يتم إنشاء النباتات الخارجية blastoderm حمار وحشي عن طريق عزل الخلايا الجنينية من مراكز الإشارات الذاتية داخل الجنين المبكر، وإنتاج مجموعات الخلايا السذاجة نسبيا التلاعب بسهولة ومثقفة ex vivo. توفر هذه المقالة تعليمات لجعل مثل هذه explants ويوضح فائدتها عن طريق استجواب الأدوار للإشارات العقدية أثناء gastrulation.
نظرا لوضوحها البصري وتطورها السريع ، تعد أجنة حمار وحشي نظاما ممتازا لفحص سلوكيات الخلايا وعمليات النمو. ومع ذلك ، بسبب تعقيد وتكرار الإشارات الجنينية ، يمكن أن يكون من الصعب تمييز الدور الكامل لأي إشارة واحدة أثناء تكوين الجنين المبكر. من خلال explanting المنطقة الحيوانية من blastoderm حمار وحشي، يتم إنشاء مجموعات ساذجة نسبيا من الخلايا الجنينية التي يمكن زراعة بسهولة والتلاعب بها فيفو السابقين. من خلال إدخال جين الفائدة عن طريق حقن الحمض النووي الريبي قبل الزرع ، يمكن للمرء تقييم تأثير هذا الجزيء على التعبير الجيني ، وسلوكيات الخلايا ، وغيرها من العمليات التنموية في عزلة نسبية. وعلاوة على ذلك، يمكن الجمع بين الخلايا من أجنة من أنماط جينية مختلفة أو ظروف في تفسير خميري واحد لفحص التفاعلات بين الخلايا/الأنسجة والوظائف الجينية الخاصة بالأنسجة. توفر هذه المقالة تعليمات لتوليد النباتات الخارجية blastoderm سمك الحمار الوحشي ويوضح أن جزيء إشارات واحد – ليغاند العقدية – يكفي للحث على تكوين طبقة الجرثومية ومورفوجينيسيس التمديد في الأنسجة الجنينية السذاجة خلاف ذلك. نظرا لقدرتها على تلخيص سلوكيات الخلايا الجنينية ، وتدرجات مورفوجين ، وأنماط التعبير الجيني في نظام الجسم الحي السابق المبسط ، من المتوقع أن تكون هذه النباتات الخارجية ذات فائدة كبيرة للعديد من باحثي سمك الحمار الوحشي.
الهدف الدائم من مجال البيولوجيا التنموية هو كشف تعقيد تطوير الأجنة لفهم أصل شكل الحيوان ووظيفته. حتى الأجنة المبكرة تحتوي على مزيج معقد من جزيئات الإشارات ، وتفاعلات الخلايا والأنسجة ، والقوى الميكانيكية ، وكلها تخضع لتنظيم مكاني وزمني صارم. ولهذا السبب، كثيرا ما يكون من الصعب تحديد الدور الدقيق لإشارة معينة في عملية إنمائية ذات أهمية. من خلال إزالة الأنسجة الجنينية من بيئتها الذاتية ، يخلق استئصال الجنين منصة مبسطة لتمييز الأدوار التنموية للأنسجة والجزيئات الفردية في عزلة نسبية. تقنيات الزرع وربما اشتهر في زنوبوس laevis، حيث تم استخدامها لدراسة تحريض الأنسجة ، إشارات الخلية ، الالتصاق الخلية ، و morphogenesis ، من بين عمليات أخرى1،2،3،4. ما يسمى بغطاء الحيوان explants ، حيث يتم عزل المنطقة الحيوانية من أجنة Xenopus مرحلة blastula قبل التفاعلات الاستقرائية5،6،7، هي تقنية واسعة الانتشار وقوية. المشؤومة قبعات الحيوان غير المهتلفة لتصبح ectoderm7،8. ومع ذلك ، فهي مؤهلة للاستجابة للعديد من العوامل الاستقرائية ، مما يسمح لهم بتشكيل أنسجة من جميع الطبقات الجرثومية الثلاث والخضوع لحركات مورفوجينية مناسبة للأنسجة9و10و11. ومع ذلك ، فإن الأدوات الوراثية المحدودة والملاءمة دون المثلى للتصوير الحي تمنع استخدام النباتات القصوى للغطاء الحيواني Xenopus للعديد من علماء الأحياء التنموية. من خلال استئصال خلايا blastoderm من أجنة حمار وحشي ، يمكن للباحثين الجمع بين فائدة فحص الغطاء الحيواني مع الوضوح البصري ، ووفرة الأدوات الوراثية ، وغيرها من المزايا التجريبية لنظام نموذج حمار وحشي.
