo adecuado para visualizar la organización citoplasmática dinámica en 2D. La eficacia del método se demuestra mediante resultados representativos.
Varios pasos son críticos para el éxito del método. La calidad del huevo es importante para los extractos, por lo que los pasos 2.3 y 2.7 son críticos. En nuestra experiencia, el hemisferio animal de huevos de alta calidad tiene una pigmentación uniforme, un punto blanco distintivo en el centro (indicativo de ruptura de vesículas germinales, GVBD) y un borde claro con el hemisferio vegetal (Figura 1C). Los extractos hechos de huevos de alta calidad tienen un mejor rendimiento en nuestras condiciones de imagen. Si más del 5% de los huevos tienen pigmento moteado (Figura 1D), tienen un área pigmentada oscurecida y contraída (Figura 1F), parecen bolas hinchadas blancas (Figura 1B), aparecen en una cuerda (Figura 1B) o muestran signos de deterioro después de los lavados en los pasos 2.6 y 2.7 (Figura 1E), entonces todo el lote de huevos debe desecharse. Los extractos conservan una notable actividad biológica porque son esencialmente citoplasma sin diluir. Por lo tanto, el paso que tiene como objetivo minimizar la dilución del extracto (paso 2.9) es importante para el éxito del experimento. Para las imágenes, los extractos se manejan en volúmenes muy pequeños y se evaporarán rápidamente si están en contacto prolongado con el aire. Esto afectará negativamente su actividad. Por lo tanto, en el paso 2.15, después de depositar el extracto, debe sellarse con el lado recubierto con cinta FEP del cubreobjetos lo antes posible. El sellado se puede confirmar visualmente mediante el cambio de textura en el sitio de contacto entre el adhesivo en el espaciador y el cubreobjetos. El espaciador debe ser capaz de crear un sello completo si se aplica correctamente. Sin embargo, si se desea un sello adicional, se puede dispensar aceite mineral entre el voladizo del cubreobjetos y la corredera de vidrio. El aceite puede formar un sello adicional alrededor del espaciador por acción capilar (Figura 3). La pasivación de las superficies de vidrio puede reducir la adsorción inespecífica de moléculas, y es importante para los ásteres de microtúbulos interfásicos en extractos21,37. La aplicación de cinta FEP sobre una superficie de vidrio descrita aquí parece ofrecer beneficios similares, como lo sugiere el ensamblaje de ásteres de microtúbulos de interfase normales (Figura 2, 6 min). Por lo tanto, el paso 1.1 también es crítico.
Demostramos la aplicación de un método de imagen utilizando extractos de huevo detenidos entre fases siguiendo el protocolo de Deming y Kornbluth19. Por defecto, el protocolo complementa los extractos con el inhibidor de la polimerización de actina citocalasina B para prevenir la gelificación-contracción en los extractos después de una incubación prolongada a temperatura ambiente26. Para permitir la polimerización de actina y observar la dinámica de la actina, se puede omitir la citocalasina B en el paso 2.10 del protocolo9. Una modificación que hemos hecho al protocolo de Deming y Kornbluth es que no complementamos los extractos con una mezcla energética para regenerar ATP19. Esto se debe a que en nuestras manos, en extractos suplementados con esta mezcla regeneradora de ATP19 y núcleos de espermatozoides, los microtúbulos ocasionalmente forman una red reticulada que interfiere con la formación de patrones citoplasmáticos. Por lo tanto, el protocolo no incluye el paso que agrega la combinación energética a los extractos19.
