בסיטו הכלאה בזחלי זברה וצעירים במהלך פיתוח מסונפרוס
Summary
דג הזברה הוא מודל חשוב להבנת התפתחות הכליות. כאן, פרוטוקול הכלאה במקום מותאם כדי לזהות ביטוי גנים בזחלי דגי זברה וצעירים במהלך פיתוח mesonephros.
Abstract
דג הזברה יוצר שני מבני כליות בחייו. הנוטה (כליה עוברית) נוצרת במהלך התפתחות עוברית ומתחילה לתפקד ביומיים לאחר ההפריה. המורכב משני נפרונים בלבד, הנוטה משמשת ככליה היחידה במהלך חיי הזחל עד שנדרשת תפקוד כליות נוסף בשל מסת הגוף ההולכת וגדלה. כדי להתמודד עם דרישה גבוהה זו, mesonephros (כליה בוגרת) מתחיל להיווצר במהלך מטמורפוזה. הנפרונים הראשיים החדשים מתמזגים לנוודים ויוצרים לומן מחובר. לאחר מכן, נפרונים משניים מתמזגים לראשונים (וכן הלאה) כדי ליצור רשת הסתעפות במסונפרוס. הרוב המכריע של המחקר מתמקד נוטה בשל הקלות של שימוש בעוברים. לכן, יש צורך לפתח טכניקות ללמוד זחלים מבוגרים וגדולים יותר ודגים צעירים כדי להבין טוב יותר את התפתחות mesonephros. כאן, פרוטוקול הכלאה במקום לניתוח ביטוי גנים מותאם לחדירת בדיקה, שטיפת בדיקות ונוגדנים, והלבנת פיגמנטים כדי לדמיין טוב יותר את mesonephros. הקו מהונדס Tg (lhx1a-EGFP) משמש לתיוג תאי אבות ואת הצינורות הדיסטליים של נפרונים המתהווים. פרוטוקול זה ממלא פער במחקר mesonephros. זהו מודל חיוני להבנת האופן שבו רקמות כליות חדשות נוצרות ומשתלבות עם נפרונים קיימים ומספקות תובנות על טיפולים רגנרטיביים.
Introduction
עובר דג הזברה הוא מודל חשוב לחקר התפתחות הרקמות בשל גודלו הקטן, השקיפות, הכלים הזמינים וההישרדות שלו ללא הזנה עד חמישה ימים1,2. היא תרמה רבות להבנת התפתחות הכליות ולשימור בין דגי זברה ליונקים3,4,5. הכליה ממלאת תפקיד חיוני בשמירה על הומאוסטזיס נוזלי, סינון הדם והפרשת פסולת6. הנפרון, היחידה התפקודית של הכליה, כולל מסנן דם המחובר לצינור ארוך. בדגי זברה נוצרים שני מבני כליות לאורך כל חייו. הנוטה (הכליה העוברית הזמנית) נוצרת תחילה במהלך ההתפתחות המוקדמת. הוא מורכב משני נפרונים רצים לאורך הציר הקדמי-אחורי והופך לפונקציונלי בסביבות 2 ימים לאחר ההפריה (dpf). התועלת של הנוטה טמונה בפשטות שלה, שיש רק שני נפרונים כי הם בעיקר ליניארי וקל לדמיין (אם כי הצינור המפותל הפרוקסימלי מתחיל סליל בשלושה dpf)3. זה הקל לא רק על מחקרים על התפתחותה המוקדמת מן mesoderm הביניים, אלא גם את דפוס פילוח ותיקון צינורית7,8.
התועלת של דגי זברה מוגבלת לאחר חמישה dpf, כאשר החלמון פוחת והזחלים מסתמכים על האכלה במערכת הימית9. בסביבות 2 שבועות, הזחלים עוברים מטמורפוזה לקטינים, שם נוצרות רקמות חדשות ורקמות ישנות אובדות ו/או מאורגנות מחדש9. זה גם כאשר mesonephros (הכליה הבוגרת הקבועה) יוצר10,11,12. הנפרון הבוגר הראשון נוצר ליד הסומיט השישי, ומתמזג עם הצינורית המוקדמת הדיסטלית של הנוגים. נפרונים נוספים מתווספים אחוריים לעמדה זו בתחילה, אך גם לכיוון הקדמי בהמשך. הנפרונים העיקריים בגל הראשון מתמזגים לצינורות של הנוטים וחולקים לומן משותף להפקיד את הפסולת שלהם. נפרונים משניים נוצרים בגל הבא ומתמזגים לנפרונים ראשיים. תהליך חוזר זה יוצר מסונפרוס המסתעף, דומה במקצת לכליות היונקים. ככל הנראה, הנוטה בסופו של דבר מאבדת את זהות הצינור שלה והופכת לשני צינורות איסוף עיקריים שבהם כל הנפרונים מרוקנים את הפסולת שלהם13.
