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Method Article
여기에서 우리는 수정 후 최소 1일에서 7일 사이의 모든 단계에서 제브라피시 배아와 유충에서 높은 공간적 및 시간적 해상도로 세포를 이식하기 위한 프로토콜을 제시합니다.
발달과 재생은 유전적으로 인코딩된 시공간적으로 역동적인 세포 상호 작용 과정에 의해 발생합니다. 세포 운명을 추적하고 기증 세포와 숙주 세포의 유전적, 공간적 또는 시간적 특성의 불일치를 유도하기 위해 동물 간 세포 이식을 사용하는 것은 이러한 상호 작용의 특성을 검사하는 강력한 수단입니다. 병아리 및 양서류와 같은 유기체는 각각 발달과 재생에 대한 우리의 이해에 결정적인 기여를 했는데, 이는 대부분 이식에 대한 그들의 친화성 때문입니다. 그러나 이러한 모델의 힘은 낮은 유전적 다루기 가능성으로 인해 제한되어 왔습니다. 마찬가지로, 주요 유전자 모델 유기체는 이식에 대한 적응성이 낮습니다.
제브라피쉬는 발달 및 재생을 위한 주요 유전자 모델이며, 세포 이식은 제브라피시에서 일반적이지만 일반적으로 초기 배반구 및 위틀라 발달 단계에서 미분화 세포의 이동으로 제한됩니다. 이 기사에서는 수정 후 최소 1일에서 7일 사이에 제브라피시 이식 기간을 모든 배아 또는 유충 단계로 확장하는 간단하고 강력한 방법을 제시합니다. 이 접근법의 정밀도는 기증자와 숙주 동물 모두에서 거의 완벽한 공간 및 시간 해상도로 하나의 세포를 이식할 수 있도록 합니다. 여기에서는 신경 발달 및 재생 연구를 위한 배아 및 유충 뉴런의 이식을 각각 강조하지만, 이 접근 방식은 광범위한 전구 세포 및 분화된 세포 유형 및 연구 질문에 적용할 수 있습니다.
세포 이식은 발달 생물학의 기본 기술로서 길고 유명한 역사를 가지고 있습니다. 20세기로 접어들면서 이식을 포함한 발달 과정을 교란하기 위해 물리적 조작을 사용하는 접근 방식은 발생학을 관찰 과학에서 실험 과학으로 변형시켰습니다 1,2. 한 가지 획기적인 실험에서, 한스 슈페만(Hans Spemann)과 힐데 망골트(Hilde Mangold)는 도롱뇽 배아의 등쪽 배반포자(dorsal blastopore lip)를 숙주 배아의 반대쪽에 자궁 이식하여 주변 조직이 2차 신체 축(secondary body axis)을 형성하도록 유도했다3. 이 실험은 세포가 다른 세포가 특정 운명을 채택하도록 유도할 수 있음을 보여주었고, 그 후 이식은 능력 및 세포 운명 결정, 세포 계통, 귀납 능력, 가소성 및 줄기 세포 효능에 관한 발달 생물학의 중요한 질문을 심문하는 강력한 방법으로 개발되었습니다 1,4,5.
최근의 과학적 발전으로 이식 접근법의 힘이 확장되었습니다. 1969년, 니콜 르 두아랭(Nicole Le Douarin)은 뉴클레올라 염색이 메추라기-병아리 키메라의 기원 종을 구별할 수 있다는 발견으로 이식된 세포와 그 자손을 추적할 수 있게 되었습니다6. 이 개념은 나중에 형질전환 형광 마커와 고급 이미징 기술5의 출현으로 더욱 강화되었으며, 세포의 운명을 추적하고6,7 줄기세포와 그효능을 확인8,9하며 뇌 발달 중 세포 움직임을 추적하는 데 활용되었다10. 또한, 분자 유전학의 부상은 서로 다른 유전자형을 가진 숙주와 기증자 간의 이식을 촉진하여 발달 요인의 자율적 및 비자율적 기능의 정확한 해부를 지원했다11.
이식은 또한 재생 조직의 성장과 패턴을 조절하는 세포 정체성과 상호 작용을 해명함으로써 특히 플라나리아와 아홀로틀과 같은 강력한 재생 능력을 가진 유기체에서 재생 연구에 중요한 기여를 했습니다. 이식 연구는 효능12, 공간 패터닝(spatial patterning)13,14, 특정 조직의 기여도(contributions of specific tissue)15,16, 세포 기억(cellular memory)12,17의 재생에 대한 역할의 원리를 밝혀냈다.
