Fare Embriyonik Kalbinde Gen İletimi için Etkili Bir Transgenez Yaklaşımı
Summary
Bu protokol, gelişmekte olan fare kalplerinde kalp hücrelerinin elektroporasyona dayalı transgenezi için ayrıntılı bir metodolojik çerçeve sunar. Burada sağlanan video varlıkları, bu çok yönlü tekniğin öğrenilmesini kolaylaştıracaktır.
Abstract
Memeli kalbi, gelişim sırasında çok çeşitli progenitör hücre popülasyonları yoluyla oluşan karmaşık bir organdır. Bu ataların kökeni, işe alınma zamanlaması ve kaderi, bu organın düzgün gelişimi için hayati önem taşır. Kalbin morfogenezini yöneten moleküler mekanizmalar, konjenital kalp hastalıklarının ve embriyonik kardiyak rejenerasyonun patogenezini anlamak için gereklidir. Bu mekanizmaları araştırmak için klasik yaklaşımlar, kardiyak gelişim sırasında spesifik genlerin işlevini değerlendirmek için transgenik farelerin neslini kullanmıştır. Bununla birlikte, fare transgenezi, kalp gelişimi sırasında belirli genlerin rolünü değerlendirmek için genellikle gerçekleştirilemeyen karmaşık, zaman alıcı bir süreçtir. Bunu ele almak için, fare embriyonik kalplerinin verimli elektroporasyonu ve kültürü için bir protokol geliştirdik ve geçici transgenezin kardiyak gelişimde yer alan genlerin fonksiyon kazanımı veya kaybının etkisini hızlı bir şekilde değerlendirmesini sağladık. Bu metodolojiyi kullanarak, epikardiyal hücre transfeksiyonu tercihi ile embriyonik kalpte Meis1’i başarılı bir şekilde aşırı eksprese ettik ve tekniğin yeteneklerini gösterdik.
Introduction
Kalp, embriyonik gelişim sırasında oluşan ilk organdır. Bu süreç, embriyonun farklı bölgelerinden çeşitli progenitör hücre popülasyonlarının uzay-zamansal koordinasyonunu içerir. Bütün bunlar, gelişmekte olan kalp atmaya ve çalışmaya devam ederken meydana gelir ve oluşumu için gereken olağanüstü koordinasyonu vurgular 1,2,3. Kalbin kritik rolü göz önüne alındığında, düzgün oluşumu için hücresel ve moleküler seviyelerde sıkı düzenleme şarttır 4,5. Kalp gelişimini kontrol eden mekanizmaların belirlenmesi, dünya çapında önemli sayıda hastayı etkileyen konjenital kalp bozukluklarının çözülmesi için çok önemli olduğu için büyük ilgi görmüştür6. Ayrıca, doğum sonrası memeli kalpleri yetişkinlikte kaybedilen veya engellenen bir rejeneratif kapasiteyi koruduğundan, kalp gelişimini anlamak kardiyak rejenerasyonun deşifre edilmesinde çok önemlidir 7,8. Sonuç olarak, konjenital kalp hastalığı ve kardiyak rejenerasyon ile ilgili araştırma çabalarını ilerletmek için kalp gelişiminin moleküler düzenleyicilerinin diseksiyonu zorunludur.
Bu amaç doğrultusunda, epikardiumun kardiyak gelişim ve rejenerasyondaki rolünü araştırmaya artan bir odaklanma olmuştur9. Epikardium, memeli kalbinin en dış tabakasını oluşturan ince bir mezotelyal doku tabakasıdır (Şekil 1). Son zamanlarda yapılan çalışmalar, kardiyak yaralanma sırasında epikardın önemini göstermiş ve bu dokunun hasarı hafifletmek için etkilenen bölgedeki kardiyomiyositlere proliferasyon sinyalleri gönderebildiğini ortaya koymuştur10,11. Epikardın önemine rağmen, daha fazla moleküler araştırma yapmak, muazzam heterojenliği nedeniyle sorgulanmıştır. Tek hücreli RNAseq deneyleri, farklı transkriptomik imzalara sahip çoklu hücre alt popülasyonlarını barındıran epikardın heterojenliğini ortaya çıkarmıştır 12,13,14,15,16. Bu nedenle, kardiyak gelişimin potansiyel düzenleyicilerini taramak için bir strateji, epikardiyal progenitör hücrelerin çeşitliliğini barındırmalıdır.
