כמו תא גזע<em> Xenopus</em> Explants העובריים לחקר תכונות המוקדמות עצבי התפתחותית<em> במבחנה</em> ו<em> In vivo</em
Summary
In Xenopus embryos, cells from the roof of the blastocoel are pluripotent and can be programmed to generate various tissues. Here, we describe protocols to use amphibian blastocoel roof explants as an assay system to investigate key in vivo and in vitro features of early neural development.
Abstract
Understanding the genetic programs underlying neural development is an important goal of developmental and stem cell biology. In the amphibian blastula, cells from the roof of the blastocoel are pluripotent. These cells can be isolated, and programmed to generate various tissues through manipulation of genes expression or induction by morphogens. In this manuscript protocols are described for the use of Xenopus laevis blastocoel roof explants as an assay system to investigate key in vivo and in vitro features of early neural development. These protocols allow the investigation of fate acquisition, cell migration behaviors, and cell autonomous and non-autonomous properties. The blastocoel roof explants can be cultured in a serum-free defined medium and grafted into host embryos. This transplantation into an embryo allows the investigation of the long-term lineage commitment, the inductive properties, and the behavior of transplanted cells in vivo. These assays can be exploited to investigate molecular mechanisms, cellular processes and gene regulatory networks underlying neural development. In the context of regenerative medicine, these assays provide a means to generate neural-derived cell types in vitro that could be used in drug screening.
Introduction
מערכת העצבים של בעלי החוליות עולה מהצלחת העצבית כשכבת אחידה של תאי neuroepithelial. הבנה כיצד תוכניות התפתחותיות מושרות, מקודדות, והוקמו במהלך אזורית של הצלחת העצבית היא, כיום, מטרה עיקרית בביולוגיה התפתחותית. בהשוואה למערכות אחרות, עובר Xenopus ניסוי נוח הוא מודל של בחירה לניתוח שלבים מוקדמים של התפתחות עצבית 1,2. זה קל להשיג מספר גדול של עוברים, ופיתוח חיצוני נותן גישה לצעדים הראשונים של neurulation 3. כלים רבים זמינים כדי לתפעל באופן ניסיוני Xenopus laevis (laevis X.) התפתחות עוברית. מיקרו הזרקה של mRNAs או morpholinos (MO), כוללים שיטות פעולה מושרה, יחד עם כלים ביוכימיים ותרופתיים, מאפשר מבוקר רווח של פונקציה (GOF) ואובדן התפקוד (LOF) ושינוי ספציפי של מסלולי איתות 4,5. בלההאאקטודרם גג stocoel, הממוקם סביב קוטב החיה של blastula, או עובר gastrula בשלב מוקדם מאוד, ומכונה "בעלי החיים קאפ '(AC), הוא מקור לתאי pluripotent שניתן לתכנת על ידי מניפולציה של ביטוי גנים לפני explants הכנה. בכתב יד זה הם פרוטוקולים מפורטים לשימוש X. explants laevis AC לבדוק במבחנה ובמנגנונים מולקולריים vivo ותהליכים תאיים התפתחות עצבית בסיסית.
טכניקה מוצגת, המאפשרת תצפית יפה של דפוסי ביטוי גנים בצינור עצבי ראשן צפרדעים, צעד ראשוני בזיהוי רמזי נחישות גורל. בעוד התצפית של רקמות רכוב שטוחות נפוצה במחקר של עובר חומוס 6, זה לא תואר כראוי בצפרדעים. מניפולציה של ביטוי גנים על ידי הזרקת mRNA או MO סינטטיים ללסטומרים של 2 או 4 עובר שלב תא מאפשרת תכנות של ACexplants 4. לדוגמא עיכוב של מסלול חלבון העצם המוךפו"גנטי (BMP) על ידי ביטוי של אנטי-BMP גורם הבחור!, נותן זהות עצבית לתאי AC 3. הפרוטוקול מפורט לביצוע חשיפה מבוקר זמן ומקומי של explants AC לרמזים חיצוניים באמצעות מגע ישיר עם חרוז שרף אניוני. לבסוף טכניקה מתוארת לבדיקת תכונות ההתפתחותי של אבות עצביים in vivo על ידי השתלה של explants המעורב הוכן מהתאים נפרדים מתוכנת ניתקו וקשורים-מחדש.
