Eine mögliche Zebrafisch-Modell der Kidney Disease: Knockdown von<em&gt; Wnt5a</em&gt; Ursachen Zysten in Zebrafisch-Nieren

Zusammenfassung

We describe a method of generating a possible zebrafish model of polycystic kidney disease. We used Tg(wt1b:GFP) fish to visualize kidney structure. Knockdown of wnt5a was by morpholino injection. Pronephric cyst formation after wnt5a knockdown was observed in this GFP transgenic zebrafish.

Zusammenfassung

Polycystic kidney disease (PKD) is one of the most common causes of end-stage kidney disease, a devastating disease for which there is no cure. The molecular mechanisms leading to cyst formation in PKD remain somewhat unclear, but many genes are thought to be involved. Wnt5a is a non-canonical glycoprotein that regulates a wide range of developmental processes. Wnt5a works through the planar cell polarity (PCP) pathway that regulates oriented cell division during renal tubular cell elongation. Defects of the PCP pathway have been found to cause kidney cyst formation. Our paper describes a method for developing a zebrafish cystic kidney disease model by knockdown of the wnt5a gene with wnt5a antisense morpholino (MO) oligonucleotides. Tg(wt1b:GFP) transgenic zebrafish were used to visualize kidney structure and kidney cysts following wnt5a knockdown. Two distinct antisense MOs (AUG - and splice-site) were used and both resulted in curly tail down phenotype and cyst formation after wnt5a knockdown. Injection of mouse Wnt5a mRNA, resistant to the MOs due to a difference in primary base pair structure, rescued the abnormal phenotype, demonstrating that the phenotype was not due to “off-target” effects of the morpholino. This work supports the validity of using a zebrafish model to study wnt5a function in the kidney.

Einleitung

Zebrafisch (Danio rerio) Embryonen wurden allgemein als Modell für die Untersuchung der Nierenentwicklung und polyzystische Nierenerkrankung verwendet. Es gibt viele Vorteile der Verwendung von Zebrafisch als Tiermodell: Die Durchführbarkeit Studium genetischen Wechselwirkungen, die Fähigkeit, Antisense-Morpholino (MO) für die Proteinzuschlags verwenden, die Möglichkeit, schnell zu testen große Anzahl von Embryos und die Betrachtung Organ Phänotypen lebenden Larven ^1. Die Vorniere ist die erste Niere bei Wirbeltieren entwickeln und ist funktional in Zebrafisch-Larven ^2. Die Struktur der Zebrafisch pronephros ist relativ einfach im Vergleich zu den Säuger Metanephros, um die dritte und letzte Niere in Säugetieren zu entwickeln. Nephronanalog ist die Arbeitseinheit der Niere, wobei jede humane Nieren enthaltend zwischen 500.000-1.000.000 Nephronen ^3,4 und jeder Maus Niere mit ungefähr 13.000 Nephronen ^5, was es schwierig macht, einzelne Nephron Struktur beobachten in Mensch oder Maus Nieren. Der Zebrafisch besitzt nur zwei Nephronen und jedes Zebrabärbling Nephron enthält alle Hauptkomponenten im Glomerulus und Tubuli von Mäusen und Menschen und ⁶ ähnlich speziellen Nierenzelltypen gefunden. Im Vergleich zu anderen Wirbeltiermodellen wie Xenopus, Zebrafisch Nephron mehr ähnelt die Säuger Nephron weil es ein geschlossenes System ⁷ hat.

In den letzten Jahren hat sich die Zebrafisch wurde sequenziert, was die breite Einführung von genetischen Werkzeugen umfangreichen Mutanten Ressourcen und Sammlungen von transgenen Reporterlinien in Zebrafisch-Modelle. Die Zebrafisch Vorniere bildet sich zwischen 12 bis 72 Stunden nach der Befruchtung (HPF) und kann leicht in den durchsichtigen Embryos visualisiert werden. Die Wilms-Tumor Protein WT1 ist ein wesentlicher Faktor für die Nierenentwicklung. Transgenic Zebrafischlinien grün fluoreszierende Protein (GFP) unter der Kontrolle des Promotors wt1b Tg Ausdruck (wt1b: GFP) zeigen GFP expression speziell in pronephric Regionen in Zebrafischembryonen, ab 17 HPF ^8. Nephronophthisis (NPHP), eine autosomal-rezessive zystischen Nierenerkrankungen, wird durch Mutationen der Gene NPHP ⁹ verursacht. NPHP4 durch Morpholino Knockdown verursacht Zystenbildung in der Tg (wt1b: GFP). Fisch ¹⁰ Daher ist dieser transgene Fische ein geeignetes Modell zur Beobachtung Nieren Strukturen und Zystenbildung während der Nierenentwicklung. Wichtig ist, dass der Einfluss von Modulatoren der Nierenentwicklung Verwendung dieses Stammes in einer Zeit und Arbeit effizient untersucht werden.

