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

La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial de los Institutos Nacionales de Salud bajo los números de adjudicación R01DE019648, R01DE018234 y R01DE019638.

El pato blanco de Pekín (Anas platyrhynchos), el pollo Livorno blanco (Gallus gallus) y la codorniz japonesa (Cortunix coturnix japonica) se incuban a 37 °C en una cámara humidificada hasta que se ajustan a HH7/817.
1. Preparación del tejido del donante
NOTA: Se ha descrito la preparación de reactivos y herramientas y cómo abrir huevos para la manipulación experimental6.
<ol><li>Prep...

<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>

El método descrito permite examinar las interacciones tisulares entre el prosencéfalo basal y el ectodermo adyacente. Este enfoque difiere de los métodos anteriores de trasplante del cerebro anterior, porque el tejido del donante estaba restringido al prosencéfalo ventral. Esto elimina el trasplante de las células de la cresta neural, que han demostrado participar en la morfología facial de patrones 9,10. Por lo tanto, restringir el injerto al prosencéfalo...

Gran parte de la investigación contemporánea en biología del desarrollo se centra en el papel de los genes en la formación de embriones. Existen buenas herramientas para examinar los mecanismos de desarrollo desde una perspectiva genética. Sin embargo, los embriones se ensamblan y sufren morfogénesis en respuesta a las interacciones tisulares. El sistema aviar es una herramienta clásica utilizada para evaluar la variedad de interacciones tisulares que regulan el desarrollo por las siguientes razones: la embriología es bien entendida, los embriones son fácilmente accesibles, las herramientas para el análisis de los sistemas aviares están bien desarrolladas y los embriones son baratos.
El sistema de trasplante aviar ha sido ampliamente empleado para el rastreo del linaje y para evaluar las interacciones tisulares durante el desarrollo durante casi un siglo 1,2,3,4. Este sistema fue utilizado para investigar un centro de señalización, la Zona Ectodérmica Frontonasal (FEZ), que regula la morfogénesis del maxilar superior5, y se publicó un video describiendo esa técnica previamente6. Además de la codorniz-polluelo, otras especies también se han utilizado para producir quimeras para el análisis de las interacciones tisulares. Por ejemplo, el ratón FEZ fue trasplantado de ratones salvajes tipo7 y mutantes8, y otros han utilizado sistemas de pato, codorniz y polluelo para evaluar el papel de la cresta neural en el modelado del esqueleto facial 9,10,11,12.
En este trabajo, se evaluó el papel del cerebro anterior en la regulación del patrón de expresión génica en el FEZ mediante el trasplante del prosencéfalo ventral recíprocamente entre embriones de codorniz, pato y pollo, porque se requiere una señal del cerebro anterior para inducir la expresión del erizo sónico en el FEZ. Los trasplantes de prosencéfalo no son únicos en el campo. Estos trasplantes se utilizaron para evaluar el desarrollo de la motilidad en embriones de codorniz y pato13, aunque en estos experimentos también se trasplantaron tejidos que contribuyeron a derivados no neurales. En otros trabajos, los circuitos auditivos en aves han sido evaluados por trasplante de prosencéfalo14, pero estos trasplantes contenían presuntas células de la cresta neural, que contribuyen a la forma facial 9,10 y participan en la regulación de la expresión de SHH en el FEZ 15. Por lo tanto, se diseñó un sistema para trasplantar solo el prosencéfalo ventral de una especie de ave a otra antes del cierre del tubo neural para evaluar el papel del cerebro en la forma facial16 (Figura 1A, B). Este método carecía de contaminación de la cresta neural del injerto. En este artículo, se ilustra el método y se describen los resultados esperados, y se discuten los desafíos enfrentados.

<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

El embrión aviar se ha utilizado como sistema modelo durante más de un siglo y ha llevado a una comprensión fundamental del desarrollo de los vertebrados. Una de las fortalezas de este sistema modelo es que el efecto y la interacción entre los tejidos se pueden evaluar directamente en embriones quiméricos. Hemos demostrado previamente que las señales del cerebro anterior contribuyen a la morfogénesis facial al regular la forma del dominio de expresión del erizo sónico (SHH) en la zona ectodérmica frontonasal (FEZ). En este artículo, se describe el método para generar las quimeras del cerebro anterior y proporcionar ilustraciones de los resultados de estos experimentos.

Evaluación del quimerismo y la contaminación por trasplantes Para evaluar las quimeras, se debe abordar el alcance del quimerismo y la contaminación del injerto con otros tipos de células. La creación de quimeras mediante el trasplante de tejidos de codorniz en embriones de pollo permite este tipo de análisis. Usando el anticuerpo QCPN las células de codorniz se pueden visualizar y distinguir de los tejidos del huésped (Figura 1 C, D). En este cas...

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

Este artículo describe una técnica de trasplante de tejido que fue diseñada para probar las propiedades de señalización y patrones del prosencéfalo basal durante el desarrollo craneofacial.

Creación de quimeras del cerebro anterior aviar para evaluar el desarrollo facial

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 ...