עובר הצפרדע הוא מודל רב עוצמה כדי לחקור את ההתפתחות עצבית חוליות מוקדמות. שילוב מניפולציה של ביטוי גנים לexplant תרבויות במבחנה מספק מידע חשוב בחקר האזורי neuroepithelium, התפשטות, והמורפוגנזה 7-12. תכנות של explants AC מותר פיתוח של לב פונקציונלי vivo לשעבר 13,14. השימוששל explant השתלת 15 הובילו לזיהוי של בורר תעתיק המינימלי התרמה תכנית בידול הרכס העצבי 16. Limitans Zona intrathalamica (ZLI) הוא מרכז איתות שמפריש סוניק קיפוד (ששש) כדי לשלוט על הצמיחה ואזורית של המוח הקדמי הזנב. כאשר נחשפו ברציפות שלשש, תאי neuroepithelial coexpressing גני שלושה שעתוק גורם – כמו-barH homeobox-2 (barhl2), orthodenticle-2 (otx2) וIroquois-3 (irx3) – רכישת שני מאפיינים של תא ZLI: הסמכות ל להביע את ששש, ואת היכולת להפריד מתאי צלחת עצביים קדמי. כמערכת מודל, האינדוקציה של גורל ZLI לתאי neuroepithelial יוצג 8.
פרוטוקולים אלה מכוונים למתן וכלים פשוטים, זולים, יעילים לביולוגים התפתחותיים וחוקרים אחרים לחקור את MEC הבסיסיhanisms של התנהגויות תא עצביות מרכזיות. פרוטוקולים אלה הם מגוונים מאוד ומאפשרים החקירה של מגוון גדול של רמזי נחישות עצביים חיצוניים ופנימיים. זה מאפשר לטווח ארוך בניתוח vivo של מחויבות עצביות שושלת, אינטראקציות אינדוקטיביים והתנהגויות תא.
Protocol
Representative Results
Discussion
התפתחות עצבית היא בניצוחו של גומלין מורכב בין תוכניות סלולריות התפתחותיים ואותות מהרקמות הסובבות (נבדקו ב3,31,32). כאן אנו מתארים קבוצה של פרוטוקולים שניתן להשתמש בX. laevis עובר לחקור חיצוני וגורמים פנימיים מעורבים בקביעת גורל עצבית והמורפוגנזה עצבית במבח…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The author thanks Hugo Juraver-Geslin, Marion Wassef and Anne Hélène Monsoro-Burq for their help and advice, and the Animal Facility of the Institut Curie. The author thanks Paul Johnson for his editing work on the manuscript. This work was supported by the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS UMR8197, INSERM U1024) and by grants from the “Association pour la Recherche sur le Cancer” (ARC 4972 and ARC 5115; FRC DOC20120605233 and LABEX Memolife) and the Fondation Pierre Gilles de Gennes (FPGG0039).
Materials
| Paraformaldehyde | VWR | 20909.290 | Toxic |
| anion exchange resin beads | Biorad | 140- 1231 | |
| Bovine Serum Albumin | SIGMA | A-7888 | For culture of animal cappH 7.6 |
| Gentamycine | GIBCO | 15751-045 | antibiotic |
| Bovine Serum Albumin | SIGMA | A7906 | for bead preparation |
References
- Nieuwkoop, P. D. IIB, Pattern formation in the developing central nervous system (CNS) of the amphibians and birds (English). Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. 94, 121-127 (1991).
- Nieuwkoop, P. D. The neural induction process; its morphogenetic aspects. Int J Dev Biol. 43, 615-623 (1999).
- Harland, R. Neural induction. Curr Opin Genet Dev. 10, 357-362 (2000).
- Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. . Early development of Xenopus laevis : a laboratory manual. , (2000).
- Hoppler, S., Vize, P. D., Hoppler, S., Vize, P. D. . Xenopus protocols : post-genomic approaches. , (2012).
- Franklin Hughes, W., La Velle, A. The effects of early tectal lesions on development in the retinal gonglion cell layer of chick embryos. J Comp Neurol. 163, 265-283 (1975).
- Theveneau, E., Mayor, R. Beads on the run: beads as alternative tools for chemotaxis assays. Methods Mol Biol. 769, 449-460 (2011).
- Juraver-Geslin, H. A., Gomez-Skarmeta, J. L., Durand, B. C. The conserved barH-like homeobox-2 gene barhl2 acts downstream of orthodentricle-2 and together with iroquois-3 in establishment of the caudal forebrain signaling center induced by Sonic Hedgehog. Dev Biol. 396, 107-120 (2014).
- Green, J. B., New, H. V., Smith, J. C. Responses of embryonic Xenopus cells to activin and FGF are separated by multiple dose thresholds and correspond to distinct axes of the mesoderm. Cell. 71, 731-739 (1992).
- Wallingford, J. B., Ewald, A. J., Harland, R. M., Fraser, S. E. Calcium signaling during convergent extension in Xenopus. Curr Biol. 11, 652-661 (2001).
- Kiecker, C., Niehrs, C. A morphogen gradient of Wnt/beta-catenin signalling regulates anteroposterior neural patterning in Xenopus. DEVELOPMENT. 128, 4189-4201 (2001).
