إنشاء كيميرا الدماغ الأمامي للطيور لتقييم نمو الوجه
Summary
توضح هذه المقالة تقنية زرع الأنسجة التي تم تصميمها لاختبار خصائص الإشارات والأنماط للدماغ الأمامي القاعدي أثناء النمو القحفي الوجهي.
Abstract
تم استخدام جنين الطيور كنظام نموذجي لأكثر من قرن وأدى إلى فهم أساسي لتطور الفقاريات. تتمثل إحدى نقاط القوة في هذا النظام النموذجي في أنه يمكن تقييم تأثير الأنسجة والتفاعل بينها مباشرة في الأجنة الوهمية. لقد أظهرنا سابقا أن الإشارات من الدماغ الأمامي تساهم في تشكل الوجه من خلال تنظيم شكل مجال التعبير للقنفذ الصوتي (SHH) في منطقة الأديم الظاهر الجبهي الأنفي (FEZ). في هذه المقالة ، يتم وصف طريقة توليد الوهم الأمامي وتقديم الرسوم التوضيحية لنتائج هذه التجارب.
Introduction
تركز الكثير من الأبحاث المعاصرة في علم الأحياء التنموي على دور الجينات في تشكيل الأجنة. هناك أدوات جيدة لفحص آليات النمو من منظور وراثي. ومع ذلك ، يتم تجميع الأجنة وتخضع للتشكل استجابة لتفاعلات الأنسجة. نظام الطيور هو أداة كلاسيكية تستخدم لتقييم مجموعة متنوعة من تفاعلات الأنسجة التي تنظم التطور للأسباب التالية: علم الأجنة مفهوم جيدا ، ويمكن الوصول إلى الأجنة بسهولة ، وأدوات تحليل أنظمة الطيور متطورة بشكل جيد ، والأجنة غير مكلفة.
تم استخدام نظام زرع الطيور على نطاق واسع لتتبع النسب وتقييم تفاعلات الأنسجة أثناء التطور لما يقرب منقرن من الزمان 1،2،3،4. تم استخدام هذا النظام للتحقيق في مركز الإشارات ، منطقة الأديم الظاهر الجبهي الأنفي (FEZ) ، الذي ينظم تشكل الفك العلوي5 ، وتم نشر مقطع فيديو يصف هذه التقنية سابقا6. بالإضافة إلى كتكوت السمان ، تم استخدام أنواع أخرى لإنتاج الكيميرا لتحليل تفاعلات الأنسجة. على سبيل المثال ، تم زرع الفأر FEZ من النوعالبري 7 والفئرانالطافرة 8 ، واستخدم آخرون أنظمة البط والسمان والكتاكيت لتقييم دور القمة العصبية في تشكيل الهيكل العظمي للوجه9،10،11،12.
في هذا العمل ، تم تقييم دور الدماغ الأمامي في تنظيم نمط التعبير الجيني في المنطقة الاقتصادية الحرة عن طريق زرع الدماغ الأمامي البطني بشكل متبادل بين أجنة السمان والبط والكتاكيت ، لأن إشارة من الدماغ الأمامي مطلوبة للحث على تعبير القنفذ الصوتي في المنطقة الاقتصادية الحرة. عمليات زرع الدماغ الأمامي ليست فريدة من نوعها في هذا المجال. تم استخدام عمليات الزرع هذه لتقييم تطور الحركة في أجنة السمان والبط13 ، على الرغم من أنه في هذه التجارب تم أيضا زرع الأنسجة التي ساهمت في المشتقات غير العصبية. في أعمال أخرى ، تم تقييم الدوائر السمعية في الطيور عن طريق زرع الدماغ الأمامي 14 ، لكن عمليات الزرع هذه احتوت على خلايا قمة عصبية مفترضة ، والتي تساهم في تشكيل الوجه9،10 وتشارك في تنظيم تعبير SHH في FEZ15. ومن ثم ، تم ابتكار نظام لزرع الدماغ الأمامي البطني فقط من نوع واحد من الطيور إلى آخر قبل إغلاق الأنبوب العصبي لتقييم دور الدماغ في شكل الوجه16 (الشكل 1 أ ، ب). كانت هذه الطريقة خالية من تلوث القمة العصبية للكسب غير المشروع. في هذه المقالة ، يتم توضيح الطريقة ووصف النتائج المتوقعة ، ومناقشة التحديات التي تواجهها.
