Multiphoton-microscopie gebruiken om chromosomen in actie te zien

Multiphoton-microscopie gebruiken om chromosomen in actie te zien

Anonim
Image

Koortsachtige fruitvlieglarven, opgewarmd in een geroosterde laboratoriumkamer, geven Cornell-onderzoekers een manier om chromosomen in actie te bekijken en daadwerkelijk te zien hoe genen tot expressie worden gebracht in levend weefsel.

Met behulp van multiphoton fluorescentiemicroscopie, een techniek die door fysicus Watt W. Webb bij Cornell werd ontwikkeld, konden onderzoekers voor het eerst zien hoe chromosomen van vorm veranderden om hun genen te activeren om belangrijke eiwitten in fruitvliegcellen te synthetiseren. De vooruitgang zou een belangrijke stap kunnen zijn in het begrijpen van de basisprocessen die ten grondslag liggen aan genexpressie.

De ontdekking was het resultaat van cross-disciplinaire samenwerking tussen Webb en John Lis, Barbara McClintock, professor in Molecular Biology and Genetics, Cornell. Jie Yao, die onlangs zijn Ph.D. bij Cornell heeft het werk geïnitieerd en gefaciliteerd.

"Deze technologie zal een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we genexpressie in organismen zien", zei Lis. "We kijken transcriptie in realtime in levende cellen."

Het onderzoek werd beschreven in het 31 augustus nummer van het tijdschrift Nature .

De experimenten van het team waren gericht op genreguleringsmechanismen: specifiek wat er gebeurt in de kern van een cel wanneer een externe stimulus (hitte) specifieke genen ertoe aanzet te activeren, en hoe die geactiveerde genen de productie van eiwitten aansturen, die de vlieg beschermen tegen de stress van verwarming .

"Wanneer een cel gestrest is - bingo, produceert deze eiwitten die de cel helpen stress te weerstaan", aldus Webb, Cornell-professor in de toegepaste fysica en de SB Eckert-professor in de ingenieurswetenschappen. Het proces wordt in gang gezet door een molecuul genaamd heat shock factor (HSF), dat een interactie aangaat met genen om de synthese van nieuwe eiwitten te bepalen. Maar dit bekende proces was nog nooit in levende cellen waargenomen.

Yao gebruikte multiphoton-microscopie (MPM) om levend speekselklierweefsel van Drosophila (fruitvliegjes) in beeld te brengen. In tegenstelling tot andere methoden, die geen doordringend vermogen hebben en het monster kunnen beschadigen, levert MPM heldere, heldere beelden, zelfs in dikkere weefselmonsters zoals Drosophila speekselklieren.

Het onderzoek was uiteindelijk mogelijk dankzij de unieke samenstelling van de zogenaamde polytenencellen van de fruitvlieg, gigantische, multistranded chromosomen met honderden sets van het genoom in plaats van de gebruikelijke twee sets in conventionele cellen. Dit vergroot de gebruikelijke nucleaire dimensies met ongeveer 10 keer, waardoor ze groot genoeg zijn om het detail in beeld te brengen.

De resultaten waren verbluffend. "Binnen twee weken hadden we spectaculaire foto's, " zei Lis. De afbeeldingen bevatten afbeeldingen van de genen (hsp70-genen) die vliegen beschermen tegen de effecten van extreme hitte. Door de hitte op te voeren, konden de onderzoekers deze genen activeren en door fruitvliegjes te gebruiken die specifiek zijn gefokt om fluorescerende eiwitten op HSF te dragen, konden ze de transcriptiefactoren in actie zien.

"Dit is de eerste keer ooit dat iemand in detail bij natieve genen in vivo heeft kunnen zien hoe een transcriptiefactor is ingeschakeld en hoe deze vervolgens wordt geactiveerd", aldus Webb.

Met behulp van een andere methode die Webb bij Cornell heeft ontwikkeld, genaamd fluorescentieherstel na fotobleken, ontdekten de onderzoekers ook dat HSF-activatoren veel langer aan hsp70-genen binden dan eerder werd gedacht voordat ze werden vervangen door nieuwe HSF's, wat nieuwe vragen oproept over de mechanismen van gentranscriptie.

De techniek kan ook een nieuw hulpmiddel bieden voor onderzoekers in de biologische wetenschappen. Webb zegt dat het het succes markeert van een interdisciplinaire trend die nieuw potentieel biedt voor onderzoekers op verschillende gebieden.

"De interactie tussen de natuurwetenschappen en de levenswetenschappen is zeer krachtig", aldus Webb. "En het wordt krachtiger als een hulpmiddel om ons begrip van de levenswetenschappen te verbeteren."

Een beter begrip van transcriptie in lagere organismen zal helpen de processen in hogere organismen te begrijpen, voegde Yao toe. "We hopen de grenzen van menselijke cellen te verleggen. Dat is het doel in de komende 20 jaar."

Bron: Cornell University