Roller erken piliç embriyonik morfogenez fiziksel güçlerinin sondalama
Summary
Burada, yeni eski-ovo deneyleri ve morfogenetik mekaniği erken piliç embriyonik beyin burulma sırasında çalışmak için fiziksel modelleme yaklaşımlar bir dizi tanıtımı iletişim kuralı mevcut.
Abstract
Embriyonik geliştirme geleneksel biyomoleküler genetik açıdan okudu ama morfogenez mekaniğinin temel önem giderek tanınır hale. Özellikle, onlar geliştirdikçe hangi ciddi morfolojik değişiklikler geçmesi, embriyonik piliç kalp ve beyin Tüp, rol morfogenez fiziksel güçlerinin çalışmaya başbakan adayları arasında yer. İlerici ventral bükme ve borulu embriyonik piliç beyin rightward burulma organ düzeyinde sağa ve sola asimetri piliç embriyonik geliştirme erken aşamada olur. Vitelline membran (VM) embriyonun dorsal tarafında sınırlar ve burulma gelişmekte olan beyin ikna etmek gerekli gücü sağlayan karıştığı olmuştur. Burada bir arada yeni eski-ovo deneyler ve fiziksel beyin burulma mekaniği tanımlamak için modelleme mevcut. Hamburger-Hamilton aşamada 11, embriyo hasat ve kültürlü ex ovo (medya). VM çekti kılcal tüp kullanarak daha sonra kaldırılır. Sıvı düzeyini denetleyerek ve embriyo sıvı-AIR arabirimiyle tutulmasi, medya sıvı yüzey gerilimi VM mekanik rolünü değiştirmek için kullanılabilir. Mikrocerrahi deneyler de sonuç değişiklik beyin burulma sembolik bulmak için kalp konumunu değiştirmek için yapıldı. Bu iletişim kuralı sonuçlarından morfogenez sürüş mekaniğinin temel rolleri gösterilmektedir.
Introduction
Modern gelişim Biyolojisi Araştırma büyük ölçüde anlayış geliştirme açısından moleküler genetik1,2,3,4,5,6 üzerinde duruluyor. , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13. fiziksel olaylar morfogenez içinde merkezi bir rol oynamak veya14,15,16,17; biyolojik nesil formu bilinen Ancak, geliştirme belirli mekanik mekanizmaları büyük ölçüde doğaçlama kalır. Ventral bükülme ve sonra Hamburger-Hamilton sahne 11 (HH 11)18 embriyonik şekle katkıda iki ana süreç ilkel beyin tüp rightward burulma19,20değiştirin. Özellikle, embriyonik beyin burulma geliştirmede temel fiziksel mekanizma tam olarak anlaşılır kalır.
Civciv embriyo embriyonik burulma-sol (sol-sağ) asimetri gelişiminde en erken morfogenetik olayları arasında yer alıyor. L-R asimetri sürecinin tedirgin, Doğum kusurları kalbin inversus, isomerismveya heterotaxia gibi21ortaya çıkar.