حتى الآن، استفاد الباحثون من نكهتين من النباتات الخارجية حمار وحشي: ما يسمى pescoids وscoplants blastoderm. في نموذج pescoid ، يتم عزل blastoderm بأكمله ، بما في ذلك المنطقة الهامشية ، من الصفار ويسمح له بتطوير الجسم الحي السابق دون طبقة صفار متزامنة خارج نطاق الذاكرة (YSL)12،13. وبهذه الطريقة ، تحمل pescoids تشابها ملحوظا مع النباتات الخارجية Fundulus التي ولدتها منذ عقود جين أوبنهايمر وJ.P. ترينكاوس14،15. هذه explants تلخيص العديد من جوانب النقش الجنيني و morphogenesis12،13. ومع ذلك ، لأن هذه العزلات تحتوي على مراكز الإشارات الذاتية (الهامش الجنيني) ، فهي ليست مبسطة فيما يتعلق ببيئة الجزيئية الخاصة بهم. بدلا من ذلك، يمكن للباحثين توليد ساذج نسبيا حمار وحشي blastoderm explants عن طريق استبعاد المنطقة الهامشية16،17،18،19،20،21. غير المتحكم بها حمار وحشي blastoderm explants التعبير عن مستويات عالية من البروتين مورفوجينيتي العظام (BMP) morphogens19 وتؤدي إلى ectoderm غير العصبية وطبقة مغلفة (EVL) عندما مثقف ex vivo18. ومع ذلك ، فإنها تلخص العديد من جوانب النقش المحوري والمورفوجينيا استجابة لتدرجات الإشارات الخارجية19،20،21، على غرار قبعات Xenopus. لهذا السبب، blastoderm explants هي نموذج مفيد لدراسة دور مورفوجين معين (أو مورفوغنز) في مواصفات طبقة الجرثومية، وحركات الخلايا المورفوجينية، والتدرجات الإشارات داخل بيئة إشارات مبسطة. وعلاوة على ذلك، blastoderms من الأجنة من أنماط جينية مختلفة أو شروط يمكن الجمع في explant19،21 خلية واحدة،21 للتحقيق في استقلالية الخلية / الأنسجة والتفاعلات الاستقرائية.
يمكن استخدام النباتات المنفوخة من سمك الحمار الوحشي للتحقيق في دور الإشارات الجنينية (على سبيل المثال ، العقدة) في مورفوجينيسيس ومواصفات الأنسجة أثناء الاختراق. عن طريق حقن الاصطناعية ndr2 الجيش الملكي النيبالي (ترميز ليغاند العقدي) في مرحلة خلية واحدة، يتم تنشيط الإشارات العقدية في جميع أنحاء blastoderm من الجنين. تولد النباتات الخارجية من هذه الأجنة تدرجات إشارات العقد ، وتشكل جميع الطبقات الجرثومية الثلاث ، وتخضع لحركات تقارب وتمديد (C &؛ E) كما رأينا في الأجنة السليمة20. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام explants الشمي لتوضيح قدرة أنسجة mesoderm للحث على استئصال الأعصاب من blastoderm (السذاجة) غير مقننة. يوفر هذا البروتوكول تعليمات لإنشاء نباتات بيستوديرم لسمك الحمار الوحشي ويوضح فائدتها في تحديد دور إشارات العقد في تحريض الأنسجة والمورفوجين.
وقد وصفت هذه المقالة كيفية توليد النباتات الخارجية blastoderm حمار وحشي وناقش اثنين من التطبيقات العملية لهذه explants في معالجة دور إشارة مورفوجين العقدية في gastrulation. توفر هذه الطريقة في قطع وزراعة النباتات السابقة قائمة فارغة من الخلايا الساذجة التي يمكن التلاعب بها باستخدام حقن الحمض النووي الريبي والعلاج بمركبات جزيء صغير للتحقيق في مسار جزيئي للاهتمام.
الخطوات الهامة
هناك أربع خطوات في هذا البروتوكول حاسمة بشكل خاص لنجاحه. الأول هو حقن الأجنة بالكمية المناسبة من العقدة. ويوصي هذا البروتوكول 10 PG من الحمض النووي الريبي ndr2, وعلى الرغم من أن مجموعة من الجرعات يعزز التمديد, الكثير أو القليل جدا من العقد سيمنع تمديد explant الأمثل20. الخطوة الثانية هي إزالة الكورونات الأجنة. إذا بقيت الأجنة في البروناز لفترة طويلة جدا، فإن صفار البيض تنفجر، والأجنة لن تكون قابلة للحياة لقطع. إذا لم تكن في pronase لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، لن يتم تخفيف الكورونات عن طريق الغسيل وستحتاج بدلا من ذلك إلى إلغاء المشيمة اليدوية التي تستغرق وقتا طويلا. الخطوة الحرجة الثالثة هي قطع النباتات الخارجية. يوصى بقطع محلول دانيو 3x ، حيث أن محتوى الملح السفلي من محلول 0.3x Danieau أو ماء البيض لا يعزز الشفاء وبقاء الباذنجان.
