Sadelik Gücü: olarak deniz kestanesi Embriyolar<em&gt; Vivo</em&gt; Karmaşık Hücre-hücre Sinyal Ağ Etkileşimleri incelenmesi için Gelişim Modelleri

Özet

Bu video makalede sistematik ve verimli birçok omurgasız embriyolar karmaşık sinyal yolları ve düzenleyici ağları bileşenleri karakterize etmek için kullanılabilir in vivo metodolojisi basit ayrıntıları.

Özet

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and tissues in the adult body form. Yet, each year more components of individual signaling pathways are discovered, and studies indicate that depending on the context there is significant cross-talk among most of these pathways. This complexity makes studying cell-to-cell signaling in any in vivo developmental model system a difficult task. In addition, efficient functional analyses are required to characterize molecules associated with signaling pathways identified from the large data sets generated by next generation differential screens. Here, we illustrate a straightforward method to efficiently identify components of signal transduction pathways governing cell fate and axis specification in sea urchin embryos. The genomic and morphological simplicity of embryos similar to those of the sea urchin make them powerful in vivo developmental models for understanding complex signaling interactions. The methodology described here can be used as a template for identifying novel signal transduction molecules in individual pathways as well as the interactions among the molecules in the various pathways in many other organisms.

Giriş

Gen düzenleyici ağları (GRNs) ve sinyal iletim yolları yetişkin hayvan vücut planı oluşturmak için kullanılan embriyonik gelişim sırasında genlerin mekansal ve zamansal ifade kurmak. Hücre-hücre sinyal iletim yolları hücrelerin iletişim hangi araçları sağlayan bu düzenleme ağların temel bileşenleri vardır. Bu hücresel etkileşimler kurmak ve embriyogenez ^{1, 2} sırasında çeşitli bölgelerde ve arasında düzenleyici ve farklılaşma genlerinin ekspresyonunu rafine. salgılanmış hücre dışı modülatörlerinin (ligandlar, antagonistler), reseptör ve ko-reseptörleri arasındaki etkileşimi sinyal transdüksiyon yollarının aktivitelerini kontrol eder. hücre içi moleküller bir yelpazesine bir hücrenin gen ekspresyonu değişimlerinin, bölme ve / veya şekli ile sonuçlanan, bu giriş çeviren. ana yoldan büyük hücre dışı ve hücre içi seviyede kullanılan anahtar moleküllerinin çoğu, birliktebilinen, tek tek sinyal yollarının karmaşıklığı nedeniyle büyük ölçüde eksik bilgidir. Buna ek olarak, farklı sinyal yolları çoğunlukla dışı, hücre içi de olumlu veya olumsuz ya birbiri ile etkileşim ve transkripsiyon seviyeleri ^{3, 4, 5, 6.} Önemli olarak, sinyal transdüksiyon yollarının ana bileşenleri çok tüm metazoan türlerinde korunan ve özellikle yakından ilgili filumlar organizmaların karşılaştırırken, son derece önemli sinyal yollarının en sık birçok türün içindeki gelişim işlevleri yerine ^{7, 8, 9, 10, 11.}

gelişimi sırasında sinyal çalışma herhangi bir organizmada zor bir görev olduğunu ve oradaomurgalılarda büyük olası ligand ve reseptör / ko-modülatör etkileşimlerinin sayılar, hücre içi iletim molekülleri, hem de orada 1): en ikincil ağızlılar modelleri (omurgalıların omurgasız omurgalılar, yarı sırtipliler ve derisidikenlilerde) 'de sinyal yolları okuyan bazı önemli zorluklar nedeniyle genom ^{12, 13, 14} karmaşıklığı farklı sinyaller arasındaki etkileşimler; 2) omurgalıların karmaşık morfolojisi ve morfogenetik hareketler genellikle daha zor ve sinyal iletim yollarının arasında fonksiyonel etkileşimleri yorumlamak yapmak; 3) En dışı derisi dikenliler omurgasız ikincil ağızlılar modeli türlerinde Analizleri bazı tunikat türlerinin ^{15, 16} hariç gravida kısa pencereler ile sınırlıdır.