Este método permite a los investigadores evaluar las interacciones tisulares entre el prosencéfalo basal y la cara. La principal ventaja de esta técnica es que aísla el prosencéfalo basal para la evaluación y evita la contaminación con células de la cresta neural, lo que confundiría el análisis. La parte difícil de esta técnica es la extracción del cerebro anterior del huésped y el reemplazo con el tejido del donante.Demostrando el procedimiento estará Diane Hu, una científica investigadora del laboratorio del Dr. Ralph Marcucio. Para comenzar, prepare medios DMEM con rojo neutro, una pipeta de transferencia de vidrio y tungsteno afilado. Con una jeringa de 10 mililitros y una aguja de calibre 18, retire 0,5 mililitros de albúmina del extremo puntiagudo de la cáscara del huevo.Haz un pequeño agujero en la parte superior de la concha usando la punta de las tijeras. Luego coloque un trozo de cinta sobre el agujero y corte una abertura circular para exponer el embrión. Mancha el embrión con rojo neutro.Recolectar injertos de tejido del lado izquierdo del prosencéfalo basal de embriones en etapa siete u ocho. Use agujas curvas de tungsteno afiladas para incidir suavemente un pedazo del cerebro anterior. Para no incluir el endodermo subyacente, deslice la aguja debajo del cerebro anterior y paralela al eje del tubo neural.Recoger el injerto del embrión donante utilizando la pipeta de transferencia de vidrio, y transferirlo a DMEM que contiene rojo neutro durante dos minutos para teñirlo. Luego coloque el injerto teñido en DMEM que no contenga rojo neutro hasta que esté listo para el injerto. Incubar huevos fertilizados de pollo Leghorn blanco a 37 grados centígrados en una cámara humidificada hasta la etapa siete a ocho de Hamburger-Hamilton.Exponer los embriones como se demostró anteriormente. Usando agujas de tungsteno afiladas, prepare el sitio del injerto cortando y luego extrayendo una pieza de 0.3 por 0.2 milímetros de prosencéfalo basal para acomodar el injerto. Evite la interrupción excesiva del endodermo subyacente, que será evidente ya que los gránulos de yema comenzarán a filtrarse a través de cualquier desgarro que se haga.Después de transferir el injerto al huésped, coloque el injerto para reemplazar el prosencéfalo basal extirpado del huésped. Coloque la cinta firmemente sobre el orificio y devuelva los embriones a la incubadora de 37 grados centígrados hasta que estén listos para el análisis. Inicialmente, las quimeras se crearon trasplantando tejidos de codorniz en embriones de pollo.Usando el anticuerpo QCPN, las células de codorniz se visualizaron y distinguieron de los tejidos del huésped. El sistema de codorniz-polluelo confirmó que todo el injerto estaba compuesto solo de tejido neural y no estaba contaminado con otros tipos de células. El trasplante de tejido de codorniz en embriones de pato condujo a quimeras severamente deformadas debido a un cerebro de codorniz de desarrollo más rápido.Por lo tanto, se realizó el trasplante de tejidos de pato en embriones de pollo. Las quimeras pato-polluelo resultantes sugieren que el cerebro participa en la regulación de la morfología. Se utilizó la hibridación C2 de montaña entera para evaluar la expresión del erizo sónico en quimeras.Similar a la morfología, la expresión del erizo sónico en el lado del pato de la quimera parecía más parecida a la de un pato. La preparación del sitio host requiere práctica. Una gran cantidad de embriones no sobreviven, por lo que crear una gran cantidad de quimeras puede ayudar a garantizar muestras adecuadas para el análisis.Este método permitió evaluar cómo las señales del cerebro dan forma al dominio de expresión del erizo sónico en la zona ectodérmica frontonasal.

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

Optimizado<em&gt; Ex-ovo</em&gt; El cultivo de embriones del polluelo a etapas avanzadas de desarrollo

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

Investigación

Biología del Desarrollo

Immunostaining to Visualize Murine Enteric Nervous System Development

La inmunotinción para visualizar murino entérica Desarrollo del Sistema Nervioso

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

Utilización de hojas de luz de microscopía de fluorescencia a la imagen de ojo de pez cebra Desarrollo

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

Generación de organoides Cerebral prosencéfalo-tipo estandarizadas y reproducibles de humanos inducida por células madre pluripotentes

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

Cultura Organotypic método para estudiar el desarrollo de tejidos de embrión de pollo

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

Análisis computacional de lo elegans de Caenorhabditis del Germline para estudiar la distribución de núcleos, proteínas y citoesqueleto

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

Sistema basado en la microinyección en Vivo implantación de cardiomiocitos embrionarios en el embrión aviar

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

Expresión rápida y eficiente de múltiples proteínas en embriones aviares utilizando la electroporación de ARNm

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

Un método directo y simple para evaluar la viabilidad de Drosophila melanogasterde Embryo a Adult

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

Hibridación en situ de montaje completo en embriones de pez cebra y ensayo de formación de tubos en iPSC-CE para estudiar el papel de la endoglina en el desarrollo vascular

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