שימוש הר שלם באתרו הכלאה קישור לביולוגיה מולקולרית האורגניזם
Summary
שלמה הר<em> באתרו</em> הכלאה (בכך) שימש במפלס העליון כמובן השוואתי ראשון בביולוגיה חוליות בנוסף חוליות והניתוחים. זה נתן לסטודנטים הזדמנות ללמוד דפוסי ביטוי גנים כמו גם האנטומיה ברוטו, המקשר את לימודי הביולוגיה המולקולרית בתוך האורגניזם במהלך אחד.
Abstract
הר שלמים הכלאה באתרו (בכך) היא טכניקה נפוצה במעבדות הביולוגיה המולקולרית בשימוש ללמוד ביטוי גנים באמצעות לוקליזציה של תעתיקי mRNA ספציפי בתוך הדגימה הר שלם. טכניקה זו (עיבוד Albertson ו Yelick, 2005) שימש במפלס העליון השוואתי ראשון בכיתה חוליות מעבדה לביולוגיה באוניברסיטת סירקיוז. הראשונה שני שלישים של הקורס החולייתנים השוואתית במעבדה לביולוגיה נתן לסטודנטים הזדמנות ללמוד את אמבריולוגיה ואנטומיה ברוטו של אורגניזמים שונים המייצגים מינים שונים chordate בעיקר באמצעות חתכים המסורתית ושימוש במודלים. החלק הסופי של הקורס מעורב גישה חדשנית ללימוד אנטומיה באמצעות תצפית של התפתחות החולייתנים שימוש בטכניקות מולקולריות שבה מאחלים בוצעה על עוברי דג הזברה. פיברובלסטים הטרוזיגוטיים גורם הגדילה 8 קו (fgf8a) מוטציה, אס, היה בשימוש. בשל ירושה מנדל, אס intercrosses סוג בר הפיק, הטרוזיגוטיים, ו הומוזיגוטים מוטנטים ace/fgf8a ביחס 01:02:01. בדיקות RNA עם דפוסי הביטוי הידוע קו האמצע לבין בפיתוח מבנים אנטומיים כגון הלב, somites, tailbud, myotome, והמוח היו בשימוש. מאחלים בוצעה באמצעות דג הזברה ב somite 13 ו חסודה-6 שלבים, עם התלמידים מבצעים את התגובה מכתים בכיתה. המחקר של עוברי דג הזברה בשלבים שונים של פיתוח נתן לסטודנטים את היכולת לבחון כיצד אלה מבנים אנטומיים השתנה במשך ontogeny. בנוסף, חלק מוטנטים ace/fgf8a מוצג looping לב לא תקין, ועל פגמים somite והתפתחות המוח. הסטודנטים במעבדה זו צפו התפתחות תקינה של מערכות איברים שונים הן באמצעות האנטומיה חיצוניים, כמו גם דפוסי ביטוי גנים. הם זיהו גם ותיאר עוברים הצגת התפתחות אנטומית גן תקין הביטוי (כלומר, מוטציות המשוערת).
למדריכים במוסדות כי עדיין אין את הציוד הדרוש או שם כספים עבור המעבדה לחדשנות הלימודים מוגבלים, העלות הכספית של ריאגנטים המנגנון עשוי להיות גורם לשקול, כמו את הזמן והמאמץ הנדרש יהיה על החלק של מאמן ללא קשר להגדרה. עם זאת, אנו טוענים כי השימוש מאחלים זה סוג של הגדרה מעבדה בכיתה יכולים לספק חוליה חשובה בין גנטיקה התפתחותית ואנטומיה. עם התקדמות הטכנולוגיה ואת היכולת ללמוד התפתחות האורגניזם ברמה המולקולרית נעשה קל יותר, זול יותר ויותר פופולרי, ביולוגים אבולוציוניים רבים, אקולוגים, ו פיזיולוגים פונים אסטרטגיות ומחקר בתחום הביולוגיה המולקולרית. שימוש משאלה כיתה חוליות השוואתי ביולוגיה מעבדה היא דוגמה אחת כיצד מולקולות האנטומיה יכול להתכנס בתוך קורס בודד. זה נותן העליון סטודנטים ברמה הזדמנות לתרגל טכניקות מודרניות במחקר ביולוגי, המוביל השכלה מגוונת יותר וקידום המחקר המדעי בעתיד תחומית.
