Generatie chimeric Axolotls met Mutant Haploid Ledematen door embryonale grafting
Summary
Dit doel van dit protocol is het produceren van chimerische axolotls met haploïde voorpoten afgeleid van Cas9-mutagenized donorweefsel met behulp van embryonale weefsel enten technieken.
Abstract
Een groeiende reeks van genetische technieken en middelen stellen onderzoekers in staat om de moleculaire oorsprong van het vermogen van sommige soorten salamanders, zoals axolotls, te onderzoeken om hele ledematen als volwassenen te regenereren. Hier schetsen we technieken die worden gebruikt om chimerische axolotls te genereren met Cas9-mutagenized haploïde voorpoten die kunnen worden gebruikt voor het verkennen van de genfunctie en de getrouwheid van de regeneratie van ledematen. We combineren verschillende embryologische en genetische technieken, waaronder haploïde generatie via in vitro activatie, CRISPR/Cas9 mutagenese en weefseltransplantatie in één protocol om een uniek systeem voor haploïde genetische screening te produceren in een modelorganisme van regeneratie. Deze strategie vermindert het aantal dieren, ruimte en tijd die nodig is voor de functionele analyse van genen in de regeneratie van ledematen. Dit maakt het ook mogelijk om regeneratiespecifieke functies van genen te onderzoeken die nodig kunnen zijn voor andere essentiële processen, zoals organogenese, weefselmorfogenese en andere essentiële embryonale processen. De hier beschreven methode is een uniek platform voor het uitvoeren van haploïde genetische screening in een gewerveld modelsysteem.
Introduction
Historisch gezien is embryonale weefseltransplantatie bij amfibieën een belangrijke techniek geweest voor het verkennen van fundamentele mechanismen van ontwikkelingsbiologie en regeneratie. De axolotl, een soort salamander, beschikt over een indrukwekkend vermogen om weefsels en complexe structuren zoals ledematen en organen na letsel of amputatie te regenereren. Op dezelfde manier indrukwekkend, kunnen ze ontvangen, zonder afwijzing, weefselgrafts van andere individuen in embryonale, jeugdige, en volwassen stadia1,2,3. Gebieden van embryo’s die hele structuren produceren, zoals ledematen, staarten, ogen en koppen, en meer specifieke weefsels, zoals neuroectoderm en somites, kunnen tussen embryo’s worden geënt om chimerische dieren te produceren1,2,4,5,6. Al bijna een eeuw hebben studies van dergelijke chimerische dieren cruciale inzichten opgeleverd in regeneratie, weefseldifferentiatie, groottecontrole en patronen1,7,8.
In het laatste decennium hebben talrijke transcriptiestudies van regenererende weefsels inzichten opgeleverd in de genetische programma’s die ten grondslag liggen aan salamanderregeneratie9,10,11,12,13. Deze studies hebben toegevoegd aan een groeiende lijst van kandidaat-genen die tot op heden grotendeels niet worden gekarakteriseerd in de context van regeneratie. Gerichte mutagenesetechnieken, zoals CRISPR/Cas, maken het nu mogelijk om dergelijke genen te onderzoeken, en dergelijke genetische benaderingen worden sterk vergemakkelijkt door de recente volgorde en assemblage van het grote axolotlgenoom14,15,16.
We zochten naar technieken die klassieke ontwikkelingsbiologie koppelen aan nieuwe genetische technologie met het oog op het ontleden van de mechanismen van regeneratie. Methoden voor het genereren van haploïde embryo’s van axolotls en andere salamanders zijn vastgesteld voor decennia17. Hoewel deze technieken al lang worden opgemerkt als voordelen van salamanders als genetisch model organismen18, weinig latere genetische studies hebben opgenomen haploïde dieren. We gebruiken in vitro activatie in de axolotl om haploïde embryo’s te produceren die dienen als weefseldonoren voor het entenvan 19. Met behulp van embryo’s met fluorescerende genetische markers hebben we betrouwbare methoden ontwikkeld voor het genereren van ledematen die bijna volledig afkomstig zijn van donorweefsels(figuur 1A). Door deze twee technieken te combineren, hebben we de late embryonale letaliteit die gepaard gaat met haploidy omzeild, waardoor volledig ontwikkelde, geënte haploïde ledematen(figuur 1B, figuur 1B’en figuur 2) kunnen worden aangenomen.
