explants blastoderm דגי זברה נוצרים על ידי בידוד תאים עובריים ממרכזי איתות אנדוגני בתוך העובר המוקדם, ומייצרים אשכולות תאים נאיביים יחסית מניפולציה בקלות ו ex vivoתרבית . מאמר זה מספק הוראות להכנת explants כאלה ומדגים את התועלת שלהם על ידי חקירת תפקידים עבור נודל איתות במהלך gastrulation.
בשל בהירותם האופטית והתפתחותם המהירה, עוברים של דגי זברה הם מערכת מצוינת לבחינת התנהגויות תאים ותהליכים התפתחותיים. עם זאת, בגלל המורכבות והיתירות של אותות עובריים, זה יכול להיות מאתגר להבחין בתפקיד המלא של כל אות יחיד במהלך העובר המוקדם. על ידי הסבר אזור החיות של blastoderm דג זברה, אשכולות נאיביים יחסית של תאים עובריים נוצרים שניתן לתרבות בקלות ומניפולציה ex vivo. על ידי החדרת גן של עניין על ידי הזרקת RNA לפני explantation, ניתן להעריך את ההשפעה של מולקולה זו על ביטוי גנים, התנהגויות תאים, ותהליכים התפתחותיים אחרים בבידוד יחסי. יתר על כן, תאים מעוברים של גנוטיפים שונים או תנאים ניתן לשלב explant כימרי יחיד כדי לבחון אינטראקציות תא / רקמה פונקציות גנים ספציפיים לרקמות. מאמר זה מספק הוראות ליצירת explants blastoderm דגי זברה ומדגים כי מולקולת איתות אחת – ליגנד Nodal – מספיק כדי לגרום היווצרות שכבת חיידקים מורפוגנזה הרחבה ברקמות עובריות נאיביות אחרת. בשל יכולתם לשחזר התנהגויות תאים עובריים, שיפועי מורפוגן ודפוסי ביטוי גנים במערכת ex vivo פשוטה, explants אלה צפויים להיות לעזר רב לחוקרי דגי זברה רבים.
מטרה רב-שנתית של תחום הביולוגיה ההתפתחותית היא לפענח את המורכבות של התפתחות העוברים כדי להבין את מקור הצורה והתפקוד של בעלי החיים. אפילו עוברים מוקדמים מכילים תערובת מורכבת של מולקולות איתות, אינטראקציות בין תאים לרקמות וכוחות מכניים, כולם כפופים לוויסות מרחבי וטמפורלי קפדני. מסיבה זו, לעתים קרובות מאתגר להצביע על התפקיד המדויק של אות מסוים בתהליך התפתחותי של עניין. על ידי הסרת רקמות עובריות מהסביבה האנדוגנית שלהם, explantation העובר יוצר פלטפורמה פשוטה שבה להבחין בתפקידים ההתפתחותיים של רקמות בודדות ומולקולות בבידוד יחסי. טכניקות Explantation ידועות אולי ביותר ב Xenopus laevis, שם הם שימשו לחקר אינדוקציה רקמות, איתות תאים, הידבקות תאים, ומורפוגנזה, בין תהליכים אחרים1,2,3,4. מה שנקרא explants כובע בעלי חיים, שבו אזור החיה של באסטולה שלב קסנופוס עוברים מבודד לפני אינטראקציות אינדוקטיביות5,6,7, הם טכניקה הסברה נפוצה וחזקה. כובעי בעלי חיים לא מנוהלים נגזרים להיות ectoderm7,8. ובכל זאת, הם מוכשרים להגיב למספר גורמים אינדוקטיביים, המאפשרים להם ליצור רקמות של כל שלוש שכבות הנבט ולעבור תנועות מורפוגנטיות מתאימות לרקמות9,10,11. עם זאת, כלים גנטיים מוגבלים והתאמת תת-אופטימלית להדמיה חיה מונעים שימוש באקספלנטים של כובע בעלי חיים של קסנופוס עבור ביולוגים התפתחותיים רבים. על ידי הסבר תאי blastoderm מעוברי דגי זברה, החוקרים יכולים לשלב את התועלת של בדיקת כובע בעלי חיים עם הבהירות האופטית, שפע הכלים הגנטיים ויתרונות ניסיוניים אחרים של מערכת מודל דגי הזברה.