Protocol
Discussion
מאחלים שימש קורס החולייתנים השוואתי ביולוגיה מעבדה כדי לסייע לתלמידים להבין את התפקידים של הגנטיקה בפיתוח אנטומי באמצעות ויזואליזציה של דפוסי ביטוי גנים ידועים. בחלק הראשון של הקורס, התלמידים ביצעו והניתוחים על אורגניזמים המייצגים chordate כמה מינים שונים, ומאפשר להם מספיק זמן ללמוד, להבין, להשוות, ו – חוליות האנטומיה הניגוד.
כהקדמה לחלק השני של הקורס, הסטודנטים קיבלו הרצאה רשמי המתאר פיתוח דג הזברה אנטומיה. השיטות ואת התוצאות הצפויות של הניסוי מאחלים נדונו גם. הסטודנטים קיבלו אז דג הזברה לחיות somitogenesis ודקדקן-6 שלבים של התפתחות, ועל הפריה ימים 2 ו – 5 לתגובה (DPF) לבדוק תחת מיקרוסקופ לנתח. זה היה כדי לתת לתלמידים הבנה טובה יותר של מה עוברי דג הזברה נראית כמו וסוגי שינויים מורפולוגיים המתרחשות על פני ontogeny.
בפגישה הבאה מעבדה, סטודנטים קיבלו עוברי דג הזברה שבה מאחלים נעשו בעבר. הם התבקשו ללמוד לתאר את דפוסי ביטוי גנים עבור כל גן של עניין (riboprobe בשימוש). עוברים המשמש מאחלים נגזרו הזדווגויות בין חברי קו ace/fgf8a הטרוזיגוטיים. על סמך ירושה מנדל, 25% עוברים מן ההזדווגויות ace/fgf8a היו אמורים להיות מוטנטים הומוזיגוטים ו להציג פגמים רבים של מבנים אנטומיים התמקדה בקורס זה. על פי דיווחים שפורסמו ותצפיות פורסם במעבדה Albertson, מומים במוח looping לב לא תקין היו צפויים, כמו גם ליקויים somites (Brand et al, 1996;. Albertson ו Yelick, 2005; תצפיות אישי).
הסטודנטים התבקשו לבדוק את כל דגימות, סוג בר (בעלי חיים הטרוזיגוטיים הם נבדלים אחים סוג בר בשלבים המוקדמים של הפיתוח) לבין מוטציות הומוזיגוטים, עבור כל תבנית ביטוי הגן הציגו. לאחר מכן הם התבקשו לכתוב דוחות מעבדה לתאר את התוצאות שלהם, ועל סמך הידע שלהם באנטומיה גנטיקה, ביטוי גנים פגומים איך ייתכן זירז מומים אנטומיים.
סטודנטים נראה לקבל את התרגיל מעבדה בהתרגשות ובסקרנות. רובם לא השתמשו מאחלים לפני התעניינו מאוד בחלק הזה של הקורס. הסטודנטים מצאו את דפוסים שונים של ביטוי גנים העוברים דג הזברה מסקרן, חלקם אף תיארו את דפוסי מכתים דמיינו ידי שיוך אותם עם הידוע עיצובים וסמלים, כמו פרצוף מחייך. דוחות מעבדה וכתוצאה מכך הראו התלמידים היו הבנה כללית של פרוטוקול מאחלים ואת הביטוי של גנים במבנים אנטומיים ספציפיים. התלמידים נדרשו גם להבין את פונקציות ספציפיות של גנים שנבדקו באמצעות מאחלים במהלך (Stickney et al, 2000 במעבדה;. Huelsken et al, 2002;. קומאראסינגות-Loganathan et al, 2008a,.. קומאראסינגות-Loganathan et al, 2008b ). היה ברור עם זאת, כי תלמידים מסוימים היה ידע מוגבל רקע של מסלולי איתות וגנים של עניין. מידע נוסף על מושגים אלה, מאחלים הרצאת מבוא עשוי להיות תוספת ברוכה השימוש מאחלים בעתיד קורסים ביולוגיה השוואתי החולייתנים.