Deniz kestanesi embriyo yukarıda belirtilen sınırlamaları birkaç vardır ve in vivo sinyal iletim yollarının ayrıntılı bir analiz yapmak için birçok benzersiz niteliklere sahiptir. Bunlar aşağıdakileri içerir: 1), deniz kestanesi genomunun uygulama kolaylığı önemli ölçüde mümkündür ligand, reseptör / co-reseptör ve hücre içi iletim molekülü sayısını azaltır ¹⁷ etkileşimi; 2) germ ve büyük embriyonik eksenlerin özellikleri ve desenlendirme kontrol GRNs iyi sinyaller ^{18, 19} alıcı hücre / topraklarının düzenleyici bağlamında anlamada yardımcı, deniz kestanesi embriyolarda kurulur; Embriyolar olan morfoloji analiz etmek kolay bir tek katmanlı epiteli oluşur zaman 3) Birçok sinyal iletim yolları erken bölünme ve gastrula aşamaları arasında ele alınabilir; 4) molekülleri içerenkolayca manipüle edilir deniz kestanesi sinyal yolları d; 5) Birçok deniz kestanesi 10 ila 11 ay bir yıl (örneğin Strongylocentrotus purpuratus ve Lytechinus variegatus) için gebe edilir.

Burada, sistematik ve verimli bir şekilde belirtmek ve deniz kestanesi embriyolarda desen bölgeleri birkaç omurgasız model sistemler karmaşık moleküler mekanizmaların çalışmada sunduğumuz avantajları göstermek için sinyal yollarının bileşenlerini karakterize bir yöntem mevcut.

Protokol

1. Yüksek Verimli Morfolino Tasarım Stratejisi

1. Bir ilgi gen (ler) (örneğin aday gen yaklaşımı, cis-düzenleyici analiz, RNAseq ve / veya proteomik diferansiyel ekranları) belirleyin.
2. Sık sık güncellenen web sitelerinde mevcut genomik, transkriptomik ve gen ifadesi verileri kullanın (örn SpBase http://www.echinobase.org ²⁰ ve S. purpuratus Genom Arama http: ///urchin.nidcr.nih.gov/blast/index .html) uzaysal ekspresyon profili söz konusu gelişimsel mekanizma ile örtüşmektedir belirlemek için. Resim sentezleme verileri yoksa, o zaman qPCR primerler oluşturur ve / ya da in situ probu bir antisens geni sentezleme modelini değerlendirmek.
3. uzaysal ve geçici ekspresyon modelini tespit edildikten sonra, genomik web sitelerinden DNA dizisini elde etmek.
   1. çeviri engelleme morfolino oligonükleotitler üretebilmek için, o dizisini eldef 5 'un çevrilmiş bölge (5' UTR) doğrudan yukarı gelen SpBase veya S. purpuratus Genom Arama web sitelerinde mevcut sentezlenmiş dizi etiketi (EST) veritabanlarından başlangıç kodonu. Bu bilgiler ilgi gen için mevcut değilse, o zaman 5 'RACE gerçekleştirin.
   2. , Bir bağlayıcı bloke morfolino tasarım ekson ve SpBase veya S purpuratus Genom ara aracında iskele BLASTN alet intronlar içeren genomik sekans arayın.
4. istenen 25 baz çifti morfolino dizisini tasarlamak amacıyla, oligonükleotid tasarımı web sitesi http://oligodesign.gene-tools.com kullanın.
   1. bir çeviri-bloke morfolino, translasyon hedef dizinin kaynağı olarak 3 '5' mRNA dizisini kullanır. 5 'UTR sekansını (kopyalama başlangıç ​​sitesinin, akış yukarı yaklaşık olarak 70 nükleotid) artı belirgin wi kodon başlaması ile (başlangıç ​​sitesinin alt) kodlama bölgesi 25 bazlarinci parantez (ATG).
   2. bir bağlayıcı bloke morfolino, intron-ekson veya ekson-intron sınır dizisini ve sınır bölgeleri yaklaşık 50 baz (ekson sekansı 25 bazlar ve intron sekansı 25 bazları) içerir. dizi benzersiz olduğunu doğrulamak için morfolino dizisi ile genom tarayın.