Unser Papier beschreibt die Verwendung von Tg (wt1b: GFP) Fisch als Vorbild zu Nierenzystenbildung nach Genmodulation visualisieren. Wir benutzten Start- und Spleißstellen Antisense-MOs um knock down der Wnt5a Gen in Zebrafisch. Wnt5a ist eine nicht-kanonische sekretierte Glykoprotein des Wnt-Familie, die in der Entwicklung von verschiedenen Organen und postnatalen zellulären eine wichtige Rolle spielt,Funktion ^11. Wnt5a wirkt durch nicht-kanonischen Wnt-Signalwege, einschließlich der planaren Zellpolarität (PCP) Weg, die gefunden wurde, um eine Rolle in orientierte Zellteilung während der Nierentubuli Dehnung zu spielen. Wnt5a regelt die Wnt / PCP-Weg, indem ein Komplex mit dem Rezeptor ähnliche Tyrosinkinase (Ryk), die weiter transduziert Wnt5a Signalisierung durch Bildung eines Komplexes mit dem VANGL planaren Zellpolarität protein 2 (Vangl2), wodurch Vangl2 Stabilität ¹² fördern. Defekte in der PCP-Weg kann in zufälliger Zellteilung verursachen und eine Nierenzystenbildung. Wir nutzten die Tg (wt1b: GFP) Zebrafisch Linie zu Nierenzystenbildung folgenden Wnt5a Zuschlags beobachten. Die Tg (wt1b: GFP) Zebrafisch-Modell ermöglicht die Live-Darstellung und zeitnahe Beobachtung der Nierenstruktur. Nach Wnt5a Zuschlags wurde Nierenzystenbildung gefunden, beginnend bei 24 HPF; bei 72 HPF, könnte Zysten in den Glomeruli und den proximalen Tubuli gefunden werden. Diese Methode könnte auch zu s verwendet werdencreen andere Gene, die Nierenzystenbildung verursachen könnten.

Protokoll

HINWEIS: Ethik Hinweise: Alle Zebrafisch-Experimente wurden von der Institutional Animal Care und Verwenden Committee an der Eastern Virginia Medical School zugelassen.

1. Morpholino Vorbereitung

1. Design und Synthese Übersetzung blockier (Aug-) und Spleiß-Hemmung (Spleiß-) Antisense-Morpholino (MO) Oligonukleotide für das Gen von Interesse nach Herstellerangaben (1A). Bitte lesen Sie Informationen des Herstellers, die in Tabelle 1.
   HINWEIS: MOs werden als lyophilisierte Aktien in Glasflaschen geliefert.
2. Hinzufügen hochwertigen sterilem Wasser auf die Glasflasche zu resuspendieren MOs zu einer Endkonzentration von 25 ug / ul. Stellen Sie sicher, dass das Oligonukleotid vollständig gelöst ist. Wenn einige solide bleibt, heizen das Fläschchen mit dem Lager Oligonukleotid-Lösung bei 65 ° C für 5 bis 10 Minuten und kurz vortexen.
3. Bewahren Sie die MO-Stammlösung bei RT. Lagern Sie diese nicht bei 4 ° C oder -20 °; C, weil geringere Temperaturen können dazu führen, die MO-Oligonukleotids an der Behälterwand zu binden. Messen Sie die Konzentration der Stammlösung mit einem Spektralphotometer jedes Mal eine neue MO-Stammlösung hergestellt wird (siehe Tabelle 1 beziehen).
4. Bereiten Sie die MO-Arbeitslösung am Tag der Injektion durch Verdünnung der Stammlösung mit hochgradigen sterilem Wasser auf die gewünschte Dosis. Mit 0,5% Phenol-Rot zu einer Konzentration von 0,05% zu erreichen. Wenn Sie beispielsweise 5 ul Arbeitslösung mit einer Konzentration von 15 ng / nL, fügen 3 ul MO Stammlösung und 0,5 ul 0,5% Phenol-rot bis 1,5 ul Wasser.
   HINWEIS: Mit dieser Arbeitskonzentration, jeder Tropfen (500 pl) der Injektion enthält 7,5 ng MO und zwei Tropfen enthalten 15 ng von MO.

