Oprettelse af fugleforhjernekimærer til vurdering af ansigtsudvikling
Summary
Denne artikel beskriver en vævstransplantationsteknik, der er designet til at teste signal- og mønsteregenskaberne hos basal forhjerne under kraniofacial udvikling.
Abstract
Fugleembryoet er blevet brugt som modelsystem i mere end et århundrede og har ført til grundlæggende forståelse af hvirveldyrs udvikling. En af styrkerne ved dette modelsystem er, at effekten af og interaktionen mellem væv kan vurderes direkte i kimære embryoner. Vi har tidligere vist, at signaler fra forhjernen bidrager til ansigtsmorfogenese ved at regulere formen på ekspressionsdomænet for sonisk pindsvin (SHH) i Frontonasal Ectodermal Zone (FEZ). I denne artikel beskrives metoden til generering af forhjernekimærerne og illustrationer af resultaterne af disse eksperimenter.
Introduction
Meget moderne forskning i udviklingsbiologi fokuserer på genernes rolle i udformningen af embryoner. Der er gode værktøjer til at undersøge udviklingsmekanismer fra et genetisk perspektiv. Imidlertid samles embryoner og gennemgår morfogenese som reaktion på vævsinteraktioner. Fuglesystemet er et klassisk værktøj, der bruges til at vurdere de forskellige vævsinteraktioner, der regulerer udviklingen af følgende grunde: embryologien er velforstået, embryonerne er let tilgængelige, værktøjer til analyse af fuglesystemer er veludviklede, og embryonerne er billige.
Fugletransplantationssystemet har været meget anvendt til afstamningssporing og til vurdering af vævsinteraktioner under udvikling i næsten et århundrede 1,2,3,4. Dette system blev brugt til at undersøge et signalcenter, Frontonasal Ectodermal Zone (FEZ), der regulerer morfogenese af overkæben5, og en video blev offentliggjort, der beskriver denne teknik tidligere6. Ud over vagtel-chick er andre arter også blevet brugt til at producere kimærer til analyse af vævsinteraktioner. For eksempel blev musens FEZ transplanteret fra vilde type7 og mutante mus8, og andre har brugt et ande-, vagtel- og kyllingsystem til at vurdere neurale kams rolle i mønster af ansigtsskelettet 9,10,11,12.
I dette arbejde blev forhjernens rolle i reguleringen af genekspressionsmønsteret i FEZ ved at transplantere den ventrale forhjerne gensidigt blandt vagtler, ænder og kyllingembryoner vurderet, fordi der kræves et signal fra forhjernen for at inducere sonisk pindsvineekspression i FEZ. Forebrain transplantationer er ikke unikke på området. Disse transplantationer blev brugt til at vurdere udviklingen af motilitet i vagtel- og andeembryoner13, selvom der i disse forsøg også blev transplanteret væv, der bidrog til ikke-neurale derivater. I andet arbejde er auditive kredsløb hos fugle blevet vurderet ved forhjernetransplantation14, men disse transplantationer indeholdt formodede neurale kamceller, som bidrager til ansigtsform 9,10 og deltager i reguleringen af SH-ekspression i FEZ 15. Derfor blev et system til kun at transplantere den ventrale forhjerne fra en fugleart til en anden inden lukning af neuralrøret udtænkt for at vurdere hjernens rolle i ansigtsform16 (figur 1A, B). Denne metode var blottet for neurale kamforurening af transplantatet. I denne artikel illustreres metoden, og de forventede resultater beskrives, og de udfordringer, der står over for, diskuteres.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den beskrevne metode tillader undersøgelse af vævsinteraktionerne mellem den basale forhjerne og den tilstødende ektoderm. Denne tilgang adskiller sig fra tidligere forhjernetransplantationsmetoder, fordi donorvævet var begrænset til den ventrale forhjerne. Dette eliminerer transplantation af neurale kamceller, som har vist sig at deltage i mønstrende ansigtsmorfologi 9,10. Derfor var det vigtigt at begrænse transplantatet til den basale forhjerne for at e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af National Institute of Dental and Craniofacial Research of the National Institutes of Health under tildelingsnumre R01DE019648, R01DE018234 og 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).
