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胚胎学操作,如细胞的灭绝和移植是研究早期发育的重要工具。该协议描述了一种简单有效的移植装置,用于在斑马鱼胚胎中执行这些操作。
经典的胚胎学操作,例如在胚胎内部或胚胎之间移除细胞和移植细胞,是研究复杂发育过程的强大技术。斑马鱼胚胎非常适合这些操作,因为它们易于接近,尺寸相对较大且透明。然而,以前开发的用于细胞去除和移植的设备使用起来很麻烦或购买成本高昂。相比之下,这里介绍的移植装置经济,易于组装且易于使用。在该协议中,我们首先介绍了移植设备的处理以及从商业和广泛使用的零件组装。然后,我们提出了三种应用:产生异位克隆以研究来自局部来源的信号扩散,细胞灭绝以产生尺寸减小的胚胎,以及种系移植以产生母体 - 合子突变体。最后,我们表明该工具还可用于其他物种的胚胎操作,例如日本稻鱼青鲽。
从Mangold和Spemann的经典实验中,证明了存在指导胚胎轴形成的组织者1,胚胎之间的细胞移植已成为研究胚胎发育的既定技术2,3,4,5,6,7,8,9,10.常用的移植装置包括一个千分尺驱动控制的气密注射器,通过柔性管和充满矿物油的储液器连接到微量移液器支架12,13。在此设置中,注射器的柱塞通过螺钉移动。以这种方式产生的压力被转移到微量移液器中,并用于从一个胚胎中抽出细胞并将其沉积到另一个胚胎中。然而,这种液压操作的设备由许多部件组成,从头开始组装起来很费力。类似的设备也可以作为完整的工作装置购买,通常作为手动显微注射器出售,这些商业版本通常花费超过1500美元。在自制和商业版本中,用于胚胎操作的微量移液管通过充油管与压力发生装置(气密注射器)分离。因此,微量移液器的操作和柱塞的运动必须用不同的手单独操作,从而降低了吞吐量和实用性。此外,这些装置对于准备移植很麻烦,因为管子需要小心地装满油,同时避免形成气泡。在这里,我们描述了一种用于细胞去除和移植的替代气动操作设备,该设备价格低廉,易于组装且易于使用。
这里展示的设备包括一个装有微量移液管支架的25μL气密注射器,总成本不到80美元。通过鲁尔锁接头将微量移液管支架插入注射器,可轻松组装该设备(图1A)。然后将设备直接安装在显微操纵器上,允许用户直接在显微操作器上用一只手控制其位置和吸力。这方便地使另一只手可以自由地稳定和移动包含供体和宿主胚胎的移植皿。该装置通过直接吸入空气工作,不需要填充矿物油。由于水和玻璃针壁之间的吸引力,注射器柱塞中的大运动被转化为针内水位的较小运动,只要水位在玻璃针的锥形端。这允许精确控制吸出细胞的数量及其插入位置。
为了证明该装置的实用性,我们介绍了斑马鱼(Danio rerio)胚胎中的三种应用。首先,我们展示了如何生成分泌信号分子的局部来源,可用于研究梯度形成2,4,6。在这里,供体胚胎被注射编码荧光标记的信号分子的mRNA。然后将荧光标记的供体细胞移植到野生型宿主胚胎中,在那里可以成像和分析信号梯度的形成。其次,我们描述了如何使用该装置通过灭绝去除细胞,以产生尺寸减小的胚胎5,13。最后,我们展示了如何将携带原始生殖细胞报告基因的细胞移植到生殖系已被烧蚀的宿主胚胎中来稳健地产生母体 - 合子突变体6,10。将来,这里描述的移植装置可以很容易地适应其他需要切除或移植细胞的胚胎学操作。
1. 组装和使用移植装置
2. 在斑马鱼胚胎中产生分泌信号分子的异位来源
3. 通过细胞灭绝产生尺寸减小的胚胎
4. 通过种系移植产生母体-合子突变体
在上述三种应用中使用移植设备的成功和失败可以通过在立体显微镜下进行目视检查来轻松评估。在成功的移植中,胚胎应该看起来正常,形状和卵黄清晰度与未移植的胚胎相似,胚泡中没有大撕裂。如果胚胎明显受损(图4B),它将无法正常发育。理想情况下,在荧光立体显微镜下观察时,表达荧光标记物的移植细胞应显示为连续柱(图2A, 图4A)。如果柱子是碎片的,这表明细胞被吸入移植针中剪切,或者细胞的沉积太用力。这可以通过更慢和更轻柔地移动柱塞来防止。
虽然移植装置主要用于处于胚泡期的斑马鱼胚胎5,6,但对于日本稻鱼青鲽(Oryzias latipes)的去脉裂胚,移植和细胞灭绝同样有效(图2B)。除了Porazinski,S.R.等人描述的胚胎去角化之外,还可以遵循上述相同的程序。
在种系移植的特定情况下,良好的移植将导致胚胎在卵黄边缘正上方具有长水平细胞柱(图4A)。然而,由于GFP在胚芽阶段的背景表达,生殖细胞是否成功移植只能在第二天进行评估(图4C-F)(图1F)。原始生殖细胞将在蛋黄延伸正上方的凹槽中显示为小荧光球(图4C-E)。这些细胞在正确位置的存在表明生殖系移植成功。具有不同形状的细胞不是生殖细胞(例如,细长的细胞通常是肌肉细胞,图4F)。此外,如果在凹槽外发现原始生殖细胞,这意味着它们无法正常迁移,并且它们将无法为胚胎的生殖系做出贡献。最后,移植胚胎的一般形态应与未移植的胚胎相似(图4D);尾巴不应变形,头部不应缩小或缺少眼睛(图4E)。这些缺陷通常是由于吗啉浓度过高或移植过程中的胚胎损伤引起的。此处描述的种系移植实验通常会导致6个宿主胚胎中的1-2个成功移植生殖细胞,用于60%-80%的供体胚胎,具体取决于实验者的经验。因此,来自40-50个纯合供体胚胎的细胞需要移植到200-300个宿主胚胎中,以培养大约30个具有突变生殖细胞的个体。
