Name: creating avian forebrain chimeras to assess facial development
Uploaded: 2021-02-18T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Creating Avian Forebrain Chimeras to Assess Facial Development at JoVE.com

Onderzoek gerapporteerd in deze publicatie werd ondersteund door het National Institute of Dental and Craniofacial Research van de National Institutes of Health onder toekenningsnummers R01DE019648, R01DE018234 en R01DE019638.

Witte Pekineend (Anas platyrhynchos), witte Leghorn kip (Gallus gallus) en Japanse kwartel (Cortunix coturnix japonica) worden geïncubeerd bij 37 °C in een bevochtigde kamer totdat ze op HH7/817 worden gematcht.
1. Voorbereiding van het donorweefsel
OPMERKING: Bereiding van reagentia en gereedschappen en hoe eieren te openen voor experimentele manipulatie is beschreven6.
<ol><li>Bereid DM...

<ol>
	<li>Waddington, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Developmental+Mechanics+of+Chicken+and+Duck+Embryos.">Developmental Mechanics of Chicken and Duck Embryos.</a> Nature. 125, 924-925 (1930).</li><li>Noden, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+the+neural+crest+in+patterning+of+avian+cranial+skeletal,+connective,+and+muscle+tissues.">The role of the neural crest in patterning of avian cranial skeletal, connective, and muscle tissues.</a> Developmental Biology. 96 (1), 144-165 (1983).</li><li>Borue, X., Noden, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Normal+and+aberrant+craniofacial+myogenesis+by+grafted+trunk+somitic+and+segmental+plate+mesoderm.">Normal and aberrant craniofacial myogenesis by grafted trunk somitic and segmental plate mesoderm.</a> Development. 131 (16), 3967-3980 (2004).</li><li>Teillet, M. A., Ziller, C., Le Douarin, N. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quail-chick+chimeras.">Quail-chick chimeras.</a> Methods in Molecular Biology. 461, 337-350 (2008).</li><li>Hu, D., Marcucio, R. S., Helms, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+zone+of+frontonasal+ectoderm+regulates+patterning+and+growth+in+the+face.">A zone of frontonasal ectoderm regulates patterning and growth in the face.</a> Development. 130 (9), 1749-1758 (2003).</li><li>Hu, D., Marcucio, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+signaling+properties+of+ectodermal+epithelia+during+craniofacial+development.">Assessing signaling properties of ectodermal epithelia during craniofacial development.</a> Journal of Visualized Experiments. (49), (2011).</li><li>Hu, D., Marcucio, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unique+organization+of+the+frontonasal+ectodermal+zone+in+birds+and+mammals.">Unique organization of the frontonasal ectodermal zone in birds and mammals.</a> Developmental Biology. 325 (1), 200-210 (2009).</li><li>Griffin, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fgf8+dosage+determines+midfacial+integration+and+polarity+within+the+nasal+and+optic+capsules.">Fgf8 dosage determines midfacial integration and polarity within the nasal and optic capsules.</a> Developmental Biology. 374 (1), 185-197 (2013).</li><li>Schneider, R. A., Helms, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+cellular+and+molecular+origins+of+beak+morphology.">The cellular and molecular origins of beak morphology.</a> Science. 299 (5606), 565-568 (2003).