לפני היווצרותו של הנפרון הבוגר הראשון, תאי אבות יחידים מתחילים להופיע בזחלים ~4 מ”מ (אורך כולל) (~ 10 dpf). תאים אלה, המסומנים בקו מהונדס Tg(lhx1a-EGFP), לדבוק נוטה ונדמה להעביר לאתרים עתידיים של נפרוגנזה. התאים הבודדים מתמזגים לאשכולות, המבדילים לנפרונים חדשים12. לא ברור היכן תאים אלה שוכנים או אילו גנים הם מבטאים לפני תחילתו של mesonephrogenesis.
הבנת התפתחות מסונפרוס מספקת תובנות על כליות היונקים בדרכים שהנואפרוסים אינם יכולים. אלה כוללים היווצרות של אגרגטים נפרוגניים מתאי אבות יחידים, שילוב פונקציונלי של נפרונים חדשים עם קיימים, ומורפוגנזה מסתעפת. עם זאת, ישנן מגבלות לחקר התפתחות פוסט-מבריונית. הזחלים פחות שקופים בשל גודלם הגדול יותר ויש להם פיגמנטציה. ציר הזמן ההתפתחותי אינו סינכרוני בין בעלי חיים בודדים ותלוי מאוד בגורמים סביבתיים, כגון האכלה וצפיפות 9,14. למרות ריאגנטים נוקאאוט קיימים, הם פחות יעילים בזחלים לעומת עוברים15. בפרוטוקול זה, מתוארת שיטת הכלאה במקום לקביעת ביטוי גנים במהלך התפתחות mesonephros של דגי זברה. מספר שלבים מותאמים להגברת ההדמיה של mesonephros וחדירה ושטיפה של הבדיקה ואת הנוגדן. הקו מהונדס Tg (lhx1a-EGFP) משמש יחד עם בדיקה עבור EGFP כדי לתייג תאים יחידים של אבות, אגרגטים נפרוגניים, ואת צינורות דיסטליים של נפרונים המתהווה. שיטה זו תספק הבנה עמוקה יותר של התפתחות mesonephros ותובנה על טיפולים רגנרטיביים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת ההכלאה במקום המתוארת כאן נועדה ללמוד פיתוח מסונפרוס. עם זאת, ניתן ליישם אותו כדי לחקור את ההתפתחות של רקמות ואיברים אחרים במהלך מטמורפוזה, כגון המעיים, מערכת העצבים, קשקשים, פיגמנטציה14. בדיקות ניתן ליצור עבור גנים אנדוגניים או סמנים פלואורסצנטיים בקווים מהונדסים.
…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המימון ניתן על ידי האקדמיה למדע של פנסילבניה, וחבר העמים של פנסילבניה ביולוגים, ואוניברסיטת אינדיאנה של פנסילבניה (בית הספר ללימודים מתקדמים ומחקר, המחלקה לביולוגיה, ואת סינתיה Sushak לתואר ראשון ביולוגיה הקרן למצוינות). הקו הטרנסגני Tg (lhx1a-EGFP) סופק על ידי ד”ר ניל הוקריגה (אוניברסיטת פיטסבורג).
Materials
| Anti-fluorescein antibody | Roche/Sigma-Aldrich | 11426338910 | |
| Bleaching solution | 0.8% KOH, 0.9% H2O2 in PBST | ||
| Blocking reagent | Roche/Sigma-Aldrich | 11096176001 | Use for blocking solution, prepare according to manufacture's instruction |
| Cell strainer | Fisher Scientific | 22-363-549 | 100 μm |
| E3 medium | 5 mM NaCl, 0.33 mM CaCl2, 0.33 mM MgSO4, 0.17 mM KCl, 0.0001% methylene blue | ||
| Eyelash manipulator | Fisher Scientific | NC1083208 | Use to manipulate larvae |
| Fixing solution | 4% paraformaldehyde, 1% DMSO in PBS; heat at 65°C while shaking until the powder dissolves, then add DMSO after it cools down | ||
| Fluorescein probe synthesis | Roche/Sigma-Aldrich | 11685619910 | |
| Glass vial | Fisher Scientific | 03-338B | |
| Hatchfry encapsulation | Argent | ||
| Hyb- solution | 50% formamide, 5X SSC, 0.1% Tween-20 | ||
| Hyb+ solution | HYB-, 5 mg/mL torula RNA, 50 ug/mL heparin | ||
| MAB (10X) | 1 M maleic acid, 1.5 M NaCl, pH 7.5 | ||
| MABT | 1X MAB, 0.1% Tween-20 | ||
| Maleic acid | Sigma-Aldrich | M0375 | |
| Paraformaldehyde | Sigma Aldrich | 158127 | |
| PBS (10X) | 8% NaCl, 0.2% KCl, 1.44% Na2HPO4, 0.24% KH2PO4 | ||
| PBST | 1X PBS, 0.1% Tween-20 | ||
| PBST2 | 1X PBS, 0.2% Tween-20 | ||
| Powder food | Mix 2 g of each of spirulina and hatchfry encapsulon in 50 mL of fish system water and shake well | ||
| Proteinase K | Sigma-Aldrich | P5568 | Use to permeabilize larvae |
| Proteinase K solution | 20 μg/mL, 1% DMSO final concentration in PBST | ||
| Spirulina microfine powder | Argent | ||
| SSC (20X) | 3 M NaCl, 0.3 M sodium acetate anhydrous, pH 7, autoclave | ||
| SSCT (0.2X) | Dilute from 20X SSC, 0.1% Tween-20 | ||
| SSCT (2X) | Dilute from 20X SSC, 0.1% Tween-20 | ||
| Staining buffer | 100 mM Tris pH 9.5, 50 mM MgCl2, 100 mM NaCl, 0.1% Tween-20 | ||
