Een geoptimaliseerd protocol voor de in vitro rijping van oöcyten zebravis gebruikt voor het manipuleren van moederlijke genproducten wordt hier gepresenteerd.
Cellulaire gebeurtenissen die plaatsvinden tijdens de vroegste stadia van embryonale ontwikkeling dieren worden aangedreven door maternale genproducten gestort in de ontwikkelende eicel. Aangezien deze gebeurtenissen afhankelijk maternale producten die typisch handelen zeer snel na bevruchting-preexist dat in het ei, standaardbenaderingen voor expressie en functionele beperking met betrekking tot de injectie van de reagentia in bevruchte eicel zijn meestal ineffectief. In plaats daarvan moeten dergelijke manipulaties worden uitgevoerd tijdens oögenese, vóór of tijdens de accumulatie van maternale producten. Dit artikel beschrijft in detail een protocol voor de in vitro rijping van onrijpe eicellen zebravis en de daaropvolgende in vitro fertilisatie, waarbij levensvatbare embryo's die overleven naar volwassenheid. Deze methode kan de functionele manipulatie van maternale producten tijdens oögenese, zoals de expressie van producten voor fenotypische reddings- en gelabeld construct visualisatie, alsmede eenTussen de vermindering van genfunctie door middel van reverse-genetica middelen.
Tijdens de ontwikkeling dier, de moeder afzettingen genproducten (bijvoorbeeld, RNA, eiwitten en andere biomoleculen) in het ei; deze producten zijn van belang voor de vroege cellulaire processen onmiddellijk na de bevruchting 1, 2. De manipulatie van de expressie en functie van maternale producten gewoonlijk ineffectief bij gebruik van een standaardbenadering voor de injectie van de reagentia in bevruchte eieren 3. Dit komt doordat de RNAs en proteïnen geproduceerd door de eicel gedurende oögenese, dus voorgeladen maternale producten zijn reeds aanwezig in de rijpe eicel. Dergelijke reeds bestaande producten zijn ongevoelig voor functionele knockdown met gen richtende middelen, zoals morfolino antisense oligo (MO's), omdat MO doel het mRNA niet de reeds bestaande eiwit reeds in het ei bij de bevruchting. Daarnaast zijn veel vroege embryonale processen gebeuren te snel na de bevruchting te influenced door eiwitproducten afkomstig van RNA geïnjecteerd in de bevruchte eicel, de RNA niet snel genoeg kan worden geproduceerd om de eerste gebeurtenissen van embryogenese beïnvloeden. Om dezelfde reden hebben fusie-eiwitten tot expressie gebracht door een mRNA injectie in het bevruchte eicel mogelijk niet op tijd beschikbaar voor visualisatie tijdens hun actieve rol in het vroege embryo. Injectie in geëxtrudeerde rijpe oöcyten vóór ei activering mogelijk maar gaat gepaard met gelijke technische problemen: zoals rijpe eieren reeds voorgeladen met maternale eiwit en zullen niet translationeel actief (dat wil zeggen, proteïne van exogene transcripten) tot na egg activering. Om deze redenen is de manipulatie van moederlijke genproducten handelend vroege embryogenese heeft gewoonlijk tijdens oögenese de rijpende eicel te voeren.
Als een benadering voor het overwinnen van deze hindernissen in vitro rijping werkwijzen, waarmee de rijping van OOCYtes van stap IV ei vorming, zijn vastgesteld in de zebravis. Vroege werkwijzen toegestaan in vitro rijping, maar de verkregen rijpe eieren waren niet bevoegd is voor bevruchting 4. Vervolgens werd de manipulatie van kweekomstandigheden van neutraal tot pH 9,0, het nabootsen van de alkalische pH van de ovariële vloeistof in vissoorten 5, 6, toegestaan betrouwbaar in vitro fertilisatie (IVF) na in vitro rijping 7, 8. Inderdaad kan in vitro -matured eicellen levensvatbare embryo's die overleven tot volwassenheid en vruchtbaar 3, 8 verkregen. Deze verbeterde werkwijze is verder aangepast om de functionele manipulatie van maternale genen, de expressie van gemerkte eiwitten gedurende zebravis oögenese tot exogene expressie en omvatten MO-gemedieerde functionele knock down in matijdens stadium IV eicellen 3 (figuur 1).