제브라피쉬는 보존된 유전 프로그램, 높은 유전적 관리성, 외부 수정, 큰 클러치 크기 및 광학적 선명도로 인해 신경계를 포함한 발달 및 재생 연구를 위한 선도적인 척추동물 모델입니다 18,19,20. 제브라피쉬는 또한 초기 발달 단계에서 이식에 매우 적합합니다. 가장 두드러진 접근법은 라벨링된 기증자 배아의 세포를 배반 또는 위스트룰라 단계의 숙주 배아로 이식하여 모자이크 동물을 생성하는 것입니다. 배반(blastula) 단계에서 이식된 세포는 에피볼리(epiboly)가 시작됨에 따라 흩어지고 분산되어 배아21 전체에 걸쳐 표지된 세포와 조직의 모자이크를 생성합니다. 위부 이식은 실드가 형성되고 A-P 및 D-V 축을 결정할 수 있기 때문에 대략적인 운명 지도에 따라 이식된 세포를 일부 표적화할 수 있습니다21. 그 결과로 얻은 모자이크는 유전자가 세포를 자율적으로 작용하는지 여부를 결정하고, 세포 헌신을 테스트하고, 발달 전반에 걸쳐 조직 이동 및 세포 이동을 매핑하는 데 유용했습니다 5,11. 모자이크 제브라피쉬는 전기천공법(electroporation)22, 재조합(recombination) 23, F0 형질전환(transgenesis)24 및 돌연변이유발(mutagenesis)25 등 여러 가지 방법으로 생성될 수 있지만, 이식은 공간, 시간, 세포의 수와 유형에서 가장 큰 조작성과 정밀도를 제공한다. 제브라피시 이식의 현재 상태는 수정 후 첫 10-30시간 동안의 척수 운동 뉴런26,27, 망막 신경절 세포28,29 및 신경능선 세포의 이식30, 그리고 성인 제브라피시에서 조혈 및 종양 세포의 이식을 포함한 몇 가지 예외를 제외하고는 초기 단계의 전구 세포에 크게 국한되어 있습니다 5,31. 이식 방법을 광범위한 연령, 분화 단계 및 세포 유형으로 확장하면 발달 및 재생 과정에 대한 통찰력을 제공하는 이 접근 방식의 힘이 크게 향상될 것입니다.
여기에서 우리는 수정 후 최소 7일까지 제브라피시 배아 및 유충에서 효과적인 고해상도 세포 이식을 위한 유연하고 강력한 기술을 보여줍니다. 표적 조직에서 형광 단백질을 발현하는 형질전환 숙주 및 기증자 물고기를 사용하여 단일 세포를 추출하고 거의 완벽한 공간 및 시간 해상도로 이식할 수 있습니다. 제브라피시 배아와 유충의 광학적 투명도 덕분에 숙주 동물이 발달하거나 재생될 때 이식된 세포를 실시간으로 이미지화할 수 있습니다. 이 접근법은 이전에 시공간 신호 역학이 배아(32)에서 뉴런 정체성 및 축삭 유도에 어떻게 영향을 미치는지 조사하고, 유충어류(33)에서 재생 중 내적 및 외적 요인이 축삭 유도를 촉진하는 논리를 조사하는 데 사용되었습니다. 여기서는 분화된 뉴런의 이식에 초점을 맞추고 있지만, 우리의 방법은 발달 및 재생의 문제를 해결하기 위해 여러 단계와 조직에 걸쳐 분화되지 않은 세포 유형과 분화된 세포 유형 모두에 널리 적용할 수 있습니다.
살아있는 제브라피시와 관련된 이 절차의 모든 측면은 미네소타 대학교 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았으며 IACUC 지침에 따라 수행됩니다.
1. 이식 장치의 일회성 초기 설정(그림 1)
2. 배아 푸셔를 준비합니다.
3. 솔루션을 준비합니다.
4. 이식을 위해 기증자 및 숙주 동물을 준비합니다.
5. 이식 바늘을 준비합니다.
6. 이식
알림: 모든 바늘 움직임은 이 섹션의 미세 미세 조작기를 사용하여 수행해야 합니다.
