Het knooppunt en de notochordal plaat zijn voorbijgaande signalering organisatoren in het ontwikkelen van muis-embryo’s die kunnen worden gevisualiseerd met behulp van verschillende technieken. Hier beschrijven we in detail hoe uit te voeren van twee van de technieken voor het bestuderen van hun structuur en morfogenese: 1) scanning elektronen microscopie (SEM); en 2) hele mount immunofluorescentie (WMIF).
Het embryo na inplanting muis ondergaat grote vorm veranderingen na de inleiding van gastrulatie en voedselproductie. Een kenmerk van de voedselproductie is de vorming van de voorbijgaande organisatoren, het knooppunt en de notochordal plaat, uit cellen die zijn gepasseerd via de primitiefstreek. De juiste vorming van deze signalering centra is essentieel voor de ontwikkeling van het lichaam-plan en technieken om te visualiseren ze zijn van groot belang voor muis developmental biologen. Het knooppunt en de notochordal plaat liggen op het ventrale oppervlak van gastrulating muis embryo’s rond embryonale dag (E) 7.5 van ontwikkeling. Het knooppunt is een beker-vormige structuur waarvan de cellen een één slanke cilium bezitten. De juiste subcellular localisatie en de rotatie van de trilharen in de put knooppunt bepaalt links-rechts asymmetrie. De cellen van de notochordal plaat bezitten ook enkele cilia weliswaar korter is dan die van de cellen van het knooppunt. De notochordal plaat vormt de chorda die als een belangrijk signalering organisator voor somitogenesis en neurale patronen fungeert. Omdat de cellen van het knooppunt en de notochordal plaat Transient aanwezig zijn op het oppervlak en cilia bezitten, kunnen zij worden gevisualiseerd met behulp van scanning elektronen microscopie (SEM). Onder andere technieken gebruikt om te visualiseren is deze structuren op cellulair niveau hele mount immunofluorescentie (WMIF) met behulp van de antilichamen tegen de proteïnen die zeer op het knooppunt en de notochordal plaat worden uitgedrukt. In dit verslag beschrijven we onze geoptimaliseerde protocollen voor het uitvoeren van SEM en WMIF van het knooppunt en de notochordal plaat in ontwikkelingslanden muis embryo’s om te helpen bij de beoordeling van weefsel vorm en cellulaire organisatie bij wild-type en gastrulatie mutant embryo’s.
Gastrulatie en de begeleidende morfogenetische bewegingen zijn cruciaal voor het vormgeven van de muis embryo1. De veranderingen in de cellulaire vorm en organisatie tijdens morfogenese dicteren positionele gegevens voor het lot van de cel reguleren ook zodat de daaruit voortvloeiende signaalroutes juist hun functies om te diversifiëren van de nieuw gevormde kiem lagen1. De vorming van voorbijgaande organiseren van structuren en signalering van centra zoals het knooppunt en het chorda is essentieel voor de uitvoering van de ontwikkelings programma2. Developmental biologen hebben een scala aan technieken gebruikt bij het bestuderen van de morfogenese van deze structuren, meest opvallende dat het gebruik van cellulaire verslaggevers en levende ex vivo imaging is te volgen de dynamiek in de cellulaire en subcellular gedrag2 ,3,4. In dit verslag, richten we ons op de beschrijving van de details voor onze geoptimaliseerde protocols voor twee van deze technieken: scanning elektronen microscopie (SEM) en hele mount immunofluorescentie (WMIF), die waren en zijn nog steeds instrumentaal in het bestuderen van de morfogenese van het knooppunt en de notochordal plaat, de voorloper van de chorda.
De muis embryonale knooppunt is een teardrop-vormige kop van cellen, die op het ventrale oppervlak van het embryo van de muis rond de vroege tot late stadia van het hoofd schoot tijdens de gastrulatie en voedselproductie (embryonale day, E7.5-E8 bevindt zich)2,5, 6,7. De notochordal plaat is morfologisch anteriorly afkomstig uit het knooppunt3. Elke cel in het knooppunt en de notochordal plaat wordt gekenmerkt door een enkele cilium die aan de buitenkant uitsteekt, die langer is in knooppunt cellen maar waarvan de lengte varieert met de ontwikkelings fase2. De rotatie van de trilharen in de put knooppunt is aangetoond als belangrijk voor signalering die links-rechts asymmetrie4bepaalt. De notochordal plaat is de voorloper van de chorda, de signalering center, dat is belangrijk voor de patronen van de aangrenzende somieten en de bovenliggende neurale buis3.