Zebravis oogenesis vertoont een aantal karakteristieke fasen die leiden tot de vorming van rijpe oöcyten 9 (zie tabel 1 voor een kort overzicht van de diverse stadia van oögenese). In het kort wordt eicelontwikkeling geïnitieerd door fase I eicellen en wordt gearresteerd bij de diploteen stadium van profase I van de meiose. Deze oöcyten ondergaan groei door actieve transcriptie (geïnitieerd tussen stap IA en IB), de vorming van corticale alveoli (ook bekend als corticale granules, geïnitieerd tijdens stap II) en vitellogenese (geïnitieerd tijdens stap III). Eicelkwaliteit wordt voltooid in stadium IV bij meiose I hervat, waardoor het demonteren van de eicel kern, aangeduid als de germinale vesicle (GV). Vervolgens wordt de meiose opnieuw gearresteerd op metafase II. De voltooiing van de groei en oöcyten meiotische arrest in stadium IV leidt tot een volwassen stadium V bvG9. Het verwijderen van de folliculaire membraan optreedt tijdens het vrijkomen van de eicel in het lumen van de eierstok 10 en is essentieel voor de bevruchting en de juiste ei activering. Zodra de eieren worden geëxtrudeerd uit de moeder tijdens de natuurlijke dekking, worden ze geactiveerd. In zebravis, blootstelling aan water voldoende om volledige activatie ei, onafhankelijk van de aanwezigheid van sperma 11.
In vitro omstandigheden nog zorgen voor de rijping van eicellen van vroeg stadium IV-die door hun grootte (690-730 pm), de aanwezigheid van een grote GV op asymmetrische positie en een volledig ondoorschijnend uiterlijk te herkennen vanwege de accumulatie van dooiereiwitten (figuur 2B) -de volwassen stadium V ei, gekenmerkt door een volledig gedemonteerde GV en een doorschijnend uiterlijk vanwege eiwitverwerking 12 (figuur 2C) dooier. In deze benadering hele eierstokken containing eicellen in verschillende stadia van ontwikkeling worden verwijderd uit vrouwen. De eicellen mogen ontwikkelen 17α-20β-dihydroxy-4-pregneen 3-on (DHP), een doelmatige rijping inducerende hormoon 8. Gedurende deze periode kunnen rijpen eicellen worden gemanipuleerd door de injectie van expressie (bv afgedekt, in vitro -transcribed mRNA) of reverse genetics middelen (bijvoorbeeld, MO). De folliculaire laag niet spontaan werpen tegen het eind van de rijpingsperiode, dus moet handmatig worden verwijderd. Na defolliculation wordt in vitro fertilisatie bereikt door triggering ei activering door blootstelling van de eieren water (aanwezig in embryonale (E3) gemiddeld) 13 en een zaadcel oplossing. De resulterende zygoten ondergaan embryonale ontwikkeling en maken de beoordeling van het vermogen van behandelingen maternale genfunctie te manipuleren en de visualisatie en analyse van gemerkte maternale producten ( <strong> Figuur 3).
Bovenstaand protocol is voor het manipuleren van genproducten voor de bevruchting, waardoor voor de studie van moederlijke genproducten in de vroege zebravisembryo. Eerdere studies hebben kunnen eicellen rijpen in vitro 4 geweest; Dit protocol werd gewijzigd om de daaropvolgende bevruchting in vitro gerijpte oöcyten 8. Hierdoor maakt de injectie van reagentia voor functionele manipulatie en visualisatie van maternaal overgeërfd producten in het vroege embryo 3. Embryo's die voortvloeien uit deze methode kan levensvatbaar zijn en kunnen overleven vruchtbare volwassenen. In voorlopige experimenten, ongeveer de helft van de bevruchte embryo's zijn afgeleid van deze procedure waren levensvatbaar op dag 5 van de ontwikkeling, zoals vastgesteld door de blaas inflatie zwemmen in dat stadium, waarvan ongeveer de helft werd gezond, vruchtbaar volwassenen (niet gepubliceerde waarnemingen).
