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この研究では、斬首、固定、凍結切片、蛍光染色、免疫染色、およびイメージングを含む組織処理の簡略化されたプロトコルを提示します。これらは共焦点および多光子イメージングに拡張できます。この方法は、複雑な解剖に匹敵する有効性を維持し、高度な運動能力の必要性を回避します。定量的な画像分析は、広範な調査の可能性を提供します。
ショウジョウバエのメラノガスター脳の免疫染色は、複雑な行動、神経回路、およびタンパク質発現パターンの背後にあるメカニズムを探求するために不可欠です。従来の方法では、複雑な解剖の実施、組織の完全性の維持、高解像度イメージング中の特定の発現パターンの視覚化などの課題がよく伴います。クライオ切片と蛍光染色および免疫染色を組み合わせた最適化されたプロトコールを紹介します。この方法により、組織の保存とシグナルの明瞭さが向上し、ショウジョウバエの脳イメージングのための面倒な解剖の必要性が軽減されます。この方法では、迅速な解剖、最適な固定、凍結保護、凍結切片、続いて蛍光染色と免疫染色が行われます。このプロトコールは、組織の損傷を大幅に低減し、抗体の浸透性を高め、鮮明で鮮明な画像を提供します。このアプローチの有効性を、特定の神経集団とシナプスタンパク質を高い忠実度で視覚化することにより実証します。この汎用性の高い方法により、成体脳のさまざまなタンパク質マーカーを複数のz面にわたって分析でき、他の組織やモデル生物にも適応できます。このプロトコルは、ショウジョウバエの神経生物学研究において高品質の免疫組織化学を行う研究者に、信頼性と効率性に優れたツールを提供します。この手法の詳細な可視化により、神経解剖学、病理学、タンパク質の局在化の包括的な解析が容易になり、神経科学研究に特に価値があります。
社会的相互作用1、感覚的知覚と処理2、学習3、運動4に至るまでの複雑な行動は、脳によって駆動されます。神経障害もますます一般的になっており、時間とともに増加すると予測されています5,6。脳が健康と病気の両方でどのように機能するかを研究することは非常に重要です。分子生物学のセントラルドグマは、生物学的ユニットの最も重要な機能の1つはタンパク質7であり、それらがどれだけ、どこで発現するかの両方が、脳がどのように機能するかを理解するために重要であることを示唆しています。
ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)は、一般にショウジョウバエとして知られており、老化および病態生理学的条件下での脳機能を研究するための非常に貴重なモデルである8。ショウジョウバエの高度な遺伝ツールの利用可能性により、研究者はほぼすべてのタンパク質の機能を探索することができ9、ほぼすべての遺伝子の包括的な遺伝ライブラリに容易にアクセスできます10。これらの特徴と、その短い寿命と高い繁殖率により、ショウジョウバエは脳研究の優れたモデルとなっています11。これは、ハエの完全な脳地図の開発を含む重要な成果につながり12、さらには概日リズムと分子時計のニューロンメカニズムを解明するためのノーベル賞に貢献しました13,14,15。その結果、ショウジョウバエは依然として強力で汎用性の高いシステムであり、脳機能の理解を前進させ、神経学的プロセスに対する前例のない洞察を提供しています。
免疫組織化学と免疫蛍光は、in situでのタンパク質発現を研究するための基本的なツールです。ウェスタンブロットのような手法は、半定量的な分析しかできず、通常はバルク組織16で実施され、質量分析のような複雑で高価な手法でタンパク質レベル17を測定するのとは対照的に、免疫組織化学は比較的簡単で、タンパク質発現の定量化と、組織または細胞内のタンパク質の局在測定の両方が可能です。重要なことは、蛍光免疫組織化学をマルチプレックス化して複数のタンパク質を測定し、特定の細胞タイプや組織を特定したり、同じ組織内の複数の質問に答えたりすることもできることです。さらに、組織固定により、さまざまな実験条件、遺伝子型、年齢、概日時間軸での比較が可能になります。しかし、蛍光免疫組織化学は困難な場合があり、多くの要因が画質に影響を与える可能性があります。このショウジョウバエの脳に対する最適化された凍結切片および免疫染色プロトコルは、組織の保存、抗体の浸透、神経集団とタンパク質マーカーの可視化を改善することにより、高解像度イメージングを強化することを目的としています。複雑な解剖、組織の損傷、全脳マウント18に関連する限られた画像解像度など、従来の方法の課題に対処するために開発されました。このプロトコルは、クライオセクショニングと蛍光染色を組み合わせて、複数のz面にわたる構造的完全性とシャープなイメージングを保証します。ホールマウント調製と比較して、この方法は歪みを最小限に抑え、抗体のより深い拡散を促進し、明確な神経解剖学的およびタンパク質の局在分析を提供します18。その汎用性により、他の組織やモデル生物への適応が可能になり、神経科学研究のための信頼性と効率的なツールを提供します19,20。ほぼすべてのタンパク質を見るように適応でき、あらゆる状態、疾患、またはモデルの研究に適用できます。
