The zebrafish is an excellent model system for genetic and developmental studies. Bead implantation is a valuable tissue manipulation technique that can be used to interrogate developmental mechanisms by introducing alterations in local cellular environments. This protocol describes how to perform microbead implantation in the zebrafish embryo.
ゼブラフィッシュは、発生生物学と疾患の研究のための貴重な遺伝モデル系として浮上しています。ゼブラフィッシュは、ヒトを含む他の脊椎動物で、高いゲノム保存の程度、ならびに、細胞の分子および生理学的プロセスの類似性を共有しています。初期の個体発生時には、ゼブラフィッシュの胚は、研究者は、単純な実体顕微鏡を用いて器官の動態を可視化することができ、光学的に透明です。マイクロビーズの注入は、ローカル環境での要因の変化を通じて組織操作を可能にする方法です。これは、研究者が胚内の特定の空間的および時間的ポイントでは、このような分泌ペプチドなどの目的の分子を、シグナル伝達の任意の数の影響を分析することができます。ここでは、詳細初期のゼブラフィッシュの開発中に操作し、インプラントのビーズの方法のためのプロトコル。
発生生物学の研究者は、生物がどのように形成されるか制御するメカニズムを解明するために、細胞の分子、および遺伝学的方法の広大な配列を利用します。これらのアプローチの中で、組織操作は、細胞の運命、セルラー移動、および組織の組織に関する複雑な問題の解読において重要なツールです。局所組織環境を変化させる一つの方法は、タンパク質または他のシグナル伝達分子1の焦点源を送達するために使用されるマイクロビーズの外科的適用によるものです。実験操作のこのタイプは、広くそのようなカエルとひよこ2のように、古典的な脊椎動物の発生学モデルに実装されています。
ゼブラフィッシュは、器官形成の研究のための重要な脊椎動物のモデル生物となり、また、彼らは人間6で高い遺伝的保存を共有するような疾患モデル3-5のために多くのユニークな利点を提供しています。特に、光学的透明性およびexゼブラフィッシュ胚のternal開発は、組織個体発生3-5の観察のための比類のない視点を提供しています。大規模フォワード遺伝子スクリーニングの実施は、さらなる研究7,8、および効率的に単一の研究室9,10に縮尺で行うことができる代替のスクリーニング技術を識別するためのゼブラフィッシュ変異株の強力なリポジトリを生成しました。ゼブラフィッシュを用いたさらなる実験作業は、トランスジェニックの方法論の進歩によって容易と遺伝的アプローチ11,12、並びに化学遺伝学13-15を逆転されています。
このようなマイクロビーズの実装などの組織操作技術は、広くはゼブラフィッシュで用い、それにもかかわらず、さらに開発中に細胞のシグナル伝達を理解するための有用なツールを提供していません。マイクロビーズの注入は、ゼブラフィッシュ網膜における器官形成の過程を調べるために使用されています16,17、心臓18、脳19-22、神経堤23、およびフィン24,25。これらおよび他の研究では、ビーズは、勾配は、細胞遊走27と軸28のパターニングにどのように影響するかのシグナル伝達分子26の拡散を理解するために開発中に適用されてきました。より最近では、マイクロビーズは、ゼブラフィッシュ、成人29に再生機構を評価するために利用されています。発達研究では、例えば、ゼブラフィッシュマイクロビーズワークは胸びれ25の研究を通じて肢形成のメカニズムへの洞察を提供してきました。ゼブラフィッシュの胸びれの芽は、マウス30とひよこ31で前肢芽に相同です。 ソニックヘッジホッグ(Shhの)の発現および下流のHox遺伝子標的を介して前方対後方軸を確立する偏光活性(ZPA)のゾーン、:脊椎動物の肢芽は、2つの重要なシグナル伝達ノードを持っていますおよび線維芽細胞増殖因子(FGF)の発現を介して四肢の先端アイデンティティの近位を確立するように作用する肢芽の先端に存在する外胚葉性頂堤(AER)。ゼブラフィッシュShhの遺伝的変異体の中にのFgf浸したマイクロビーズを注入することにより、研究者ら脊椎動物の肢25の細胞周期および成長の進行に必須であるとのFgfが同定されました。に加えて 位置アイデンティティを確立FGF およびShhのシグナル伝達カスケード、アイデンティティ32を後方より前方を確立するために、偏光領域の作用を模倣することができる分子としてレチノイン酸(RA)が同定ニワトリ肢芽を使用して先駆的な研究。ニワトリ肢にRA-浸したワットマン濾紙の小片を置く関与これらの実験は、桁のパターニング32を評価しました。さらに、研究者はマイクロビーズの使用を採用し、他のエレガントな研究を行っている、細胞移植、および外因性ゼブラフィッシュにおけるRAの治療は、RAは、ゼブラフィッシュ後脳および中胚葉28内に長距離の位置の手がかりを提供するために作用することを決定しました。しかし、現在では多くの疑問が脊椎動物の発生の多くの側面の間にFGFおよびRAのような要因をシグナリングの役割について残ります。 RAのシグナリング効果は、モルフォゲンとして作用し、そのようなRAは、近位腎細胞が運命35-39を入力指定開発心臓34および腎前駆細胞、など多くの臓器33を 、影響を与えます。そのような話題のさらなる理解は、組織操作およびマイクロビーズ注入技術を用いた実験的研究から大きく利益を得ることができます。