עד כה, החוקרים עשו שימוש בשני טעמים של explants דג זברה: מה שנקרא pescoids ואת explants blastoderm. במודל פסקואיד, כל blastoderm, כולל האזור השולי, מבודד מן החלמון ומותר לפתח ex vivo ללא שכבת סנכרון חלמון חוץ-בקטריוני (YSL)12,13. בדרך זו, פסקואידים נושאים דמיון בולט ל explants Fundulus שנוצר לפני עשרות שנים על ידי ג’יין אופנהיימר וג’יי.פי טרינקאוס14,15. אלה explulatants לשחזר היבטים רבים של דפוס עוברי מורפוגנזה12,13. עם זאת, מכיוון שמבודדים אלה מכילים מרכזי איתות אנדוגניים (השוליים העובריים), הם אינם פשוטים ביחס למילייה המולקולרי שלהם. לחלופין, חוקרים יכולים ליצור explants blastoderm דגי זברה נאיביים יחסית על ידי אי הכללת האזור השולי16,17,18,19,20,21. מחוללי פיצוץ דגי זברה לא מנוהלים מבטאים רמות גבוהות של מורפוגנים של חלבון מורפוגנטי בעצמות (BMP)19 ומעוררים ectoderm לא עצבי ושכבה עוטפת (EVL) כאשר18 אקס ויובתרבית . עם זאת, הם recapitulatulates היבטים רבים של דפוס צירי ומורפוגנזה בתגובה שיפועי איתות אקסוגני19,20,21, בדומה כובעי בעלי חיים קסנופוס. מסיבה זו, explants blastoderm הם מודל יתרון ללמוד את התפקיד של מורפוגן נתון (או מורפוגנים) במפרט שכבת נבט, תנועות תאים מורפוגנטיים, ושיפועי איתות בתוך סביבת איתות פשוטה. יתר על כן, blastoderms מעוברים של גנוטיפים שונים או תנאים ניתן לשלב explant כימרי יחיד19,21 כדי לחקור אוטונומיה של תאים / רקמה ואינטראקציות אינדוקטיביות.
ניתן להשתמש ב explants blastoderm דג זברה כדי לחקור את התפקיד של אותות עובריים (למשל, Nodal) במורפוגנזה ומפרט רקמה במהלך גסכולציה. על ידי הזרקת ndr2 RNA סינתטי (קידוד ליגנד Nodal) בשלב תא יחיד, איתות Nodal מופעל לאורך כל blastoderm של העובר. Explants מן העוברים האלה ליצור שיפועי איתות Nodal, ליצור את כל שלוש שכבות הנבט, ולעבור תנועות גסטרולציה התכנסות והרחבה (C&E) כפי שניתן לראות בעוברים שלמים20. בנוסף, explants כימרי משמשים כדי להמחיש את היכולת של רקמות mesoderm לגרום neuroectoderm מן blastoderm (נאיבי) uninjected. פרוטוקול זה מספק הוראות ליצירת explants blastoderm דג זברה ומדגים את התועלת שלהם בהגדרת התפקיד של איתות Nodal אינדוקציה רקמות ומורפוגנזה.
מאמר זה תיאר כיצד ליצור explants blastoderm דג זברה ודן בשני יישומים מעשיים של explants אלה בטיפול בתפקיד של Nodal מורפוגן איתות גסטרולציה. שיטה זו של חיתוך ו culturing explants מספק צפחה ריקה של תאים נאיביים שניתן לתמרן באמצעות זריקות RNA וטיפול עם תרכובות מולקולה קטנות כדי לחקור מסלול מולקולרי של עניין.
צעדים קריטיים
ישנם ארבעה שלבים בפרוטוקול זה שהם קריטיים במיוחד להצלחתו. הראשון הוא הזרקת העוברים עם הכמות המתאימה של נדאל. פרוטוקול זה ממליץ 10 pg של ndr2 RNA, ולמרות מגוון של מינונים מקדם הרחבה, יותר מדי או מעט מדי Nodal ימנע הרחבה explant אופטימלי20. השלב השני הוא פירוק העוברים. אם העוברים יישארו בפרונאז זמן רב מדי, החלמונים יתפוצצו, והעוברים לא יהיו בני קיימא לחיתוך. אם הם לא בפרונאז מספיק זמן, chorions לא ישוחררו על ידי כביסה ובמקום זאת ידרוש dechorionation ידני זמן רב. הצעד הקריטי השלישי הוא לחתוך את ההסברים. מומלץ לחתוך את הפתרון של Danieau 3x, שכן תכולת המלח הנמוכה יותר של 0.3x הפתרון או מי הביצים אינה מקדמת ריפוי והישרדות של explants.