El protocolo de extracción interfase se basa en triturar huevos en tampón libre de EGTA para liberarlos de la detención meiótica (detención del LCR)37. Los extractos progresan posteriormente a la interfase, y se mantienen en la interfase por cicloheximida. Existen otros métodos establecidos para preparar extractos de interfase. Algunos métodos primero preparan extractos que mantienen el paro meiótico triturando huevos en tampón de lisis con EGTA38, y luego liberan el arresto agregando calcio, conduciendo el extracto a la interfase 21,37,39. Los extractos pueden mantenerse posteriormente en interfase mediante la adición de inhibidores de la síntesis de proteínas como la cicloheximida37,39. Otros métodos activan partenogenéticamente los huevos con ionóforo de calcio (A23187) o descarga eléctrica para liberarlos de la detención meiótica, antes de aplastar los huevos en ausencia de EGTA20,28 (revisado en Field et al.37). Estos extractos pueden entrar en interfase, pero por lo general no permanecerán allí, ya que son capaces de someterse a múltiples ciclos celulares. Asimismo, se han desarrollado métodos bien establecidos optimizados para preparar extractos con citoesqueleto de actina intacto 10,37,39. El método de imagen puede ser adecuado para este tipo de extractos, pero no lo hemos probado con ellos.
Con el fin de obtener imágenes de la organización interna del citoplasma, el sistema de imágenes presentado aquí es relativamente fácil de configurar, requiriendo solo la aplicación de una cinta FEP a las superficies de vidrio. Permite el ensamblaje de estructuras citoesqueléticas en extractos9 reportados en sistemas de imagen más sofisticados donde las superficies de vidrio son pasivadas con tratamiento con poli-L-lisina-g-polietilenglicol (PLL-g-PEG) o recubiertas con bicapas lipídicas soportadas10,21. El método permite que la capa de extracción se forme con un espesor definido (determinado por la profundidad del espaciador, que es de 120 μm para el sistema que se muestra en las Figuras 1A, 1H, 1I y 2). Podemos ajustar el grosor apilando espaciadores adicionales. Hemos apilado hasta 6 espaciadores de este tipo (720 μm de espesor) y los compartimentos se formaron normalmente. Esta flexibilidad permite aplicaciones futuras, como la obtención de imágenes de los extractos en 3D mediante microscopía confocal o de hoja de luz.
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecemos a J. Kamenz, Y. Chen y W. Y. C. Huang por sus comentarios sobre el manuscrito. Este trabajo fue apoyado por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (R01 GM110564, P50 GM107615 y R35 GM131792) otorgadas a James E. Ferrell, Jr.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
17 ml centrifuge tube | Beckman Coulter | 337986 | |
22x22 mm square #1 cover glass | Corning | 284522 | |
Aprotinin | MilliporeSigma | 10236624001 | Protease inhibitor |
Cycloheximide | MilliporeSigma | 01810 | Protein synthesis inhibitor |
Cytochalasin B | MilliporeSigma | C6762 | Actin polymerization inhibitor |
Female Xenopus laevis frogs | Nasco | LM00535MX | |
Fluorescent HiLyte 488 labeled tubulin protein | Cytoskeleton, Inc. | TL488M-A | For visualizing the microtubule cytoskeleton |
Fluorescent HiLyte 647 labeled tubulin protein | Cytoskeleton, Inc. | TL670M-A | For visualizing the microtubule cytoskeleton |
Fluorinated ethylene propylene (FEP) optically clear tape | CS Hyde company | 23-FEP-2-5 | |
Glass Pasteur pipette | Fisher Scientific | 13-678-20C | |
Human chorionic gonadotropin (hCG) | MilliporeSigma | CG10 | |
Imaging spacer | Electron Microscopy Sciences | 70327-8S | |
Leupeptin | MilliporeSigma | 11017101001 | Protease inhibitor |
Microscope slides | Fisher Scientific | 12-518-100B | |
Mineral oil | MilliporeSigma | 330760 | |
MitoTracker Red CMXRos | Thermo Fisher Scientific | M7512 | For visualizing mitochondria |
Pregnant mare serum gonadotropin (PMSG) | BioVendor | RP1782725000 | |
Roller applicator | Amazon | B07HMBJSP8 | For applying the FEP tape to the glass slides and coverslips |
Single-edged razor blades | Fisher Scientific | 12-640 | For removing excessive FEP tape |
Transfer pipette | Fisher Scientific | 13-711-7M |
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