少数の研究は、ゼブラフィッシュでマイクロビーズを注入して行われてきたが、ニワトリなどのモデルと比較すると、実施されたものは非常に有益でした。ゼブラフィッシュ胚におけるマイクロビーズの移植ベース – 研究の不足の1つの理由はlikelですY障害が正常にそのような操作を実行するために構成する胚の大きさに基づいて、困難な技術的課題が存在するという考え。しかし、ゼブラフィッシュ胚におけるマイクロビーズの注入が実際に学び、技術の目視で支援し、したがって開発のメカニズムを調べるための手段として追求することができますすることができます。ここでは、組織形成および細胞形態形成に多種多様なアッセイを行うために利用することができるゼブラフィッシュ胚にマイクロビーズの正確な適用を実証します。
過去一世紀にわたり、ボディープランのパターニングおよび器官形成の理解は記念碑的な進歩を遂げています。組織操作技術は、これらの重要なプロセスに関する重要な情報を暴くで批判しました。遺伝子改変は、遺伝子機能を確認するための最も一般的に使用される方法の一つであり、そのような細胞移植などのモザイク分析方法は、遺伝子機能の自律性を理解するための有用なアプローチを提供します。マイクロビーズの注入は、この方法は、シグナル伝達分子または阻害剤を導入することにより、局所的な組織の環境を変更するために研究者を可能にするように、発達のダイナミクスを変更する方法を特定の分子尋問するために別の会場を提供しています。異なるマイクロビーズの範囲は、様々なサイズ及び他の物理的特性は、それらが目的の実験条件のために使用することができるように( 例えば、電荷)が存在したので、市販されています。したがって、タンパク質またはケミに浸漬されたマイクロビーズを注入することにより生体内の関心の的、研究者が開発中に局所的な影響を調査し、関心と特定の生物学的表現型(複数可)の遺伝子または分子との間の関連を見つけることができます。
このようなゼブラフィッシュ23で前方脳頭蓋(ANC)における骨格パターニングにおける増加したヘッジホッグシグナル伝達の効果を評価するために、マイクロビーズの注入を使用和田らによって行われたものと研究。以前の研究でのShhは、ANC形成14に必要とされることを示しています。 Shhのコーティングされたマイクロビーズの研究を使用して、この信号はANCに軟骨形成を促進することを確認しました。マイクロビーズの注入工程はANCにおけるヘッジホッグシグナリングおよび軟骨形成の間に明確な関連性を実証するために使用されました。ゼブラフィッシュでは、この組織の操作技術のもう一つの重要な例は、科学者がErythroblastoma二十六(ETS)ドメインfの転写制御を調査した研究で観察されます初期のゼブラフィッシュの脳の発達19中のFGFシグナリングによる俳優ETS関連分子(ERM)およびポリオーマエンハンサー活性化因子3(PEA3)。マイクロビーズの移植実験を通じ、彼らはFGF8とFGF3は異所的にERMとPEA3の発現を活性化することができることを示すことができました。これらの例は、遺伝子発現を評価するための41の方法を使用することによって十分に特徴付けられる組織形成の発達の間に協力機構への洞察を提供するために、マイクロビーズの有用性を示しています。このように、マイクロビーズの移植は、腎臓を生じる中間中胚葉(IM)などの他の組織を、探検する実行可能な方法であることができます。具体的には、ネフロンにどのような影響を与えるか異なる分子を調査するために、腎臓の発達研究に役立つだろう、表面的にしか存在で理解されているプロセスを42と細管形成43,44セグメンテーション 。また、マイクロビーズの注入をスタッドに使用され始めていますY再生ゼブラフィッシュ29の処理]このようなネフロン45のような、または対応する成体構造に研究を実行するために策定されている方法と組み合わせて胚組織のレーザアブレーションを以下のように、臓器再生モデルの任意の数で使用するために適合させることができます46-49。最後に、マイクロビーズの注入は、癌50,51または組織変性52,53などのヒト疾患のモデルで使用される可能性を有します。
