Zebra balığı blastoderm eksplantları, embriyonik hücrelerin erken embriyo içindeki endojen sinyal merkezlerinden izole edilmesiyle, nispeten naif hücre kümelerinin kolayca manipüle edilmesi ve kültürlü ex vivoüretilmesiyle üretilir. Bu makalede, gastrülasyon sırasında Nodal sinyali için rolleri sorgulayarak bu tür eksplantlar yapmak için talimatlar sağlar ve yardımcı programlarını gösterir.
Optik netlikleri ve hızlı gelişimleri nedeniyle zebra balığı embriyoları hücre davranışlarını ve gelişim süreçlerini incelemek için mükemmel bir sistemdir. Bununla birlikte, embriyonik sinyallerin karmaşıklığı ve artıklığı nedeniyle, erken embriyogenez sırasında herhangi bir tek sinyalin tam rolünü ayırt etmek zor olabilir. Zebra balığı blastoderminin hayvan bölgesini alarak, kolayca kültürlenebilen ve manipüle edilebilen embriyonik hücrelerin nispeten naif kümeleri üretilir ex vivo. Eksplantasyondan önce RNA enjeksiyonu ile ilgi çekici bir gen tanıtarak, bu molekülün gen ekspresyasyonu, hücre davranışları ve diğer gelişimsel süreçler üzerindeki etkisini göreceli izolasyonda değerlendirebilirsiniz. Ayrıca, farklı genotip veya koşullardaki embriyolardan alınan hücreler, hücre/doku etkileşimlerini ve dokuya özgü gen fonksiyonlarını incelemek için tek bir kimerik eksplantta birleştirilebilir. Bu makale zebra balığı blastoderm eksplantları üretmek için talimatlar sağlar ve tek bir sinyal molekülü olan Nodal ligand’ın aksi takdirde naif embriyonik dokularda mikrop tabakası oluşumunu ve uzatma morfogenezine neden olmak için yeterli olduğunu göstermektedir. Basitleştirilmiş bir eks vivo sisteminde embriyonik hücre davranışlarını, morfojen gradyanlarını ve gen ekspresyon kalıplarını yeniden yakalama yetenekleri nedeniyle, bu eksplantların birçok zebra balığı araştırmacısı için büyük faydası olacağı beklenmektedir.
Gelişimsel biyoloji alanının çok yıllık bir amacı, hayvan formunun ve işlevinin kökenini anlamak için embriyo geliştirmenin karmaşıklığını çözmektir. Erken embriyolar bile, hepsi katı mekansal ve zamansal düzenlemeye tabi olan sinyal molekülleri, hücre ve doku etkileşimleri ve mekanik kuvvetlerden oluşan karmaşık bir karışık içerir. Bu nedenle, belirli bir sinyalin gelişimsel bir ilgi sürecindeki kesin rolünü belirlemek genellikle zordur. Embriyonik dokuları endojen ortamlarından uzaklaştırarak, embriyo eksplantasyonu, bireysel dokuların ve moleküllerin göreceli izolasyondaki gelişimsel rollerini ayırt etmek için basitleştirilmiş bir platform oluşturur. Eksplantasyon teknikleri belki de en iyi bilinen Xenopus laevisDoku indüksiyonu, hücre sinyali, hücre yapışıklığı ve morfogenez, diğer işlemlerin yanı sıra 1 ,2,3,4. Blastula evresi Xenopus embriyolarının hayvan bölgesinin endüktif etkileşimlerden önce izole olduğu hayvan kapağı eksplantları5,6,7, yaygın ve güçlü bir eksplant tekniğidir. Yönetilmeyen hayvan kapakları ektoderm7,8olmak için yağlanır. Yine de, üç mikrop tabakasının da dokularını oluşturmalarına ve dokuya uygun morfogenetik hareketlerden geçmelerine izin veren birkaç endüktif faktöre yanıt vermeye yetkindirler9,10,11. Bununla birlikte, sınırlı genetik araçlar ve canlı görüntüleme için alt optimal uygunluk, birçok gelişim biyoloğu için Xenopus hayvan kapağı eksplantlarının kullanılmasını önler. Araştırmacılar, zebra balığı embriyolarından blastoderm hücrelerini çıkararak, hayvan kapağı testinin yararını optik netlik, genetik araçların bolluğu ve zebra balığı model sisteminin diğer deneysel avantajlarıyla birleştirebilirler.