Vanwege de kenmerken van de locatie (oppervlak), vorm (cup) en bezitten verschillende cellulaire buitenconstructies (cilia), is SEM traditioneel gebruikt voor het visualiseren van het knooppunt en de notochordal plaat en het bestuderen van hun vorming en structuur2, 7. SEM wordt ook gebruikt voor het bestuderen van de veranderingen in de structuur van het knooppunt zelf of de trilharen op de cellen in de mutaties die gastrulatie, voedselproductie, evenals cilia vorming8,9,10beïnvloeden. SEM is een techniek die gebruik maakt van een gerichte lichtbundel van elektronen aan het ondervragen van de topologische ultrastructuur van de buitenste oppervlakte van materialen zoals biologische monsters11. Het monster is meestal vaste, gedroogd en vervolgens sputter-gecoat met metalen voor observatie onder een Scannende Elektronen Microscoop zoals in stap 1 beschreven.
WMIF is een kleuring techniek voor het visualiseren van gene producten, zoals eiwitten, in drie dimensies (3D). WMIF van weefsels, organen of zelfs hele organismen geeft ruimtelijke informatie over de distributie van het signaal en de vorm van de resulterende structuur in 3D. De techniek is gebaseerd op de vaststelling van het monster het vervolgens kleuring met fluorescerende geconjugeerde. Muis embryo’s ~ E7.5 zijn klein, transparant en dus ideaal voor WMIF protocollen bij het visualiseren van het knooppunt en de notochordal plaat. Bijvoorbeeld, de transcriptiefactor Barchyury (T) wordt uitgedrukt in de kernen van het knooppunt en de notochordal plaat, en in mindere mate in de primitiefstreek, rond E7.5-E8 van embryonale ontwikkeling en goed werkende antilichamen tegen T door WMIF zijn commercieel beschikbaar en de kleuring procedure mogelijk te maken. De cellen van het knooppunt en de notochordal plaat worden ook gekenmerkt door vernauwde apicale oppervlakken, die het gezicht van de buitenkant en dus kunnen worden gekleurd met fluorescentie-geconjugeerde Phalloidin aan mark F-actine in de apicale beperkingen. Deze reagentia als voorbeelden gebruikt, biedt de combinatie van T en de F-actine kleuring door WMIF een weergave van het knooppunt en de notochordal plaat in 3D in gastrulating muis embryo’s zoals we in stap 2 8aantonen. Markers van cilia, zoals ARL13B of geacetyleerd tubuline, evenals andere merkers van het knooppunt en de notochordal plaat, zoals FOXA2, kunnen echter ook worden gebruikt voor het uitvoeren van WMIF op ontwikkelingslanden muis embryo’s-3,4.
We hebben aangetoond dat striatin-interactie eiwit 1 (STRIP1) essentieel voor normale gastrulatie en voedselproductie in de muis embryo8 is. STRIP1 is een kernonderdeel van de striatin-interactie phosphatases en kinases complexen (STRIPAK), die wij en anderen hebben betrokken in de actine cytoskelet organisatie8,12. Een groot gebrek in Strip1 mutant embryo’s is in de vorming van de axiale mesoderm (knooppunt en notochordal plaat) en uitbreiding van het antero-posterior lichaam as. Wij zijn gewend SEM en WMIF analyseren het knooppunt en de notochordal plaat in wild-type (WT) en Strip1 mutant embryo’s als we in de Resultaten van de vertegenwoordiger en de overeenkomstige cijfers weergeven.