本プロトコルでは、我々はまた、同様に他の研究者によって記載されますが、ビデオプロトコル1を介して図示していないされたゼブラフィッシュ胚におけるマイクロビーズ移植の方法を示しています。最小限の練習で、私たちは、研究者はいくつかの経験を持っていたら、この手順の実行可能性に関する8-10胚/時のおおよその速度でマイクロビーズを注入することができました。本明細書に示された結果は、様々なDのビーズを実証しますimensionsは初期段階で注入することができ、注意していることを、この組織操作技術は、胚への最小限の物理的破壊を用いて実施することができます。強調されるべきである1つの改良は、胚にマイクロビーズを配置するウィスカー/ラッシュツールの使用です。機器のこの比較的安価でシンプルな作品は、マイクロビーズと同じ直径程度で入手が容易で、注入プロセスをスピードアップするのに役立ちます。ウィスカー/ラッシュは、研究者の器用さや好みに応じて、まだ繊細なビーズハンドリングツール会社を生成するために所望の長さに切断することができます。我々は物理的に注入を行うマイクロビーズとゼブラフィッシュの胚を操作する方法をここで説明しながら最後に、このプロトコルは、異なる薬剤またはペプチドに特異的処理手順の概要を説明していません。一般に、化学的に処理されたマイクロビーズは、生物の他の領域における望ましくない効果を回避するために、便宜に動物に移植されるべきであり、研究者は、ウェル中にあるべきです彼らの研究を開始する前に、そのような化学物質に関連する可能安全性の懸念の周りに形成されました。
合計では、実験室で容易に入手可能な材料を使用してアプリケーションの広い範囲で比較的簡単かつ効率的なマイクロビーズの注入方法を実証しました。最終的には、このマニュアルでは、ゼブラフィッシュ組織操作の繊細な自然と研究者を支援することを願っています。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、NIHのグラントDP2OD008470によってサポートされていました。
Sodium Chloride | American Bioanalytical | AB01915 | |
Potassium Chloride | American Bioanalytical | AB01652 | |
Calcium Chloride | American Bioanalytical | AB00366 | |
HEPES | Sigma Life Science | H4034 | |
Penicillin-Streptomycin solution | Sigma-Aldrich | P4333-20ML | |
N-Phenylthiourea (PTU) | Aldrich Chemistry | P7629 | |
Ethyl 3-aminobenzoate (Tricane) | Fluka Analytical | A5040 | |
Borosilicate glass | Sutter Instruments Co. | BF100-50-10 | |
Flaming/Brown Micropipette puller | Sutter Instruments Co. | Mo. P097 | |
UltraPure Agarose | Invitrogen | 15510-027 | |
Magnesium Sulfate | Sigma-Aldrich | M7506 | |
Methylene Blue | Sigma-Aldrich | M9140 | |
250mL Erlenmeyer Flask | Fischer Scientific | FB-500-250 | |
Falcon Diposable Petri Dishes, Sterile | Corning | 430167 | |
60mm x 15mm | VWR | 25373-085 | |
100mm x 15mm | VWR | 25373-100 | |
150mm x 15mm | VWR | 25373-187 | |
Saint-Gobain Chemware Microspatula | Fischer Scientific | 21-401-50B | |
P-1000 Micropipette tips | Fischer Scientific | 2707402 | |
Low Temperature Incubator | Fischer Scientific | 11 690 516DQ | |
Dimethly Sulfoxide | American Bioanalytical | AB00435 | |
Microbeads (45-106 µm) | Biorad | 140-1454 AG1-X8 | |
Microbeads (45 µm) | Polysciences | 7314 | |
Micro Dissecting Tweezer | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-5010 | |
Tungsten Needle | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-6065 | |
Capillary tube holder | Globe Scientific Inc. | 51674 |