Bugüne kadar, araştırmacılar iki zebra balığı eksplant lezzetini kullandılar: pescoids ve blastoderm eksplantları. Pescoid modelinde, marjinal bölge de dahil olmak üzere tüm blastoderm yumurta sarısından izole edilir ve ekstraembryonic yumurta sarısı senkron tabakası (YSL)12,13olmadan ex vivo geliştirmesine izin verilir. Bu şekilde, pescoidler Jane Oppenheimer ve J.P. Trinkaus14,15tarafından on yıllar önce üretilen Fundulus eksplantlarına önemli bir benzerlik taşır. Bu eksplantlar embriyonik desenleme ve morfogenezin birçok yönünü rekapitulateeder 12,13. Bununla birlikte, bu izolatlar endojen sinyal merkezleri (embriyonik marj) içerdiğinden, moleküler milieuları açısından basitleştirilmezler. Alternatif olarak, araştırmacılar marjinal bölge 16 , 17 , 18,19,20,21hariç nispeten naif zebra balığı blastoderm eksplantları üretebilirler. Yönetilmeyen zebra balığı blastoderm eksplantları yüksek düzeyde kemik morfogenetik protein (BMP) morfojenlerini19’a ifade eder ve kültürlü ex vivo18olduğunda sinirsel olmayan ektoderm ve saran tabakaya (EVL) yol açmaktadır. Bununla birlikte, Xenopus hayvan kapaklarına benzer eksojen sinyal gradyanları 19,20,21‘e yanıt olarak eksenel desenleme ve morfogenezin birçok yönünü yeniden düzenlerler. Bu nedenle, blastoderm eksplantları, mikrop tabakası spesifikasyonunda, morfogenetik hücre hareketlerinde ve basitleştirilmiş bir sinyal ortamında sinyal gradyanlarında belirli bir morfonun (veya morfojenlerin) rolünü incelemek için avantajlı bir modeldir. Ayrıca, farklı genotip veya koşullardaki embriyolardan elde edilen blastodermler, hücre/doku özerkliğini ve endüktif etkileşimleri araştırmak için tek bir kimerik eksplant19,21’de birleştirilebilir.
Zebra balığı blastoderm eksplantları, embriyonik sinyallerin (örneğin Nodal) morfogenez ve gastrülasyon sırasında doku spesifikasyonundaki rolünü araştırmak için kullanılabilir. Tek hücreli aşamada sentetik ndr2 RNA (Nodal ligand kodlaması) enjekte ederek, Embriyonun blastoderm boyunca Nodal sinyali aktive edilir. Bu embriyolardan elde edilen eksplantlar Nodal sinyal gradyanları oluşturur, üç mikrop tabakasını da oluşturur ve bozulmamış embriyolarda görüldüğü gibi yakınsama ve uzatma (C&E) gastrülasyon hareketlerinden geçer20. Ek olarak, kimerik eksplantlar, mezoderm dokuların nöroektodermiyi davetsiz (naif) blastodermden indükleye etme yeteneğini göstermek için kullanılır. Bu protokol, zebra balığı blastoderm eksplantları oluşturmak için talimatlar sağlar ve Nodal sinyalinin doku indüksiyonu ve morfogenezdeki rolünü tanımlamadaki yararlarını gösterir.
Bu makalede zebra balığı blastoderm eksplantlarının nasıl üretilacağı açıklanmıştır ve gaztrülasyonda Nodal morfojen sinyalinin rolünü ele almada bu eksplantların iki pratik uygulaması tartışılmıştır. Eksplantları kesme ve kültleme yöntemi, moleküler bir ilgi yolunu araştırmak için RNA enjeksiyonları ve küçük molekül bileşikleri ile tedavi kullanılarak manipüle edilebilen boş bir naif hücre kayrak sağlar.
Kritik adımlar
Bu protokolde başarısı için özellikle kritik olan dört adım vardır. Birincisi embriyolara uygun miktarda Nodal enjekte etmektir. Bu protokol 10 pg ndr2 RNA önerir ve bir dizi doz uzatmayı teşvik etse de, çok fazla veya çok az Nodal optimal eksplant uzantısını önleyecektir20. İkinci adım embriyoları arındırmadır. Embriyolar çok uzun süre pronazda kalırsa, yumurta sarısı patlar ve embriyoların kesilmesi uygun olmaz. Pronazda yeterince uzun süre değillerse, korozyonlar yıkanarak gevşetilmez ve bunun yerine zaman alıcı manuel kaynatma gerektirir. Üçüncü kritik adım eksplantları kesmektir. 0,3x Danieau çözeltisinin veya yumurta suyunun alt tuz içeriği eksplantların iyileşmesini ve hayatta kalmasını desteklemediği için 3x Danieau’nun çözeltisinin kesilmesi önerilir.
