Création de chimères du cerveau antérieur aviaire pour évaluer le développement facial
Summary
Cet article décrit une technique de transplantation de tissus conçue pour tester les propriétés de signalisation et de structuration du cerveau antérieur basal au cours du développement craniofacial.
Abstract
L’embryon aviaire a été utilisé comme système modèle pendant plus d’un siècle et a conduit à une compréhension fondamentale du développement des vertébrés. L’une des forces de ce système modèle est que l’effet et l’interaction entre les tissus peuvent être directement évalués dans les embryons chimériques. Nous avons déjà montré que les signaux du cerveau antérieur contribuent à la morphogenèse faciale en régulant la forme du domaine d’expression du hérisson sonique (SHH) dans la zone ectodermique frontonasale (FEZ). Dans cet article, la méthode de génération des chimères du cerveau antérieur et de fournir des illustrations des résultats de ces expériences est décrite.
Introduction
Une grande partie de la recherche contemporaine en biologie du développement se concentre sur le rôle des gènes dans la formation des embryons. Il existe de bons outils pour examiner les mécanismes de développement d’un point de vue génétique. Cependant, les embryons sont assemblés et subissent une morphogenèse en réponse aux interactions tissulaires. Le système aviaire est un outil classique utilisé pour évaluer la variété des interactions tissulaires qui régulent le développement pour les raisons suivantes: l’embryologie est bien comprise, les embryons sont facilement accessibles, les outils d’analyse des systèmes aviaires sont bien développés et les embryons sont peu coûteux.
Le système de transplantation aviaire a été largement utilisé pour le traçage de la lignée et pour évaluer les interactions tissulaires au cours du développement depuis près d’un siècle 1,2,3,4. Ce système a été utilisé pour étudier un centre de signalisation, la zone ectodermique frontonasale (FEZ), qui régule la morphogenèse de la mâchoire supérieure5, et une vidéo a été publiée décrivant cette technique précédemment6. En plus de la caille-poussin, d’autres espèces ont également été utilisées pour produire des chimères pour l’analyse des interactions tissulaires. Par exemple, la souris FEZ a été transplantée à partir de souris sauvages de type7 et mutantes8, et d’autres ont utilisé un système de canard, de caille et de poussin pour évaluer le rôle de la crête neurale dans la structuration du squelette facial 9,10,11,12.
Dans ce travail, le rôle du cerveau antérieur dans la régulation du modèle d’expression génique dans la ZFE en transplantant réciproquement le cerveau antérieur ventral parmi les embryons de caille, de canard et de poussin a été évalué, car un signal du cerveau antérieur est nécessaire pour induire l’expression du hérisson Sonic dans la ZFE. Les greffes de cerveau antérieur ne sont pas uniques dans le domaine. Ces greffes ont été utilisées pour évaluer le développement de la motilité chez les embryons de cailles et de canards13, bien que dans ces expériences, des tissus contribuant à des dérivés non neuronaux aient également été transplantés. Dans d’autres travaux, les circuits auditifs chez les oiseaux ont été évalués par transplantation du cerveau antérieur14, mais ces greffes contenaient des cellules de crête neurale présumées, qui contribuent à la forme du visage 9,10 et participent à la régulation de l’expression de la SHH dans la FEZ 15. Par conséquent, un système permettant de transplanter uniquement le cerveau antérieur ventral d’une espèce d’oiseau à une autre avant la fermeture du tube neural a été conçu pour évaluer le rôle du cerveau dans la forme faciale16 (Figure 1A, B). Cette méthode était dépourvue de contamination de la crête neurale du greffon. Dans cet article, la méthode est illustrée et les résultats attendus sont décrits, et les défis rencontrés sont discutés.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode décrite permet d’examiner les interactions tissulaires entre le cerveau antérieur basal et l’ectoderme adjacent. Cette approche diffère des méthodes précédentes de transplantation du cerveau antérieur, car le tissu du donneur était limité au cerveau antérieur ventral. Cela élimine la transplantation des cellules de la crête neurale, qui ont été montrées pour participer à la structuration de la morphologie faciale 9,10. Par conséqu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La recherche rapportée dans cette publication a été soutenue par le National Institute of Dental and Craniofacial Research des National Institutes of Health sous les numéros d’attribution R01DE019648, R01DE018234 et 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).