</li><li>Tucker, A. S., Lumsden, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+crest+cells+provide+species-specific+patterning+information+in+the+developing+branchial+skeleton.">Neural crest cells provide species-specific patterning information in the developing branchial skeleton.</a> Evolution &amp; Development. 6 (1), 32-40 (2004).</li><li>Fish, J. L., Schneider, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+species-specific+contributions+to+craniofacial+development+using+quail-duck+chimeras.">Assessing species-specific contributions to craniofacial development using quail-duck chimeras.</a> Journal of Visualized Experiments. (87), (2014).</li><li>Schneider, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+crest+and+the+origin+of+species-specific+pattern.">Neural crest and the origin of species-specific pattern.</a> Genesis. 56 (6-7), 23219 (2018).</li><li>Sohal, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+reciprocal+forebrain+transplantation+on+motility+and+hatching+in+chick+and+duck+embryos.">Effects of reciprocal forebrain transplantation on motility and hatching in chick and duck embryos.</a> Brain Research. 113 (1), 35-43 (1976).</li><li>Chen, C. C., Balaban, E., Jarvis, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interspecies+avian+brain+chimeras+reveal+that+large+brain+size+differences+are+influenced+by+cell-interdependent+processes.">Interspecies avian brain chimeras reveal that large brain size differences are influenced by cell-interdependent processes.</a> PLoS One. 7 (7), 42477 (2012).</li><li>Hu, D., Marcucio, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+crest+cells+pattern+the+surface+cephalic+ectoderm+during+FEZ+formation.">Neural crest cells pattern the surface cephalic ectoderm during FEZ formation.</a> Developmental Dynamics. 241 (4), 732-740 (2012).</li><li>Hu, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signals+from+the+brain+induce+variation+in+avian+facial+shape.">Signals from the brain induce variation in avian facial shape.</a> Developmental Dynamics. 244 (9), 1133-1143 (2015).</li><li>Hamburger, V., Hamilton, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+series+of+normal+stages+in+the+development+of+the+chick+embryo.">A series of normal stages in the development of the chick embryo.</a> Journal of Morphology. 88 (1), 49-92 (1951).</li><li>Xu, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+Between+the+Morphology+of+Sonic+Hedgehog+Expression+Domains+and+Embryonic+Craniofacial+Shape.">Correlations Between the Morphology of Sonic Hedgehog Expression Domains and Embryonic Craniofacial Shape.</a> Evolutionary Biology. 42 (3), 379-386 (2015).</li><li>Eames, B. F., Schneider, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+genesis+of+cartilage+size+and+shape+during+development+and+evolution.">The genesis of cartilage size and shape during development and evolution.</a> Development. 135 (23), 3947-3958 (2008).</li><li>Merrill, A. E., Eames, B. F., Weston, S. J., Heath, T., Schneider, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesenchyme-dependent+BMP+signaling+directs+the+timing+of+mandibular+osteogenesis.">Mesenchyme-dependent BMP signaling directs the timing of mandibular osteogenesis.</a> Development. 135 (7), 1223-1234 (2008).</li></ol>