7. 숙주 동물 회수
이식 실험의 결과는 형광 현미경을 사용하여 이식 후 적절한 시점에 숙주 동물의 형광 표지된 기증자 세포를 시각화하여 직접 관찰할 수 있습니다. 여기에서, 우리는 3 dpf에서 개별 전방 미주 신경 세포를 이식했습니다. 그런 다음 숙주 동물을 12시간 또는 48시간 동안 배양하고, 마취하고, 유리 커버슬립에 LMA에 장착하고, 컨포칼 현미경으로 이미징했습니다(
발달 및 재생 생물학은 100년 이상 세포 신호 전달과 세포 운명 결정의 원리를 조사하기 위해 이식 실험에 의존해 왔습니다. 제브라피시 모델은 이미 유전적 접근법과 이식 접근법의 강력한 융합을 대표하고 있습니다. 모자이크 동물을 생성하기 위해 배반포 및 위부 단계에서 이식하는 것은 일반적이지만 해결할 수 있는 질문 유형에는 제한이 있습니다. 배아 척추 운동 뉴...
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
제브라피시 이식 교육을 해주신 Cecilia Moens에게 감사드립니다. 훌륭한 물고기 관리를위한 Marc Tye; 그리고 Emma Carlson이 원고에 대한 피드백을 제공했습니다. 이 연구는 A.J.I.에 대한 NIH 보조금 NS121595의 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL "reservoir syringe" | Fisher Scientific | 14-955-459 | |
150 mL disposable vacuum filter, .2 µm, PES | Corning | 431153 | |
20 x 12 mm heating block | Corning | 480122 | |
3-way stopcock | Braun Medical Inc. | 455991 | |
3 x 1 Frosted glass slide | VWR | 48312-004 | |
40x water dipping objective | Nikon | MRD07420 | |
Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C3306 | |
Coarse Manipulator | Narishige | MN-4 | |
Custom microsyringe pump | University of Oregon | N/A | Manufactured by University of Oregon machine shop (tsa.uoregon@gmail.com). A commercially available alternative is listed below. |
Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 1129500 | |
Eclipse FN1 "Transplant Microscope" | Nikon | N/A | |
electrode handle | World Precision Instruments | 5444 | |
Feather Sterile Surgical Blade, #11 | VWR | 21899-530 | |
Fine micromanipulator, Three-axis Oil hydraulic | Narishige | MMO-203 | |
HEPES pH 7.2 | Sigma-Aldrich | H3375-100G | |
High Precision #3 Style Scalpel Handle | Fisher Scientific | 12-000-163 | |
Kimble Disposable Borosilicate Pasteur Pipette, Wide Tip, 5.75 in | DWK Life Sciences | 63A53WT | |
KIMBLE Chromatography Adapter | DWK Life Sciences | 420408-0000 | |
Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34120 | |
Light Mineral Oil | Sigma-Aldrich | M3516-1L | |
LSE digital dry bath heater, 1 block, 120 V | Corning | 6875SB | |
Manual microsyringe pump | World Precision Instruments | MMP | Commercial alternative to custom microsyringe pump |
Microelectrode Holder | World Precision Instruments | MPH310 | |
MicroFil Pipette Filler | World Precision Instruments | MF28G67-5 | |
Nail Polish | Electron MIcroscopy Sciences | 72180 | |
Nuclease-free water | VWR | 82007-334 | |
P-97 Flaming/Brown Type Micropipette Puller | Sutter Instruments | P-97 | |
Penicillin-streptomycin | Sigma-Aldrich | p4458-100ML | 5,000 units penicillin and 5 mg streptomycin/mL |
pipette pump 10 mL | Bel-Art | 37898-0000 | |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P3911 | |
Professional Super Glue | Loctite | LOC1365882 | |
Round-Bottom Polystyrene Test Tubes | Falcon | 352054 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S9888 | |
Stage micrometer | Meiji Techno America | MA285 | |
Syringes without Needle, 50 mL | BD Medical | 309635 | |
Tricaine Methanosulfonate | Syndel USA | SYNCMGAUS03 | |
Trilene XL smooth casting Fishing line | Berkley | XLFS6-15 | |
Tubing, polyethylene No. 205 | BD Medical | 427445 | |
UltraPure Low Melting Point Agarose | Invitrogen | 16520050 | |
Wiretrol II calibrated micropipettes | Drummond | 50002010 |
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