2. Herstellung der Einspritzvorrichtung

1. Kauf Glas vorgezogen Nadeln (siehe Tabelle 1 für weitere Informationen). Alternativ ziehen Sie das Glas Injektionsnadel with eine Nadel Magnet.
2. Schalten Sie den Kompressor und stellen Sie die Druckeinstellung auf 50 psi. Schalten Sie den Binokular-Lichtquelle und Pico Mikroeinspritzpumpe und passen Sie die Einstellungen wie folgt: Halten Druck 20 psi, werfen Druck 10 psi, Zeit-Wert von 2,5 und 100 & mgr; s Palette von Gating.
3. Legen Sie das Glas vor, zog Nadel mit 5 ul der Injektionslösung und setzen Sie die Nadel in vertikaler Position mit der Spitze nach unten. Warten Sie, bis die gesamte Lösung der Nadelspitze ohne sichtbare Luftblasen erreicht. Setzen Sie den Nadelhalter in einer passenden Position neben dem Mikroskop und legen Sie die Glasnadel in die Halterung. Ist der Einspritzwinkel um 45 Grad.
4. Bringen Sie die Nadelspitze in Sicht unter dem Mikroskop, hoch über der Bühne, und konzentrieren sich auf die dünnsten Bereich der Spitze. Brechen Sie die Nadelspitze mit feinen Spitze Pinzette.
5. Legen Sie ein Lineal und ein Rohr oder Schlauch mit Innendurchmesser von 0,15 mm nebeneinander unter dem Mikroskop;Injizieren der Lösung in ein Ende des Kapillarröhrchens einen Flüssigkeitssäule bilden. Stellen Sie die Auswurfzeit alle 17 Tropfen je 1 mm Länge Flüssigkeitssäule zu erreichen, wird das Volumen jeder Tropfen ist 1 nl (Tropfenvolumen = π x Radius ² x Länge (der Flüssigkeitssäule) / count (Tropfen).
   HINWEIS: Ein Tropfen mit einem Durchmesser von 0,1 mm ergibt einen Injektionsvolumen von etwa 500 pl (Tropfenvolumen = 4/3 x π x Radius ^3).

3. Herstellung der befruchteten Zebrafischembryonen und Injektion mit Morpholinos

1. Transgenen Zebrafisch Zuchtpaare nach den veröffentlichten Protokollen für Standard Zebrafischhaltung und Wartung: bis Tg (GFP wt1b) ein. Sammeln Embryonen nach Naturbrut, und halten sie in einer 10 cm Petrischale mit E3 Wasser gefüllt (5 mM NaCl, 0,17 mm KCl, 0,33 mM CaCl _2, 0,33 mM MgSO _4). Starten MO Injektion sofort ^13. Überwachen Embryo Morphologie unter dem Mikroskop und stellen Sie sicher, MO Injektion ist im Ein-Zell-Stadium, oder spätestens am Vierzellstadium.
   1. Transfer der Embryonen in einen 10-cm-Petrischale mit Agar Tröge keilförmig. Saugen Sie das zusätzliche E3 Wasser und drücken Sie vorsichtig die Embryonen in die Tröge.
   2. Bearbeiten Sie die Embryonen mit der Mikropipette 1-Zell-Stadium Embryos unter dem Binokular visualisieren. Durchdringen die Chorion und dann das Eigelb, ein oder zwei Tropfen MO in den Dotter (1 Tropfen = 500 pl) zu injizieren. Übertragen Sie die injizierten Embryonen zu einer 10 cm Petrischale mit E3 Wasser und Inkubation bei 28,5 ° C.
2. Nach den Injektionen, entfernen Sie die toten Embryonen und notieren Sie die Anzahl der injizierten Embryonen. Ersetzen Sie die E3 Wasser in der Schale alle 24 bis 48 Stunden.