De beschreven methode maakt het mogelijk om de weefselinteracties tussen de basale voorhersenen en het aangrenzende ectoderm te onderzoeken. Deze aanpak verschilt van eerdere voorhersenentransplantatiemethoden, omdat het donorweefsel beperkt was tot de ventrale voorhersenen. Dit elimineert transplantatie van de neurale topcellen, waarvan is aangetoond dat ze deelnemen aan patroonvormingvan gezichtsmorfologie 9,10. Daarom was het beperken van het transplantaat tot...

Veel hedendaags onderzoek in de ontwikkelingsbiologie richt zich op de rol van genen bij het vormen van embryo's. Er zijn goede tools om ontwikkelingsmechanismen vanuit een genetisch perspectief te onderzoeken. Embryo's worden echter geassembleerd en ondergaan morfogenese als reactie op weefselinteracties. Het vogelsysteem is een klassiek hulpmiddel dat wordt gebruikt om de verscheidenheid aan weefselinteracties te beoordelen die de ontwikkeling reguleren om de volgende redenen: de embryologie is goed begrepen, de embryo's zijn gemakkelijk toegankelijk, hulpmiddelen voor analyse van vogelsystemen zijn goed ontwikkeld en de embryo's zijn goedkoop.
Het vogeltransplantatiesysteem wordt al bijna een eeuw op grote schaal gebruikt voor het traceren van afstammingslijnen en om weefselinteracties tijdens de ontwikkeling te beoordelen 1,2,3,4. Dit systeem werd gebruikt om een signaleringscentrum te onderzoeken, de Frontonasal Ectodermal Zone (FEZ), dat morfogenese van de bovenkaak5 reguleert, en er werd een video gepubliceerd waarin die techniek eerderwerd beschreven 6. Naast kwartelkuikens zijn ook andere soorten gebruikt om chimaera's te produceren voor analyse van weefselinteracties. De muis FEZ werd bijvoorbeeld getransplanteerd van wild type7 en gemuteerde muizen8, en anderen hebben een eenden-, kwartel- en kuikensysteem gebruikt om de rol van neurale kuif te beoordelen bij het patroon van het gezichtsskelet 9,10,11,12.
In dit werk werd de rol van de voorhersenen bij het reguleren van het patroon van genexpressie in de FEZ door de ventrale voorhersenen wederzijds te transplanteren tussen kwartel-, eenden- en kuikenembryo's beoordeeld, omdat een signaal van de voorhersenen nodig is om Sonic-egelexpressie in de FEZ te induceren. Voorhersenentransplantaties zijn niet uniek in het veld. Deze transplantaties werden gebruikt om de ontwikkeling van motiliteit in kwartel- en eendenembryo's te beoordelen13, hoewel in deze experimenten ook weefsels werden getransplanteerd die bijdroegen aan niet-neurale derivaten. In ander werk zijn auditieve circuits bij vogels beoordeeld door voorhersenentransplantatie14, maar deze transplantaties bevatten vermoedelijke neurale topcellen, die bijdragen aan gezichtsvorm 9,10 en deelnemen aan het reguleren van SHH-expressie in de FEZ 15. Daarom werd een systeem bedacht om alleen de ventrale voorhersenen van de ene vogelsoort naar de andere te transplanteren voordat de neurale buis werd gesloten, om de rol van de hersenen in gezichtsvorm16 te beoordelen (figuur 1A, B). Deze methode was verstoken van neurale kambesmetting van het transplantaat. In dit artikel wordt de methode geïllustreerd en worden de verwachte resultaten beschreven en worden de uitdagingen besproken.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1x PBS</td>
			<td>TEK</td>
			<td>TEKZR114</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35x10 mm Petri dish</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>1008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>11965084</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle holder</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>26016-12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neutral Red</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>553-24-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>No. 5 Dumont forceps</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>11252-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pasteur Pipets</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>13-678-6B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>QCPN antibody</td>
			<td>Developmental Studies Hybridoma bank, Iowa University, Iowa, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scissors</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>14058-11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten Needle</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>26000</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

creating avian forebrain chimeras to assess facial development

Het vogelembryo wordt al meer dan een eeuw gebruikt als een modelsysteem en heeft geleid tot fundamenteel begrip van de ontwikkeling van gewervelde dieren. Een van de sterke punten van dit modelsysteem is dat het effect van en de interactie tussen weefsels direct kan worden beoordeeld in chimere embryo's. We hebben eerder aangetoond dat signalen van de voorhersenen bijdragen aan de morfogenese van het gezicht door de vorm van het expressiedomein van sonic hedgehog (SHH) in de frontonasale ectodermale zone (FEZ) te reguleren. In dit artikel wordt de methode beschreven om de hersenchimaeren van de voorhersenen te genereren en illustraties te geven van de resultaten van deze experimenten.

Beoordeling van chimerisme en transplantatiebesmetting Om de chimaera's te beoordelen, moet de mate van chimerisme en besmetting van het transplantaat met andere celtypen worden onderzocht. Het creëren van chimaera's door kwartelweefsels in kuikenembryo's te transplanteren, maakt dit soort analyse mogelijk. Met behulp van het QCPN-antilichaam kunnen kwartelcellen worden gevisualiseerd en onderscheiden van de gastheerweefsels (figuur 1 C,D). In dit geval ...

Watch this Scientific Journal Video about Creating Avian Forebrain Chimeras to Assess Facial Development at JoVE.com

Creating Avian Forebrain Chimeras to Assess Facial Development

Dit artikel beschrijft een weefseltransplantatietechniek die is ontworpen om de signalerings- en patrooneigenschappen van basale voorhersenen tijdens craniofaciale ontwikkeling te testen.

