В лаборатории
By Джастин Чен
20 августа 2018 г.
Фото и видео Юджина Ли 9 0003 Штамм C. elegans, экспрессирующий флуоресцентный белок в некоторых клетках, включая нейроны. Юджин Ли/MIT Репринты
В 1963 году южноафриканский биолог по имени Сидней Бреннер по наитию решил изучить вид червей под названием C. elegans.
Черви оказались идеальным лабораторным животным. Они были простыми существами, которые жили в грязи и питались бактериями, но были достаточно сложными, чтобы дать биологическую информацию, применимую к здоровью человека. C. elegans был первым организмом, чей геном был секвенирован, и, помимо людей, его отправляли в космос чаще, чем любое другое животное.
реклама
В 2002 году Бреннер вместе с Робертом Хорвицем и Джоном Сулстоном получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свою работу, описывающую, как клетки преднамеренно убивают себя на благо всего червя.
Предчувствие Бреннера продолжает оправдываться. Текущие исследования с червями помогают нам понять, как работает наш разум и как мы стареем.
Юджин Ли, аспирант лаборатории Хорвица, расположенной в кампусе Массачусетского технологического института, использует C. elegans для описания того, как нервные клетки работают вместе, вызывая сложное поведение и сознание. По пути он провел бессчетное количество часов, изучая поразительные образы странного микроскопического мира, где движение хвоста червя или необычное пятно светящихся клеток может стать следующим ключевым прорывом.
Штамм C. elegans, экспрессирующий флуоресцентный белок в клетках. Маленькие точки флуоресценции указывают на то, что белки сконцентрировались в ядре.
Eugene Lee/MIT Штамм C. elegans, экспрессирующий в клетках флуоресцентный белок. Маленькие точки флуоресценции указывают на то, что белки сконцентрировались в ядре. Ученые создали генетически модифицированные штаммы C. elegans для производства флуоресцентных белков. Паттерны флуоресценции помогают исследователям понять, как клетки и черви реагируют на стрессовые ситуации.
реклама
Чашка Петри, полная червей с мутацией, которая заставляет их ползать кругами. Юджин Ли/MIT Червь дикого типа, двигающийся по дну чашки Петри. Юджин Ли/MIT Мутант C. elegans, неспособный правильно откладывать яйца через синий фильтр. Eugene Lee/MITБольшинство C. elegans — гермафродиты, обладающие как женскими, так и мужскими органами. Самцы редки, а самок не существует. За свой жизненный цикл типичный гермафродит откладывает около 300 яиц.
Eugene Lee/MIT Ученые изучают нервную систему червей, чтобы объяснить поведение животных. Понять, как и почему червь реагирует на определенные раздражители, например, откладывать яйца в ответ на яркий свет, может быть сложно. «На самом деле я пытаюсь представить себя червяком», — сказал Ли. «Мы делаем это все время в лаборатории».
C. elegans подвергся воздействию препарата прозак. Eugene Lee/MITПоскольку червей легко разводить в больших количествах, они полезны для проверки на наркотики — масштабных экспериментов, в ходе которых ученые проверяют, как C. elegans реагирует на сотни различных химических веществ. Здесь черви затвердевают при воздействии прозака.
Группа C. elegans через зеленый фильтр. Eugene Lee/MIT Штамм C. elegans, который экспрессирует флуоресцентный белок в клетках, реагирующих на тепло, окислительный стресс и голодание. Юджин Ли/MIT Отношение исследователей к червям одновременно благоговейное, клинически отдаленное, интимное и навязчивое.
За несколько десятилетий ученые идентифицировали и нанесли на карту развитие всех 959 клеток у взрослых гермафродитов и 1031 клетки у взрослых самцов. Бреннер назвал C. elegans «подарком природы науке».
1. Лихтман Дж. В., Кончелло Дж.-А., «Флуоресцентная микроскопия», Нац. Методы 2, 910–919 (2005). 10.1038/nmeth817 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
2. Hastings J. W., «Bioluminescence», Annu. Преподобный Cell Dev. биол. 14, 197–230 (1998). 10.1146/annurev.cellbio.14.1.197 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
3. Keyaerts M., Caveliers V., Lahoutte T., «Визуализация биолюминесценции: взгляд за пределы света», Trends Mol. Мед. 18, 164–172 (2012). 10.1016/j.molmed.2012.01.005 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
4. Асвендт М. и др., «Усиление биолюминесцентной нейровизуализации: оптимизированный протокол для исследований мозга», PLoS One
8, e55662 (2013).