4. Phänotyp Rettungsversuche

1. Auszuwählen, die ein Ortholog von einer anderen Spezies, die eine andere primäre Basispaarstruktur (üblicherweise 3-7 Basenpaar Mismatches) aufweist und daher beständig gegen das MO, zur Rettung. Beispielsweise wird in diesem Experiment haben wir unsMaus weil die Maus Wnt5a mRNA-Sequenz unterscheidet sich von der Zebrafisch-Sequenz.
2. Entwerfen eines Primers mit der Vorwärtsprimer beginnend beim Translationsstelle und der Reverse-Primer in der Nähe des Endes der mRNA codierende Region eingestellt. Hinzufügen eines T7-Promotorsequenz am 5'-Ende des Vorwärtsprimer-Sequenz. In diesem Experiment verwendeten wir die folgenden Primersequenzen; vorwärts: 5'-taa tac gac tca cta Tag GGA cta tga tgc tgc tga agc tga a- 3 'und umgekehrt: 5'-TCA ctt gca gac gta ctg gtc- 3'.
3. Durchführen einer 50 ul Polymerase-Kettenreaktion (PCR) mit den Primersatz (0,5 & mgr; M von jedem Primer) vorstehend ausgebildet und 0,1 & mgr; g Matrizen-DNA, die das Maus Wnt5a cDNA-Sequenz mit der folgenden PCR-Programm: 1 Zyklus bei 95 ° C für 5 min; 35 Zyklen von 95 ° C (30 sec), 58,5 ° C (30 sec), 72 ° C (1 min); und abschließende Extension bei 72 ° C für 7 min.
4. Nach Abschluss ter Zyklus ausführen 2 ul des PCR-Produkts auf 1% Agarosegel, um sicherzustellen, dass die Band die richtige Größe. Man reinige das PCR-Produkt mit einem PCR-Purification-Kit nach den Anweisungen des Herstellers. Überprüfen DNA-Konzentration mit einem Spektralphotometer. Speicherung des gereinigten PCR-Produkts bei -20 ° C oder direkt in verkappter RNA Transkription Verwendung im nächsten Schritt.
5. Synthetisieren in vitro mRNA mit Cap mit einem verkappten RNA-Synthese-Kits nach den Anweisungen des Herstellers. Verdünnen Sie die mRNA in 20 ul RNase freies Wasser und Bestimmung der Konzentration. Aliquot der RNA und bei -80 ° C.
6. Am Tag der Injektion, bereiten eine Arbeitslösung der mRNA mit RNase frei sterilem Wasser. Man beachte, daß 40 pg ist im allgemeinen die höchste RNA Dosis, bei der unspezifische oder toxische Wirkung des RNA treten nicht auf. Halten Sie die Arbeitslösung auf Eis. Spritzen Sie die Embryos mit MO und dann die Rettung mRNA, oder Co-spritzen beide zusammen. Wenn beispielsweise die Konzentration der mRNA prepared in Schritt 4.5 ist 0,6 ug / ul, fügen 0,67 ul mRNA (0,4 ug) bis 4,33 & mgr; l RNase-freies Wasser bis zu einer Endkonzentration von 0,08 ug / ul zu ergeben, und ein Tropfen (500 pl) jeder Injektion enthält 40 pg mRNA. Bereiten MO, wie in Schritt 3 beschrieben.

