课堂 - 显微镜下的昆虫记:果蝇发育调控可视化

2019-09-02 16:03:31 352
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生命科学最大魅力是纷繁复杂的生物形式,而其中极具挑战的科题之一是多细胞生物的发育调控。


在多细胞个体遗传调控研究中,科学家经常使用一种看似不起眼但又被广泛使用的模式动物——果蝇 (Drosophila ontogenesis) [1]

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图1. 栖息在面团边缘的果蝇。图片由德国 UrsulaGönner 提供



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遗传级联

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遗传调控指导受精卵单细胞发育成复杂多细胞生物体。虽然每个细胞内的含有相同的遗传信息,但微妙的信号调控不仅会影响细胞本身的发展,还会影响子代细胞及相邻细胞的命运。这种发育级联可以用于预测胚胎发育和生物体的生长。 


从卵细胞受精的那一刻起,一系列时间、空间因子便开始激活特定基因,这些基因最终激活或抑制下游生物体组分产生。遗传联级贯穿整个发育过程,精准地调控着个体的发育[2]


发育生物学研究旨在阐明这些信号,对其进行定性,并在分子层面更好地理解单个细胞如何发展为复杂多细胞生物体。为此,研究人员经常利用各种荧光标记物来标记和鉴定发育级联中的遗传产物。作为生命活动与光学成像的桥梁,这些荧光标记物通常需要一台激光共聚焦显微镜来观察[3]



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光谱分离

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借助荧光蛋白表达或免疫荧光标记,在发育的果蝇胚胎中准确标记多种基因表达物已经是广为使用的手段,但它仅代表成功成像的一半。想要获得胚胎发育的完整图谱,研究人员需要能够充分分离不同光谱探针的仪器,并且必须具有足够高的光学分辨率以在适当的结构上对这些标记成像、可视化。


Dianne Duncan 博士是华盛顿大学的生物成像中心负责人。她的兴趣之一是果蝇的发育和遗传调控。直到最近,光学和检测技术仍然限制着对胚胎中4种荧光标记进行准确成像。光谱重叠导致不能精确地分离荧光团,扫描速度严重限制了高分辨率、Z-stacks 多层扫描的使用。此外,由于视场均匀的挑战,市场上众多共聚焦显微镜的无缝拼接扫描并不尽如人意。


徕卡 SP8 共聚焦平台具有业内领先的3镜 (X2Y) 扫描硬件,能够有效保证不同位置视野的相同光程,实现不同视野均匀扫描,结合 LAS X Navigator 软件控制和拼接,带来多色、高分辨率、高信噪比的大视野成像,实现果蝇胚胎整体多标记成像。

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▲ 图2:果蝇胚胎。Leica SP8进行四荧光通道成像。GFP和免疫标记蛋白决定了胚胎发育的前后极性。GFP-同源转录子,绿色螺纹状;Alexa Fluor568-FTZ因子,红色;Cy5-pair-rule gene (eve),紫色;DAPI-细胞核,蓝色。图片由 Dianne Duncan 博士提供


此外,SP8 还配制具有其他优化的硬件组合,保证多色成像的前沿需要:

  • SP检测器可以灵活地以 1 nm 精度调谐检测带宽,以实现准确的光谱分离和最佳采集效率;

  • 声光分光器 (AOBS) 用于序列和同时成像的完美激发;

  • 白光激光 (WLL) 的 “白色共聚焦”概念,允许用户同时使用 470 和 670 nm 之间的任何波长或最多 8 个波长的组合进行多色激发;

  • 混合探测器 (HyD) 具有极低的暗噪声,其出色的灵敏度允许更低的激发光强度,从而保持样品在长时间成像中的生物活性[4]


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用户之声

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Leica 光谱检测器让我们可以简单快速地获得4通道成像,而不会产生串色的困扰。HyD 检测器有助于生成清晰的图像,即使深组织中也具有良好的信噪比。

Dianne Duncan 博士,成像平台负责人,华盛顿大学(圣路易斯)



参考资料:

1. Taufliegen bekämpfen - 6 Hausmittel gegen Gärfliegen / 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 Weiß” Springer Spektrum (2016)

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


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