Morfolino oligonükleotidleri 2. Mikroenjeksiyon

1. 300 nmol morfolino şişenin içine nükleaz içermeyen suyun 100 uL eklenmesiyle morfolino oligonükleotid 3 mM stok çözelti hazırlayın.
   NOT: dietil pyrocarbonate morfolino zarar verebilir, çünkü yeniden süspansiyon için DEPC arıtılmış su kullanmayın.
2. tam hızda 30 sn için stok oligonükleotid çözeltisi içeren flakon aşağı ilk sulandırma spin için - 5 ila 10 dakika, kısaca vorteks için 65 ° C'de (14,000 16,000 xg), kısaca girdap, ısı ve oda morfolino stok tutmak en az 1 saat boyunca sıcaklığı. Morfolino stok solüsyon s + 4 ° C ile -20 ° C arasında saklanır.
3. istenilen konsantrasyonda morfolino oligonükleotitler içeren enjeksiyon çözeltisi hazırlayın. Bu çözelti, genellikle% 20 gliserol ya da bir taşıyıcı olarak 125 mM KCI ve 15% (fluorescein isothiocyanate dekstran 10,000 MA 2.5 mg / ml stok çözelti) FITC Dekstran içerir. FITC Dextran ve diğer floresan dekstran konjugatlar rutin Epifloresans mikroskobu ile enjekte edilen embriyolar tanımlamak için kullanılır. -20 ° C'de saklayın enjeksiyon çözümleri.
4. 5 dakika - en az 2 bir ısı blok ya da su banyosu içinde 65 ° C sıcaklıkta morfolino çözeltisi ısıtılır.
5. En az 10 dakika boyunca - (16,000 xg 14,000) tam hızda 1 dakika santrifüj için - (16,000 xg 14,000), girdap Kısaca morfolino tam hızda 30 sn için çözüm dönerler.
6. morfolino çözümü ile enjeksiyon iğneleri yükleyin. Ayrıntılı bir mikroenjeksiyon protokolü için Stepicheva ve Song 2014 ²¹ ve alkış ve Ettensohn, 2004 bakınız"> 22.

S. purpuratus Embriyolar 24 saat sonrası fertilizasyon (hpf) 3. Sabitleme ve Yerinde Protokol

NOT: Bu protokol Arena-Mena ark değiştirilir. 2000 ²³ ve Sethi ve arkadaşları. 2014 ^24.