Ek olarak, hücrelerin naifliğini sağlamak için eksplantlar blastoderm yüksekliğinin yaklaşık yarısında kesilmelidir. Yumurta sarısına çok yakın kesilirse, kenar boşluğundan (endojen Nodal dahil) doku spesifikasyonunu ve morfogenezini destekleyen sinyaller içerirler. Dördüncü ve son kritik adım kimerik eksplantların iyileşmesindedir. İki eksplant, kesildikten hemen sonra kesilmiş kenarları hafifçe bastırılmadıkça chimeras oluşturmak için kaynaşmayacaktır.
Değişiklikler ve sorun giderme
Yukarıda açıklanan kritik adımlar sorun giderme için fırsatlar sağlar. Bazı yaygın sorunlar ve önerilen çözümler aşağıda sunulmuştur.
Nodal sinyalizasyon varlığında eksplantlar uzuyorsa, bazı olası çözümler vardır. (A) RNA’nın tüm embriyo boyunca eşit olarak dağılmasını sağlamak için embriyoları tek hücreli aşamada enjekte edin. (B) Enjeksiyon bolus ölçmek için bir mikrometre kullanarak enjekte edilen hacmin doğru olduğundan emin olarak çok fazla nodal RNA enjekte etmekten kaçının. (C) Bozulmamasını sağlamak için konsantrasyonunu ölçerek çok az nodal RNA enjekte etmekten kaçının. (D) Eksplantların eşdeğer aşamasını çıkarmak için bazı yaş uyumlu sağlam kardeşleri tutun. Explants, sağlam kardeşler 2-5 somit aşamasına ulaştığında maksimum uzatma elde eder. Eksplantlar çok erken toplanırsa, en uygun uzantıya ulaşılamaz.
Yumurta sarısı kaynatma sonrası patlıyorsa ve embriyolar kesilmeye uygun değilse, korozyonlar kırışmaya başladığında ve 1-2 embriyo koroyonlarını döktükten sonra embriyoları pronaz çözeltisinden çıkarın. Daha sonra hemen yumurta suyunda durulayın.
Eksplantlar kenarların etrafında kabarcıklı görünüyorsa, bazı çözümler vardır. (A) Sadece belirli bir geliştirme süresi içinde eksplantları kesin. 128 ila 1000 hücreli aşamaların herhangi bir aşamasında kesilen eksplantlar hayatta kalabilir ve kültürde uzayabilir, ancak 256 ila 512 hücreli aşamalarda kesilenler en sağlam olma eğilimindedir. (B) Uygun iyileşmeyi sağlamak için eksplantların 3x Danieau’nun çözeltisinde kesildiğini sağlayın. (C) Eksplantları temiz ama nazikçe kesin. Kesme işlemi sırasında hücreleri germekten veya ayırmaktan kaçının.
Genişletilmemiş kontrol eksplantları genişliyorsa, eksplantların yumurta sarısına çok yakın kesilmesi muhtemeldir. Eksplantların naif olması için, kesiklerin yumurta sarısı ile blastoderm’in tepesi arasında yarıya kadar yapıldığından emin olun.
Kimerik eksplantlar kaynaşmazsa, bunun nedeni, kesildikten sonra 3x Danieau’nun çözeltislerindeki eksplantların eğiliminin kesme kenarı üzerinde yuvarlanması ve iyileşmesidir. İki blastoderm’in kendilerinden çok birbirlerine iyileşmesini sağlamak için, kestikten hemen sonra birbirine bastırın. Birlikte iyileşmelerini teşvik etmek için agarose kuyusu içinde yeni katılan blastodermlere hafif basınç uygulamak için torper kullanın.