بالإضافة إلى ذلك ، يجب قطع النباتات في ما يقرب من نصف ارتفاع blastoderm لضمان سذاجة الخلايا. إذا تم قطعها قريبة جدا من صفار، وسوف تحتوي على إشارات من الهامش (بما في ذلك العقدة الذاتية) التي تعزز مواصفات الأنسجة ومورفوجينيسيس. الخطوة الحرجة الرابعة والأخيرة هي في شفاء النباتات الشيمية. اثنين من explants لن تنصهر لتشكيل الوهم ما لم يتم الضغط بلطف حواف قطع معا على الفور بعد قطعها.
التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
توفر الخطوات الهامة الموضحة أعلاه فرصا لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها. وترد أدناه بعض المسائل المشتركة والحلول المقترحة.
إذا لم يتم توسيع explants في وجود إشارات العقدة، وهناك بعض الحلول الممكنة. (أ) حقن الأجنة في مرحلة الخلية الواحدة لضمان أن الحمض النووي الريبي مشتت بالتساوي في جميع أنحاء الجنين بأكمله. (ب) تجنب حقن الكثير من الحمض النووي الريبي العقدي عن طريق ضمان أن حجم حقن هو الصحيح باستخدام ميكرومتر لقياس bolus الحقن. (ج) تجنب حقن القليل جدا من الحمض النووي الريبي العقدي عن طريق قياس تركيزه لضمان عدم تدهوره. (د) الحفاظ على بعض الأشقاء سليمة مطابقة للعمر لاستنتاج المرحلة المكافئة من explants. Explants تحقيق أقصى قدر من التمديد عندما الأشقاء سليمة تصل إلى مرحلة سومايت 2-5. إذا تم جمع explants في وقت مبكر جدا، ثم لن يتم التوصل إلى التمديد الأمثل.
إذا كان صفار تنفجر بعد dechorionation، والأجنة ليست قابلة للحياة لقطع، وإزالة الأجنة من محلول pronase مرة واحدة في chorions تبدأ في تجعد و1-2 الأجنة تسليط المشيمة الخاصة بهم. ثم، شطف فورا في ماء البيض.
إذا كانت explants تظهر شمبانيا حول حواف، وهناك بعض الحلول. (أ) قطع النباتات السابقة فقط ضمن إطار زمني محدد للتنمية. على الرغم من أن explants خفض في أي مرحلة من مراحل 128-إلى 1000 خلية يمكن البقاء على قيد الحياة وتمتد في الثقافة، وتلك التي قطعت في مراحل 256-512 خلية تميل إلى أن تكون أقوى. (ب) تأكد من أن يتم قطع explants في حل 3x دانيو لضمان الشفاء السليم. (ج) قطع النباتات السابقة نظيفة ولكن بلطف. تجنب تمديد أو سحب الخلايا بعيدا أثناء عملية القطع.
إذا كانت explants السيطرة غير المصححة تمتد، من المرجح أن قطع explants قريبة جدا من صفار. لكي تكون النباتات السابقة ساذجة ، تأكد من إجراء التخفيضات في منتصف الطريق بين الصفار وأعلى blastoderm.
إذا فشل explants chimeric في الصمامات ، فمن المرجح أن يكون ذلك بسبب ميل النباتات السابقة في حل 3x Danieau مرة واحدة هو قطع الجولة والشفاء على حافة القطع. لضمان أن blastoderms اثنين شفاء لبعضها البعض بدلا من أنفسهم، اضغط عليها معا مباشرة بعد قطع. استخدام ملقط لتطبيق ضغط لطيف على blastoderms انضم حديثا داخل بئر agarose لتشجيعهم على الشفاء معا.
