Zebravis blastoderm explantaten worden gegenereerd door embryonale cellen te isoleren van endogene signaleringscentra in het vroege embryo, waardoor relatief naïeve celclusters worden geproduceerd die gemakkelijk ex vivokunnen worden gemanipuleerd en gekweekt. Dit artikel geeft instructies voor het maken van dergelijke explants en toont hun nut aan door rollen te onderzoeken voor nodale signalering tijdens gastrulatie.
Vanwege hun optische helderheid en snelle ontwikkeling zijn zebravisembryo’s een uitstekend systeem voor het onderzoeken van celgedrag en ontwikkelingsprocessen. Vanwege de complexiteit en redundantie van embryonale signalen kan het echter een uitdaging zijn om de volledige rol van een enkel signaal tijdens vroege embryogenese te onderscheiden. Door het dierlijke gebied van de zebravis blastoderm te explanteren, worden relatief naïeve clusters van embryonale cellen gegenereerd die gemakkelijk ex vivokunnen worden gekweekt en gemanipuleerd . Door een interessant gen te introduceren door RNA-injectie vóór explantatie, kan men het effect van dit molecuul op genexpressie, celgedrag en andere ontwikkelingsprocessen in relatieve isolatie beoordelen. Bovendien kunnen cellen van embryo’s van verschillende genotypen of aandoeningen worden gecombineerd in een enkele chimere explant om cel/ weefselinteracties en weefselspecifieke genfuncties te onderzoeken. Dit artikel geeft instructies voor het genereren van zebravis blastoderm explantaten en toont aan dat een enkel signaalmolecuul – een nodaal ligand – voldoende is om kiemlaagvorming en uitbreiding van morfogenese in anders naïeve embryonale weefsels te induceren. Vanwege hun vermogen om embryonaal celgedrag, morfogene gradiënten en genexpressiepatronen in een vereenvoudigd ex vivo-systeem samen te vatten, wordt verwacht dat deze explantaten van groot nut zullen zijn voor veel zebravisonderzoekers.
Een eeuwigdijdend doel van het ontwikkelingsbiologieveld is om de complexiteit van het ontwikkelen van embryo’s te ontrafelen om de oorsprong van de vorm en functie van dieren te begrijpen. Zelfs vroege embryo’s bevatten een complexe medley van signaalmoleculen, cel- en weefselinteracties en mechanische krachten, allemaal onderworpen aan strikte ruimtelijke en temporele regulatie. Om deze reden is het vaak een uitdaging om de precieze rol van een bepaald signaal in een ontwikkelingsproces van belang aan te wijzen. Door embryonale weefsels uit hun endogene omgeving te verwijderen, creëert embryo-explantatie een vereenvoudigd platform om de ontwikkelingsrollen van individuele weefsels en moleculen in relatieve isolatie te onderscheiden. Explantatietechnieken zijn misschien het best bekend in Xenopus laevis, waar ze zijn gebruikt om weefselinductie, celsignalering, celadhesie en morfogenese te bestuderen, naast andere processen1,2,3,4. Zogenaamde animal cap explants, waarbij het dierlijke gebied van blastula stadium Xenopus embryo’s wordt geïsoleerd vóór inductieve interacties5,6,7, zijn een wijdverspreide en krachtige explantische techniek. Ongemanipuleerde dierendoppen worden vetgemest om ectoderm7,8te worden. Toch zijn ze bevoegd om te reageren op verschillende inductieve factoren, waardoor ze weefsels van alle drie de kiemlagen kunnen vormen en weefselgeschikte morfogenetische bewegingen kunnen ondergaan9,10,11. Beperkte genetische hulpmiddelen en suboptimale geschiktheid voor live beeldvorming verhinderen echter het gebruik van Xenopus-diercapexplantaten voor veel ontwikkelingsbiologen. Door blastodermcellen van zebravisembryo’s te explanteren, kunnen onderzoekers het nut van de dierlijke doptest combineren met de optische helderheid, overvloed aan genetische hulpmiddelen en andere experimentele voordelen van het zebravismodelsysteem.