1. tespit
   1. , Embriyoları içeren oyuklara (aşağıya bakınız) tespit edici birkaç damla pipetleme yavaşça karıştırın ve bunları oturmasına izin verin. fiksatif çözüm çıkarın ve daha sonra sabitleştirici iki ek 180 uL yıkama ile embriyolar karıştırın.
      NOT: iyice nazik pipetleme yukarı ve aşağı birkaç kez yıkama sırasında embriyoların karıştırmak için önemlidir. Bunu yapmamak sinyal gürültü oranı düşürebilirsiniz.
   2. pH 7.0, 10 mM MOPS oluşan% 4 elektron mikroskobu sınıf paraformaldehid içinde oda sıcaklığında 50 dakika 1 saat süresince ikinci sabitleyici yıkaması (RT) 'de düzeltmek için embriyolar boş,% 0.1 Tween-20 ve yapay seawater (ASW). En iyi sonuçlar için her zaman bu çözüm taze olun. Buna ek olarak, kullanım kolaylığı ve kullanışlılık embriyolar için 96-yuvalı plakalar içinde sabitlenir.
      1. 20 ml sabitleyici kullanım 5 mL% 16 paraformaldehit, 15 ml ASW 200 uL 1 M MOPS pH 7.0, 20 uL Tween-20.
   3. MOPS, 180 uL, oda sıcaklığında 5 kez yıkayın 0.1 M MOPS pH 7.0, 0.5 M NaCI ve Tween-20, en az 5 dakika boyunca ya da embriyolar kadar kuyunun dibine% 0.1 aşağıdakilerden oluşan yıkama tamponu. Yine, iyice hafifçe yukarı pipetleme ve birkaç kez aşağı yıkama tamponu içine embriyolar karıştırmak için önemlidir. 4 ° C'de depolandığında, MOPS yıkama tampon çözeltisi 2 gün için kullanılabilir ° C.
      1. 40 ml MOPS tamponu için 4 mL 1 M MOPS pH 7.0, 4 ml 5 M NaCI, 32 mL DH ₂ O ve 40 uL Tween-20 yıkanır.
      2. Sabit embriyolar, 2 gün süreyle 4 ^o C'de saklanabilir.
         Not: uzun sabit embriyolar depolanması, daha sonra bakteriyel büyümeyi önlemek için yıkama tamponu MOPS,% 0.2 sodyum azit ilave edin.
2. Ön-hibritleme
   1. MOPS tampon yıkama aspire ve 2 180 mcL: hibridizasyon tampon tampon hafifçe pipetleme birkaç kat çözeltisi içine embriyolar karıştırın ve oda sıcaklığında en az 20 dakika süreyle inkübe yıkama MOPS 1 oranında. Hibridizasyon tamponu% 70 formamit, 0.1 M MOPS pH 7.0, 0.5 M NaCI oluşur, 1 mg / ml BSA ve% 0.1 Tween-20.
      1. 40 ml melezleme tamponu kullanılması 4 mL 1 M MOPS, pH 7.0, 4 ml 5 M NaCI, 4 mL DH ₂ O, 0.04 g BSA ve 40 uL Tween-20. , Vorteks ile iyice karıştırın tekrar 28 ml formamid ve vorteks ekleyin.
   2. MOPS yıkama ve melezleştirme tamponları 1 oranında ve 1: 180 uL ekleyin: 2 çıkarın hibridizasyon tampon tampon çözeltisi içine embriyolar karıştırın ve oda sıcaklığında en az 20 dakika süreyle inkübe yıkama MOPS 2 oranında.
   3. hibridizasyon tamponu 150 ul - prob hibridizasyon nazikçe 100 içine embriyolar karıştırın önce. en az 1, 50 ° C de inkübe embriyolarh.
      NOT: gecede embriyolar Hazırlanıyor kabul edilebilir. saatliğine inkübe edilmeden önce, buharlaşmayı önlemek için, bir yapışkan tabaka ile kuyu mühür.
3. melezleme
   1. prob çözeltisi oluşturmak için yavaşça, hibridizasyon tamponu içinde girdap 0.3 prob ng / ml ve 500 ug / ml maya tRNA - Ayrı bir tüp içinde 0.1 ekleyin. Maya tRNA, anti-sens probunun özel olmayan bağlanmayı azaltmak için prob çözeltisi ilave edilir. Bu, 50 ° C'ye kadar çözeltisi ve aspire hibridizasyon tamponu önceden ısıtın.
   2. Prob çözeltisi 100 uL içine önceden hibridize embriyolar karıştırın bir yapışkan tabaka ile sızdırmaz ve prob bağlı olarak 2 ile 7 gün boyunca 50 ° C'de hibridize (foxq2 prob 2-gün inkübe edilebilir).
      NOT: İnkübasyon süreleri sonda kapalı göre değişir. düşük seviyelerde sentezlendiği bazı genler 7 günlük bir inkübasyon gerektirmez. 96 oyuklu plakalar ADHES halinde buharlaştırma karşı sigorta bir nem kutu yerleştirilebilirive sayfası düzgün mühür başarısız olur.
   3. taze MOPS 180 uL, 50 ° C de 5 kez yıkayın 3 saatlik bir toplam yıkama tamponu. Daha sonra, MOPS uL oda sıcaklığında yıkama tamponu 180 ile 3 kez (15 dakika) yıkanır. yıkama içine embriyolar hafifçe birkaç kez pipetleme her zaman tampon karıştırmak unutmayın.
4. Antikor Kuluçka
   1. MOPS tampon yıkama aspire ve% 10 normal koyun serumunda ve 5 mg içeren bloke edici tampon içinde 180 uL embriyolar karıştırın / tampon ve gece boyunca oda sıcaklığında en az 45 dakika veya 4 ° C'de inkübe edin yıkama MOPS mL BSA.
   2. bloklama tamponunu çıkarın ve sonra 1 içeren bloke edici tampon içinde embriyolar karıştırın blokaj tamponunda seyreltilmiş alkalin fosfataz-konjuge edilmiş anti-digoksijenin antikoru ile 1500 seyreltme. Buharlaşmayı önlemek için sızdırmaz kılınmış bir plaka, oda sıcaklığında gece boyunca inkübe edilir. NOT: gecede daha uzun üzerinde antikor bırakmayın.
   3. embriyolar 6 kez yıkayın (5 dk ya da embriyolar damla kadar) MOPS oda sıcaklığında tamponu yıkayın. embriyolar can4 ° C'de gece boyunca saklanır.
5. In situ gelişmede
   1. 0.1 M Tris pH 9.5, 100 mM NaCl, 50 mM _MgCl2, 1 mM Levamizol oluşan taze pH 9.5 tamponu ile oda sıcaklığında embriyolar 3 kere (10 dakika) yıkanır ve% 0.1 Tween-20.
      1. 20 ml pH 9.5 tampon kullanım için 2 mL 1 M Tris pH 9.5, 400 uL 5 M NaCl, 1 mL, 1 M _MgCl2, 20 uL Tween-20, 16.6 mi DH ₂ O ve 0.0048 gr Levamisole.
   2. ışıktan koruyarak lekeleme tampon maddesi, 37 ° C 'de embriyolar inkübe edin. Lekeleme tampon maddesi,% 10, dimetil formamid oluşur, 4.5 ul / ml 4-Nitro Mavi tetrazolyum klorid (NBT) ve taze yapılmış, pH 9.5 tampon maddesi içinde 3.5 ul / ml 5-bromo-4-kloro-3-indolil-fosfat (BCIP) .
      1. lekeleme tampon maddesi ile 1 mL, 100 uL, dimetil formamid, 4.5 mL NBT ve 3.5 uL BCIP kullanın.
   3. MOPS 3 ile 5 kez yıkanarak alkalin fosfataz reaksiyonu durdurun yıkama tamponu. reaksiyon wifoxq2 probu tipik olarak 1 saat 30 dakika sürer inci. Bazı Probes RT ya da 4 ° C'de ya da gece boyunca inkübasyon gerekebilir.
   4. % 70 MOPS yıkama ve% 30 gliserol çözeltisi içine embriyolar karıştırın. gliserol mikroskopi için gerekli bir kırılma indeksine sağlar. Embriyolar birkaç hafta boyunca bu çözelti içinde saklanabilir. buharlaşmasını önlemek için plastik parafin ile plakaları Seal.
6. Slayt hazırlama ve görüntü yakalama
   1. Bir slayt üzerine şeritler arasındaki küçük boşlukları olan bir üçgen içine çift taraflı bant üç küçük şeritler düzenleyerek bir slayt hazırlayın.
   2. üçgenin merkezinde% 70 MOPS yıkama ve% 30 gliserol çözeltisi içinde embriyo transferine ve bir lamel ile kaplayın.
   3. Örtücü camın kenarları, yaklaşık oje tabakası uygulayarak lamel mühür.
   4. 20X objektif ve ekli kamera ile bir bileşik ışık mikroskobu kullanarak görüntüleri yakalayabilir.