In dit werk, laten we zien hoe SEM en WMIF te visualiseren de muis embryonale knooppunt en de notochordal plaat uit te voeren. De geringe omvang van de embryo’s gastrulating muis ~ E7.5 en de aanwezigheid van deze structuren op het oppervlak maken ze ideaal om te studeren met behulp van de technieken beschreven2,7,8. De beschikbaarheid van goede antilichamen, zoals markeringen, T en cilia, geeft uitstekende 3D-informatie met behulp van WMIF op de structuur, de organisatie en de vorming van deze essentiële embryonale organisatoren8.
Omdat de opbrengsten van muis embryonale ontwikkeling in een zeer snel tempo en het knooppunt en de notochordal plaat alleen Transient aanwezig op het oppervlak van het embryo zijn, is timing essentieel voor het succes van deze experimenten2,3. 2-4 Somiet embryo’s zijn bijvoorbeeld goed voor SEM analyse van een volwassen knooppunt put met lange cilia. In veel vroegere of latere embryo’s (bijvoorbeeld 12 uur vóór of na), het knooppunt mogelijk niet aanwezig op het oppervlak. WMIF is een beetje meer flexibel in dit verband maar de structuren zelf zijn ook voorbijgaande tijdens de ontwikkeling en de timing in dit geval hangt de onderzoekers belangen.
De zuiverheid van de reagentia is ook essentieel voor het succes van deze technieken, met name in de ultrastructuur indringende door SEM. Tiny onzuiverheden die aan de embryo’s meestal vasthouden leiden tot enorme artefacten.
We hebben twee verschillende methoden van embryo fixatie voor SEM een getest met behulp van halve Karnovsky van fixeer (2,5% Glutaaraldehyde, 2% paraformaldehyde en 0,1 M cacodylate buffer) en een eenvoudiger 2,5% Glutaaraldehyde in 1 x PBS. Wij verkiezen de Glutaaraldehyde en PBS fixeerspray zoals beschreven in stap 1 te gebruiken, echter wij en anderen hebben ook de halve Karnovsky-fixeerspray met succes gebruikt voor SEM.
We hebben ook twee methoden voor het drogen van de embryo’s voor SEM vergeleken en vond geen verschil in de kwaliteit van het monster met behulp van een kritisch punt droger of HMDS zoals beschreven in stap 1 en gerapporteerd elders14.
Voor stap 2, we getest insluiten van de embryo’s nadat de definitieve wassen stappen in 1% lage smeltende agarose gemonteerd op een 35 mm glazen-bodem schotel en vervolgens topping het met ~ 10 µL van montage medium. Dit verzonken methode werkt en behoudt de oorspronkelijke 3D-structuur van het embryo en bijbehorende structuren; een multiphoton Microscoop is echter vereist om het imago van het model, omdat een regelmatige confocal microscoop kan niet zo diep in de intact embryo’s bereiken (~ 1 mm).
Wij zijn van mening dat met behulp van deze twee technieken geeft aanvullende informatie over de structuur van het knooppunt en de notochordal plaat tijdens normale ontwikkeling en mutanten die gebreken in de vorming van deze structuren vertonen.
The authors have nothing to disclose.
H.P. wordt ondersteund door de financiering van het opstarten van de medische faculteit en de SFB829 van de Universiteit van Keulen. C.X. wordt ondersteund door DFG verlenen BA 5810/1-1. We zouden graag bedanken de Imaging faciliteiten van de CECAD research center en het Memorial Sloan Kettering Cancer Center (New York, USA). Wij danken Joaquín Grego-Bessa (Spaans nationaal centrum voor cardiovasculair onderzoek, Madrid, Spanje) voor zijn inzicht over de montage van de embryo’s voor WMIF.
1,1,1,3,3,3 Hexamethyldisilazane (HMDS) | Carl Roth | 3840 | |
Anti-T antibody | R&D Systems | AF2058 | |
Critical Point Dryer | Blazers Union | CPD 020 | |
DAPI | AppliChem | A4099,0005 | |
Glutardialdehyde solution 25% | Merck | 1042390250 | |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100-100ML | |
Tween 20 | AppliChem | A4974,0500 | |
SEM coating unit PS3 | Agar Aids for Electron Microscopy | PS3 | |
SEM microscope Quantum FEG 250 | ThermoFisher Scientific (FEI) | Quantum FEG 250 |