Bu anlamda, fare modelinin genetik modifikasyona yatkınlığı, kalp gelişimi için çok önemli olan çok sayıda genin tanımlanmasını kolaylaştırmış ve belirli genlerin işlev kazancı (GOF) veya işlev kaybı (LOF) ile mutant hatların oluşturulmasına izin vermiştir. Bununla birlikte, bu yaklaşımlar önemli bir zaman ve deneysel kaynak yatırımı anlamına gelir; bu nedenle, çok sayıda aday genin rollerini değerlendirirken pratik değildirler. Ayrıca, gelişimsel genler genellikle farklı dokularda pleiotropik işlevler gösterir veya erken embriyonik gelişim için gereklidir, bu da belirli bir süreçte gelişime katkılarının yorumlanmasını engeller. Gen fonksiyonunu belirli yapılarda veya gelişimsel zaman noktalarında hedeflemek mümkün olsa da, bu genellikle üretilmesi zor olabilen veya genellikle mevcut olmayan daha karmaşık genetik yapıların kullanılmasını gerektirir.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, geçici transgenez için fare embriyonik kalplerini elektropore etmek için bir metodoloji sunuyoruz (Şekil 2). Ex vivo kültür ve floresanla aktive edilen hücre sınıflandırması (FACS) ile eşleştirilen bu strateji, kalp gelişimi ve rejenerasyonunda rol oynayan iyi karakterize edilmiş bir gen olan Meis1’in geçici GOF yoluyla yeteneklerini gösterir 17,18,19. Bu makalede, bu metodolojinin diğer potansiyel uygulamaları da araştırılmakta ve avantajları ve sınırlamaları tartışılmakta ve ayrıca gen ekspresyonunu geçici olarak modüle etmek için mevcut protokollerle karşılaştırılmaktadır. Sunulan çerçeve ve görsel örneklerin, gelişim ve hastalık sırasında epikard biyolojisinin anlaşılmasını geliştireceğine inanıyoruz.
Resim 1: Fare embriyonik kalp katmanları. Bir E13-14 fare embriyonik kalbinin koronal görünümünün şematik diyagramı. Kalbin üç ana hücresel tabakası sarı (endokard), kırmızı (miyokard) ve mavi (epikard) ile temsil edilir. Perikard kahverengi bir çizgi ile temsil edilir. Kalbin dört odacığı LV, sol ventrikül olarak kısaltılır; RV, sağ ventrikül; LA, sol atriyum; RA, sağ atriyum. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Kalp elektroporasyon protokolüne şematik genel bakış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Protocol
Representative Results
Discussion
Genel olarak, burada açıklanan metodoloji, Meis1 aşırı ekspresyonu (Şekil 4C) ile gösterildiği gibi, gelişmekte olan epikarddaki transgenik yapıları ifade etmek için sağlam bir çerçeve sunar (Şekil 4B). Uygun yapılarla, bu protokol, belirli bir genin fonksiyon kazancının (GOF) veya fonksiyon kaybının (LOF) etkisini geçici olarak değerlendirmek için kullanılabilir. LOF, RNA interferansı26 yoluyla bir aday geni hed…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, İspanyol Ministerio de Ciencia e Innovación’dan RTI2018-097617-J-I00 ve Universidad de Jaén’den Acción 9’a hibe PGC2018-096486-B-I00, İspanyol Ministerio de Ciencia e Innovación’dan hibe -096486-B-I00 ve AB Horizon 2020 programından M.T.’ye H2020-MSCA-ITN-2016-722427 hibe ile desteklenmiştir. JMG, İspanya Bilim Bakanlığı ve Fundación Severo Ochoa’dan (PRE2022-101884) bir doktora bursu ile desteklenmiştir. Hem CNIC hem de CBMSO, İspanya Bilim Bakanlığı tarafından desteklenmektedir ve CNIC, ProCNIC Vakfı tarafından desteklenmektedir.