בנוסף, יש לחתוך את explants בערך חצי מגובה הפיצוץ כדי להבטיח את הנאיביות של התאים. אם הם נחתכים קרוב מדי לחלמון, הם יכילו אותות מהשוליים (כולל נודל אנדוגני) המקדמים מפרט רקמות ומורפוגנזה. השלב הקריטי הרביעי והאחרון הוא בריפוי של explants כימרי. שני explants לא להתמזג כדי ליצור כימרות אלא אם כן הקצוות החתוכים שלהם נלחצים בעדינות יחד מיד לאחר שהם נחתכים.
שינויים ופתרון בעיות
השלבים הקריטיים המתוארים לעיל מספקים הזדמנויות לפתרון בעיות. להלן כמה בעיות נפוצות ופתרונות מוצעים.
אם explants אינם מתרחבים בנוכחות איתות Nodal, ישנם כמה פתרונות אפשריים. (A) הזרק עוברים בשלב התא הבודד כדי להבטיח שהרנ”א מפוזר באופן שווה בכל העובר. (B) הימנע הזרקת יותר מדי RNA nodal על ידי הבטחת כי נפח מוזרק נכון באמצעות מיקרומטר כדי למדוד את בולוס הזרקה. (C) הימנע הזרקת מעט מדי RNA nodal על ידי מדידת הריכוז שלה כדי להבטיח שהוא לא הושפל. (ד) שמור כמה אחים שלמים תואמי גיל כדי להסיק את השלב המקביל של explants. Explants להשיג הרחבה מקסימלית כאשר אחים שלמים להגיע לשלב 2-5 סומיט. אם explants נאספים מוקדם מדי, אז ההרחבה האופטימלית לא תגיע.
אם החלמונים מתפוצצים לאחר dechorionation, ואת העוברים אינם קיימא לחתוך, להסיר את העוברים מפתרון פרונאז פעם הכוריות מתחילות לקרוץ ו 1-2 עוברים לשפוך את chorion שלהם. לאחר מכן, יש לשטוף מיד במי ביצים.
אם המהללים נראים תוססים סביב הקצוות, יש כמה פתרונות. (א) לחתוך explants רק בתוך מסגרת זמן ספציפית של פיתוח. למרות ש-explants שנחתכים בכל שלב משלבים של 128 עד 1000 תאים יכולים לשרוד ולהשתרע בתרבות, אלה שנחתכים בשלבים של 256 עד 512 תאים נוטים להיות החזקים ביותר. (B) ודא כי explants נחתכים בפתרון של 3x Danieau כדי להבטיח ריפוי נכון. (ג) חותכים את המסלקים בצורה נקייה אך בעדינות. הימנע מתיחה או משיכת התאים לגזרים במהלך תהליך החיתוך.
אם מרחיבים את שליטה לא מושקעת, סביר להניח שההפקות היו חותכות קרוב מדי לחלמון. כדי שההפקות יהיו תמימות, ודאו שהקיצוצים נעשים באמצע הדרך בין החלמון לחלק העליון של הבלאסטודרם.
אם explants כימרית לא להתמזג, סביר להניח כי הנטייה של explants בפתרון של 3x Danieau פעם לחתוך הוא לאסוף ולהחלים על הקצה לחתוך. כדי להבטיח כי שתי blastoderms לרפא אחד את השני ולא את עצמם, לחץ אותם יחד מיד לאחר חיתוך. השתמש במלקחיים כדי להפעיל לחץ עדין על ההפצות החדשות שהצטרפו בתוך הבאר כדי לעודד אותם להחלים יחד.