Door CRISPR/Cas-gemedieerde mutagenese in haploïde embryo’s uit te voeren voordat we worden geënt om chimerische axolotls met gemuteerde haploïde ledematen te maken, kunnen we de genfunctie specifiek onderzoeken in de context van de ontwikkeling en regeneratie van ledematen. Dit maakt het mogelijk om ledematen te redden van potentieel embryonaal-dodelijke mutanten. Hoewel CRISPR/Cas micro-injectie dieren kan genereren die zeer mutant zijn, zijn dergelijke dieren meestal zeer mozaïek, met een zekere mate van behoud van wildtype allelen en een verscheidenheid aan verschillende mutaties op gerichte locaties14,20. CRISPR-gebaseerde mutagenese in haploïde cellen verhoogt de penetrance van enkel allele verlies-van-functie mutaties, omdat ze niet kunnen worden gemaskeerd door behouden wildtype allelen. Om deze reden wordt crispr-gebaseerde screening in haploïde cellijnen steeds vaker gebruikt om de genetische basis van veel cellulaire processen te onderzoeken21,22,23. Door crispr-gebaseerde afstamming tracering te combineren met onze haploïde ledematen knop entandprotocollen, kan de hier beschreven aanpak dienen als een platform voor haploïde genetische schermen bij levende dieren20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Er zijn een paar kritische stappen in ons protocol voor het genereren van haploid-diploïde chimaera’s die de operationele technicus moet overwegen voor consistente enting resultaten.
De meest waarschijnlijke reden voor haploïde generatie te mislukken is te wijten aan slechte in vitro activering voorwaarden. De juiste hoeveelheden motile sperma moeten worden gebruikt om eieren te activeren. Om de beweeglijkheid te verlengen, moeten spermamonsters altijd bij 4 °C worden gehouden. Controleer v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen Katherine Roberts bedanken voor haar zorg voor de axolotl kolonie. Financiering voor dit werk werd verstrekt door de Connecticut Innovations Regeneratieve Geneeskunde Research Fund (15RMA-YALE-09 en 15-RMB-YALE-01) en de Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (Individuele Postdoctorale Fellowship F32HD086942).
Materials
| #55 Dumont Forceps | Fine Science Tools | 11295-1 | Only use Dumostar material (can be autoclaved) |
| Amphotericin B | Sigma Aldrich | A2942-20ML | 20 mL |
| Antibiotic-Antimycotic 100x | Thermo Fisher | 15240062 | |
| Ciprofloxacin | Sigma Aldrich | 17850-5G-F | |
| Ficoll 400 (polysucrose 400) | bioworld | 40600032-3 | Ficoll 400 |
| Gentamicin | Sigma Aldrich | G1914-250MG | |
| Heating/Cooling Incubator | RevSci | RS-IF-233 | |
| Human Chorionic Gonadotropin | Merk | Chorulon | |
| Megascript T7 Transcription Kit | Thermo Fisher | AM1334 | 40 reactions |
| Miroscope Cooling Stage | Brook Industries | Custom | Custom |
| NLS Cas9 Protein | PNAbio | CP01-200 | 4 vials of 50 µg protein each |
| Plasmocin | Invivogen | ant-mpt-1 | Treatment level |
| Recipes | |||
| 1.0x Marc's modified Ringer's solution (MMR) | 0.1 M NaCl, 2 mM KCl, 1 mM MgSO4, 2 mM CaCl2, 0.1 mM EDTA, 5 mM HEPES (pH 7.8), ph 7.4 | ||
| 40% Holtfreter's solution | 20 mM NaCl, 0.2 mM KCl, 0.8 mM NaHCO3, 0.2 mM CaCl2, 4 mM MgSO4, pH to 7.4 |
References
- Kragl, M., et al. Cells keep a memory of their tissue origin during axolotl limb regeneration. Nature. 460 (7251), 60-65 (2009).
- Maden, M., Goodwin, B. C. Experiments on developing limb buds of the axolotl Ambystoma mexicanum. Journal of Embryology and Experimental Morphology. 57, 177-187 (1980).
- McCusker, C. D., Diaz-Castillo, C., Sosnik, J., Phan, A. Q., Gardiner, D. M. Cartilage and bone cells do not participate in skeletal regeneration in Ambystoma mexicanum limbs. Biologie du développement. 416 (1), 26-33 (2016).
- Brun, R. B. Experimental analysis of the eyeless mutant in the mexican axolotl (Ambystoma mexicanum). Integrative and Comparative Biology. 18 (2), 273-279 (1978).
- Lopez, D., et al. Mapping hematopoiesis in a fully regenerative vertebrate: the axolotl. Blood. 124 (8), 1232-1242 (2014).
- de Both, N. J. Transplantation of Axolotl Heads. Science. 162 (3852), 460-461 (1968).
- Harrison, R. G. Some Unexpected Results of the Heteroplastic Transplantation of Limbs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 10 (2), 69-74 (2006).