Er zijn een aantalkritische stappen te overwegen in het protocol. Eicellen na te gaan en rijping (vroeg stadium IV) leiden kan worden verrijkt wanneer het vrouwtje is onlangs gedekt, maar niet voordat 8 dpp. Het gebruik van vis die niet onlangs hebben gepaard zou kunnen leiden tot het degenereren eieren 14, die niet rijping zal ondergaan. Vrouwtjes gedekt binnen minder dan 8 dagen zal een meerderheid van eieren in stadium III of lager, en dus zal de eieren niet goed rijpen in vitro. Eierstokken bij vrouwen die 8 dagen voor gepaard zal een optimale fractie van eicellen in een vroeg stadium IV hebben. Deze zijn te herkennen aan de dichtheid en de aanwezigheid van de GV in een excentrische positie (figuur 2B). Oöcyt fase bepaling kan ook worden geholpen door groottemeting, de oöcyten op een gegradueerde micrometerverdeling onder een microscoop gelegd en vergeleken met standaard richtlijnen staging (tabel 1). Echter, vroeg stadium IV eicellen hebben bijna maximale omvang ten opzichte van volwasseneicellen (herkend door hun relatieve transparantie en het ontbreken van een GV Figuur 2C) en zijn gemakkelijk te herkennen, zoals hierboven beschreven, die in het algemeen neemt de noodzaak van een directe maat opmeten eicel.
In vitro rijping moet beginnen binnen enkele uren na het einde van het daglicht cyclus waarop de vrouwelijke eiceldonoren zijn aangepast. Eicellen niet goed rijpen, uiting in de lage bemesting tarieven, indien gekweekt tijdens de ochtend periode van het licht cyclus. De reden voor het circadiane afhankelijkheid van de in vitro rijping van oöcyten werkwijze is niet duidelijk, maar waarschijnlijk weerspiegelt onderliggende circadiane vertekening bij in vivo rijping van eicellen waarbij een cyclus genexpressie tijdens oögenese 21. Een gemeenschappelijke oorzaak van oöcyten niet succesvol in vitro rijping ondergaan ondanks goede eicel staging is dat de DHP verlopen. DHP hormoon verloopt over het algemeen na een jaar, en om effect te verzekerenive rijping, moet de werkende batch worden vervangen binnen 9 maanden van gebruik.
Het injecteren van oöcyten is een belangrijke stap bij het doel van de werkwijze is de functionele manipulatie van maternale producten. Deze procedure eisen die verschillen van die voor standaard injectie in bevruchte eicel bij 0-30 MPF. Belangrijk voor eicel injectie is de noodzaak om de injectie uit te voeren onder omstandigheden die niet leiden tot voortijdige activering eieren, zoals in Leibovitz L-15 medium 22, 23. Omdat ze zijn ingebed in de eierstokken, rijpen eicellen leveren ook specifieke uitdagingen voor injectie. Bovenstaand protocol stelt eerste dissociëren eicellen uit de eierstokken en houden elkaar gedissocieerd oöcyt afzonderlijk met een tang tijdens het injecteren. Deze techniek heeft goed gewerkt en maakt voorsortering eicellen in de juiste fase met een minimale handling. Alternatieve methoden kunnen ook worden gebruikt, zoalszoals: i) het plaatsen van eicellen in standaard injectie agarose troggen 15, waarbij de verticale wanden van de goot drager de eicel gedurende de injectie (in deze alternatieve methode moet de oöcyten worden overgedragen aan injectie platen tijdens bewaard in vitro rijping medium) en ii ) waardoor de oöcyten aan de ovariële massa, die met een pincet in de injectie kan worden gehouden om contact met de geïnjecteerde eicel (deze aanpak te vermijden, de eicellen worden gedissocieerd na injectie zowel blootstelling DHP vergemakkelijken blijven en hun defolliculation toestaan , zich van cruciaal belang voor IVF). Ondanks deze specifieke uitdaging kan stadium IV oocyten gemakkelijk worden gepenetreerd met een injectienaald, waarschijnlijk omdat het chorion membraan in dit stadium niet volledig ontwikkeld 9.