5. Vorbereitung der injizierten Embryonen für Fluorescent Imaging

1. Nach der Inkubation bei 28,5 ° CO / N, fügen Sie 0,003% N-Phenylthioharnstoff (PTU) mit dem E3 Wasser Melanisierung, die Beobachtung der Vorniere Struktur mittels Fluoreszenzmikroskopie wirkt verhindern. Allerdings PTU nicht vor Gastrulation abgeben, weil es die frühe embryonale Entwicklung betrifft.
2. Bei 48 HPF, manuell dechorionate die Embryonen mit feinen Pinzette. Nehmen Sie Bilder von 48 und 72 HPF Embryonen unter einem Licht Dissektionsmikroskop.
   Hinweis: Diese Bilder sind ohne Narkose entnommen werden.
3. Etwa 10 Minuten vor der unter dem Fluoreszenzmikroskop Bildgebung, betäuben die Embryonen, indem Sie sie in10 cm Petrischale mit 160 ug / ml gepufferte Tricaine. Warten Sie 5-10 Minuten, und dann locker am Zebrafisch zu bestätigen, dass sie sich nicht bewegen und damit die Narkose wirkt.
4. Nachdem die Embryos betäubt werden, montieren sie in 3% Methylcellulose und orientieren sie in Bauchlage unter einem Binokular (siehe Tabelle 1).
5. Beachten Sie die Vorniere Struktur unter einem Fluoreszenzmikroskop (siehe auch Tabelle 1) und nehmen Sie Bilder mit unterschiedlicher Vergrößerung (10X und 20X).

Ergebnisse

Wnt5a niederschlagen wurde durch die Einführung Übersetzung blockieren MO erreicht (August-MO) oder Exon / Intron-Grenze Splice-MO (Splice-MO) auf Zebrafischembryonen an dem einen Zellstadium. Die August-MO zielt auf das Start-Codon und daher hemmt sowohl von Müttern und zygotischen Wnt5a Nachricht. Der Spleiß-MO zielt die dritte Spleißdonorstelle und hemmt nur die zygotischen Transkript Wnt5a (1A). Die Aug- und Spleiß- morphants phenocopied seitig mit mehreren Mängeln, darunter...

Diskussion

Polyzystische Nierenerkrankung (PKD) ist eine der führenden Ursachen für end-stage renal Krankheit beim Menschen und wird durch fortschreitende Zysten, Nieren Erweiterung und abnorme Entwicklung Röhrchen ¹⁴ aus. Autosomal dominante PKD (ADPKD) ist eine Erbkrankheit, bei der die Mutation von entweder PKD1 kodiert Polycystin-1 (PC1) oder PKD2, Polycystin-2 (PC2) kodiert, führt zu Zystennieren. Viele andere Gene, vor allem Proteine, die in der primären Zilien gefunden codiert, wird angenommen, dass bei der ...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.5% Phenol-Red	Sigma	P0290	Color indicator for injection
Morpholino	Genn Tools, LLC	(customized)	Customized designed to the gene of interest
Pre-pulled needle	Tritech Research	MINJ-PP	If large amount of needle is required, you can also purchase a needle puller and prepare the needle in the lab
T7 mMessage Kit	Ambion	1344	For in vitro transcription to make capped mRNA for rescue experiment
N-Phenylthiourea	Sigma	P7629	For prevention of melanization
Tricaine	Sigma	A5040	Also called ethyl 3-aminobenzoate, for zebrafish anesthesia
Methyl Cellulose	Sigma	M-0387	For position of zebrafish
QIAquick PCR Purification Kit	Qiagen	28104	For purification of PCR product for cap RNA synthesis.
dNTP mix	Promega	U1511	For PCR
Tag DNA Polymerase	Invitrogen	10342-053	For PCR
NanoDrop spectrophotometer	Thermo Scientific	ND-1000	For measure morpholino and RNA concentration
Air Compressor	Werther International, Inc.	Panther Compact 106	Air source for injection
Pico micro-injection pump	World Precision Instruments Inc	PV830 Pnematic PicoPump	Other types of microinjection system can be used.
Micro-manuplator	World Precision Instruments Inc	MMJR	Right-handed (MMJL for left handed)
Needle holder	World Precision Instruments Inc	5430-ALL	To hold needle for micromanipulation
Dumont Tweezers	Fine Surgical Tools	11253-20	For breaking off the needle tip
Dissecting microscope	Leica M205C		For observing and imaging zebrafish embryos
Fluorscence microscope	Zeiss Axio Obserer D1m		For imaging zebrafish pronephros
Capillary tube (I.D. 0.15 mm)	VitroCom	CV1525Q-100	For measure the volume of each injected drop