Tot op heden hebben onderzoekers gebruik gemaakt van twee smaken zebravis explants: zogenaamde pescoids en de blastoderm explants. In het pescoidmodel wordt het volledige blastoderm, inclusief de marginale zone, geïsoleerd van de dooier en ex vivo laten ontwikkelen zonder de extra-mbryonische dooiersyncytiele laag (YSL)12,13. Op deze manier vertonen pescoiden een opmerkelijke gelijkenis met de Fundulus-explantaten die tientallen jaren geleden zijn gegenereerd door Jane Oppenheimer en J.P. Trinkaus14,15. Deze explantaten vatten vele aspecten van embryonale patronen en morfogenese samen12,13. Omdat deze isolaten echter endogene signaleringscentra (de embryonale marge) bevatten, zijn ze niet vereenvoudigd met betrekking tot hun moleculaire milieu. Als alternatief kunnen onderzoekers relatief naïeve zebravis blastoderm explantaten genereren door de marginale zone16,17,18,19,20,21uit te sluiten. Ongemanipuleerde zebravis blastoderm explants drukken hoge niveaus van botmorfogenetisch eiwit (BMP) morfogenenuit 19 en geven aanleiding tot niet-neuraal ectoderm en omhullende laag (EVL) wanneer ze ex vivoworden gekweekt18. Ze vatten echter veel aspecten van axiale patronen en morfogenese samen in reactie op exogene signaalgradiënten19,20,21,vergelijkbaar met Xenopus-dierendoppen. Om deze reden zijn blastoderm-explantaten een voordelig model om de rol van een bepaald morfogeen (of morfogenen) in kiemlaagspecificatie, morfogenetische celbewegingen en signaalgradiënten binnen een vereenvoudigde signaleringsomgeving te bestuderen. Bovendien kunnen blastodermen van embryo’s van verschillende genotypen of aandoeningen worden gecombineerd in een enkele chimere explant19,21 om cel / weefselautonomie en inductieve interacties te onderzoeken.
Zebravis blastoderm explantaten kunnen worden gebruikt om de rol van embryonale signalen (bijvoorbeeld Nodal) in morfogenese en weefselspecificatie tijdens gastrulatie te onderzoeken. Door het injecteren van synthetisch ndr2-RNA (coderend voor een nodaal ligand) in het eencellige stadium, wordt nodale signalering geactiveerd in het blastoderm van het embryo. Explantaten van deze embryo’s genereren nodale signaalgradiënten, vormen alle drie de kiemlagen en ondergaan convergentie- en extensie (C & E) gastrulatiebewegingen zoals te zien bij intacte embryo’s20. Bovendien worden chimere explantaten gebruikt om het vermogen van mesodermweefsels te illustreren om neuro-ectoderm te induceren uit niet-geïnjecteerd (naïef) blastoderm. Dit protocol geeft instructies voor het maken van zebravis blastoderm explants en toont hun nut bij het definiëren van de rol van nodale signalering in weefselinductie en morfogenese.
Dit artikel heeft beschreven hoe zebravis blastoderm explants te genereren en besprak twee praktische toepassingen van deze explants bij het aanpakken van de rol van Nodal morfogene signalering in gastrulatie. Deze methode van het snijden en kweken van explantaten biedt een schone lei van naïeve cellen die kunnen worden gemanipuleerd met behulp van RNA-injecties en behandeling met kleine molecuulverbindingen om een moleculaire route van belang te onderzoeken.
Kritieke stappen
Er zijn vier stappen in dit protocol die bijzonder cruciaal zijn voor het succes ervan. De eerste is het injecteren van de embryo’s met de juiste hoeveelheid Nodal. Dit protocol beveelt 10 pg ndr2-RNA aan, en hoewel een reeks doses uitbreiding bevordert, zal te veel of te weinig Nodal optimale explant-extensie voorkomen20. De tweede stap is het dechorioneren van de embryo’s. Als de embryo’s te lang in pronase blijven, zullen de dooiers barsten en zullen de embryo’s niet levensvatbaar zijn om te snijden. Als ze niet lang genoeg in de pronase zitten, worden de chorionen niet losgemaakt door het wassen en vereisen ze in plaats daarvan tijdrovende handmatige dechorionatie. De derde kritische stap is het snijden van de explants. Snijden in 3x Danieau’s oplossing wordt aanbevolen, omdat het lagere zoutgehalte van 0,3x Danieau’s oplossing of eiwater de genezing en overleving van explantaten niet bevordert.
Bovendien moeten de explantaten op ongeveer de helft van de hoogte van het blastoderm worden gesneden om de naïviteit van de cellen te garanderen. Als ze te dicht bij de dooier worden gesneden, bevatten ze signalen uit de marge (inclusief endogene nodale) die weefselspecificatie en morfogenese bevorderen. De vierde en laatste kritische stap is de genezing van chimere explantaten. Twee explantaten zullen niet samensmelten om chimaera’s te vormen, tenzij hun snijranden voorzichtig tegen elkaar worden gedrukt onmiddellijk nadat ze zijn gesneden.
Wijzigingen en probleemoplossing
De hierboven beschreven kritieke stappen bieden mogelijkheden voor het oplossen van problemen. Enkele veelvoorkomende problemen en voorgestelde oplossingen worden hieronder weergegeven.