图 1:移植装置的组装和使用。 (A) 移植装置是通过 Luer 锁接头将气密注射器与微量移液管支架连接在一起的。然后将用于移植的玻璃针插入微量移液管支架中。(B)安装在显微操作器上的组装移植装置的照片(请注意,背景和标签已从图片中删除)。(C)使用移植装置时,重要的是要确保移植针中的水位保持在锥形末端。(D)该装置在立体显微镜下用于将细胞从放置在移植皿的单个孔中的硬骨胚胎中取出并插入和插入。(E)对于异位源的产生,细胞从供体胚胎的动物极(i-ii)中取出并转移到宿主胚胎(iii-vi)的动物极中。(F)对于生殖系移植,从生殖细胞所在的供体胚胎(i-ii)的边缘取出大量细胞。然后将细胞转移到宿主胚胎的边缘(iii-vi)。 请点击此处查看此图的放大版本。
图2:通过细胞移植生成克隆。 (A)通过连续移植从斑马鱼供体到斑马鱼宿主胚胎中的荧光细胞(绿色)生成的双克隆的示例。单克隆和双克隆可用于研究分泌的信号分子如何形成时空梯度2,4,5,6。(B)通过将来自表达 eGFP的转基因鳏鱼供体(温布尔登)17的细胞移植到野生型鳔鳉宿主中而产生的单个克隆的例子。比例尺代表100μm。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3:通过细胞灭绝产生尺寸减小的胚胎。 (A)在通过灭绝去除细胞之前,可以通过将荧光染料注射到YSL的两个相对侧来标记YSL。(B)YSL注射后胚胎的例子。(C)为了产生尺寸减小的胚胎,通过灭绝从动物极中移除细胞5。(D)细胞灭绝后胚胎的例子。请注意,YSL 保持不变。比例尺代表100μm。 请点击此处查看此图的放大版本。
图4:种系移植(A)将供体细胞成功移植到宿主边缘区域的示例(绿色)。(B)移植不成功的示例。宿主胚胎的蛋黄严重受损,胚胎将无法正常发育。(C)在30 hpf时,成功移植的生殖细胞将仅在蛋黄延伸前部区域的性腺中胚层中发现。(D)成功移植的例子,其中几个GFP标记的供体生殖细胞已经填充了宿主未来的性腺。(E) 移植不成功的事例。虽然生殖细胞已经到达性腺中胚层,但宿主胚胎严重变形,不会正常发育。(F) 移植不成功的例子。未能迁移到正确位置的荧光生殖细胞不会重新填充性腺。比例尺表示 100 μm。D-F格式的图像以大约50倍的总放大倍率拍摄。请单击此处查看此图的放大版本。
移植实验的成功很大程度上取决于实验者的精细运动技能。为了成功执行这些程序,需要实践。然而,与市场上的其他仪器相比,这里介绍的工具相对容易学习和使用,并且通常只需要几天的练习。
通过采取一些预防措施可以提高移植过程的成功率。一个步骤是确保显微操纵器质量好,能够平稳运行。在立体显微镜中添加具有更高倍率的眼部可以帮助精确定位针头相对于胚胎的位置。使用繁殖良好的斑马鱼或青鳉来获得健康的胚胎,并注意在处理过程中(特别是在去角质步骤期间和之后)不要损坏胚胎,这也将提高成功率。
延迟毒性问题可能更难解决。如果胚胎在几个小时后死亡 - 但不是在移植后立即死亡 - 蛋黄可能被针头损坏(例如,由于进入胚胎太深),或者细胞被弹出太强。延迟毒性和胚胎死亡也可能是由于与供体细胞一起注射的蛋黄或细胞碎片引起的;另一个原因可能是林格溶液中HEPES缓冲液恶化。这些问题可以通过洗涤细胞(参见步骤1.3.8)或简单地使用一批新的缓冲液来克服。此外,种系移植实验中变形的宿主胚胎可能是由于吗啉浓度过高引起的。使用足够的吗啉素来完全消融宿主的野生型种系是至关重要的,从而防止这些细胞对后代做出贡献 - 但与此同时,需要避免过高的吗啉浓度。因此,所有注射的宿主胚胎中一致的吗啉蛋白量(典型实验中为几百个)是种系移植成功的关键。这可以通过用易于看到的示踪剂14补充吗啉注射混合物来帮助,该示踪剂可以在荧光立体显微镜下跟踪,以确保所有胚胎接受相同的注射量。
该协议中描述的程序仅涉及对胚泡期斑马鱼或青鳉胚胎中细胞的操作,但将来,通过改变移植针的直径和形状,可能会使该装置适应不同的阶段和物种。
作者没有利益冲突要声明。
该项目得到了马克斯·普朗克学会的支持,并获得了欧洲研究理事会(ERC)根据欧盟地平线2020研究和创新计划(赠款协议号637840(QUANTPATTERN)和第863952号赠款协议(ACE-OF-SPACE))的资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.0 mm glass capillary, ends cut without filament | To make the transplantation needle | ||
1.0 mm glass capillary, ends cut with filament | To make injection needles | ||
200 mL glass beaker | For embryo dechorionation | ||
24-well plastic plate | To be coated with agarose in order to incubate embryos | ||
5 cm diameter glass Petri dish | For embryo dechorionation | ||
6-well plastic plate | To be coated with agarose in order to incubate embryos | ||
Agarose | To coat plastic dishes | ||