Het creëren van aviaire voorhersenen chimaera's om de gezichtsontwikkeling te beoordelen

The avian embryo has been used as a model system for more than a century and has led to fundamental understanding of vertebrate development. One of the ...

Met deze methode kunnen onderzoekers weefselinteracties tussen de basale voorhersenen en het gezicht beoordelen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het de basale voorhersenen isoleert voor beoordeling en besmetting met neurale topcellen voorkomt, wat de analyse zou verstoren. Het moeilijke deel van deze techniek is het verwijderen van de voorhersenen van de gastheer en vervanging door het donorweefsel.Diane Hu, een onderzoekswetenschapper uit het laboratorium van Dr. Ralph Marcucio, zal de procedure demonstreren. Bereid om te beginnen DMEM-media voor met neutraal rood, een glazen transferpipet en geslepen wolfraam. Verwijder met behulp van een spuit van 10 milliliter en een naald van 18 gauge 0,5 milliliter albumine uit het puntige uiteinde van de eierschaal.Maak een klein gaatje bovenop de schaal met behulp van de punt van een schaar. Plaats vervolgens een stuk tape over het gat en knip een cirkelvormige opening om het embryo bloot te leggen. Bevlek het embryo met neutraal rood.Oogst weefseltransplantaten van de linkerkant van de basale voorhersenen van stadium zeven of acht embryo's. Gebruik gebogen geslepen wolfraamnaalden om voorzichtig een stuk van de voorhersenen in te snijden. Om het onderliggende endoderm niet op te nemen, schuift u de naald onder de voorhersenen en parallel aan de as van de neurale buis.Pak het transplantaat op van het donorembryo met behulp van de glazen transferpipet en breng het gedurende twee minuten over in DMEM met neutraal rood om het te kleuren. Plaats vervolgens de gekleurde ent in DMEM die geen neutraal rood bevat totdat deze klaar is voor transplantatie. Incubeer bevruchte eieren van witte Leghorn-kip bij 37 graden Celsius in een bevochtigde kamer tot Hamburger-Hamilton fase zeven tot acht.Stel embryo's bloot zoals eerder aangetoond. Bereid met behulp van geslepen wolfraamnaalden de transplantaatplaats voor door een stuk basale voorhersenen van 0,3 bij 0,2 millimeter te snijden en vervolgens te verwijderen om het transplantaat te accommoderen. Vermijd overmatige verstoring van het onderliggende endoderm, wat duidelijk zal zijn als dooierkorrels beginnen te lekken door elke scheur die wordt gemaakt.Na het overbrengen van het transplantaat naar de gastheer, plaatst u het transplantaat om de uitgeroeide basale voorhersenen van de gastheer te vervangen. Plaats tape strak over het gat en breng de embryo's terug naar de 37 graden Celsius-couveuse totdat ze klaar zijn voor analyse. Aanvankelijk werden chimaera's gecreëerd door kwartelweefsels in kuikenembryo's te transplanteren.Met behulp van het QCPN-antilichaam werden kwartelcellen gevisualiseerd en onderscheiden van de gastheerweefsels. Het kwartel-kuikensysteem bevestigde dat al het transplantaat alleen uit neuraal weefsel bestond en niet besmet was met andere celtypen. Transplantatie van kwartelweefsel in eendenembryo's leidde tot ernstig misvormde hersenschimmen als gevolg van een zich sneller ontwikkelend kwartelbrein.Daarom werd transplantatie van eendenweefsels in kippenembryo's uitgevoerd. De resulterende eenden-kuiken chimaera's suggereren dat de hersenen deelnemen aan het reguleren van de morfologie. Whole mountain C2-hybridisatie werd gebruikt om Sonic-egelexpressie in chimaera's te beoordelen.Net als bij morfologie leek de sonische egelexpressie aan de eendenzijde van de chimaera meer eendachtig. Het voorbereiden van de hostsite vergt oefening. Een groot aantal embryo's overleeft niet, dus het creëren van een groot aantal chimaera's kan helpen zorgen voor de juiste monsters voor analyse.Deze methode maakte het mogelijk om te beoordelen hoe signalen uit de hersenen het Sonic hedgehog-expressiedomein in de frontonasale ectodermale zone vormen.