القيود
في حين أن هذه النباتات الخارجية هي أداة قيمة لدراسة دور مورفوجين معين (أو جزيء آخر من الفائدة) في العزلة النسبية ، يجب تفسير الملاحظات التي تتم في أي نموذج الجسم الحي السابق بعناية. Explants المعرض C &؛ E مورفوجينيسيس التي هي مشابهة جدا لتلك التي لوحظت في الجسم الحي20، لكنها لا تلخيص جميع جوانب gastrulation ، على سبيل المثال ، حركات epiboly. كما أنها تفتقر إلى العديد من العوامل التنظيمية الأخرى وجزيئات الإشارات الموجودة داخل الجنين السليم. في حين أن هذه ميزة تجريبية كبيرة من explants ، فإنه يمكن أن يؤدي أيضا إلى استنتاجات لا تعقد في الجسم الحي. على سبيل المثال، بما أن النباتات الخارجية التي لا تتلقى ليغاندس العقدية الخارجية تفشل في التعبير عن علامات القولون العصبي، يمكن للمرء أن يستنتج من النباتات الخارجية وحدها أن إشارة العقد مطلوبة لمواصفات العلاج العصبي. ومع ذلك، يتم تشكيل neuroectoderm داخل الأجنة سليمة تفتقر إلى جميع الإشاراتالعقدية 23،24، مما يدل على الدور الحيوي للجزيئات الإشارات الأخرى في المواصفات العصبية32. يمكن أن يخبرنا النباتات الخارجية ما هو المورفوجين القادر عليه في بيئة معزولة. ومع ذلك، ينبغي تأكيد جميع هذه النتائج في/مقارنة الأجنة السليمة لتفسير النتائج تفسيرا دقيقا. وبعبارة أخرى، لا يمكن للنباتات السابقة أن تأخذ مكان الجنين النامي. بدلا من ذلك، فهي أداة تكميلية لتحديد دور وعلاقة مورفوجين مع المناطق المحيطة بها. مع وضع هذه القيود في الاعتبار ، فإن النباتات explants blastoderm حمار وحشي هي أداة قيمة للعديد من الأسئلة البحثية.
الأهمية فيما يتعلق بالأساليب القائمة
مع تجدد الاهتمام في علم الأجنة الاصطناعية، وتستخدم بانتظام العديد من نهج الجسم الحي السابق وفي المختبر لنموذج جوانب التنمية الجنينية. على سبيل المثال، يمكن اقناع 2- و 3-الأبعاد gastruloids تتألف من الماوس أو الإنسان الجنينية / المستحثة الخلايا الجذعية متعددة القدرات، من خلال تطبيق جزيئات الإشارات الخارجية، لتلخيص بعض الأحداث النقش و / أو مورفوجينيتي من gastrulation، تجزئة، والخصي33،34،35،36،37 . على الرغم من قوة هذه الأساليب، تتطلب أساليب طويلة وشاقة ثقافة للحفاظ على كل من الخلايا الجذعية متعددة القدرات باستمرار وزراعة gastruloids، والتي تستغرق عدة أيام للوصول إلى مراحل gastrulation. وعلى النقيض من ذلك، لا تتطلب النباتات البرازية للحمار الوحشي أي صيانة لثقافات الخلايا الجذعية، حيث يتم جمع الأجنة ببساطة حسب الحاجة. فهي بسيطة نسبيا لتوليد والوصول إلى مراحل gastrulation في غضون ساعات، نفس أجنة حمار وحشي. وهذا يسلط الضوء على ميزة أخرى من explants حمار وحشي، على مدار الساعة التنموية سليمة. ولأن عمر نمو الخلايا الجذعية الجنينية والمحرضة المتعددة القدرات يمكن أن يكون متغيرا ونقاشا كبيرا، فربما تكون النباتات الجنينية أكثر ملاءمة للتحقيق في التنظيم الزمني للتطور. وأخيرا، في حين أن explants حمار وحشي pescoid (التي تحتوي على الهامش الجنيني) تمتد بالمثل في الثقافة12،13، فإنها تفعل ذلك استجابة لمراكز الإشارات الذاتية. وبدلا من ذلك، تمكن النباتات السابقة الموصوفة هنا الباحثين من التحقيق في الجزيئات ذات الأهمية مع تدخل ضئيل نسبيا من مثل هذه الإشارات الجنينية.
التطبيقات المستقبلية المحتملة
هنا، تم استخدام النباتات السابقة لإثبات أن إشارات العقد ضرورية وكافية لتولد المورفوجين C&.E. ومع ذلك، من المتوقع أن يتم استخدامها لتمييز دور العديد من الجزيئات المختلفة في العديد من العمليات التنموية الأخرى، على سبيل المثال، تنظيم التعبير الجيني، وتدرجات الإشارات، والبرامج المورفوجينية الإضافية. بالإضافة إلى ذلك، لأن هذه النباتات هي قابلة للحياة حتى 24 حصان على الأقل19،يمكن أن نتوقع أن فائدتها سوف تمتد إلى ما وراء gastrulation إلى عمليات مثل تجزئة وتولد الأعضاء، أي عملية التي يرغب الباحثون في قائمة فارغة التنموية.
The authors have nothing to disclose.
وقد تم دعم هذا العمل من قبل NICHD R00HD091386 إلى MLKW وNIEHS T32ES027801 إلى 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 |