מאז פרוטוקול בדרך כלל לוקח ארבעה ימים רצופים, תלוי בלוח הזמנים של הקורס, התלמידים יכולים רק להיות מסוגל להשלים חלק בניסוי בכיתה המורה חייב להיות אחראי על שאר. בשיעור ביולוגיה חוליות השוואתי שלנו, התלמידים סיימו את התגובות מכתים במעבדה, ואילו עוזר הוראה לבצע את כל השלבים הקודמים. אם הוא מעדיף את התלמידים לבצע מאחלים בכיתה, פרוטוקול ניתן לחלק את יחידות משנה שניתן לבצע על מפגשי מעבדה מספר, תלוי במסגרת הזמן של הכיתה. אם זה לא ריאלי עבור התלמידים לבצע את הפרוטוקול כולו, כפי שהיה כאן בגלל הפגישה במעבדה רק פעם בשבוע, סטודנטים יכולים להוסיף את הפתרון מכתים בתחילת בכיתה, בהתאם riboprobe בשימוש, יש מכתים המלא בתוך שעה. הזמן שלוקח את הכתם לפתח משתנה מאוד עם כל riboprobe ועוד מגוון של תנאי הניסוי, ויש קבוע מראש לפני השיעור. יש לציין, אם התלמידים יהיה רק לפתח את הכתם במעבדה, מדריכים יהיה אחראי על כל השלבים הקודמים, וזה ידרוש זמן ומאמץ משמעותיים מחוץ לכיתה. אם תרצה, חלופה קצרה לאחל יכול להיות אימונוהיסטוכימיה, באמצעות תוויות נוגדן לדמיין לוקליזציה חלבון, אולם בשלב זה, דג הזברה נוגדנים ספציפיים עבור גנים התפתחותיים אינם זמינים. אפשרות נוספת תהיה לבצע מאחל בעלי החוליות השונותnd יש לתלמידים להשוות את דפוסי הביטוי של אותם גנים באורגניזמים שונים (Pizard et al, 2004;. Aramaki et al, 2007;. אורגניזמים דגם מתעוררים, 2008; אורגניזמים דגם מתעוררים, 2010).
מטרת העל של שימוש משאלה קורס החולייתנים השוואתי ביולוגיה היה כדי להדגים לתלמידים איך בשיטות ביולוגיות מולקולריות משמשים במחקר ופיתוח אנטומי. היא גם סיפקה הזדמנות לתלמידים לשער, כיצד שינו ביטוי גנים עשויה להוביל לא רק מומים התפתחותיים, אלא גם שינוי אבולוציוני. פורמלית כמו בביולוגיה התפתחותית אבולוציונית (המכונה לעתים קרובות "Evo-Devo"), שדה זה הולך וגדל במהירות של המחקר נועד לקשר גנוטיפ לבין פנוטיפ באמצעות פיתוח, וכדי להבהיר בסיסים מכניסטית פוטנציאל של שינוי אבולוציוני. עם עלייתו של תחום זה, אקולוגים יותר, ביולוגים האורגניזם, ו פיזיולוגים הם שימוש בטכניקות מולקולריות במחקר שלהם. אנו טוענים כי השימוש משאלה קורס החולייתנים השוואתי ביולוגיה יעזור לשמור על תוכנית הלימודים מעודכן עם ההתקדמות הטכנולוגית והמושגית הנוכחית המחקר, כדי להקל על היישור האופקי יותר קורסים בביולוגיה ברמה העליונה על ידי שילוב של תת תחומים ביולוגיים. יתר על כן, גישה אינטגרטיבית זו תספק לסטודנטים הזדמנות ללמוד מגוון של טכניקות מחקר ביולוגי במהלך אחד, המוביל השכלה מגוונת יותר וקידום המחקר המדעי בעתיד תחומית.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר את החוג לביולוגיה באוניברסיטת סירקיוז, ד"ר מרילין קר עבור תפקידם בממשל של הקורס החולייתנים השוואתי ביולוגיה. המעבדה Albertson נתמך על ידי מענק R21DE019223 מן המכון הלאומי לבריאות / המכון הלאומי למחקר דנטלי Craniofacial, וכן מענק R01AG031922 מן המכון הלאומי לבריאות / המכון הלאומי להזדקנות.
