Sadelik Gücü: olarak deniz kestanesi Embriyolar<em> Vivo</em> Karmaşık Hücre-hücre Sinyal Ağ Etkileşimleri incelenmesi için Gelişim Modelleri
Summary
Bu video makalede sistematik ve verimli birçok omurgasız embriyolar karmaşık sinyal yolları ve düzenleyici ağları bileşenleri karakterize etmek için kullanılabilir in vivo metodolojisi basit ayrıntıları.
Abstract
Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and tissues in the adult body form. Yet, each year more components of individual signaling pathways are discovered, and studies indicate that depending on the context there is significant cross-talk among most of these pathways. This complexity makes studying cell-to-cell signaling in any in vivo developmental model system a difficult task. In addition, efficient functional analyses are required to characterize molecules associated with signaling pathways identified from the large data sets generated by next generation differential screens. Here, we illustrate a straightforward method to efficiently identify components of signal transduction pathways governing cell fate and axis specification in sea urchin embryos. The genomic and morphological simplicity of embryos similar to those of the sea urchin make them powerful in vivo developmental models for understanding complex signaling interactions. The methodology described here can be used as a template for identifying novel signal transduction molecules in individual pathways as well as the interactions among the molecules in the various pathways in many other organisms.
Introduction
Gen düzenleyici ağları (GRNs) ve sinyal iletim yolları yetişkin hayvan vücut planı oluşturmak için kullanılan embriyonik gelişim sırasında genlerin mekansal ve zamansal ifade kurmak. Hücre-hücre sinyal iletim yolları hücrelerin iletişim hangi araçları sağlayan bu düzenleme ağların temel bileşenleri vardır. Bu hücresel etkileşimler kurmak ve embriyogenez 1, 2 sırasında çeşitli bölgelerde ve arasında düzenleyici ve farklılaşma genlerinin ekspresyonunu rafine. salgılanmış hücre dışı modülatörlerinin (ligandlar, antagonistler), reseptör ve ko-reseptörleri arasındaki etkileşimi sinyal transdüksiyon yollarının aktivitelerini kontrol eder. hücre içi moleküller bir yelpazesine bir hücrenin gen ekspresyonu değişimlerinin, bölme ve / veya şekli ile sonuçlanan, bu giriş çeviren. ana yoldan büyük hücre dışı ve hücre içi seviyede kullanılan anahtar moleküllerinin çoğu, birliktebilinen, tek tek sinyal yollarının karmaşıklığı nedeniyle büyük ölçüde eksik bilgidir. Buna ek olarak, farklı sinyal yolları çoğunlukla dışı, hücre içi de olumlu veya olumsuz ya birbiri ile etkileşim ve transkripsiyon seviyeleri 3, 4, 5, 6. Önemli olarak, sinyal transdüksiyon yollarının ana bileşenleri çok tüm metazoan türlerinde korunan ve özellikle yakından ilgili filumlar organizmaların karşılaştırırken, son derece önemli sinyal yollarının en sık birçok türün içindeki gelişim işlevleri yerine 7, 8, 9, 10, 11.
gelişimi sırasında sinyal çalışma herhangi bir organizmada zor bir görev olduğunu ve oradaomurgalılarda büyük olası ligand ve reseptör / ko-modülatör etkileşimlerinin sayılar, hücre içi iletim molekülleri, hem de orada 1): en ikincil ağızlılar modelleri (omurgalıların omurgasız omurgalılar, yarı sırtipliler ve derisidikenlilerde) 'de sinyal yolları okuyan bazı önemli zorluklar nedeniyle genom 12, 13, 14 karmaşıklığı farklı sinyaller arasındaki etkileşimler; 2) omurgalıların karmaşık morfolojisi ve morfogenetik hareketler genellikle daha zor ve sinyal iletim yollarının arasında fonksiyonel etkileşimleri yorumlamak yapmak; 3) En dışı derisi dikenliler omurgasız ikincil ağızlılar modeli türlerinde Analizleri bazı tunikat türlerinin 15, 16 hariç gravida kısa pencereler ile sınırlıdır.
Deniz kestanesi embriyo yukarıda belirtilen sınırlamaları birkaç vardır ve in vivo sinyal iletim yollarının ayrıntılı bir analiz yapmak için birçok benzersiz niteliklere sahiptir. Bunlar aşağıdakileri içerir: 1), deniz kestanesi genomunun uygulama kolaylığı önemli ölçüde mümkündür ligand, reseptör / co-reseptör ve hücre içi iletim molekülü sayısını azaltır 17 etkileşimi; 2) germ ve büyük embriyonik eksenlerin özellikleri ve desenlendirme kontrol GRNs iyi sinyaller 18, 19 alıcı hücre / topraklarının düzenleyici bağlamında anlamada yardımcı, deniz kestanesi embriyolarda kurulur; Embriyolar olan morfoloji analiz etmek kolay bir tek katmanlı epiteli oluşur zaman 3) Birçok sinyal iletim yolları erken bölünme ve gastrula aşamaları arasında ele alınabilir; 4) molekülleri içerenkolayca manipüle edilir deniz kestanesi sinyal yolları d; 5) Birçok deniz kestanesi 10 ila 11 ay bir yıl (örneğin Strongylocentrotus purpuratus ve Lytechinus variegatus) için gebe edilir.