Materials
| #55 Forceps | Dumont | 11295-51 | |
| 12-well Clear Flat Bottom Multiwell Cell Culture Plate | BD Falcon | 353043 | |
| 35 mm vise table | Grandado | SKU 8798771617573 | |
| 40 µm Cell Strainer | Fischer Scientific | 08-771-1 | |
| 50 mL tubes | BD Falcon | 352070 | |
| 70 µm Cell Strainer | Corning | CLS431751 | |
| Anti-GFP Policlonal Antibody | Invitrogen | A10262 | 1:1000 dilution used |
| Anti-Myosin 4 (MF20) Monoclonal Antibody | Invitrogen | 14-6503-82 | 1:500 dilution used |
| CD1 Wild Type mice | Provided by Animalary Unit (CNIC) | ||
| Cleaved Caspase-3 (Asp175) Antibody | Cell Signalling Technologies | 9661 | 1:400 dilution used |
| DAPI | Cell Signalling Technologies | 4083 | 1:1000 dilution used |
| Dispase/collagenase | Roche | 10269638001 | |
| Distilled water | |||
| DMEM – Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco | 10313021 | |
| Fetal Bovine Serum | Invitrogen | 10438-026 | |
| Heracell 150i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 51032720 | |
| Leica Stereoscopic Microscope S8AP0 | Leica | 11524102 | |
| Liberase | Roche | 5401119001 | |
| Micropipette Puller Model P-97 | Sutter Instrument | SU-P-97 | |
| pCAG expression plasmid | Addgene | #89689 | |
| Penicillin-streptomycin | Invitrogen | 15070-063 | |
| Petri dishes 35 × 10 mm | BD Falcon | 351008 | |
| Petri dishes 60 × 15 mm | BD Falcon | 353002 | |
| Phenol Red | Merck | P3532 | |
| Pipette tips | Reused from old laboratory equipment | ||
| Rat Serum culture embryo, male rats SPRAGUE DAWLEY RjHan SD | Janvier Labs | 9979 | |
| Recombinant anti-Wilms Tumor Protein 1 (WT1) Antibody | Abcam | ab89901 | 1:300 dilution used |
| Square Wave Electroporator CUY21SC | Nepa Gene | CUY664-10X15 | |
| Sterile PBS | Provided and autoclaved by technical unit | ||
| Sucrose | Millipore | 84100 | |
| Tweezer electrodes with variable gap | Nepa Gene | CUY650P5 |
References
- Tyser, R. C., et al. Calcium handling precedes cardiac differentiation to initiate the first heartbeat. eLife. 5, e17113 (2016).
- Tyser, R. C. V., et al. Characterization of a common progenitor pool of the epicardium and myocardium. Science. 371 (6533), eabb2986 (2021).
- Sendra, M., Domínguez, J., Torres, M., Ocaña, O. Dissecting the complexity of early heart progenitor cells. J Cardiovasc Dev Dis. 9 (1), 5 (2021).
- Ivanovitch, K., Temiño, S., Torres, M. Live imaging of heart tube development in mouse reveals alternating phases of cardiac differentiation and morphogenesis. eLife. 6, e30668 (2017).
- Ai, D., et al. Canonical Wnt signaling functions in second heart field to promote right ventricular growth. PNAS. 104 (22), 9319-9324 (2007).
- Zimmerman, M. S., et al. Global, regional, and national burden of congenital heart disease, 1990-2017: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017. Lancet Chil Adolesc Heal. 4 (3), 185-200 (2020).
- Xin, M., Olson, E. N., Bassel-Duby, R. Mending broken hearts: Cardiac development as a basis for adult heart regeneration and repair. Nat Rev Mol Cell Biol. 14 (8), 529-541 (2013).
- Porrello, E. R., et al. Transient regenerative potential of the neonatal mouse heart. Science. 331 (6020), 1078-1080 (2011).
- Cao, J., Poss, K. D. The epicardium as a hub for heart regeneration. Nat Rev Cardiol. 15 (10), 631-647 (2018).