Sınırlama
Bu eksplantlar, belirli bir morfonun (veya başka bir ilgi molekülünün) göreceli izolasyondaki rolünü incelemek için değerli bir araç olsa da, herhangi bir ex vivo modelde yapılan gözlemler dikkatle yorumlanmalıdır. Eksplantlar, in vivo20’degözlemlenene çok benzeyen C&E morfogenezini sergiler, ancak gastrülasyonun tüm yönlerini, örneğin epiboly hareketlerini yeniden yakalamaz. Ayrıca, bozulmamış bir embriyoda bulunan diğer birçok düzenleyici faktörden ve sinyal moleküllerinden yoksundurlar. Bu eksplantların önemli bir deneysel avantajı olsa da, in vivotutmayan sonuçlara da yol açabilir. Örneğin, eksojen Nodal ligand almayan eksplantlar nöroektoderm belirteçlerini ifade edemediğinden, sadece eksplantlardan nöroektoderm spesifikasyonu için Nodal sinyalinin gerekli olduğu sonucuna varılamayabilir. Bununla birlikte, nöroektoderm, tüm Nodal sinyal23,24,diğer sinyal moleküllerinin nöral spesifikasyon32’dekihayati rolünü gösteren bozulmamış embriyolar içinde oluşur. Explants bize izole bir ortamda morfonun neler yapabileceğini söyleyebilir. Yine de, sonuçların iyice yorumlanması için tüm bu bulgular bozulmamış embriyolarda doğrulanmalıdır/karşılaştırılmalıdır. Başka bir deyişle, explants gelişmekte olan bir embriyonun yerini alamaz. Bunun yerine, bir morfonun çevreyle rolünü ve ilişkisini tanımlamak için tamamlayıcı bir araçtır. Bu sınırlamaları göz önünde bulundurarak, zebra balığı blastoderm eksplantları birçok araştırma sorusu için değerli bir araçtır.
Mevcut yöntemlere göre önemi
Sentetik embriyolojiye olan ilginin yenilenmesiyle, embriyonik gelişimin yönlerini modellemek için düzenli olarak çeşitli ex vivo ve in vitro yaklaşımlar sunulur. Örneğin, 2 ve 3 boyutlu gastruloidler, fare veya insan embriyonik / indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden oluşan koaksiyel, eksojen sinyal moleküllerinin uygulanması yoluyla, gastrülasyon, segmentasyon ve nörolojinin bazı kalıplama ve/ veya morfogenetik olaylarının bir kısmını yeniden yakalamak için koaksiye edilebilir33,34,35,36,37 . Güçlü olmasına rağmen, bu yöntemler hem pluripotent kök hücreleri sürekli olarak korumak hem de gastrülasyon aşamalarına ulaşmak günler süren gastruloidleri yetiştirmek için zahmetli ve uzun süreli kültür yöntemleri gerektirir. Bunun aksine, zebra balığı eksplantları kök hücre kültürlerinin korunmasını gerektirmez, çünkü embriyolar gerektiğinde basitçe toplanır. Zebra balığı embriyoları ile aynı şekilde, birkaç saat içinde gaztrülasyon aşamalarını oluşturmak ve ulaşmak nispeten basittir. Bu, zebra balığı eksplantlarının bir başka avantajını, bozulmamış gelişim saatlerini vurgulamaktadır. Embriyonik ve indüklenmiş pluripotent kök hücrelerin gelişim yaşı değişken ve çok tartışılabilir olduğundan, embriyonik eksplantlar gelişimin zamansal düzenlemesini araştırmak için belki de daha uygundur. Son olarak, pescoid zebra balığı eksplantları (embriyonik marjı içeren) benzer şekilde kültür12,13, endojen sinyal merkezlerine yanıt olarak bunu yaparlar. Bunun yerine, burada açıklanan eksplantlar, araştırmacıların bu tür embriyonik sinyallerden nispeten az parazitle ilgi moleküllerini araştırmalarını sağlar.
Gelecekteki olası uygulamalar
Burada, Nodal sinyalinin C&E morfogenez için gerekli ve yeterli olduğunu göstermek için eksplantlar kullanıldı. Yine de, gen ekspresyonunun düzenlenmesi, sinyal gradyanları ve ek morfogenetik programlar gibi diğer birçok gelişimsel işlemde birçok farklı molekülün rolünü ayırt etmek için kullanılabileceği ve kullanılacağı öngörülmektedir. Ek olarak, bu eksplantlar en az 24 hpf19‘a kadar uygulanabilir olduğundan, yardımcı programlarının gastrülasyonun ötesine, araştırmacıların gelişimsel boş bir sayfa istediği herhangi bir süreç olan segmentasyon ve organogenez gibi süreçlere uzanması beklenebilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma NICHD R00HD091386 tarafından MLKW’ye ve NIEHS T32ES027801 tarafından AAE’ye desteklenmiştir.
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 |