Burada, sistematik ve verimli bir şekilde belirtmek ve deniz kestanesi embriyolarda desen bölgeleri birkaç omurgasız model sistemler karmaşık moleküler mekanizmaların çalışmada sunduğumuz avantajları göstermek için sinyal yollarının bileşenlerini karakterize bir yöntem mevcut.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada sunulan metodoloji .. Birçok laboratuvar incelemek için erken deniz kestanesi gelişimi sırasında benzer deneyleri kullanan temel gelişimsel mekanizmaları düzenleyen sinyalizasyon iletim yollarını ve GRNs anlamak için omurgalılar daha az genomik ve morfolojik karmaşıklığı ile embriyoları kullanılarak gücünü gösteren bir örnektir diğer hücre kaderi şartname olaylarda yer alan sinyal yolları (örn Notch, Kirpi, TGF β, ve FGF sinyal) 27, <sup cl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank Dr. Robert Angerer for his careful reading and editing of the manuscript. NIH R15HD088272-01 as well as the Office of Research and Development, and Department of Biological Sciences at Mississippi State University provided support for this project to RCR.
Materials
| Translational-blocking morpholino and/or splice-blocking morpholino | Gene Tools LLC | Customized | More information at www.gene-tools.com |
| Glycerol | Invitrogen | 15514-011 | |
| FITC (dextran fluorescein isothiocyanate) | Invitrogen, Life Technologies | D1821 | Make 25mg/mL stock solution |
| Paraformaldehyde 16% solution EM Grade | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| MOPS | Sigma Aldrich | M1254-250G | |
| Tween-20 | Sigma Aldrich | 23336-0010 | |
| Formamide | Sigma Aldrich | 47671-1L-F | |
| Yeast tRNA | Invitrogen | 15401-029 | |
| Normal Goat Serum | Sigma Aldrich | G9023-10mL | |
| Alkaline Phosphatase-conjugated anti-digoxigenin antibody | Roche | 11 093 274 910 | |
| Tetramisole hydrochloride (levamisole) | Sigma Aldrich | L9756-5G | |
| Tris Base UltraPure | Research Products Internationall Corp | 56-40-6 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | BP358-10 | |
| Magnesium chloride | Sigma Aldrich | 7786-30-3 | |
| BCIP (5-Bromo-4-Chloro-3-indolyl-phosphate | Roche | 11 383 221 001 | |
| 4 Nitro blue tetrazolium chloride (NBT) | Roche | 11 383 213 001 | |
| Dimethyl Formamide | Sigma Aldrich | D4551-500mL | |
| Potassium Chloride | Sigma Aldrich | P9541-5KG | |
| Sodium Bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761-500G | |
| Magnesium Sulfate | Sigma Aldrich | M7506-2KG | |
| Calcium Chloride | Sigma Aldrich | C1016-500G |
References
- Erwin, D. H., Davidson, E. H. The evolution of hierarchical gene regulatory networks. Nature reviews. Genetics. 10, 141-148 (2009).
- Peter, I. S., Davidson, E. H. Evolution of gene regulatory networks controlling body plan development. Cell. 144, 970-985 (2011).
- Borggrefe, T., et al. The Notch intracellular domain integrates signals from Wnt, Hedgehog, TGFbeta/BMP and hypoxia pathways. Biochimica et biophysica acta. 1863, 303-313 (2016).
- Range, R. C., Angerer, R. C., Angerer, L. M. Integration of canonical and noncanonical Wnt signaling pathways patterns the neuroectoderm along the anterior-posterior axis of sea urchin embryos. PLoS Biol. 11, e1001467 (2013).
- Cleary, M. A., van Osch, G. J., Brama, P. A., Hellingman, C. A., Narcisi, R. FGF, TGFbeta and Wnt crosstalk: embryonic to in vitro cartilage development from mesenchymal stem cells. Journal of tissue engineering and regenerative medicine. 9, 332-342 (2015).
- Lapraz, F., et al. RTK and TGF-beta signaling pathways genes in the sea urchin genome. Dev Biol. 300, 132-152 (2006).
- Pires-daSilva, A., Sommer, R. J. The evolution of signalling pathways in animal development. Nature reviews. Genetics. 4, 39-49 (2003).
- Sethi, A. J., Wikramanayake, R. M., Angerer, R. C., Range, R. C., Angerer, L. M. Sequential signaling crosstalk regulates endomesoderm segregation in sea urchin embryos. Science. 335, 590-593 (2012).
- Range, R. Specification and positioning of the anterior neuroectoderm in deuterostome embryos. Genesis. 52, 222-234 (2014).
- Petersen, C. P., Reddien, P. W. Wnt signaling and the polarity of the primary body axis. Cell. 139, 1056-1068 (2009).
- Lapraz, F., Haillot, E., Lepage, T. A deuterostome origin of the Spemann organiser suggested by Nodal and ADMPs functions in Echinoderms. Nature communications. 6, 8434 (2015).
