Nous présentons ici une méthode générale pour déterminer la viabilité embryonnaire et le nombre total d’embryons produits (couvée) à l’aide de l’organisme modèle C. elegans.
Caenorhabditis elegans est un excellent organisme modèle pour l’étude de la méiose, de la fécondation et du développement embryonnaire. C. elegans existe en tant qu’hermaphrodite autofécondante, qui produit de grandes couvées de descendance – lorsque les mâles sont présents, ils peuvent produire des couvées encore plus grandes de descendance croisée. Les erreurs de méiose, de fécondation et d’embryogenèse peuvent être rapidement évaluées comme des phénotypes de stérilité, de fertilité réduite ou de létalité embryonnaire. Cet article décrit une méthode pour déterminer la viabilité embryonnaire et la taille du couvain chez C. elegans. Nous montrons comment mettre en place ce test en choisissant un ver sur une plaque individuelle de Modified Youngren, Only Bacto-peptone (MYOB), établissons le délai approprié pour compter les descendants viables et les embryons non viables, et expliquons comment compter avec précision les spécimens de vers vivants. Cette technique peut être utilisée pour déterminer la viabilité des hermaphrodites autofécondants ainsi que la fertilisation croisée par des couples d’accouplement. Ces expériences relativement simples sont facilement adoptables pour les nouveaux chercheurs, tels que les étudiants de premier cycle et les étudiants de première année des cycles supérieurs.
La reproduction sexuée dans les organismes eucaryotes nécessite la production de gamètes fonctionnels qui fusionnent pour former un embryon par le processus de fécondation. Les gamètes maternels et paternels, les ovules (ovules) et les spermatozoïdes sont créés par les processus spécialisés de division cellulaire et de différenciation de la méiose et de la gamétogenèse1. La méiose commence avec une seule cellule diploïde et se termine par la formation de cellules filles qui contiennent la moitié du nombre de chromosomes de la cellule parentale d’origine. De la réduction de la ploïdie au brassage du matériel génétique en passant par l’assortiment indépendant et la recombinaison croisée, la méiose remplit de multiples fonctions importantes1. Les erreurs dans la méiose peuvent entraîner une aneuploïdie, dans laquelle il y a trop ou trop peu de chromosomes dans un gamète. L’incidence de l’aneuploïdie a des impacts énormes sur la santé humaine, car les déséquilibres chromosomiques sont une cause majeure de fausses couches et de troubles du développement tels que le syndrome de Down et le syndrome d’Edwards2.
La fécondation est le processus par lequel les gamètes maternel et paternel fusionnent pour générer un nouvel organisme3. La reconnaissance des gamètes-gamètes est facilitée par des protéines présentes à la surface des gamètes3. Les erreurs de compatibilité des gamètes entraînent l’infertilité car la fusion des spermatozoïdes et des ovules est incapable de se poursuivre. La fusion d’un spermatozoïde avec un ovocyte déclenche une foule d’événements qui conduisent à la formation appropriée d’un embryon actif qui peut commencer le voyage de développement d’un embryon unicellulaire à un organisme multicellulaire pleinement fonctionnel via des divisions mitotiques4. Tout au long de l’embryogenèse, les événements moléculaires qui régulent le développement doivent être étroitement régulés et programmés avec précision pour permettre une croissance correcte de l’organisme5. Une différenciation cellulaire appropriée au début du développement est cruciale lorsque l’organisme passe d’un embryon pluripotent à un organisme à part entière. En raison de la complexité de ces événements, les perturbations peuvent entraîner des anomalies du développement qui entraînent une létalité embryonnaire.