- Zhou, B., et al. Adult mouse epicardium modulates myocardial injury by secreting paracrine factors. JCI. 121 (5), 1894-1904 (2011).
- Van Wijk, B., Gunst, Q. D., Moorman, A. F. M., Van Den Hoff, M. J. B. Cardiac regeneration from activated epicardium. PLOS One. 7 (9), e44692 (2012).
- Hesse, J., et al. Single-cell transcriptomics defines heterogeneity of epicardial cells and fibroblasts within the infarcted murine heart. eLife. 10, e65921 (2021).
- Streef, T. J., Smits, A. M. Epicardial contribution to the developing and injured heart: Exploring the Cellular composition of the epicardium. Front Cardiovasc Med. 8, 750243 (2021).
- Sanchez-Fernandez, C., et al. Understanding epicardial cell heterogeneity during cardiogenesis and heart regeneration. J Cardiovasc Dev Dis. 10 (9), 376 (2023).
- Quijada, P., et al. Coordination of endothelial cell positioning and fate specification by the epicardium. Nat Commun. 12 (1), 4155 (2021).
- Mantri, M., et al. Spatiotemporal single-cell RNA sequencing of developing chicken hearts identifies interplay between cellular differentiation and morphogenesis. Nat Commun. 12 (1), 1771 (2021).
- Paul, S., Zhang, X., He, J. Q. Homeobox gene Meis1 modulates cardiovascular regeneration. Semin Cell Dev Biol. 100, 52-61 (2020).
- Stankunas, K., et al. Pbx/Meis deficiencies demonstrate multigenetic origins of congenital heart disease. Circ Res. 103 (7), 702-709 (2008).
- Liu, Y., et al. Transcription factor Meis1 act as a new regulator of ischemic arrhythmias in mice. J Adv Res. 39, 275-289 (2022).
- Behringer, R. . Manipulating the mouse embryo: A laboratory manual. , (2014).
- Wong, M. D., et al. 4D atlas of the mouse embryo for precise morphological staging. Development. 142 (20), 3583-3591 (2015).
- Morris, L., Klanke, C., Lang, S., Lim, F. Y., Crombleholme, T. TdTomato and EGFP identification in histological sections: Insight and alternatives. Biotech Histochem. 85 (6), 379-387 (2010).
- Schiaffino, S., Rossi, A. C., Smerdu, V., Leinwand, L. A., Reggiani, C. Developmental myosins: expression patterns and functional significance. Skelet. Muscle. 5 (1), 22 (2015).
- Eissa, N., et al. Stability of reference genes for messenger RNA quantification by real-time pcr in mouse dextran sodium sulfate experimental colitis. PLOS One. 11 (5), e0156289 (2016).
- Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2−ΔΔCT method. Methods. 25 (4), 402-408 (2001).
- Lai, S. R., Andrews, L. G., Tollefsbol, T. O. RNA interference using a plasmid construct expressing short-hairpin RNA. Methods Mol Biol. 405, 31-37 (2007).
- Carmona, R., Barrena, S., López Gambero, A. J., Rojas, A., Muñoz-Chápuli, R. Epicardial cell lineages and the origin of the coronary endothelium. FASEB J. 34 (4), 5223-5239 (2020).
- Gittenberger-de Groot, A. C., Vrancken Peeters, M. P. F. M., Mentink, M. M. T., Gourdie, R. G., Poelmann, R. E. Epicardium-derived cells contribute a novel population to the myocardial wall and the atrioventricular cushions. Circ Res. 82 (10), 1043-1052 (1998).
- Chong, Z. X., Yeap, S. K., Ho, W. Y. Transfection types, methods and strategies: A technical review. Peer J. 9, e11165 (2021).
- Kałużna, E., Nadel, A., Zimna, A., Rozwadowska, N., Kolanowski, T. Modeling the human heart ex vivo-Current possibilities and strive for future applications. JTERM. 16 (10), 853-874 (2022).
- Aguilera-Castrejon, A., et al. Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis. Nature. 593 (7857), 119-124 (2021).
- Dyer, L. A., Patterson, C. A novel ex vivo culture method for the embryonic mouse heart. J Vis Exp. 75, e50359 (2013).