- Wilson, P. A., Hemmati-Brivanlou, A. Induction of epidermis and inhibition of neural fate by Bmp-4. Nature. 376, 331-333 (1995).
- Afouda, B. A., Hoppler, S. Xenopus explants as an experimental model system for studying heart development. Trends in cardiovascular medicine. 19, 220-226 (2009).
- Afouda, B. A. Stem-cell-like embryonic explants to study cardiac development. Methods Mol Biol. 917, 515-523 (2012).
- Milet, C., Monsoro-Burq, A. H. Dissection of Xenopus laevis neural crest for in vitro explant culture or in vivo transplantation. Journal of visualized experiments: JoVE. , (2014).
- Milet, C., Maczkowiak, F., Roche, D. D., Monsoro-Burq, A. H. Pax3 and Zic1 drive induction and differentiation of multipotent, migratory, and functional neural crest in Xenopus embryos. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 5528-5533 (2013).
- Nieuwkoop, P. D., Faber, J., Nieuwkoop, P. D., Faber, J. . Normal table of Xenopus laevis (Daudin): a systematical and chronological survey of the development from the fertilized egg till the end of metamorphosis. , (1994).
- Harland, R. M. In situ hybridization: an improved whole-mount method for Xenopus embryos. Methods Cell Biol. 36, 685-695 (1991).
- Turner, D. L., Weintraub, H. Expression of achaete-scute homolog 3 in Xenopus embryos converts ectodermal cells to a neural fate. Genes Dev. 8, 1434-1447 (1994).
- Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Removing the Vitelline Membrane from Xenopus laevis Embryos. CSH protocols. , (2007).
- Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Animal Cap Isolation from Xenopus laevis. CSH protocols. , (2007).
- Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Embryo dissection and micromanipulation tools. CSH protocols. , (2007).
- Wilson, S. W., Houart, C. Review: Early Steps in the Development of the Forebrain. Developmental Cell. 6, 167-181 (2004).
- Juraver-Geslin, H. A., Durand, B. C. Early development of the neural plate: new roles for apoptosis and for one of its main effectors caspase-3. Genesis. 53, 203-224 (2015).
- Heasman, J. Patterning the early Xenopus embryo. Development. 133, 1205-1217 (2006).
- Rubenstein, J. L., Martinez, S., Shimamura, K., Puelles, L. The embryonic vertebrate forebrain: the prosomeric model. Science. 266, 578-580 (1994).
- Puelles, L., Rubenstein, J. L. R. Forebrain gene expression domains and the evolving prosomeric model. Trends in Neurosciences. 26, 469-476 (2003).
- Martinez-Ferre, A., Martinez, S. Molecular regionalization of the diencephalon. Frontiers In Neuroscience. 6, 73-73 (2012).
- Scholpp, S., Lumsden, A. Review: Building a bridal chamber: development of the thalamus. Trends in Neurosciences. 33, 373-380 (2010).
- Coffman, C., Harris, W., Kintner, C. Xotch, the Xenopus homolog of Drosophila notch. Science. 249, 1438-1441 (1990).
- Pera, E. M., Acosta, H., Gouignard, N., Climent, M., Arregi, I. Active signals, gradient formation and regional specificity in neural induction. Exp Cell Res. 321, 25-31 (2014).
- Stern, C. D. Neural induction: old problem, new findings, yet more questions. Development. 132, 2007-2021 (2005).
- Juraver-Geslin, H. A., Ausseil, J. J., Wassef, M., Durand, B. C. Barhl2 limits growth of the diencephalic primordium through Caspase3 inhibition of beta-catenin activation. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 2288-2293 (2011).
- Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Dissociation and Reaggregation of Xenopus laevis Animal Caps. CSH protocols. , (2007).
- Harland, R. M., Grainger, R. M. Xenopus research: metamorphosed by genetics and genomics. Trends Genet. 27, 507-515 (2011).
- Beccari, L., Marco-Ferreres, R., Bovolenta, P. The logic of gene regulatory networks in early vertebrate forebrain patterning. Mech Dev. 130, 95-111 (2013).
- Pani, A. M., et al. Ancient deuterostome origins of vertebrate brain signalling centres. Nature. 483, 289-294 (2012).
- Holland, L. Z., et al. Evolution of bilaterian central nervous systems: a single origin?. Evodevo. 4, 27 (2013).
- Pratt, K. G., Khakhalin, A. S. Modeling human neurodevelopmental disorders in the Xenopus tadpole: from mechanisms to therapeutic targets. Disease models & mechanisms. 6, 1057-1065 (2013).
- Sasai, Y., Ogushi, M., Nagase, T., Ando, S. Bridging the gap from frog research to human therapy: a tale of neural differentiation in Xenopus animal caps and human pluripotent cells. Development, growth & differentiation. 50, s47-s55 (2008).