10.1371/journal.pone.0055662 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
5. Maguire C.A., et al., «Тройная биолюминесцентная визуализация для мониторинга клеточных процессов in vivo», Mol. тер. Нуклеиновые кислоты 2, e99 (2013). 10.1038/mtna.2013.25 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
6. Evans M.S., et al., «Синтетический люциферин улучшает визуализацию биолюминесценции у живых мышей», Nat. Методы 11(4), 393–395 (2014). 10.1038/nmeth.2839 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
7. Im H., et al., «In vivo визуализация и мониторинг жизнеспособных нейральных стволовых клеток с использованием неинвазивной биолюминесцентной визуализации в 6 индуцированная гидроксидофамином мышиная модель болезни Паркинсона», Mol. визуализация 12.4, 224–234 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
8. Шах К., «Визуализация судьбы нервных стволовых клеток в мышиной модели глиомы», Curr. протокол Биол стволовых клеток.
5А.
1 (2009 г.). 10.1002/9780470151808.sc05a01s8 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Бахшешян Дж. и др., «Биолюминесцентная визуализация оттока лекарств через гематоэнцефалический барьер, опосредованного транспортером ABCG2», Proc. Натл. акад. науч. США. 110, 20801–20806 (2013). [Статья бесплатно PMC] [PubMed] [Google Scholar]
10. Zhu L., et al., «Неинвазивная визуализация экспрессии GFAP после повреждения нейронов у мышей», Neurosci. лат. 367, 210–212 (2004). 10.1016/j.neulet.2004.06.020 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
11. Watts J.C., et al., «Биолюминесцентная визуализация отложений Abeta в бигенных мышах, моделирующих болезнь Альцгеймера», Proc. Натл. акад. науч. США 108, 2528–2533 (2011). 10.1073/пнас.1019034108 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
12. Келлер А. Ф., Гравел М., Криз Дж., «Живая визуализация патогенеза бокового амиотрофического склероза: начало заболевания характеризуется выраженной индукцией GFAP в Шванновские клетки, глия
57, 1130–1142 (2009).
13. Hwang D.W., et al., «Неинвазивный мониторинг дифференцировки нейронов in vivo с использованием репортера, управляемого нейронным промотором», Eur. Дж. Нукл. Мед. Мол. визуализация 35, 135–145 (2008). 10.1007/s00259-007-0561-8 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
14. Oh HJ, et al., «Визуализация репортерного гена биолюминесценции in vivo для активации дифференцировки нейронов, индуцированной нейрональным активатором нейрогенином 1 (Ngn1) в клетках-предшественниках нейронов», Eur. Дж. Нукл. Мед. Мол. визуализация 40, 1607–1617 (2013). 10.1007/s00259-013-2457-0 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
15. Сайто К. и др., «Люминесцентные белки для высокоскоростной визуализации отдельных клеток и всего тела», Nat. коммун. 3, 1262 (2012). 10.1038/ncomms2248 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
16. Тунг Дж. К., Гутекунст С.-А., Гросс Р. Э., «Ингибирующие люминопсины: генетически кодируемые биолюминесцентные опсины для универсального, масштабируемого и аппаратно-независимого оптогенетического ингибирования», Sci.
17. Такай А. и др., «Расширенная палитра нанофонарей для многоцветной люминесцентной визуализации в реальном времени», 112, 4352– 4356 (2015). 10.1073/pnas.1418468112 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
18. Берглунд К. и др., «Светоизлучающие канальные родопсины для комбинированного оптогенетического и химико-генетического контроля нейронов», PLoS One 8, e59759 (2013). 10.1371/journal.pone.0059759 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
19. Tannous B. A., et al., «Кодон-оптимизированная кДНК люциферазы Gaussia для экспрессии генов млекопитающих в культуре и in vivo, Мол. тер. 11, 435–443 (2005). 10.1016/j.ymthe.2004.10.016 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
20. Niers J.M., et al., «Единый репортер для целевой мультимодальной визуализации in vivo», J. Am. хим. соц. 134, 5149–5156 (2012). 10.1021/ja209868g [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
21.
Берглунд К. и др., «Люминопсины объединяют опто- и хемогенетику, используя физические и биологические источники света для активации опсинов», Proc. . Натл. акад. науч. США.
113, E358–E367 (2016). 10.1073/pnas.1510899113 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
22. Бакаян А. и др., «Слияния красного флуоресцентного белка и экворина как улучшенные биолюминесцентные репортеры Ca2+ в одиночных клетках и мышах, ” PLoS Один 6, е19520 (2011). 10.1371/journal.pone.0019520 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
23. Curie T., et al., «Биолюминесцентные репортеры на основе аэкворина с красным смещением для визуализации in vivo передачи сигналов Ca2 », мол. визуализация 6.1, 30 (2007). [PubMed] [Google Scholar]
24. Baubet V., et al., «Химерный зеленый флуоресцентный белок-экворин как биолюминесцентные репортеры Ca2+ на уровне одной клетки», Proc. Натл. акад. науч. США. 97.3, 7260–7265 (2000). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
25.