- Fields, E., French, V., Bryant, P. J., Bryant, S. V Pattern regulation in epimorphic fields. Science. 193 (4257), 969-981 (2013).
- Gerber, T., et al. Single-cell analysis uncovers convergence of cell identities during axolotl limb regeneration. Science. 362 (6413), (2018).
- Knapp, D., et al. Comparative transcriptional profiling of the axolotl limb identifies a tripartite regeneration-specific gene program. PloS One. 8 (5), e61352 (2013).
- Campbell, L. J., et al. Gene expression profile of the regeneration epithelium during axolotl limb regeneration. Developmental Dynamics: an official publication of the American Association of Anatomists. 240 (7), 1826-1840 (2011).
- Bryant, D. M., et al. A Tissue-Mapped Axolotl De Novo Transcriptome Enables Identification of Limb Regeneration Factors. Cell Reports. 18 (3), 762-776 (2017).
- Gardiner, D. M., et al. Gene expression during the first 28 days of axolotl limb regeneration I: Experimental design and global analysis of gene expression. Regeneration. 2 (3), 120-136 (2015).
- Flowers, G. P., Timberlake, A. T., McLean, K. C., Monaghan, J. R., Crews, C. M. Highly efficient targeted mutagenesis in axolotl using Cas9 RNA-guided nuclease. Development. 141 (10), 2165-2171 (2014).
- Smith, J. J., et al. A Chromosome-Scale Assembly of the Enormous (32 Gb) Axolotl Genome. bioRxiv. , 373548 (2018).
- Nowoshilow, S., et al. The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators. Nature. 559 (7712), 50-55 (2018).
- Fankhauser, B. Y. G. The Effects of Changes in Chromosome Number on Amphibian Development. The Quarterly Review of Biology. 20 (1), 20-78 (1945).
- Malacinski, G. M., Brothers, A. J. Mutant Genes in the Mexican Axolotl. Science. 184 (4142), 1142-1147 (1974).
- Armstrong, B. Gynogenesis in the mexican axolotl. Génétique. 83 (4), 783-792 (1976).
- Flowers, G. P., Sanor, L. D., Crews, C. M. Lineage tracing of genome-edited alleles reveals high fidelity axolotl limb regeneration. eLife. 6, 1-15 (2017).
- Shalem, O., et al. Genome – scale CRISPR – Cas9 knockout screening in human cells. Science. 343 (6166), 84-87 (2014).
- Wang, T., Wei, J. J., Sabatini, D. M., Lander, E. S. Genetic Screens in Human Cells Using the CRISPR-Cas9 System. Science. 343 (6166), 80-84 (2014).
- Yin, Z., Chen, L. Simple Meets Single: The Application of. CRISPR/Cas9 in Haploid Embryonic Stem Cells. Stem Cells International. 2017, 1-6 (2017).
- Khattak, S., et al. Optimized axolotl (Ambystoma mexicanum) husbandry, breeding, metamorphosis, transgenesis and tamoxifen-mediated recombination. Nature Protocols. 9 (3), 529-540 (2014).
- Vachon, P., Zullian, C., Dodelet-Devillers, A., Roy, S. Evaluation of the anesthetic effects of MS222 in the adult Mexican axolotl (Ambystoma mexicanum). Veterinary Medicine: Research and Reports. 7, 1-7 (2016).
- Montague, T. G., et al. Efficient Mutagenesis by Cas9 Protein-Mediated Oligonucleotide Insertion and Large-Scale Assessment of Single-Guide RNAs. PLoS One. 9 (5), (2014).
- Moreno-Mateos, M. A., et al. CRISPRscan: designing highly efficient sgRNAs for CRISPR-Cas9 targeting in vivo. Nature Methods. 12 (10), 982-988 (2015).
- Kumar, A., Simon, A. . Salamanders in Regeneration Research: Methods and Protocols. , (2015).
- Hronowski, L., Gillespie, L. L., Armstrong, J. B. Development and Survival of Haploids of the Mexican Axolotl, Ambystoma mexicanum. Journal of Experimental Zoology. 209, 41-47 (1979).
- Schreckenberg, G. M., Jacobson, A. G. Normal stages of development of the axolotl, Ambystoma mexicanum. Biologie du développement. 42 (2), 391-399 (1975).
- Hertwig, G. Beitrage Zum Determinations- Und Regenerationsproblem Mittels Der Transplantation Haploidkerniger Zellen. Archiv f. Entwicklungsmechanik. 111, 292-316 (1927).
- Fei, J. -. F., et al. Efficient gene knockin in axolotl and its use to test the role of satellite cells in limb regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (47), 12501-12506 (2017).
