Skapa aviära framhjärnschhimärer för att bedöma ansiktsutveckling
Summary
Denna artikel beskriver en vävnadstransplantationsteknik som utformades för att testa signalerings- och mönstringsegenskaperna hos basal framhjärna under kraniofacial utveckling.
Abstract
Fågelembryot har använts som modellsystem i mer än ett sekel och har lett till grundläggande förståelse för ryggradsdjurens utveckling. En av styrkorna med detta modellsystem är att effekten av, och interaktionen bland, vävnader kan bedömas direkt i chimära embryon. Vi har tidigare visat att signaler från framhjärnan bidrar till ansiktsmorfogenes genom att reglera formen på expressionsdomänen hos Sonic hedgehog (SHH) i Frontonasal Ectodermal Zone (FEZ). I denna artikel beskrivs metoden för att generera framhjärnans chimärer och ge illustrationer av resultaten av dessa experiment.
Introduction
Mycket samtida forskning inom utvecklingsbiologi fokuserar på genernas roll i att forma embryon. Det finns bra verktyg för att undersöka utvecklingsmekanismer ur ett genetiskt perspektiv. Embryon monteras emellertid och genomgår morfogenes som svar på vävnadsinteraktioner. Fågelsystemet är ett klassiskt verktyg som används för att bedöma de olika vävnadsinteraktioner som reglerar utvecklingen av följande skäl: embryologin är väl förstådd, embryon är lättillgängliga, verktyg för analys av fågelsystem är välutvecklade och embryon är billiga.
Fågeltransplantationssystemet har använts i stor utsträckning för härstamningsspårning och för att bedöma vävnadsinteraktioner under utveckling i nästan ett sekel 1,2,3,4. Detta system användes för att undersöka ett signalcenter, Frontonasal Ectodermal Zone (FEZ), som reglerar morfogenes av överkäken5, och en video publicerades som beskriver den tekniken tidigare6. Förutom vaktel-chick har andra arter också använts för att producera chimärer för analys av vävnadsinteraktioner. Till exempel transplanterades musen FEZ från vilda typ7 och mutanta möss8, och andra har använt ett anka-, vaktel- och kycklingsystem för att bedöma rollen som neuralvapen i mönstring av ansiktsskelettet 9,10,11,12.
I detta arbete bedömdes framhjärnans roll för att reglera mönstret för genuttryck i FEZ genom att transplantera den ventrala framhjärnan ömsesidigt bland vaktel-, ank- och kycklingembryon, eftersom en signal från framhjärnan krävs för att inducera Sonic hedgehog-uttryck i FEZ. Forebraintransplantationer är inte unika inom området. Dessa transplantationer användes för att bedöma utvecklingen av motilitet i vaktel- och ankaembryon13, även om vävnader som bidrog till icke-neurala derivat också transplanterades i dessa experiment. I andra arbeten har hörselkretsar hos fåglar bedömts genom framhjärntransplantation14, men dessa transplantationer innehöll presumtiva neurala vapenceller, som bidrar till ansiktsform 9,10 och deltar i regleringen av SHH-uttryck i FEZ 15. Därför utformades ett system för att transplantera bara den ventrala framhjärnan från en fågelart till en annan före stängning av neuralröret för att bedöma hjärnans roll i ansiktsform16 (figur 1A, B). Denna metod saknade kontaminering av neuralkammen i transplantatet. I den här artikeln illustreras metoden och de förväntade resultaten beskrivs och de utmaningar som står inför diskuteras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den beskrivna metoden möjliggör undersökning av vävnadsinteraktionerna mellan den basala framhjärnan och den intilliggande ektodermen. Detta tillvägagångssätt skiljer sig från tidigare prebraintransplantationsmetoder, eftersom donatorvävnaden var begränsad till den ventrala framhjärnan. Detta eliminerar transplantation av neuralkamcellerna, som har visat sig delta i mönstring av ansiktsmorfologi 9,10. Därför var det viktigt att begränsa transplant…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning som rapporteras i denna publikation stöddes av National Institute of Dental and Craniofacial Research vid National Institutes of Health under prisnummer R01DE019648, R01DE018234 och 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).