Sonuçlar

Deniz kestanesi embriyo biz 3 farklı Wnt sinyal dalları (Wnt / β-katenin, Wnt / JNK ve Wnt / PKC) ^{4, 25} etkileşim ön-arka (AP) desenlendirme yöneten bir Wnt sinyal ağı oluşturmak için olduğunu göstermiştir. Bu sinyal olayların en önemli sonuçlarından biri, ilk geniş ifade ön nöroektoderm (ANE) GRN gastrulasyon başında (S. purpuratus 24 hpf) tarafından ön direğin etrafında küçük bir bölgede s...

Tartışmalar

Burada sunulan metodoloji .. Birçok laboratuvar incelemek için erken deniz kestanesi gelişimi sırasında benzer deneyleri kullanan temel gelişimsel mekanizmaları düzenleyen sinyalizasyon iletim yollarını ve GRNs anlamak için omurgalılar daha az genomik ve morfolojik karmaşıklığı ile embriyoları kullanılarak gücünü gösteren bir örnektir diğer hücre kaderi şartname olaylarda yer alan sinyal yolları (örn Notch, Kirpi, TGF β, ve FGF sinyal) ^27,

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Translational-blocking morpholino and/or splice-blocking morpholino	Gene Tools LLC	Customized	More information at www.gene-tools.com
Glycerol	Invitrogen	15514-011
FITC (dextran fluorescein isothiocyanate)	Invitrogen, Life Technologies	D1821	Make 25 mg/mL stock solution
Paraformaldehyde 16% solution EM Grade	Electron Microscopy Sciences	15710
MOPS	Sigma Aldrich	M1254-250G
Tween-20	Sigma Aldrich	23336-0010
Formamide	Sigma Aldrich	47671-1L-F
Yeast tRNA	Invitrogen	15401-029
Normal Goat Serum	Sigma Aldrich	G9023-10mL
Alkaline Phosphatase-conjugated anti-digoxigenin antibody	Roche	11 093 274 910
Tetramisole hydrochloride (levamisole)	Sigma Aldrich	L9756-5G
Tris Base UltraPure	Research Products Internationall Corp	56-40-6
Sodium Chloride	Fisher Scientific	BP358-10
Magnesium chloride	Sigma Aldrich	7786-30-3
BCIP (5-Bromo-4-Chloro-3-indolyl-phosphate	Roche	11 383 221 001
4 Nitro blue tetrazolium chloride (NBT)	Roche	11 383 213 001
Dimethyl Formamide	Sigma Aldrich	D4551-500mL
Potassium Chloride	Sigma Aldrich	P9541-5KG
Sodium Bicarbonate	Sigma Aldrich	S5761-500G
Magnesium Sulfate	Sigma Aldrich	M7506-2KG
Calcium Chloride	Sigma Aldrich	C1016-500G