Materials
| Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
|---|---|---|---|---|
| 5 Prime Fast Plasmid Mini Kit (100 preps) | Fisher | 2300000 | ||
| One Shot TOP10 Chemically Competent E. coli with SOC Medium | Invitrogen | C404003 | ||
| LB Agar | Fisher | BP1425-500 | ||
| LB Broth | Fisher | BP1426-500 | ||
| Ampicillin Sodium Salt | Fisher | BP1760-5 | ||
| Isopropanol | Acros | 42383-0010 | ||
| Petri Dish 100 x 20 mm non treated | Laboratory Products Sales | 430591 | ||
| 14 ml Culture Tube, Snap Top | Fisher | 1495911B | ||
| Restriction Enzymes & Buffers & 10xBSA | New England Bio Labs | varies | ||
| Diethyl Pyrocarbonate (DEPC) 25 ml | Sigma | D5758-25mL | ||
| Sodium Acetate Trihydrate USP/FCC 500g | Fisher | s608500 | ||
| Gal 200 proof Ethyl alcohol | Fisher | 04-355-451 | ||
| Tris-Acetate-EDTA (TAE) 50x Sol 1L | Fisher | bp13321 | ||
| Agarose Low EEO 100 g | Fisher | BP160-100 | ||
| Ethidium Bromide 10 ml | Sigma | 45-E1510 | ||
| Sucrose Gel Loading Dye 40% Sucrose | Fisher | BP655-1 | ||
| 1 kb Full Scale DNA Ladder | Fisher | BP2582200 | ||
| DIG RNA Labeling Mix | Roche | 11277073910 | ||
| T3 RNA Polymerase | Roche | 1031163 | ||
| T7 RNA Polymerase | Roche | 10881767001 | ||
| SP6 RNA Polymerase | Roche | 810274 | ||
| Protector Rnase Inhibitor | Roche | 3335399001 | ||
| Dnase I, Rnase Free 10,000 units | Roche | 4716728001 | ||
| EDTA molecular biology reagent | Sigma | e5134-500G | ||
| Lithium Chloride 100 g | Fisher | L121100 | ||
| Sodium Carbonate 1 kg | Fisher | BP357-1 | ||
| Sodium Bicarbonate, 500 g | Fisher | BP328-500 | ||
| Acetic Acid glacial ACS 500 ml | Fisher | a38500 | ||
| Paraformaldehyde R 500 g | Fisher | o4042500 | ||
| PBS Phosphate Buffer Saline 10X | Fisher | bp3991 | ||
| Tween 20 500 ml | Fisher | bp337500 | ||
| Methanol 5 L | Fisher | A4124 | ||
| Proteinase K 50 mg | Fisher | bp170050 | ||
| Formamide 1 L | Fisher | F841 | ||
| 20x SSC 1 L | Fisher | bp13251 | ||
| Citric Acid Anhydrous ACS 500 g | Fisher | a940500 | ||
| Ribonucleic acid transfer type V | Sigma | r7876-2.5KU | ||
| Heparin Sodium salt 50 mg | Fisher | bp252450 | ||
| Maleic acid R 500 g | Fisher | o3417500 | ||
| Sodium Chloride 500 g | Fisher | s271500 | ||
| Sodium Hydroxide 500 g | Fisher | s318500 | ||
| Blocking Reagent | Roche | 11096176001 | ||
| Lamb Serum 500 ml | Invitrogen | 16070096 | ||
| Anti DIG AP fragments | Roche | 11093274910 | ||
| 2M Tris Solution 500 ml | Fisher | bp1759500 | ||
| Magnesium Chloride 500 g | Fisher | m33500 | ||
| BCIP 3 ml | Roche | 11383221001 | ||
| NBT 3 ml | Roche | 11383213001 | ||
| Glycerol 99% 2.5 L | Fisher | AC158920025 | ||
| Plate 12 well PS ST w/Lid | VWR | 62406-165 | ||
| Tube 15 ml screw cap 50/rack 500/cs | Laboratory Products Sales | L262861 | ||
| Tube 50 ml screw cap 25/rack 500/cs | Laboratory Products Sales | L262890 | ||
| 1.6 ml microfuge tube | Laboratory Products Sales | L234401 | ||
| 2 Parafilm 2″ x 250 ft | Fisher | s37441 | ||
| Transfer Pipet 7 ml | USA Scientific | 1020-2520 | ||
| .1-10 μl Pipet Tip, Bulk | USA Scientific | 1111-3000 | ||
| 1-200 μl Pipet Tip, Bulk | USA Scientific | 1111-0006 | ||
| 101-1000 μl Pipet Tip, Bulk | USA Scientific | 1111-2021 | ||
| Aluminum Foil | Grocery Store |
- Autoclave
- Micro-centrifuge
- 37°C incubator (with shaker)
- 4°C micro-centrifuge
- Water bath
- Vortex
- Gel electrophoresis apparatus
- -20°C freezer
- -80°C freezer
- Rocker/shaker
- 4°C refrigerator
- Dissecting microscope (preferably with a teaching screen or camera)
References
- Albertson, R. C., Yelick, P. C. Roles for fgf8 signaling in left-right patterning of the visceral organs and craniofacial skeleton. Dev. Biol. 283, 310-321 (2005).