Als explantaties zich niet uitbreiden in de aanwezigheid van Nodal-signalering, zijn er enkele mogelijke oplossingen. (A) Injecteer embryo’s in het eencellige stadium om ervoor te zorgen dat RNA gelijkmatig over het hele embryo wordt verspreid. (B) Vermijd het injecteren van te veel nodaal RNA door ervoor te zorgen dat het geïnjecteerde volume correct is met behulp van een micrometer om de injectiebolus te meten. (C) Vermijd het injecteren van te weinig nodaal RNA door de concentratie ervan te meten om ervoor te zorgen dat het niet is afgebroken. (D) Houd enkele leeftijdsgematchte intacte broers en zussen om het equivalente stadium van de explantaten af te leiden. Explants bereiken maximale extensie wanneer intacte broers en zussen het 2-5 somite stadium bereiken. Als de explants te vroeg worden verzameld, wordt de optimale extensie niet bereikt.
Als de dooiers barsten na dechorionatie en de embryo’s niet levensvatbaar zijn om te snijden, verwijder dan de embryo’s uit de pronase-oplossing zodra de chorions beginnen te kreuken en 1-2 embryo’s hun chorion afwerpen. Spoel vervolgens onmiddellijk af in eiwater.
Als de explantaties aan de randen bubbels lijken, zijn er enkele oplossingen. (A) Uitgesneden explantaten alleen binnen een bepaald tijdsbestek van ontwikkeling. Hoewel explantaten die in elk stadium van 128- tot 1000-celstadia worden gesneden, kunnen overleven en zich in cultuur kunnen uitbreiden, zijn die gesneden in 256- tot 512-celstadia meestal het meest robuust. (B) Zorg ervoor dat explantaten worden gesneden in 3x Danieau’s oplossing om een goede genezing te garanderen. (C) Knip explantaten schoon maar voorzichtig. Vermijd het uitrekken of uit elkaar trekken van de cellen tijdens het snijproces.
Als de niet-geïnjecteerde controle-explants zich uitbreiden, zullen explants waarschijnlijk te dicht bij de dooier snijden. Om explantaties naïef te laten zijn, moet u ervoor zorgen dat de sneden halverwege tussen de dooier en de bovenkant van de blastoderm worden gemaakt.
Als de chimere explantaten niet fuseren, is dit waarschijnlijk omdat de neiging van explants in 3x Danieau’s oplossing eenmaal gesneden is om af te ronden en te genezen over de snijrand. Om ervoor te zorgen dat de twee blastodermen aan elkaar genezen in plaats van zichzelf, drukt u ze onmiddellijk na het snijden tegen elkaar. Gebruik een tang om zachte druk uit te oefenen op de nieuw samengevoegde blastodermen in de agaroseput om ze aan te moedigen samen te genezen.
Beperkingen
Hoewel deze explantaten een waardevol hulpmiddel zijn om de rol van een bepaald morfogeen (of een ander molecuul van belang) in relatieve isolatie te bestuderen, moeten waarnemingen in elk ex vivo model met zorg worden geïnterpreteerd. Explantaten vertonen C & E-morfogenese die sterk lijkt op die waargenomen in vivo20, maar ze vatten niet alle aspecten van gastrulatie samen, bijvoorbeeld epiboly-bewegingen. Ze missen ook veel andere regulerende factoren en signaalmoleculen die aanwezig zijn in een intact embryo. Hoewel dit een aanzienlijk experimenteel voordeel is van explantaties, kan het ook leiden tot conclusies die niet in vivogelden . Omdat explantaten die geen exogene nodale liganden ontvangen bijvoorbeeld geen neuro-ctodermmarkers tot expressie brengen, zou men alleen uit explants kunnen concluderen dat nodale signalering vereist is voor neuro-ctodermspecificatie. Neuro-ctoderm wordt echter gevormd in intacte embryo’s zonder alle nodale signalering23,24,wat de vitale rol van andere signaalmoleculen in neurale specificatie32aantoont. Explantaten kunnen ons vertellen waartoe een morfogeen in staat is in een geïsoleerde omgeving. Toch moeten al dergelijke bevindingen worden bevestigd in / vergeleken met intacte embryo’s om de resultaten grondig te interpreteren. Met andere woorden, explantaten kunnen niet de plaats innemen van een zich ontwikkelend embryo. In plaats daarvan zijn ze een aanvullend hulpmiddel om de rol en relatie van een morfogeen met de omgeving te identificeren. Met deze beperkingen in het achterhoofd zijn zebravis blastoderm explants een waardevol hulpmiddel voor veel onderzoeksvragen.