1. 機器の準備
2. 溶液の調製
3. ティッシュの収集
4. 全組織の固定
5.金型の準備
6. 金型のクライオセクショニング
注:一般的に、実験グループの型を切断する前に、ブランク型の準備をして切断することをお勧めします。これにより、組織切片化の直前に、ホイール、ブレード、およびアンチロールガラスの適切な機能を確保することができます。
7. 染色とIHC
注:このプロトコルでは、非標識一次抗体を使用してIHCを詳述します。蛍光色素標識抗体、または1つのステージで実施できるその他の蛍光染色剤は、二次抗体を併用する場合は、二次抗体と併用する必要があります。
8. イメージングのマウントと準備
9. 画像取得
注意:画像キャプチャの場合、Olympus Cell Sense Dimensionsソフトウェアの使用について詳しく説明します。
10. 定量化
注:定量化は、さまざまなソフトウェアを使用して実行できます。ここでは、オリンパスのCellSense Dimensionsの使用について言及しています。
上述の方法により、成虫のハエの脳の蛍光イメージングを、面倒な解剖なしに確実に行うことができます。 図1に簡単に示すように、この方法は簡単で、すべての試料、機器、材料がすぐに入手できる場合は迅速に実行できます。あるいは、OCT金型段階で-80°Cの保管を使用することで、試料を何週間も後で使用するために保管することができます。研究者は、簡単な解剖および埋め込み技術を学ぶために長いトレーニングを受ける必要がないため、この方法は非常に利用しやすくなっています。
この方法を用いて実施された蛍光顕微鏡法の例を図2A-Dに示すことができます。抗体タグ(ApoE)と蛍光染色(ナイルレッド)の両方の発現は明確に定義されています。さらに、脳組織の高い完全性も見ることができます。画像は、デコンボリューションなどの一般的な画像処理ソフトウェア機能を使用してさらに鮮明にすることができます。これは、パネル図2A'-D'にも示されています。デコンボリューションは、シャープネスとコントラストを改善し、ノイズを減らすのに役立ちます。
画像の定量化に関しては、オブジェクト数、平均オブジェクト面積、強度、面積分率などの標準パラメータについて、すべての画像を定量化できます。定量の限界は、選択するソフトウェアによって大きく異なりますが、一般的には、上記のパラメータにより適切な調査が可能になり、ほとんどのアプリケーションで利用できます。 図3 は、複数の画像の脳領域内の平均強度値から生成されたヒストグラムを示しています。これは、特定の遺伝子型の平均脳強度を視覚化するのに役立ちます。この場合は、ELAV/+ と ELAV>ApoE4 です。
図1:ショウジョウバエの脳切片化とイメージングのワークフロー。 1.ショウジョウバエの頭は、細いハサミを使用して斬首することによって収集されます。2.固定後、採取した頭部をOCTとともに型に埋め込み、凍結切片で脳の薄い切片を得る。3.脳切片は、一次抗体による免疫組織化学染色(IHC)または蛍光染色にかけられます。4. 染色後、切片をカバースリップでマウントし、暗所で4°Cで保存することで、蛍光の完全性を維持します。5.脳切片を蛍光顕微鏡で可視化し、標的タンパク質や細胞構造を研究します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:凍結切片頭部の免疫組織化学および蛍光染色。(A-D)ApoE発現のために染色された生後7週齢の雌のハエの頭部、脂質(ナイルレッド)、DAPIの代表的な画像。これらの画像は、ヒトのApoE4(Elav>ApoE4)の発現を示していますが、コントロールフライのElav/+にはこのApoEの発現がありません。ナイルレッド(Elav>ApoE4、およびElav/+)による脂質染色。この方法を使用した脳組織の完全性は、ここでも証明されています。(A'-D')これらは、デコンボリューション後のA、B、C、およびDを表します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ApoEの相対定量。 