Caenorhabditis elegans est un excellent organisme modèle pour étudier la méiose, la fécondation et le développement embryonnaire. C. elegans est un nématode transparent qui a deux sexes, mâles et hermaphrodites. C. elegans hermaphrodites, capables de s’autoféconder, sont le sexe prédominant 6,7. La gonade hermaphrodite produit d’abord des spermatozoïdes au cours du quatrième stade larvaire (L4), qui sont stockés dans la spermathèque. Lors de la transition L4 à l’âge adulte, la lignée germinale passe à la production d’ovocytes, qui sont ensuite fécondés via le sperme stocké. Les mâles, qui apparaissent chez les hermaphrodites à un taux inférieur à 0,2%, ne produisent que des spermatozoïdes et peuvent s’accoupler avec des hermaphrodites. Lors de la fécondation croisée, les spermatozoïdes mâles surpassent les spermatozoïdes hermaphrodites dans la fécondation des ovocytes8. Cela permet le maintien relativement facile des mutants homozygotes grâce à des souches autofertilisantes et des manipulations génétiques par croisements génétiques. Les deux sexes permettent des études explorant les différences entre la méiose dans les lignées germinales mâles et femelles. De plus, en raison de la nature transparente de C. elegans et de ses œufs, les processus de méiose, de gamétogenèse, de fécondation et d’embryogenèse peuvent être étudiés chez des animaux vivants et intacts à l’aide de techniques d’imagerie par fluorescence.
Lors de l’analyse de nouvelles mutations dans les gènes qui peuvent jouer un rôle dans la méiose, la fécondation et / ou le développement embryonnaire chez C. elegans, une première étape cruciale consiste à déterminer la viabilité embryonnaire et la taille du couvain, car les erreurs dans ces processus conduisent souvent à un échec ou à une réduction de la production de descendants viables. Cet article décrit un protocole pour évaluer la fertilité, la viabilité embryonnaire et la taille du couvain à partir d’hermaphrodites autofécondants ou de croisements entre hermaphrodites et mâles. Bien que ce test classique ait été utilisé dans de nombreuses études sur C. elegans , nous fournissons un protocole standardisé pour la configuration et la quantification précise. Dans ce protocole, des vers individuels ou des couples mâles/hermaphrodites sont isolés pour permettre l’accouplement et la production de descendance. La production et la viabilité de la descendance sont observées sur une série de jours afin de déterminer le nombre de descendants viables et d’embryons non viables. À la fin de l’expérience, les couvées individuelles sont analysées pour calculer le pourcentage de viabilité embryonnaire et la taille totale de la couvée.
La propagation des espèces à reproduction sexuée nécessite la formation de gamètes haploïdes (c’est-à-dire des ovules et des spermatozoïdes) par méiose, qui sont ensuite unifiés lors de la fécondation, restaurant le nombre de chromosomes diploïdes et initiant le développement embryonnaire. Des erreurs dans l’un de ces processus peuvent entraîner l’infertilité, la létalité embryonnaire et / ou des malformations congénitales. C. elegans est un puissant système modèle pour étudier la reproduction sexuée. Les effets des mutations génétiques ou de l’élimination de l’expression génique (p. ex. interférence ARN) peuvent être évalués relativement rapidement et facilement à l’aide des essais de viabilité embryonnaire et de dimensionnement du couvain décrits ci-dessus. Nous avons utilisé ces méthodes pour la caractérisation initiale des gènes impliqués dans la ségrégation et la fécondation des chromosomes méiotiques / activation des œufs10,11,12. Une réduction observée de la viabilité embryonnaire ou de la taille du couvain indique une perturbation de la méiose, de la gamétogenèse, de la fécondation ou de l’embryogenèse.
Comme la viabilité embryonnaire et le dimensionnement du couvain sont évalués relativement facilement par comptage de la descendance et un simple calcul mathématique, il s’agit d’expériences d’introduction optimales pour les novices en recherche, que ce soit en laboratoire ou en classe. La facilité d’élevage de C. elegans et les avantages économiques les rendent particulièrement adaptés aux cours de biologie expérimentale. Les étudiants acquièrent une expérience de recherche précieuse grâce à l’élevage de C. elegans , apprennent à utiliser des microscopes à dissection et peuvent poser des questions biologiques dans un système de développement auquel il est possible de répondre dans un laps de temps relativement court (environ 5 jours avec le protocole décrit dans cet article).
