여기에서 우리는 모델 유기체 C. elegans를 사용하여 배아 생존력과 생산된 배아(새끼)의 총 수를 결정하는 일반적인 방법을 제시합니다.
Caenorhabditis elegans 는 감수 분열, 수정 및 배아 발달 연구를 위한 훌륭한 모델 유기체입니다. 예쁜꼬마선충은 자웅동체로 존재하며, 이는 많은 자손 무리를 생산하며, 수컷이 존재하면 더 큰 무리의 교배를 생산할 수 있습니다. 감수 분열, 수정 및 배아 발생의 오류는 불임, 생식력 감소 또는 배아 치사율의 표현형으로 신속하게 평가할 수 있습니다. 이 기사에서는 예쁜꼬마선충의 배아 생존력과 새끼 크기를 결정하는 방법을 설명합니다. 우리는 개별 변형 영렌의 박토펩톤만(MYOB) 플레이트에 벌레를 채취하여 이 분석을 설정하는 방법을 보여주고, 생존 가능한 자손과 생존 불가능한 배아를 계산하기 위한 적절한 기간을 설정하고, 살아있는 벌레 표본을 정확하게 계산하는 방법을 설명합니다. 이 기술은 자가 수정 자웅동체의 생존력과 짝짓기 쌍에 의한 교차 수정을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 비교적 간단한 실험은 학부생 및 1 학년 대학원생과 같은 새로운 연구자에게 쉽게 채택 할 수 있습니다.
진핵 생물의 유성 생식은 수정 과정을 통해 배아를 형성하기 위해 합쳐지는 기능적 배우자의 생산을 필요로합니다. 모계 및 부계 배우자, 난자(난자), 정자는 감수분열과 배우자 형성의 특수한 세포 분열 및 분화 과정을 통해 생성된다1. 감수 분열은 단일 이배체 세포로 시작하여 원래 부모 세포의 염색체 수의 절반을 포함하는 딸 세포의 형성으로 끝납니다. 배수성의 감소에서 독립적인 구색 및 교차 재조합을 통한 유전 물질의 셔플링에 이르기까지 감수분열은 여러 가지 중요한 기능을 수행합니다1. 감수 분열의 오류는 배우자 내에 염색체가 너무 많거나 너무 적은 이수성을 유발할 수 있습니다. 염색체 불균형은 유산과 다운 증후군 및 에드워즈 증후군과 같은 발달 장애의 주요 원인이기 때문에 이수성의 발생률은 인체 건강에 엄청난 영향을 미친다2.
수정(Fertilization)은 모계와 부계 배우자가 융합하여 새로운 유기체를 생성하는 과정이다3. 배우자-배우자 인식은 배우자 표면의 단백질에 의해 촉진된다3. 배우자 적합성 오류는 정자와 난자 융합이 진행되지 않아 불임으로 이어집니다. 정자와 난모세포의 융합은 유사분열 분열을 통해 단세포 배아에서 완전한 기능을 하는 다세포 유기체로의 발달 여정을 시작할 수 있는 활성 배아의 적절한 형성으로 이어지는 많은 사건을 유발한다4. 배아 발생 전반에 걸쳐, 발달을 조절하는 분자적 사건은 유기체의 적절한 성장을 가능하게 하기 위해 엄격하게 조절되고 정확한 타이밍을 맞춰야 한다5. 초기 발달 동안 적절한 세포 분화는 유기체가 만능 배아에서 본격적인 유기체로 전환함에 따라 중요합니다. 이러한 사건의 복잡성으로 인해 혼란은 배아 치사를 초래하는 발달 결함으로 이어질 수 있습니다.
Caenorhabditis elegans는 감수 분열, 수정 및 배아 발달을 연구하는 훌륭한 모델 유기체입니다. 예쁜꼬마선충은 수컷과 자웅동체의 두 가지 성별을 가진 투명한 선충류입니다. 자가 수정이 가능한 예쁜꼬마선충 자웅동체가 우세한 성이다 6,7. 자웅동체 생식선은 정자에 저장되는 네 번째 유충(L4) 단계에서 먼저 정자를 생산합니다. L4에서 성인기로의 전환에서 생식선은 난모세포 생산으로 전환되며, 난모세포는 저장된 정자를 통해 수정됩니다. 자웅동체에서 0.2% 미만의 비율로 발생하는 수컷은 정자만 생산하고 자웅동체와 짝짓기를 할 수 있습니다. 교차 수정(cross-fertilization)을 할 때, 남성 정자는 난모세포의 수정(pseudocyte)에서 자웅동체 정자를 능가한다8. 이것은 자가 수정 주식을 통해 동형접합 돌연변이를 비교적 쉽게 유지하고 유전자 교차를 통한 유전자 조작을 가능하게 합니다. 두 성별은 남성과 여성 생식선에서 감수 분열의 차이를 탐구하는 연구를 허용합니다. 또한, 예쁜꼬마선충과 그 알의 투명한 특성으로 인해 감수 분열, 배우자 형성, 수정 및 배아 발생 과정은 형광 이미징 기술을 사용하여 살아 있는 온전한 동물에서 연구할 수 있습니다.