Protocol
Representative Results
Discussion
تسمح الطريقة الموصوفة بفحص تفاعلات الأنسجة بين الدماغ الأمامي القاعدي والأديم الظاهر المجاور. يختلف هذا النهج عن طرق زراعة الدماغ الأمامي السابقة ، لأن أنسجة المتبرع كانت مقصورة على الدماغ الأمامي البطني. هذا يلغي زرع خلايا القمة العصبية ، والتي ثبت أنها تشارك في تشكيل مورفولوجيا الوجه<s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور من قبل المعهد الوطني لأبحاث الأسنان والقحف الوجهي التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت أرقام الجوائز R01DE019648 و R01DE018234 و R01DE019638.
Materials
| 1x PBS | TEK | TEKZR114 | |
| 35×10 mm Petri dish | Falcon | 1008 | |
| DMEM | Thermofisher | 11965084 | |
| Needle holder | Fine Science Tools | 26016-12 | |
| Neutral Red | Sigma | 553-24-2 | |
| No. 5 Dumont forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | |
| Pasteur Pipets | Thermofisher | 13-678-6B | |
| QCPN antibody | Developmental Studies Hybridoma bank, Iowa University, Iowa, USA | ||
| Scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| Tungsten Needle | Fine Science Tools | 26000 |
References
- Waddington, C. Developmental Mechanics of Chicken and Duck Embryos. Nature. 125, 924-925 (1930).
- Noden, D. M. The role of the neural crest in patterning of avian cranial skeletal, connective, and muscle tissues. Biologie du développement. 96 (1), 144-165 (1983).
- Borue, X., Noden, D. M. Normal and aberrant craniofacial myogenesis by grafted trunk somitic and segmental plate mesoderm. Development. 131 (16), 3967-3980 (2004).
- Teillet, M. A., Ziller, C., Le Douarin, N. M. Quail-chick chimeras. Methods in Molecular Biology. 461, 337-350 (2008).
- Hu, D., Marcucio, R. S., Helms, J. A. A zone of frontonasal ectoderm regulates patterning and growth in the face. Development. 130 (9), 1749-1758 (2003).
- Hu, D., Marcucio, R. S. Assessing signaling properties of ectodermal epithelia during craniofacial development. Journal of Visualized Experiments. (49), (2011).
- Hu, D., Marcucio, R. S. Unique organization of the frontonasal ectodermal zone in birds and mammals. Biologie du développement. 325 (1), 200-210 (2009).
- Griffin, J. N., et al. Fgf8 dosage determines midfacial integration and polarity within the nasal and optic capsules. Biologie du développement. 374 (1), 185-197 (2013).
- Schneider, R. A., Helms, J. A. The cellular and molecular origins of beak morphology. Science. 299 (5606), 565-568 (2003).
- Tucker, A. S., Lumsden, A. Neural crest cells provide species-specific patterning information in the developing branchial skeleton. Evolution & Development. 6 (1), 32-40 (2004).
- Fish, J. L., Schneider, R. A. Assessing species-specific contributions to craniofacial development using quail-duck chimeras. Journal of Visualized Experiments. (87), (2014).
- Schneider, R. A. Neural crest and the origin of species-specific pattern. Genesis. 56 (6-7), 23219 (2018).
- Sohal, G. S. Effects of reciprocal forebrain transplantation on motility and hatching in chick and duck embryos. Brain Research. 113 (1), 35-43 (1976).
- Chen, C. C., Balaban, E., Jarvis, E. D. Interspecies avian brain chimeras reveal that large brain size differences are influenced by cell-interdependent processes. PLoS One. 7 (7), 42477 (2012).
- Hu, D., Marcucio, R. S. Neural crest cells pattern the surface cephalic ectoderm during FEZ formation. Developmental Dynamics. 241 (4), 732-740 (2012).
- Hu, D., et al. Signals from the brain induce variation in avian facial shape. Developmental Dynamics. 244 (9), 1133-1143 (2015).
- Hamburger, V., Hamilton, H. L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Journal of Morphology. 88 (1), 49-92 (1951).
- Xu, Q., et al. Correlations Between the Morphology of Sonic Hedgehog Expression Domains and Embryonic Craniofacial Shape. Evolutionary Biology. 42 (3), 379-386 (2015).
- Eames, B. F., Schneider, R. A. The genesis of cartilage size and shape during development and evolution. Development. 135 (23), 3947-3958 (2008).
- Merrill, A. E., Eames, B. F., Weston, S. J., Heath, T., Schneider, R. A. Mesenchyme-dependent BMP signaling directs the timing of mandibular osteogenesis. Development. 135 (7), 1223-1234 (2008).