Significantie ten opzichte van bestaande methoden
Met hernieuwde interesse in synthetische embryologie worden regelmatig verschillende ex vivo es in vitro benaderingen gebruikt om aspecten van embryonale ontwikkeling te modelleren. Bijvoorbeeld, 2- en 3-dimensionale gastruloïden bestaande uit muis of menselijke embryonale / geïnduceerde pluripotente stamcellen kunnen worden overgehaald, door de toepassing van exogene signaalmoleculen, om enkele van de patronen en / of morfogenetische gebeurtenissen van gastrulatie, segmentatie en neurulatie samen te vatten33,34,35,36,37 . Hoewel krachtig, vereisen deze methoden moeizame en langdurige kweekmethoden om zowel continu pluripotente stamcellen te behouden als gastruloïden te laten groeien, die vele dagen nodig hebben om gastrulatiestadia te bereiken. Zebravisexplantaten vereisen daarentegen geen onderhoud van stamcelculturen, omdat embryo’s eenvoudig worden verzameld als dat nodig is. Ze zijn relatief eenvoudig te genereren en bereiken gastrulatiestadia binnen enkele uren, hetzelfde als zebravisembryo’s. Dit benadrukt een ander voordeel van zebravisexplantaties, hun intacte ontwikkelingsklok. Omdat de ontwikkelingsleeftijd van embryonale en geïnduceerde pluripotente stamcellen variabel en zeer bediscussieerd kan zijn, zijn embryonale explantaten misschien beter geschikt om temporele regulatie van ontwikkeling te onderzoeken. Ten slotte, terwijl pescoid zebravis explanteert (die de embryonale marge bevatten) zich op dezelfde manier uitbreidt in cultuur12,13, doen ze dit als reactie op endogene signaleringscentra. In plaats daarvan stellen de hier beschreven explantaten onderzoekers in staat om interessante moleculen te onderzoeken met relatief weinig interferentie van dergelijke embryonale signalen.
Mogelijke toekomstige toepassingen
Hier werden explantaten gebruikt om aan te tonen dat nodale signalering noodzakelijk en voldoende is voor C&E morfogenese. Toch wordt verwacht dat ze kunnen en zullen worden gebruikt om de rol van veel verschillende moleculen in vele andere ontwikkelingsprocessen te onderscheiden, bijvoorbeeld regulatie van genexpressie, signaalgradiënten en aanvullende morfogenetische programma’s. Bovendien, omdat deze explantaten levensvatbaar zijn tot ten minste 24 hpf19, kan worden verwacht dat hun nut verder zal reiken dan gastrulatie naar processen zoals segmentatie en organogenese, elk proces waarin onderzoekers een ontwikkelingsloze lei wensen.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door NICHD R00HD091386 aan MLKW en door NIEHS T32ES027801 aan AAE.
1 mm glass beads | Millipore-Sigma | Z250473 | |
4% Paraformaldehyde | VWR | J19943-K2 | |
6-well plates | Fisher | FB012927 | |
Agarose | Thermo-Fisher | 16500500 | |
Ca(NO3)2 .4H2O | Thermo-Fisher | 12364-36 | |
DMEM/F12 media | Gibco | 11330032 | |
Dumont #5 watchmakers forceps | World Precision Instruments | 500341 | |
Embryo injection mold | Adaptive Science Tools | I-34 | |
Glass crystalizing dishes | Fisher | 08-741A | |
Glass Petri dishes | Fisher | 08-748A | |
HEPES | VWR | JT4018-1 | |
Instant Ocean sea salts | Instant Ocean | SS15-10 | |
KCl | VWR | BDH9258-500G | |
Low temperature incubator | Fisher | 15-015-2632 | |
MgSO4.7H2O | VWR | 97062-134 | |
Microloader pipette tips | Eppendorf | 930001007 | |
Micromanipulator | World Precision Instruments | M3301R | |
Micrometer | SPI supplies | 02265-AB | |
Mineral oil | VWR | MK635704 | |
NaCl | VWR | BDH9286-500G | |
Newborn Calf Serum | Invitrogen | 26010-066 | |
Pasteur pipettes | Fisher | 13-678-30 | |
Penicillin-Streptomycin Solution | Thermo-Fisher | 15140122 | |
Pico-pump pneumatic injector | World Precision Instruments | SYS-PV820 | |
Pipet pump | Fisher | 13 683C | |
Plastic Petri dishes 100 mm | Fisher | FB0875712 | |
Plastic Petri dishes 60 mm | Fisher | FB0875713A | |
Plastic wash bottles | Fisher | 03-409-10E | |
Pronase | Millipore-Sigma | 10165921001 | |
Tween-20 | VWR | 200002-836 |