- Aramaki, M., Kimura, T., Udaka, T., Kosaki, R., Mitsuhashi, T., Okada, Y., Takahashi, T., Kosaki, K. Embryonic expression profile of chicken CHD7, the ortholog of the causative gene for CHARGE syndrome. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 79, 50-57 (2007).
- Begemann, G., Schilling, T. F., Rauch, G. J., Geisler, R., Ingham, P. W. The zebrafish neckless mutation reveals a requirement for raldh2 in mesodermal signals that pattern the hindbrain. Development. 128, 3081-3094 (2001).
- Brand, M., Heisenberg, C. P., Jiang, Y. J., Beuchle, D., Lun, K., Furutani-Seiki, M., Granato, M., Haffter, P., Hammerschmidt, M., Kane, D. A., Kelsh, R. N., Mullins, M. C., Odenthal, J., van Eeden, F. J., Kane, D. A., Nüsslein-Volhard, C. Mutations in zebrafish genes affecting the formation of the boundary between midbrain and hindbrain. Development. 123, 179-190 (1996).
- Clark, M. . In situ Hybridization: Laboratory Companion. , (2003).
- D’Costa, A., Shepherd, I. T. Zebrafish development and genetics: Introducing undergraduates to developmental biology and genetics in a large introductory laboratory class. Zebrafish. 6, 169-177 (2009).
- . . Emerging Model Organisms: A Laboratory Manual, Volume 1. , (2008).
- . . Emerging Model Organisms: A Laboratory Manual, Volume 2. , (2010).
- Geetha-Loganathan, P., Nimmagadda, S., Scaal, M. Wnt signaling in limb organogenesis. Organogenesis. 4, 109-115 .
- Geetha-Loganathan, P., Nimmagadda, S., Scaal, M., Huang, R., Christ, B. Wnt signaling in somite development. Ann Anat. 190, 208-222 .
- Huelsken, J., Behrens, J. The Wnt signaling pathway. J Cell Sci. 15, 3977-3978 (2002).
- Krauss, S., Concordet, J. P., Ingham, P. W. A functionally conserved homolog of the Drosophila segment polarity gene hh is expressed in tissues with polarizing activity in zebrafish embryos. Cell. 75, 1431-1444 (1993).
- Oates, A. C., Mueller, C., Ho, R. K. Cooperative function of deltaC and her7 in anterior segment formation. Dev. Biol. 280, 133-149 (2005).
- Pizard, A., Haramis, A., Carrasco, A. E., Franco, P., López, S., Paganelli, A. Whole-mount in situ hybridization and detection of RNAs in vertebrate embryos and isolated organs. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 14, (2004).
- Reifers, F., Bohli, H., Walsh, E. C., Crossley, P. H., Stainier, D. Y., Brand, M. Fgf8 is mutated in zebrafish acerebellar (ace) mutants and is required for maintenance of midbrain-hindbrain boundary development and somitogenesis. Development. 125, 2381-2395 (1998).
- Schmoldt, A., Forecki, J., Hammond, D. R., Udvadia, A. J. Exploring differential gene expression in zebrafish to teach basic molecular biology skills. Zebrafish. 6, 187-199 (2009).
- Schoenwolf, G. C. . Laboratory Studies of Vertebrate and Invertebrate Embryos: Guide and Atlas of Descriptive and Experimental Development. , (2008).
- Stickney, H. L., Barresi, M. J., Devoto, S. H. Somite development in zebrafish. Dev Dyn. 219, 287-303 (2000).
- Weinberg, E. S., Allende, M. L., Kelly, C. S., Abdelhamid, A., Murakami, T., Andermann, P., Doerre, O. G., Grunwald, D. J., Riggleman, B. Developmental regulation of zebrafish MyoD in wild-type, no tail and spadetail embryos. Development. 122, 271-280 (1996).
- Yelon, D., Horne, S. A., Stainier, D. Y. Restricted expression of cardiac myosin genes reveals regulated aspects of heart tube assembly in zebrafish. Dev. Biol. 214, 23-37 (1999).