מגבלות
בעוד explants אלה הם כלי רב ערך ללמוד את התפקיד של מורפוגן נתון (או מולקולה אחרת של עניין) בבידוד יחסי, תצפיות שנעשו בכל מודל ex vivo חייב להתפרש בזהירות. Explants התערוכה C&E מורפוגנזה כי הוא דומה מאוד לזה שנצפו ב vivo20, אבל הם לא recapitulate כל ההיבטים של גסטרולציה, למשל, תנועות אפיבולי. הם גם חסרים גורמים רגולטוריים רבים אחרים ומולקולות איתות הנמצאות בתוך עובר שלם. אמנם זהו יתרון ניסיוני משמעותי של explants, זה יכול גם להוביל למסקנות שאינן מחזיקות ויוו. לדוגמה, מאז explants שאינם מקבלים ליגנדים נודאל אקסוגני להיכשל לבטא סמני neuroectoderm, אפשר להסיק מן explants לבד כי איתות Nodal נדרש מפרט neuroectoderm. עם זאת, neuroectoderm נוצר בתוך עוברים שלמים חסר כל Nodal איתות23,24, מדגים את התפקיד החיוני של מולקולות איתות אחרות במפרט עצבי32. Explants יכול לספר לנו מה מורפוגן מסוגל בסביבה מבודדת. ובכל זאת, כל הממצאים כאלה צריכים להיות מאושרים / לעומת עוברים שלמים כדי שהתוצאות יתפרשו ביסודיות. במילים אחרות, explants לא יכול לתפוס את מקומו של עובר מתפתח. במקום זאת, הם כלי משלים כדי לזהות את התפקיד ואת היחסים של מורפוגן עם הסביבה. עם מגבלות אלה בחשבון, explants blastoderm דגי זברה הם כלי בעל ערך לשאלות מחקר רבות.
משמעות ביחס לשיטות קיימות
עם עניין מחודש בעוברים סינתטיים, מספר גישות ex vivo ו במבחנה משמשים באופן קבוע מודל היבטים של התפתחות עוברית. לדוגמה, gastruloids 2-ו 3-dimensional המורכב עכבר או תאי גזע עובריים אנושיים / המושרה pluripotent ניתן לפתות, באמצעות יישום של מולקולות איתות אקסוגני, כדי לשחזר חלק דפוס ו / או אירועים מורפוגנטיים של גסטרולציה, פילוח, ו neurulation33,34,35,36,37 . למרות עוצמה, שיטות אלה דורשות שיטות תרבות מייגעות וממושכות הן לשמור ברציפות על תאי גזע פלוריפוטנטים והן לגדל gastruloids, אשר לוקח ימים רבים כדי להגיע לשלבי גסטרולציה. לעומת זאת, תפירות דגי זברה אינן דורשות תחזוקה של תרביות תאי גזע, שכן עוברים פשוט נאספים לפי הצורך. הם פשוטים יחסית כדי ליצור ולהגיע לשלבי גסטרול בתוך שעות, זהה עוברים דג זברה. זה מדגיש יתרון נוסף של explants דגי זברה, השעון ההתפתחותי שלהם שלם. מכיוון שהעידן ההתפתחותי של תאי גזע עובריים ומושרים יכול להיות משתנה ושנוי במחלוקת, explants עובריים אולי מתאימים יותר לחקור ויסות זמני של התפתחות. לבסוף, בעוד explants דג זברה פסקואיד (המכילים את השוליים העובריים) באופן דומה להרחיב בתרבות12,13, הם עושים זאת בתגובה למרכזי איתות אנדוגני. במקום זאת, explants המתואר כאן לאפשר לחוקרים לחקור מולקולות עניין עם הפרעות מעטות יחסית מאותות עובריים כאלה.
יישומים עתידיים פוטנציאליים
כאן, explants שימשו כדי להוכיח כי איתות Nodal הוא הכרחי מספיק עבור מורפוגנזה C&E. עם זאת, הוא צפוי כי הם יכולים וישמשו כדי להבחין בתפקיד של מולקולות רבות ושונות בתהליכים התפתחותיים רבים אחרים, למשל, ויסות של ביטוי גנים, שיפועי איתות, ותוכניות מורפוגנטיות נוספות. בנוסף, מכיוון ש explants אלה הם קיימא עד לפחות 24 כ”ס19, ניתן לצפות כי השירות שלהם יתרחב מעבר gastrulation לתהליכים כגון סגמנטציה organogenesis, כל תהליך שבו החוקרים רוצים צפחה ריקה התפתחותית.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי NICHD R00HD091386 ל- MLKW ועל ידי NIEHS T32ES027801 ל- 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 |