| Staining solution | 200 μg/mL iodonitrotetrazolium chloride, 200 μg/mL 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate disodium salt, in staining buffer | ||
| Stopping solution | 1 mM EDTA, pH 5.5, in PBST | ||
| Torula (yeast) RNA | Sigma-Aldrich | R6625 | |
| Tricaine | Sigma Aldrich | E10521 | 2%, pH 7 |
| Wash buffer | 50% formamide, 2X SSC, 0.1% Tween-20 |
References
- Kinth, P., Mahesh, G., Panwar, Y. Mapping of zebrafish research: a global outlook. Zebrafish. 10 (4), 510-517 (2013).
- Grunwald, D. J., Eisen, J. S. Headwaters of the zebrafish – emergence of a new model vertebrate. Nature Reviews. Genetics. 3 (9), 717-724 (2002).
- Wingert, R. A., Davidson, A. J. The zebrafish pronephros: a model to study nephron segmentation. Kidney International. 73 (10), 1120-1127 (2008).
- Drummond, I. A. Kidney development and disease in the zebrafish. Journal of the American Society of Nephrology: JASN. 16 (2), 299-304 (2005).
- Swanhart, L. M., et al. Zebrafish kidney development: basic science to translational research. Birth defects research. Part C, Embryo Today: Reviews. 93 (2), 141-156 (2011).
- Dressler, G. Advances in early kidney specification, development and patterning. Development. 136 (23), 3863-3874 (2009).
- Johnson, C. S., Holzemer, N. F., Wingert, R. A. Laser ablation of the zebrafish pronephros to study renal epithelial regeneration. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (54), e2845 (2011).
- Marra, A. N., et al. Visualizing gene expression during zebrafish pronephros development and regeneration. Methods in Cell Biology. 154, 183-215 (2019).
- McMenamin, S. K., Chandless, M. N., Parichy, D. M. Working with zebrafish at postembryonic stages. Methods in Cell Biology. 134, 587-607 (2016).
- Diep, C. Q., et al. Development of the zebrafish mesonephros. Genesis. 53 (3-4), 257-269 (2015).
- Zhou, W., Boucher, R. C., Bollig, F., Englert, C., Hildebrandt, F. Characterization of mesonephric development and regeneration using transgenic zebrafish. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 299 (5), 1040-1047 (2010).
- Diep, C. Q., et al. Identification of adult nephron progenitors capable of kidney regeneration in zebrafish. Nature. 470 (7332), 95-100 (2011).
- Diep, C. Q., Mikeasky, N., Davidson, A. J., Cartner, S. C. . The Zebrafish in Biomedical Research: Biology, Husbandry, Diseases, and Research Applications. , 145-150 (2020).
- Parichy, D., Elizondo, M., Mills, M., Gordon, T., Engeszer, R. Normal table of postembryonic zebrafish development: staging by externally visible anatomy of the living fish. Developmental dynamics: An Official Publication of the American Association of Anatomists. 238 (12), 2975-3015 (2009).
- Guo, R., et al. LIM Homeobox 4 (lhx4) regulates retinal neural differentiation and visual function in zebrafish. Science Reports. 11 (1), 1977 (2021).
- Vauti, F., Stegemann, L. A., Vogele, V., Koster, R. W. All-age whole mount in situ hybridization to reveal larval and juvenile expression patterns in zebrafish. PloS One. 15 (8), 0237167 (2020).
- Parichy, D. M., Turner, J. M., Parker, N. B. Essential role for puma in development of postembryonic neural crest-derived cell lineages in zebrafish. Biologie du développement. 256 (2), 221-241 (2003).
- Yang, H., Wanner, I. B., Roper, S. D., Chaudhari, N. An optimized method for in situ hybridization with signal amplification that allows the detection of rare mRNAs. The Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 47 (4), 431-445 (1999).
- McCampbell, K. K., Springer, K. N., Wingert, R. A. Analysis of nephron composition and function in the adult zebrafish kidney. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51644 (2014).