Een beperking van de huidige rijping protocol dat in vitro maturatie omstandigheden die goede eicel ontwikkelingkan niet worden gemaakt wanneer oöcytrijping wordt geïnitieerd in de stadia vroegste stadium IV. Eicellen bevoegd reageren DHP rijping ondergaan wanneer zij een diameter van 520 urn, die optreedt tijdens fase III (vitellogenese, overeenkomend met de 340 tot 690 urn range) 9 bereikt. Echter, de cultuur van fase III eicellen resultaten in eicellen die niet bevoegd is voor de bevruchting 3. Alleen eicellen waarvan de in vitro kweek wordt gestart in stadium IV (figuur 2B) kan ontwikkelen tot rijpe, stadium V oöcyten (figuur 2C en D). Dit kan verband houden met het feit dat de derde fase is essentieel voor vitellogenese en eicelkwaliteit 9. Dus de in vitro rijping van oöcyten procedure in dit artikel mag alleen worden gebruikt met een uitgangspopulatie van stadium IV eicellen (B), en niet bij oöcyten in eerdere stadia (stadium I – III; Figur e <strong> 2A). Om dezelfde reden is deze werkwijze beperkt tot genen die tot expressie worden gebracht in stadium IV of hoger. De functionele manipulatie van genen waarvan de producten eerder uitgesproken in plaats daarvan moeten vertrouwen op genetische werkwijzen (zie hieronder). Verbeteringen aan cultuur in vitro rijping methoden kunnen in de toekomst mogelijk te maken voor de initiatie van eicel kweken bij eerdere stadia, waardoor de kracht van de in vitro maturatie aanpak uit te breiden.
Een andere beperking in de gepresenteerde methode is dat defolliculation, die essentieel is voor de volgende stappen met betrekking tot de bevruchting, is op dit moment een snelheidsbeperkende stap in de procedure. De folliculaire membraan een transparante laag rondom de ontwikkelende eicel en verwijdering kan vervelend zijn. Als dit membraan niet volledig wordt verwijderd, zal het ei niet volledig geactiveerd en bevrucht. Dit wordt zichtbaar gemaakt door het falen van het chorion te breiden en de ontwikkeling van onregelmatig geplaatste, Voor-achtige structures (pseudocleavages), kenmerkend onbevruchte embryo 11. Enzymatische defolliculation methoden, zoals collagenase, zoals gebruikt in Xenopus, zijn geprobeerd. Echter, in onze handen, deze techniek is niet succesvol geweest, en we rekenen ook op handmatige defolliculation. Omdat handmatige defolliculation is arbeidsintensief en tijdrovend, is het moeilijk om grote hoeveelheden bevruchte eieren na in vitro rijping van oöcyten te verkrijgen. Als gevolg van de beperking opgelegd door handmatige defolliculation, we bemesten momenteel een paar defolliculated, rijpe eicellen in een tijd, in kleine series van 5-10 eieren. De opname van enzymatische defolliculation met deze procedure waarschijnlijk aanzienlijk verhogen het rendement en de algehele gebruiksgemak.
Hoewel de embryo's na de bevruchting van in vitro -matured eicellen levensvatbaar volwassenen kunnen worden, merken we op dat na in vitro fertilisatie, een fractie van embryo's te doen normaal of in een tijdig niet splitsen. We zijn momenteel het selecteren op lijnen waarvan de vermeerdering omvat ronden van in vitro rijping van oöcyten, wat kan leiden tot robuustere ontwikkelings- in embryo's door middel van deze methode.
De procedure liet de heldere reddings- of visualisatie van eiwit lokalisatie voor een aantal mutaties 24, 25. Voor sommige genen, de regulering van productexpressie mogelijk cruciaal, zodat de producten door geïnjecteerde mRNA expressie kan leiden tot variabele resultaten 26. Ook is het belangrijk rekening te houden met alle controles (bijvoorbeeld embryo's geïnjecteerd met reagentia die vergelijkbare eigenschappen met die in het experiment nog voorspeld hebben geen effect, zoals MOS of RNA codeert alleen voor inerte eiwitten, zodanig worden als GFP), doordat de onderliggende variabiliteit kan leiden tot onjuiste conclusies.
nt "> Een aanpak waarbij in vitro manipulatie, gevolgd door bevruchting is bijzonder bruikbaar bij de moeder afgezette producten, waarbij de standaardmethode injecteren RNA, MO of eiwit in de bevruchte eicel mogelijk niet effectief verminderen producten reeds in het ei geaccumuleerd. andere recent ontwikkelde werkwijzen, zoals CRISPR-mutant generatie, zijn ook effectief in het genereren mutant voorwaarden maternaal tot expressie gebrachte genen 26. deze wijze de groei van verschillende generaties vis vereist. de in vitro maturatie techniek maakt een snelle functionele manipulatie bestuderen van de functie van maternaal tot expressie gebrachte genen, zoals de redding en phenocopy van maternale-effect mutaties, alsmede de expressie van RNA en eiwitten in het vroege embryo.The authors have nothing to disclose.