dnd1 morpholino | Gene Tools | Sequence: GCTGGGCATCCATGTCTCCGAC CAT | |
Embryo medium | 250 mg/L Instant Ocean salt, 1 mg/L methylene blue in reverse osmosis water adjusted to pH 7 with NaHCO3 | ||
Fluorescence stereomicroscope with GFP/RFP filters and light source | To assess YSL injections and germ-line transplantations | ||
Glass micropipette puller | Sutter Instrument Company | P-1000 | To make the transplantation needle |
Glass pasteur pipette | Kimble Chase (via Fisher) | 63A53WT | For pipetting embryos; the tips can be flamed to smoothen out the edge |
Incubator at 28 °C | For incubating zebrafish embryos | ||
Luer tip 25 μL Hamilton syringe, 1700 series | Hamilton | Ref: 80201 | Part of the transplantation device |
Manual micromanipulator with 3 axes of movement | Narishige | M-152 | For controlling the transplantation device |
Manual pipetting pump | Bio-Tek | Cat. # 641 | For use with the glass pipettes to transfer embryos |
Metal dissecting probe | For moving and rotating zebrafish embryos | ||
Microforge | Narishige | MF2 | To make the transplantation needle |
Microinjection apparatus | For injection of mRNA and morpholino into embryos | ||
Microinjection molds, triangular grooves | Adaptive Science Tools | TU-1 | To prepare microinjection plates with agarose |
Microinjection-molds, single wells | Adaptive Science Tools | PT-1 | To prepare transplantation plates with agarose |
Micropipette holder with Luer fitting for a 1.0 mm glass capillary | World Precision Instruments | MPH6S10 | Part of the transplantation device |
mMessage mMachine Sp6 transcription kit | Life Technologies | AM1340M | To generate capped mRNA for injection into embryos |
Plasmid with GFP-nos1 3'UTR | Plasmid that can be transcriped to produce mRNA encoding GFP with the 3'UTR of nos1 | ||
Plastic petri dish 100 mm | To be coated with agarose in order to make injection and transplantation dishes | ||
Protease from Streptomyces griseus | Sigma | P5147 | For embryo dechorionation: Make a 5 mg/ml stock and use at 1 mg/ml to dechorionate embryos |
Ringer’s solution | For 1 L: Add 6.78 g of NaCl, 0.22 g of KCl, 0.26 g of CaCl2 and 1.19 g of HEPES; then fill to 1 L; adjust pH to 7.2; sterilize by filtration | ||
Stereomicroscope | For injection and transplantation |
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