Research

JoVE Journal

Developmental Biology

Optimized Ex-ovo Culturing of Chick Embryos to Advanced Stages of Development

Optimized Ex-ovo Culturing of Chick Embryos to Advanced Stages of Development

Geoptimaliseerd<em&gt; Ex-ovo</em&gt; Het kweken van kippenembryo&#39;s tot geavanceerde stadia van ontwikkeling

Research in anatomy, embryology, and developmental biology has largely relied on the use of model organisms. In order to study development in live embryos ...

Immunostaining to Visualize Murine Enteric Nervous System Development

Immunokleuring om Murine Enteric Nervous System Development Visualiseer

The enteric nervous system is formed by neural crest cells that proliferate, migrate and colonize the gut. Following colonization, neural crest cells must ...

Using Light Sheet Fluorescence Microscopy to Image Zebrafish Eye Development

Met behulp van Light Sheet fluorescentiemicroscopie met Afbeelding zebravis Eye Development

Light sheet fluorescence microscopy (LSFM) is gaining more and more popularity as a method to image embryonic development. The main advantages of LSFM ...

Generation of Standardized and Reproducible Forebrain-type Cerebral Organoids from Human Induced Pluripotent Stem Cells

Generatie van gestandaardiseerde en reproduceerbaar reukkolf-type cerebrale Organoids van mens geïnduceerde pluripotente stamcellen

The human cortex is highly expanded and exhibits a complex structure with specific functional areas, providing higher brain function, such as cognition. ...

Organotypic Culture Method to Study the Development Of Embryonic Chicken Tissues

Organotypic cultuur methode om te studeren van de ontwikkeling van embryonale kip weefsels

The embryonic chicken is commonly used as a reliable model organism for vertebrate development. Its accessibility and short incubation period makes it ...

Computational Analysis of the Caenorhabditis elegans Germline to Study the Distribution of Nuclei, Proteins, and the Cytoskeleton

Computational Analysis of the Caenorhabditis elegans Germline to Study the Distribution of Nuclei, Proteins, and the Cytoskeleton

Computationele analyse van de Caenorhabditis elegans Germline te bestuderen van de distributie van kernen, eiwitten en het cytoskelet

The Caenorhabditis elegans (C. elegans) germline is used to study several biologically important processes including stem cell development, apoptosis, and ...

Microinjection-based System for In Vivo Implantation of Embryonic Cardiomyocytes in the Avian Embryo

Microinjection-gebaseerd systeem voor In Vivo implantatie van embryonale Cardiomyocytes in het aviaire Embryo

Interpreting the relative impact of cell autonomous patterning versus extrinsic microenvironmental influence on cell lineage determination represents a ...

Fast and Efficient Expression of Multiple Proteins in Avian Embryos Using mRNA Electroporation

Snelle en efficiënte expressie van meervoudige eiwitten in aviaire embryo's met behulp van mRNA-Elektroporation

We report that mRNA electroporation permits fluorescent proteins to label cells in living quail embryos more quickly and broadly than DNA electroporation. ...

A Direct and Simple Method to Assess Drosophila melanogaster's Viability from Embryo to Adult

A Direct and Simple Method to Assess Drosophila melanogaster's Viability from Embryo to Adult

Een directe en eenvoudige methode om de levensvatbaarheid van Drosophila melanogasterte beoordelen van embryo tot volwassene

In Drosophila melanogaster, viability assays are used to determine the fitness of certain genetic backgrounds. Allelic variations can result in partial or ...

Whole-Mount In Situ Hybridization in Zebrafish Embryos and Tube Formation Assay in iPSC-ECs to Study the Role of Endoglin in Vascular Development

Whole-Mount In Situ Hybridisatie in Zebrafish Embryo's en Tube Formation Assay in iPSC-ECs om de rol van Endoglin in vasculaire ontwikkeling te bestuderen

Vascular development is determined by the sequential expression of specific genes, which can be studied by performing in situ hybridization assays in ...