We describe methods of manipulating Xenopus laevis immature oocytes, in vitro maturation of oocytes to eggs, and intracytoplasmic sperm injection. This protocol allows degradation of some maternal proteins and overexpression of genes of interest at fertilization, and hence is valuable to study roles of specific factors in early embryonic development.
Amphibian eggs have been widely used to study embryonic development. Early embryonic development is driven by maternally stored factors accumulated during oogenesis. In order to study roles of such maternal factors in early embryonic development, it is desirable to manipulate their functions from the very beginning of embryonic development. Conventional ways of gene interference are achieved by injection of antisense oligonucleotides (oligos) or mRNA into fertilized eggs, enabling under- or over-expression of specific proteins, respectively. However, these methods normally require more than several hours until protein expression is affected, and, hence, the interference of gene functions is not effective during early embryonic stages. Here, we introduce an experimental system in which expression levels of maternal proteins can be altered before fertilization. Xenopus laevis oocytes obtained from ovaries are defolliculated by incubating with enzymes. Antisense oligos or mRNAs are injected into defolliculated oocytes at the germinal vesicle (GV) stage. These oocytes are in vitro matured to eggs at the metaphase II (MII) stage, followed by intracytoplasmic sperm injection (ICSI). By this way, up to 10% of ICSI embryos can reach the swimming tadpole stage, thus allowing functional tests of specific gene knockdown or overexpression. This approach can be a useful way to study roles of maternally stored factors in early embryonic development.
laevis Xenopus הוא בשימוש נרחב אורגניזם מודל רב עוצמה, ללמוד פיתוח 1. סיבה לכך הוא ביצי Xenopus הן גדול במיוחד (כ 1.2-1.4 מ"מ, בהשוואה לעמיתיהם יונקים להיות על 0.1 מ"מ) ושפע. ביצים מכילות רכיבים אימהיים מסונתזים ומאוחסנים, שהם מספיק כדי לנהוג התפתחות עוברית עד מעבר אמצע blastula (MBT, המתרחשות בשלב 8-8.5 עם 4,000-8,000 תאים). MBT מלווה בהפעלת הגנום zygotic, אשר לאחר מכן מייצרת מוצרי גן עובריים המכוונים את התפתחות נוספת.
מחקרים רבים שמטרה לזהות גורמים אימהיים חשובים להתפתחות. מחקרים רבים מסתמכים על הזריקה של oligonucleotides antisense (oligos) כולל oligonucleotides morpholino לעוברי מופרים, ובמקרה זה פירוק של חלבונים אימהיים ניתן לצפות בשלב gastrula 2-4. לחלופין, mRNAs מוזרק להם מופריםbryos להפריע פונקציות גן או לאתר את גורלם של חלבוני ביטוי יתר. עם זאת, ההזרקה לעוברי שלב אחד תא בדרך כלל אינה משפיעה על רמות ביטוי של חלבונים אימהיים בשלבים עובריים בשלב מוקדם מאוד לפני MBT.
Heasman ויילי הקימו את שיטת העברת מארח ללהתגבר על בעיה זו 5. בשיטה שלהם, ביציות defolliculated ידנית מוזרקות עם oligos antisense והועברו לנקבות מארח 6. חלבונים downregulated לפני הפריה כך שניתן לבחון תפקידים של חלבוני downregulated בהתפתחות עוברית מוקדמת. שיטת האזילה אימהית זה הובילה לזיהוי של מספר תפקידים התפתחותיים ייחודיים של חלבונים אימהיים, כפי שנסקרה ב- 7.
בדוח זה, הפרט השיטה שפותחה לאחרונה, שבה דלדול אימהי או ביטוי יתר של mRNA לפני ההפריה מושגת ללא defolliculation ידני והעברת מארח8. Defolliculation הידני דורש הרבה זמן והעברת מארח לעתים קרובות צריכה טכניקות מיומנים והרישיון הספציפי לניתוח בעלי חיים, ובכך פוגעים שימוש תכוף בשיטת האזילה האימהית. Defolliculation והעברת מארח יוחלפו על ידי defolliculation האנזימטית 9,10 והזרקת זרע intracytoplasmic (ICSI) 11-13, בהתאמה. ICSI לביצים שימש במקור כדי לייצר צפרדעים מהונדסים 12. גרעיני זרע ועובריים גם הושתלו במבחנה ביציות דו-חיים התבגרו 11,14,15. כאן, אנו מציגים שיטת צעד-אחר-צעד שלנו להזריק זרע לביציות במבחנה התבגרו שהיו לפני שהוזרק עם oligos antisense או mRNA.