Роджерс К. Л. и др., «Визуализация локальной динамики Ca2+ с генетически кодируемыми биолюминесцентными репортерами», Eur. Дж. Нейроски.
21, 597–610 (2005). 10.1111/j.1460-9568.2005.03871.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
26. Drobac E., et al., «Визуализация кальция в отдельных нейронах из срезов мозга с использованием биолюминесцентных репортеров», J. Neurosci . Рез. 88, 695–711 (2010). 10.1002/jnr.22249 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
27. Choy G., et al., «Сравнение неинвазивной флуоресцентной и биолюминесцентной оптической визуализации мелких животных», Biotechniques 35(5), 1022–1030 (2003). [PubMed] [Академия Google]
28. Трой Т. и др., «Количественное сравнение чувствительности обнаружения флуоресцентных и биолюминесцентных репортеров в животных моделях», мол. визуализация 3, 9–23 (2004). 10.1162/153535004773861688 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
29. Contag C. H., Molecular Imaging: Principles and Practice, Weissleder R. R. B., Ed.
, pp. (2010 г. ). [Google Scholar]
30. Биллинтон Н., Найт А. В., «Видеть лес сквозь деревья: обзор методов различения зеленого флуоресцентного белка от эндогенной автофлуоресценции», Anal. Биохим. 291, 175–197 (2001). 10.1006/abio.2000.5006 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
31. Dragulescu-andrasi A., et al., «Визуализация биолюминесцентного резонансного переноса энергии (BRET) белок-белковых взаимодействий в глубоких тканях живых субъектов, Проц. Натл. акад. науч. США. 108(29), 12060–12065 (2011). 10.1073/pnas.1100923108 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
32. Де А. и др., «Эволюция биосенсоров BRET от живых клеток до изображений in vivo в тканях», Front . Эндокринол. 4, 131 (2013). 10.3389/fendo.2013.00131 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
33. Xia Z., Rao J., «Биосенсор и визуализация на основе переноса энергии резонанса биолюминесценции», Curr. мнение Биотехнолог.
20, 37–44 (2009). 10.1016/j.copbio.
2009.01.001 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
34. Ким С. Б. и др., «Суперлюминесцентные варианты морских люцифераз для биоанализа», Anal. хим. 83(22), 8732–8740 (2011). 10.1021/ac2021882 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
35. Бранчини Б. Р. и др., «Красно-излучающие люциферазы для репортеров биолюминесценции и приложений для визуализации», Anal. Биохим. 396, 290–297 (2010). 10.1016/j.ab.2009.09.009 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
36. Лоенинг А. М., Ву А. М., Гамбхир С. С., «Варианты люциферазы Renilla reniformis с красным смещением для визуализации у живых субъектов», Nat. Методы 4, 641–643 (2007). 10.1038/nmeth2070 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
37. Loening A.M., Wu A.M., Gambhir S.S., «Варианты люциферазы Renilla reniformis с красным смещением для визуализации у живых субъектов», Nat. Методы 4.8 (2007 г.). [PubMed] [Академия Google]
38. Бранчини Б. Р. и др., «Мутанты люциферазы светлячков, излучающих красный и зеленый свет, для биолюминесцентных репортерных приложений», Anal.
Биохим.
345, 140–148 (2005). 10.1016/j.ab.2005.07.015 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
39. Бадр К.Э., Таннус Б.А., «Визуализация биолюминесценции: прогресс и применение», Trends Biotechnol. 29.12, 624–633 (2011). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
40. Сайто К., Нагаи Т., «Недавний прогресс в разработке люминесцентных белков», Curr. мнение хим. биол. 27, 46–51 (2015). 10.1016/j.cbpa.2015.05.029[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
41. Teranishi K., Shimomura O., «Солюбилизация целентеразина в воде с гидроксипропилциклодекстрином», Biosci. Биотех. Биохим. 61, 1219–1220 (1997). 10.1271/bbb.61.1219 [CrossRef] [Google Scholar]
42. Mezzanotte L., et al., «Оценка репортерных генов различных люцифераз для оптимизированной биолюминесцентной визуализации in vivo трансплантированных нейральных стволовых клеток в головном мозге», Contrast Media Mol. . визуализация 8, 505–513 (2013). 10.1002/смми.1549[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
43.