We willen de leden van de Pelegri lab en vis faciliteit leidinggevend personeel, die instrumenteel in dit project te vergemakkelijken waren bedanken. De steun voor dit project werd verstrekt door NIH R56 GM065303 en NIH 2 T32 GM007133 tot ELW, NIH 5 F31 GM108449-02 en NIH 2 T32 GM007133 tot CCE, en NIH RO1 GM065303 FP
Zebrafish mating boxes | Aqua Schwarz | SpawningBox1 | |
NaCl | Sigma | S5886 | |
KCl | Sigma | P5405 | |
Na2HPO4 | Sigma | S3264 | |
KH2PO4 | Sigma | P9791 | |
CaCl2 | Sigma | C7902 | |
MgSO4-7H2O | Sigma | 63138 | |
NaHCO3 | Sigma | S5761 | |
Tricaine | Western Chemical | Tricaine-D (MS 222) | FDA approved (ANADA 200-226) |
Tris base | Sigma | 77-86-1 | to prepare 1 M Tris pH 9.0 |
HCl | Sigma | 920-1 | to prepare 1 M Tris pH 9.0 |
Fish net (fine mesh) (4-5 in) | PennPlax | (ThatFishThatPlace # 212370) | available in ThatFishThatPlace |
Plastic spoon | available in most standard stores | ||
Dissecting scissors | Fine Science Tools | 14091-09 | |
Dissecting forceps | Dumont | SS | available from Fine Science Tools |
Dissecting stereoscope (with transmitted light source) | Nikon | SMZ645 | or equivalent |
Reflective light source (LED arms) | Fostec | KL1600 LED | or equivalent |
Petri plates 10 cm diameter | any maker | ||
Eppendorf tubes 1.5 ml | any maker | ||
Ice bucket | any maker | ||
Narrow spatula | Fisher | 14-374 | |
Depression glass plate | Corning Inc | 722085 (Fisher cat. No 13-748B) | available from Fisher Scientific |
Paper towels | any maker | ||
Kimwipes | Kimberly-Clark | 06-666-11 | available from Fisher Scientific |
Timer stop watch | any maker | ||
Wash bottle | Thermo Scientific | 24020500 | available from Fisher Scientific |
beakers, 250 ml (2) | Corning Inc. | 1000250 | available from Fisher Scientific |
Leibovitz'z L-15 medium | Thermofisher | 11415064 | |
NaOH | Sigma | 221465 | for pH'ing |
BSA | Sigma | A2058 | |
17alph-20beta-dihyroxy-4-pregnen-3-one (DHP) | Sigma | P6285 | |
gentamicin | Sigma | G1272 | |
Injection Apparatus | Eppendorf | FemtoJet | or equivalent |
Capillary Tubing for injection needles | FHC | 30-30-1 | or equivalent, Borosil 1.0 mm OD x 0.5 mm ID with fiber, 100 mm |
Needle puller | Sutter Instruments | Model P-87 | any maker |
Micropipetor (1-20 µl range) with tips | any maker | ||
Micropipetor (20 – 200 µl range) with tips | any maker | ||
Micropipetor (100 – 1000 µl range) with tips | any maker | ||
Conical tubes 15ml | any maker | ||
Conical tubes 50ml | any maker | ||
plastic pipette 10 ml with bulb | any maker | ||
plastic pipette 20 ml with bulb | any maker | ||
Microscope stage Calibration Slide 0.01 mm | AmScope | MR095 | or equivalent |
Reagents for fish water: | |||
Instant Ocean Salt | Drs. Foster & Smith | CD-116528 | |
Sodium bicarbonate (cell culture tested) | Sigma | S5761-1KG | |
Reagents for E3 medium: | |||
NaCl | Sigma | S5886-1KG | |
KCl | Sigma | P5405-500G | |
CaCl2, dihydrate | Sigma | C7902-500G | |
MgSO4, heptahydrate | Sigma | 63138-250G | |
Methylene Blue | Sigma | M9140-25G | |
Fish Food: | |||
Frozen brine shrimp | Brine Shrimp Direct | FBSFKG50 | |
Tetramin Flakes | Drs. Foster & Smith | 16623 |