7週齢の ショウジョウバエ の脳におけるApoEタンパク質発現の定量結果が示されました。強度の絶対値は、Elav/+およびElav>ApoE4変異体の両方の被験者について収集され、次いでElav/+に正規化された。Elav>ApoE4とElav/+の間には統計的有意性が認められています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ここでは、凍結切片化された ショウジョウバエ の頭部の正確な蛍光イメージングのためのプロトコールを紹介します。これは、いくつかの重要な利点を持つ単純なアプローチです。つまり、これらの方法は、基本的な実験室の安全トレーニングを受けた人なら誰でも完了できるほど単純であり、高品質の抗体が存在する任意のタンパク質の発現を測定することに適応でき、目的のタンパク質がどれだけ発現しているか、そしてその発現が頭のどこで発生するかを正確に測定することができます。組織と画像の品質が十分に高ければ、 ショウジョウバエ の頭部全体にわたる発現の3Dマッピングが可能になる可能性があります。
共焦点顕微鏡と組み合わせたイメージングのために脳を分離する技術的に困難なアプローチとは対照的に、このプロトコルでは、脳だけでなく、ショウジョウバエの頭部全体にわたるイメージングが可能です。これは、ハエの視覚系がニューロン機能の重要なモデルであることを考えると特に重要です21が、これらの構造の一部は脳の分離中に失われる可能性があります。それはまた、目的のタンパク質の発現が特定の細胞型または組織型22に特異的であるかどうかを決定するために、例えば、テングの筋肉を切片内対照組織に提供する。これにより、わずかな条件の違いによって影響を受ける可能性のある別々の切片を使用するのではなく、組織間の直接比較が可能になります。このプロトコルのもう一つの強みであり、モデルシステムとしてショウジョウバエを使用することは、フライヘッドが非常に小さい19,20であるため、比較的ハイコンテントの蛍光イメージングを行うことができることです。1つのブロックに50個以上のヘッドを入れることができました。業界標準サイズのスライドに8つのセクションを配置できるため、1つのスライドにはフライごとに8つのユニークなセクションが含まれ、合計400のユニークなセクションが含まれます。重要なことは、すべてのセクションが同じ実験条件と時点にさらされ、グループ間で比較する際に優れた完全性を達成することです。さらに、このプロトコルでは、共焦点顕微鏡ではなく標準的な蛍光顕微鏡を使用するだけで済みます。これは、高い財政的支援がなく、このイメージングへのアクセスをより広く許可している研究室や機関にとっては法外な費用になる可能性があります。
このプロトコルの主な制限の1つは、免疫染色に固有のものですが、抗体を最適化する際に高品質の抗体と適切なコントロールを使用することの重要性です。抗体が選択的で目的のタンパク質に対して感受性があることを確認することは非常に重要ですが、多くの場合、オフターゲット染色が行われ、蛍光シグナルが本物であるかどうかを判断するのが難しくなる可能性があります。そのためには、一次抗体と二次抗体の両方を試験します。幸いなことに、 ショウジョウバエには簡単に利用できる遺伝ツールがあるため、これを行うのは簡単です。一次抗体の品質を検証するために、野生型ハエと実験ハエ、目的のタンパク質を過剰発現するポジティブコントロールハエ、および遺伝子がノックアウトまたはノックダウンされたネガティブコントロールハエでプロトコールを完了することをお勧めします。これらの対照群は、発現レベルと予想される蛍光の範囲を確立し、実験用のハエがそのスペクトル内のどこに該当するかを評価するための基準点として機能します。一次抗体の希釈倍率を複数回試験することは、少なすぎると質の低下につながり、タンパク質が存在するバックグラウンドより上での蛍光につながらない一方、抗体が多すぎると、タンパク質が存在しない場所でオフターゲット染色につながるため、試験することが重要です。この複数回希釈法には、一次抗体を含まないグループを含めるべきであり、これにより二次抗体の品質が検証されます。これは、バックグラウンド蛍光が存在する場合にのみ蛍光が存在し、二次抗体による蛍光検出の限界を示す追加のネガティブコントロールグループを提供するためです。必要に応じて、時間や温度など、さまざまなインキュベーション条件を使用して、最終画像のS/N比を最大化します。私たちは、高品質の免疫蛍光イメージングには、高品質の抗体と高品質の組織が重要であることを繰り返し述べます。