예쁜꼬마선충의 감수분열, 수정 및/또는 배아 발달에 역할을 할 수 있는 유전자의 새로운 돌연변이를 분석할 때, 이러한 과정의 오류는 종종 생존 가능한 자손의 생산 실패 또는 감소로 이어지기 때문에 중요한 첫 번째 단계는 배아 생존력과 무리 크기를 결정하는 것입니다. 이 논문은 자가 수정 자웅동체 또는 자웅동체와 수컷 사이의 교배에서 생식력, 배아 생존력 및 무리 크기를 평가하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 이 고전적인 분석은 많은 예쁜꼬마선충 연구에서 사용되어 왔지만, 당사는 설정 및 정확한 정량화를 위한 표준화된 프로토콜을 제공합니다. 이 프로토콜에서는 짝짓기 및 자손 생산을 허용하기 위해 개별 벌레 또는 수컷/자웅동체 쌍을 분리합니다. 자손 생산 및 생존력은 생존 가능한 자손 및 생존 불가능한 배아의 수를 결정하기 위해 일련의 날에 걸쳐 관찰됩니다. 실험이 끝나면 개별 무리를 분석하여 배아 생존율과 총 무리 크기를 계산합니다.
유성 생식 종의 번식은 감수 분열을 통해 반수체 배우자 (즉, 난자 및 정자)의 형성을 필요로하며, 수정시 통합되어 이배체 염색체 번호를 복원하고 배아 발달을 시작합니다. 이러한 과정의 오류는 불임, 배아 치사율 및/또는 선천적 기형으로 이어질 수 있습니다. 예쁜꼬마선충(C. elegans)은 유성 생식을 연구하는 강력한 모델 시스템입니다. 유전자 돌연변이 또는 유전자 발현 녹다운(예: RNA 간섭)의 효과는 위에서 설명한 배아 생존력 및 무리 크기 분석을 사용하여 비교적 빠르고 쉽게 평가할 수 있습니다. 우리는 감수 분열 염색체 분리 및 수정/난자 활성화에 관여하는 유전자의 초기 특성화를 위해 이러한 방법을 사용했습니다10,11,12. 배아 생존력 또는 새끼 크기의 관찰된 감소는 감수분열, 배우자 형성, 수정 또는 배아 발생의 중단을 나타냅니다.
배아 생존력과 새끼 크기는 자손 계수와 간단한 수학적 계산을 통해 비교적 쉽게 평가되기 때문에 실험실이나 교실에서 연구 초보자를 위한 최적의 입문 실험입니다. 예쁜꼬마선충 사육의 용이성과 경제적 이점으로 인해 실험 생물학 수업에 특히 적합합니다. 학생들은 예쁜꼬마선충 축산을 통해 귀중한 연구 경험을 얻고, 해부 현미경 사용법을 배우고, 비교적 짧은 시간(이 논문에 설명된 프로토콜로 약 5일)에 답변할 수 있는 발달 시스템에서 생물학적 질문을 할 수 있습니다.
자손 계수의 시기는 배아 생존력 분석에 매우 중요합니다. 20°C에서 배발생은 약 16시간이 걸리고 생식적으로 성숙한 성충은 L1 유충으로 부화한 후 약 60시간 후에 알을 낳기 시작합니다. 수명 주기가 빠르기 때문에 적절한 기간 내에 자손을 세어 배아가 부화할 수 있는 충분한 시간을 허용하지만 자손 자체가 알을 낳기 시작하기 전에 자손을 세는 것이 중요합니다. 성장 기간은 온도에 따라 다르다는 점에 유의하는 것도 중요합니다. 성장은 15-16°C보다 24-25°C에서 약 2.1배 빠르고, 15-16°C보다 20°C에서 약 1.3배 빠르다13. 이 프로토콜에서는 성인을 새 접시에 담은 후 48시간 후에 계수하는 것이 좋습니다. 이 기간은 야생형 발달이 있는 모든 배아가 부화할 수 있는 충분한 시간(>16시간)을 갖지만 생식 능력 지점까지 노화되지 않도록 합니다. 20°C 미만의 온도에서 수행된 분석은 배아가 부화하고 부화한 자손이 MYOB 플레이트의 박테리아 중에서 관찰하기 쉬운 유충 단계(L3-L4 단계)에 도달하기 위해 연장(4일 동안 동물 이식)해야 할 수 있습니다.
배아 생존력 분석 및 새끼 크기 측정에 대한 한계는 교란되는 특정 발달 과정이 쉽게 드러나지 않는다는 것입니다. 그러나 이러한 초기 분석은 어떤 과정이 영향을 받는지 결정하기 위해 세포학적 기술로 후속 조치를 취할 수 있습니다. 예를 들어, 성충을 해부하여 생식선을 방출한 후 4′,6-디아미디노-2-페닐인돌(DAPI) 염색을 하고 생식계열 내의 DNA 형태를 주의 깊게 분석하면 감수분열 과정이 중단되는지 여부를 알 수 있습니다. 또한, 배아의 DAPI 염색은 어느 단계에서 배아 발생이 정지되는지를 밝힐 수 있습니다.
결론적으로, 우리는 생산된 배아(무리)의 수와 다양한 예쁜꼬마선충 돌연변이에 대해 생존할 수 있는 배아의 비율을 분석하기 위한 프로토콜을 설명했습니다. 이 분석은 자가 수정 자웅동체와 수컷/자웅동체 교배에 모두 사용할 수 있습니다. 예쁜꼬마선충 의 짧은 수명 주기로 이 프로토콜은 1주일 이내에 완료할 수 있습니다. 배아 생존력 분석 및 새끼 크기는 감수분열, 수정 또는 배아 발달과 관련된 유전자의 첫 번째 분석으로 사용할 수 있으며 고급 연구자 및 연구 초보자(학부 및 1학년 대학원생) 모두에게 적합한 프로토콜입니다.
The authors have nothing to disclose.
Jaramillo-Lambert 실험실에서의 작업은 국립 보건원 NIGMS R35GM142524의 지원을 받습니다. 모든 예쁜꼬마선충 균주는 국립 보건원(National Institutes of Health, P40 OD010440)이 자금을 지원하는 Caenorhabditis Genetics Center에서 제공했습니다. 그림 1D 는 Biorender.com 를 사용하여 만들어졌습니다.
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. |