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課堂 - 顯微鏡下的昆蟲記:果蠅發育調控可視化

2019-09-02 16:03:31 468
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生命科學*大魅力是紛繁復雜的生物形式,而其中極具挑戰的科題之一是多細胞生物的發育調控。


在多細胞個體遺傳調控研究中,科學家經常使用一種看似不起眼但又被廣泛使用的模式動物——果蠅 (Drosophila ontogenesis) [1]。

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圖1. 棲息在面團邊緣的果蠅。圖片由德國 UrsulaG?nner 提供



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遺傳級聯

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遺傳調控指導受精卵單細胞發育成復雜多細胞生物體。雖然每個細胞內的含有相同的遺傳信息,但微妙的信號調控不僅會影響細胞本身的發展,還會影響子代細胞及相鄰細胞的命運。這種發育級聯可以用于預測胚胎發育和生物體的生長。 


從卵細胞受精的那一刻起,一系列時間、空間因子便開始激活特定基因,這些基因*終激活或抑制下游生物體組分產生。遺傳聯級貫穿整個發育過程,精準地調控著個體的發育[2]。


發育生物學研究旨在闡明這些信號,對其進行定性,并在分子層面更好地理解單個細胞如何發展為復雜多細胞生物體。為此,研究人員經常利用各種熒光標記物來標記和鑒定發育級聯中的遺傳產物。作為生命活動與光學成像的橋梁,這些熒光標記物通常需要一臺激光共聚焦顯微鏡來觀察[3]。



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光譜分離

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借助熒光蛋白表達或免疫熒光標記,在發育的果蠅胚胎中準確標記多種基因表達物已經是廣為使用的手段,但它僅代表成功成像的一半。想要獲得胚胎發育的完整圖譜,研究人員需要能夠充分分離不同光譜探針的儀器,并且必須具有足夠高的光學分辨率以在適當的結構上對這些標記成像、可視化。


Dianne Duncan 博士是華盛頓大學的生物成像中心負責人。她的興趣之一是果蠅的發育和遺傳調控。直到*近,光學和檢測技術仍然限制著對胚胎中4種熒光標記進行準確成像。光譜重疊導致不能精確地分離熒光團,掃描速度嚴重限制了高分辨率、Z-stacks 多層掃描的使用。此外,由于視場均勻的挑戰,市場上眾多共聚焦顯微鏡的無縫拼接掃描并不盡如人意。


徠卡 SP8 共聚焦平臺具有業內*的3鏡 (X2Y) 掃描硬件,能夠有效保證不同位置視野的相同光程,實現不同視野均勻掃描,結合 LAS X Navigator 軟件控制和拼接,帶來多色、高分辨率、高信噪比的大視野成像,實現果蠅胚胎整體多標記成像。

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▲ 圖2:果蠅胚胎。Leica SP8進行四熒光通道成像。GFP和免疫標記蛋白決定了胚胎發育的前后極性。GFP-同源轉錄子,綠色螺紋狀;Alexa Fluor568-FTZ因子,紅色;Cy5-pair-rule gene (eve),紫色;DAPI-細胞核,藍色。圖片由 Dianne Duncan 博士提供


此外,SP8 還配制具有其他優化的硬件組合,保證多色成像的前沿需要:

  • SP檢測器可以靈活地以 1 nm 精度調諧檢測帶寬,以實現準確的光譜分離和*佳采集效率;

  • 聲光分光器 (AOBS) 用于序列和同時成像的完美激發;

  • 白光激光 (WLL) 的 “白色共聚焦”概念,允許用戶同時使用 470 和 670 nm 之間的任何波長或*多 8 個波長的組合進行多色激發;

  • 混合探測器 (HyD) 具有極低的暗噪聲,其出色的靈敏度允許更低的激發光強度,從而保持樣品在長時間成像中的生物活性[4]。


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用戶之聲

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Leica 光譜檢測器讓我們可以簡單快速地獲得4通道成像,而不會產生串色的困擾。HyD 檢測器有助于生成清晰的圖像,即使深組織中也具有良好的信噪比。

Dianne Duncan 博士,成像平臺負責人,華盛頓大學(圣路易斯)



參考資料:

1. Taufliegen bek?mpfen - 6 Hausmittel gegen G?rfliegen / Mostfliegen

2. Johnston DS and Nüsslen-Vollhard C: “The origin of pattern and polarity in the Drosophila embryo.” Cell 68/2 pp 201-219 (1992)

3. Borlinghaus RT: “The White Confocal” Springer International Publishing (2017); DE: “Konfokale Mikroskopie in Wei?” Springer Spektrum (2016)

4. Borlinghaus RT: “Which Sensor is the Best for Confocal Imaging?” Leica Science Lab


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