Le moment du dénombrement des descendants est très important pour les essais de viabilité embryonnaire. À 20 °C, l’embryogenèse prend environ 16 h et les adultes matures sur le plan de la reproduction commencent à pondre environ 60 h après l’éclosion en tant que larves L1. Comme le cycle de vie est rapide, il est important de compter la progéniture dans la fenêtre appropriée, en laissant suffisamment de temps aux embryons pour éclore, mais avant que la progéniture elle-même ne commence à pondre des œufs. Il est également important de noter que les périodes de croissance varient en fonction de la température. La croissance est environ 2,1 fois plus rapide à 24-25 °C qu’à 15-16 °C, et environ 1,3 fois plus rapide à 20 °C que 15-16 °C13. Dans ce protocole, nous recommandons que les dénombrements aient lieu 48 heures après que les adultes ont été placés sur une assiette fraîche. Ce délai garantit que tous les embryons ayant un développement de type sauvage ont suffisamment de temps pour éclore (>16 h), mais ne vieillissent pas au point de se reproduire. Les essais effectués à des températures inférieures à 20 °C peuvent devoir être prolongés (animaux transférés pendant 4 jours) pour que les embryons éclosent et que la descendance éclose atteigne des stades larvaires plus faciles à observer parmi les bactéries sur les plaques MYOB (stades L3-L4).
Une limite aux essais de viabilité embryonnaire et au dimensionnement du couvain est que le processus de développement spécifique qui est perturbé n’est pas facilement apparent. Cependant, ces tests initiaux peuvent être suivis de techniques cytologiques pour déterminer quel processus est affecté. Par exemple, la dissection des vers adultes pour libérer la gonade suivie d’une coloration au 4′,6-diamidino-2-phénylindole (DAPI) et une analyse minutieuse de la morphologie de l’ADN dans la lignée germinale peuvent révéler si les processus méiotiques sont perturbés. En outre, la coloration DAPI des embryons peut révéler à quel stade l’embryogenèse s’arrête.
En conclusion, nous avons décrit un protocole pour tester le nombre d’embryons produits (couvée) et le pourcentage d’embryons viables pour divers mutants de C. elegans. Ce test peut être utilisé à la fois pour les hermaphrodites autofécondants et pour les croisements mâle/hermaphrodites. Avec le cycle de vie court de C. elegans, ce protocole peut être complété en moins de 1 semaine. Les tests de viabilité embryonnaire et la taille des couvées peuvent être utilisés comme premières analyses des gènes impliqués dans la méiose, la fécondation ou le développement embryonnaire, et sont des protocoles appropriés pour les chercheurs plus avancés et les novices en recherche (étudiants de premier cycle et de première année).
The authors have nothing to disclose.
Le travail dans le laboratoire Jaramillo-Lambert est soutenu par le National Institutes of Health NIGMS R35GM142524. Toutes les souches de C. elegans ont été fournies par le Caenorhabditis Genetics Center, financé par les National Institutes of Health, P40 OD010440. La figure 1D a été créée à l’aide de Biorender.com.
Materials | |||
35 mm Petri dishes | Tritech research | T3501 | Semi-stackable, non-vented. |
Bacto Agar | Becton, Dickinson and Company | 214010 | For MYOB |
Bacto-Peptone | Gibco | 211677 | For MYOB |
Cholestrol | Sigma | C8503 | For MYOB |
Sodium Chloride | J.T. Baker | FW 58.440 | For MYOB |
Trizma Base | Sigma | T1503 | For MYOB |
Trizma hydrochloride | Sigma | T3253 | For MYOB |
Strains | |||
C. elegans wild type strain | Caenorhabditis Genetics Center | N2 | |
Escherichia coli | Caenorhabditis Genetics Center | OP50 | |
him-5(e1490) | Caenorhabditis Genetics Center | DR466 | |
spo-11(ok79) | Caenorhabditis Genetics Center | AV106 | |
Equipment/software | |||
Differential cell counter | Fischer Scientific | 02-670-12 | |
MicroSoft Excel or Prism | MicroSoft or GraphPad | For recording and creating graphical representations of data. | |
platinum wire | Tritech research | PT9901 | For making worm picks. 99.5% Platinum, 0.5% Iridium. This comes as 3 ft/pack, which is sufficient for making 36 worm picks (~1 inch platinum wire per pick). |
Stereomicroscope | Nikon | SMZ-745 | Diascopic base with focus mount, integrated LED module, power cord, 6.7x to 50x Zoom range [WD 115 mm], Widefield Eyepiece C-15x/17 (Note: equivalent stereomicroscopes are available from other manufacturers.) |
worm pick handle | Tritech research | TWPH1 | For making worm picks. Mount ~1 in platinum wire into worm pick handle. Alternatively, worm picks can be made by mounting platinum wire in a glass Pasteur pipette. |