אנחנו כאן פירוט שיטה חדשה לרוקן גורמים אימהיים או לביטוי יתר גורמים אקסוגניים לפני ההפריה. מערכת זו דורשת שני microinjections, אבל במקום זה מדלג הניתוח של צפרדעים, המשמש ב7,17 שיטת העברת מארח. זה הוא אופטימלי כדי להסיר את שלב ניתוח הצפרדע במונחים של טיפול בבעלי חיים. יתר על כן, אין לנו לקחת בחשבון לאיכות של צפרדעי נקבת מארח לניסויי ההעברה, מה שאומר שאנחנו יכולים להיפטר מגורם ביולוגי אחד שמשפיע על ההצלחה של ניסויים. לכן במערכת זו האיכות של ביציות שהתקבלו מצפרדעים דרוכים-PMSG היא גורם ביולוגי מרכזי שהוא מפתח לניסויים מוצלחים. האיכות של ביציות יכולה להישפט לאחר איסוף defolliculation השחלה או אחרי. אם כל חריגות שנצפו בשלבים האלה, זה אופטימלי כדי לאסוף השחלה אחרת מצפרדע חדשה. נקודה נוספת, כאשר אתה יכול לבדוק את איכות הביצית היא לאחר הבשלת ביצית. אם פחות מ -80% מprogesteronביציות שטופלו דואר להראות סימנים של התבגרות, ייתכן שלא תוכל לקבל מספיק מספר העוברים לניתוח נוסף. השימוש בdefolliculation האנזימטית במקום defolliculation הידני הוא גם יתרון נוסף של שימוש במערכת זו כדי להפחית את העבודה הדרושה לdefolliculation. עם זאת, זה עדיין אפשרי שdefolliculation הידני עשוי לתת פיתוח טוב יותר מאשר הטיפול האנזימטית.
כפי שניתן לראות באיור 3, כמעט 10% במבחנה התבגרו ביציות יכולים להגיע לשלב ראשן שחייה. נתונים אלה נאספו מ -13 ניסויים עצמאיים כוללים אלה שדווחו ב- 8 וחדשים ניסויי הזרקה. שיטת העברת מארח צריך 75-150 ביציות בכל טיפול לקבלת נתונים משמעותיים מאז 30-60% מהביציות הועברו יכולים להגיע לשלב neurula 17. השיטה שלנו בדרך כלל מתחילה עם 200-300 ביציות בכל קבוצת ניסוי מאז כ 40-60% מעוברים ביקעו יכולים להגיעשלב תגובת שרירים. נתונים אלה מראים כי שני השיטות לתמוך בשיעור התפתחותי סביר. עד כה יש לנו להשיג 10 צפרדעים בחיים מביציות מוזרקות אוליגו antisense-הזריק mRNA ובקרת שליטה באמצעות טכניקה זו, מצביעה על כך שגישה זו תומכת בפיתוח באמצעות מטמורפוזה.
שיטת המניפולציה-ICSI הביצית שלנו מספקת הזדמנות לבחון את תפקידם של גורמים אימהיים במהלך התפתחות עוברית בשלב מוקדם מאוד, זמן קצר לאחר ההפריה. בנוסף, ביטוי יתר של גורמי שינוי הכרומטין לפני ההפריה יכול לעשות את זה אפשרי לשפץ הכרומטין האימהי לפני ההפריה להבנת מצבי הכרומטין אימהיים הכרחיות לפיתוח. אסטרטגיה זו יכולה גם לעבוד היטב עם מערכות עריכת הגן הנוכחיות כגון nuclease תמלול כמו activator-מפעיל (Talen) 18,19 וCRISPR / CAS9 20,21 מאז אלה יכולים לבוא לידי ביטוי עוד לפני ההפריה. לכן, לגישה החדשה שלנו potentiאל לשמש ליישומים רבים בעתיד.
The authors have nothing to disclose.
We are grateful to Gurdon laboratory members for useful discussion. K.M. is a Research Fellow at Wolfson College and is supported by the Herchel Smith Postdoctoral Fellowship and the Great Britain Sasakawa Foundation. Gurdon laboratory is supported by grants from the Wellcome Trust (RG69899) and MRC to J.B.G.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Pregnant Mare Serum Gonadotropin (PMSG) | MSD Animal Health | Vm 01708/4309 | PMSG-Intervet 5000iu powder and solvent for solution for injection |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate salt (MS222) | Sigma | A5040 | For anesthesia |
Liberase TM Research Grade | Roche | 05 401 127 001 | For oocyte defolliculation. Store at -20oC |
Drummond Nanoject | Drummond Scientific Company | 3-000-205/206 | For microinjection |
glass capillary | Alpha laboratories | 7” Drummond #3-000-203-G/XL | For microinjection |
Micropipette Puller | SUTTER Instrument | Model D-97 | For microinjection |
UltraPure Agarose | Invitrogen | 16500-500 | For invitro maturation and ICSI |
14 ml ultra-clear centrifuge tube | Beckman Coulter United Kingdom Ltd | 344060 | For sperm purification |
OptiPrep Density Gradient Medium (Iodixanol) | Sigma | D1556 | For sperm purification |
Digitonin | Sigma | D141 | Cell permeabilization reagent |
Shaker | Hybaid | HB-SHK-1 | For oocyte defolliculation. |
Dissecting microscope (Stereo zoom microscope) | ZEISS | Semi SV6 | For oocyte collection and microinjection |
50 μm pore filter | CellTrics | 04-0042-2317 | For sperm purification |
Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Optima L-100XP | For sperm purification |
50 ml centrifuge tube | Cellstar Greiner Bio-One | 227261 or 210261 | Oocyte collection and defolliculation reaction |
15 ml centrifuge tube | FALCON | 352097 | For sperm purification |
90 mm Petri dish | Thermo Scientific | 101VR20/C | |
Easy-Grip Cell Culture Dish, 60×15 mm | FALCON | 353004 | |
Easy-Grip Cell Culture Dish, 35×15 mm | FALCON | 351008 |