全体として、免疫蛍光イメージングは、生物学をより広く、神経科学をより具体的に研究するための強力なツールです。これは、 ショウジョウバエ で利用可能な強力な遺伝ツールと組み合わせることで、タンパク質が健康や病気にどのように影響するかについての重要な知識を明らかにする可能性があります。ハエの脳は、人間の脳がどのように機能するかを発見するために明らかに重要であり、今後もそうであり続けるでしょう。ここで説明するプロトコルの適応性により、頭部内のほぼすべてのタンパク質(または脂質)の役割は、抗体の品質によってのみ制限されるあらゆる疾患や状態の状況で研究できます。したがって、免疫蛍光イメージングは、脳の働きに関する将来の研究にとって重要であり、人間の健康と治療法の開発に大きな影響を与える可能性があります。
著者は何も開示していません。
私たちは、プロトコルの開発に貴重なフィードバックを提供してくださったMelkani研究室のメンバーに感謝します。フライストックのElav-Gal4(BL#458)およびUAS-ApoE4(BL#76607)は、Bloomington Drosophila Stock Center(米国インディアナ州ブルーミントン)から入手しました。この研究は、国立衛生研究所(NIH)の助成金AG065992およびG.C.M.へのRF1NS133378によって支援されました。この作業は、UAB Startup Fundsによっても支援されており、G.C.M.に3123226および3123227しています。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1000 uL Pipette | Eppendorf | 3123000063 | |
1000 uL Pipette Tips | Olympus Plastics | 23-165R | |
10X Phosphate Buffered Saline (PBS) | Fisher | J62036.K7 | ph=7.4 |
200 Proof Ethanol | Decon Laboratories | 64-17-5 | |
20X Tris Buffered Saline | Thermo Scientific | J60877.K2 | pH=7.4 |
AF750 Goat Anti-Mouse Secondary Antibody | Alexa Fluor | A21037 | |
Anti-Roll Glass | IMEB | AR-14047742497 | |
ApoE Mouse Primary Antibody | Santa Cruz | SC13521 | |
Bovine Serum Albumin | Fisher | 9048-46-8 | |
Centrifuge Tubes 1.5 mL | Fisher | 05-408-129 | |
Charged Slides | Globe Scientific | 1415-15 | |
Cryosectioning Molds | Fisher | 2363553 | |
Cryostat | Leica | CM 3050 S | |
Cryostat Blades | C.L. Sturkey | DT554N50 | |
Distilled Water | |||
Dry Ice | ??? | ??? | |
Fine Forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Fly Pad | Tritech Research | MINJ-DROS-FP | |
Hardening mounting Media with Dapi | Vectashield | H-1800 | |
Kimwipes | Kimtech | 34120 | |
Microscope | Olympus | SZ61 | |
Nile Red | Sigma | N3013 | |
Optimal Cutting Temperature Compound | Fisher | 4585 | |
Orbital Shaker | OHAUS | SHLD0415DG | |
Paraformaldehyde 20% | Electron Microscopy Sciences | 15713 | |
Razor Blades | Gravey | #40475 | |
Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-10 | |
Sucrose | Fisher | S5-500 |
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