- Kikuchi, A., Yamamoto, H., Sato, A. Selective activation mechanisms of Wnt signaling pathways. Trends in cell biology. 19, 119-129 (2009).
- Hogan, B. L. Bone morphogenetic proteins: multifunctional regulators of vertebrate development. Genes Dev. 10, 1580-1594 (1996).
- Houart, C., et al. Establishment of the telencephalon during gastrulation by local antagonism of Wnt signaling. Neuron. 35, 255-265 (2002).
- Bertrand, S., Escriva, H. Evolutionary crossroads in developmental biology: amphioxus. Development. 138, 4819-4830 (2011).
- Rottinger, E., Lowe, C. J. Evolutionary crossroads in developmental biology: hemichordates. Development. 139, 2463-2475 (2012).
- Genome Sequencing Sea Urchin, C., et al. The genome of the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus. Science. 314, 941-952 (2006).
- Ben-Tabou de-Leon, S., Su, Y. H., Lin, K. T., Li, E., Davidson, E. H. Gene regulatory control in the sea urchin aboral ectoderm: spatial initiation, signaling inputs, and cell fate lockdown. Dev Biol. 374, 245-254 (2013).
- Saudemont, A., et al. Ancestral regulatory circuits governing ectoderm patterning downstream of Nodal and BMP2/4 revealed by gene regulatory network analysis in an echinoderm. PLoS Genet. 6, e1001259 (2010).
- Cameron, R. A., Samanta, M., Yuan, A., He, D., Davidson, E. SpBase: the sea urchin genome database and web site. Nucleic Acids Res. 37, D750-D754 (2009).
- Stepicheva, N. A., Song, J. L. High throughput microinjections of sea urchin zygotes. Journal of visualized experiments : JoVE. , e50841 (2014).
- Cheers, M. S., Ettensohn, C. A. Rapid microinjection of fertilized eggs. Methods in cell biology. 74, 287-310 (2004).
- Arenas-Mena, C., Cameron, A. R., Davidson, E. H. Spatial expression of Hox cluster genes in the ontogeny of a sea urchin. Development. , 4631-4643 (2000).
- Sethi, A. J., Angerer, R. C., Angerer, L. M. Multicolor labeling in developmental gene regulatory network analysis. Methods in molecular biology. , 249-262 (2014).
- Wikramanayake, A. H., Huang, L., Klein, W. H. beta-Catenin is essential for patterning the maternally specified animal-vegetal axis in the sea urchin embryo. Proc Natl Acad Sci U S A. 95, 9343 (1998).
- Yaguchi, S., Yaguchi, J., Angerer, R. C., Angerer, L. M. A Wnt-FoxQ2-nodal pathway links primary and secondary axis specification in sea urchin embryos. Dev Cell. 14, 97-107 (2008).
- Molina, M. D., de Croze, N., Haillot, E., Lepage, T. Nodal: master and commander of the dorsal-ventral and left-right axes in the sea urchin embryo. Curr Opin Genet Dev. 23, 445-453 (2013).
- Range, R. C., Glenn, T. D., Miranda, E., McClay, D. R. LvNumb works synergistically with Notch signaling to specify non-skeletal mesoderm cells in the sea urchin embryo. Development. 135, 2445-2454 (2008).
- Range, R., et al. Cis-regulatory analysis of nodal and maternal control of dorsal-ventral axis formation by Univin, a TGF-beta related to Vg1. Development. 134, 3649-3664 (2007).
- Warner, J. F., Miranda, E. L., McClay, D. R. Contribution of hedgehog signaling to the establishment of left-right asymmetry in the sea urchin. Dev Biol. 411, 314-324 (2016).
- Rottinger, E., et al. FGF signals guide migration of mesenchymal cells, control skeletal morphogenesis [corrected] and regulate gastrulation during sea urchin development. Development. 135, 353-365 (2008).
- Warner, J. F., McCarthy, A. M., Morris, R. L., McClay, D. R. Hedgehog signaling requires motile cilia in the sea urchin. Mol Biol Evol. 31, 18-22 (2014).
- Technau, U., Steele, R. E. Evolutionary crossroads in developmental biology. Cnidaria. Development. 138, 1447-1458 (2011).
- Yaguchi, J., Takeda, N., Inaba, K., Yaguchi, S. Cooperative Wnt-Nodal Signals Regulate the Patterning of Anterior Neuroectoderm. PLoS Genet. 12, e1006001 (2016).
- Duboc, V., Rottinger, E., Besnardeau, L., Lepage, T. Nodal and BMP2/4 signaling organizes the oral-aboral axis of the sea urchin embryo. Dev Cell. 6, 397-410 (2004).
- Bradham, C. A., et al. Chordin is required for neural but not axial development in sea urchin embryos. Dev Biol. 328, 221-233 (2009).
- Su, Y. H. Gene regulatory networks for ectoderm specification in sea urchin embryos. Biochimica et biophysica acta. 1789, 261-267 (2009).
- Lin, C. Y., Su, Y. H. Genome editing in sea urchin embryos by using a CRISPR/Cas9 system. Dev Biol. 409, 420-428 (2016).