Burada mekanik Kuvvetleri erken embriyonik beyin gelişimi sırasında karakterize için fiziksel modelleme ile ex ovo deneyler22,23 birleştiren bir iletişim kuralı mevcut. Mekanik Kuvvetleri sorumlu beyin burulma ve burulma derecesini erken geliştirme12sırasında etkileyen faktörleri belirlemek için sunulan Yöntem hedefidir. Vitelline membran (VM) embriyonun dorsal tarafında sınırlar deneysel gözlem dayalı, VM burulma gelişmekte olan beyin ikna etmek gerekli gücü sağlar olan. Bu nedenle, bu yöntemde beyin burulma üzerindeki etkilerini öğrenmek için beyin alan kaplayan VM parçası çıkardık. Ayrıca, sıvı yüzey gerilimi uygulama Yöntem VM mekanik rolü onaylamak ve daha önce yapılmamıştır beyin burulma için gerekli gücü’nün bir tahmin sağlamak için kullanılmıştır. Güçleri sırasında embriyonik morfogenez ölçme bir iştir. Özellikle, öncü bir çalışmada, Campàs ve iş24 enjekte microdroplets kullanarak hücresel stresleri ölçmek için yeni bir yöntem geliştirdi. Yine de, bu yöntem kuvvetleri hücresel düzeyde kuvvetleri, doku veya organizma düzeyinde soruşturma için bu nedenle uygulanamaz ölçmek için sınırlıydı. Bu raporda sunulan Protokolü kısmen bu boşluğu doldurmak için geliştirilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fiziksel olaylar morfogenez26,27,28,29,30, belirli mekanik mekanizmaları, mekanik koordinasyonu ile birlikte önemli bir rol oynarken ve moleküler mekanizmalar, büyük ölçüde keşfedilmemiş kalır. Ventral bükülme ve ilkel beyin rightward burulma erken embriyonik morfogenez18,31,<su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.C. destek Dartmouth başlangıç Fonu ve Branco Weiss – Derneği Bilim Kardeşliği, ETH Zürih tarafından yönetilen için kabul eder. Yazarlar Drs. Larry A. Taber, Benjamen A. Filas, Qiaohang Guo ve Yunfei Shi yararlı tartışmalar için yanı sıra adsız yorumcular Yorumlar için teşekkür ederim. Bu malzeme Ulusal Bilim Vakfı Yüksek Lisans Araştırma Bursu Grant No altında tarafından desteklenen çalışma üzerine kuruludur DGE-1313911. Herhangi bir görüş, bulgular ve sonuç ya da öneriler bu malzeme ifade yazarlar (s) ve mutlaka Ulusal Bilim Vakfı görüşlerini yansıtmamaktadır.
Materials
| Fertilized Specific pathogen-free White Leghorn chicken eggs | Charles River | ||
| Optical Coherent Tomography Microscope | Thorlabs | GAN220C1 | |
| Silicone elastomer | Smooth-On, Inc. | EcoFlex 00-50 | |
| Dissecting microscope | Leica | MZ8 | |
| Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) | Lonza | 12-604F | |
| Antibiotics | Sigma | P4083 | |
| Chick serum | Sigma | C5405 | |
| Micropipette puller | Sutter Instrument | Model P-30 | |
| Filter paper | Whatman | 5202-110 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Corning | 21-040-CV | |
| Comsol MultiPhysics | Comsol | ||
| 3D computer graphics software | Rhino 5 | ||
| Microscope attached with OCT | Nikon | FN1 | |
| Digital single-lens reflex camera | EOS | Rebel T3i |
Riferimenti
- Taber, L. A. Biomechanics of Growth, Remodeling, and Morphogenesis. Appl. Mech. Rev. 48, 487-545 (1995).
- Wyczalkowski, M. A., Chen, Z., Filas, B. A., Varner, V. D., Taber, L. A. Computational models for mechanics of morphogenesis. Birth Defects Research Part C – Embryo Today: Reviews. 96, 132-152 (2012).
- Savin, T., et al. On the growth and form of the gut. Nature. 476, 57-62 (2011).
- Gjorevski, N., Nelson, C. M. The mechanics of development: Models and methods for tissue morphogenesis. Birth Defects Research Part C – Embryo Today: Reviews. 90, 193-202 (2010).
- Shyer, A. E., et al. Villification: how the gut gets its villi. Science. 342, 212-218 (2013).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59, 863-883 (2011).
- Chen, Z., Majidi, C., Srolovitz, D. J., Haataja, M. Tunable helical ribbons. Appl. Phys. Lett. 98, (2011).
- Gerbode, S. J., Puzey, J. R., McCormick, A. G., Mahadevan, L. How the cucumber tendril coils and overwinds. Science. 337, 1087-1091 (2012).
- Armon, S., Efrati, E., Kupferman, R., Sharon, E. Geometry and mechanics in the opening of chiral seed pods. Science. 333, 1726-1730 (2011).
- Filas, B. A., et al. A potential role for differential contractility in early brain development and evolution. Biomech. Model. Mechanobiol. 11, 1251-1262 (2012).
- Xu, G., et al. Axons pull on the brain, but tension does not drive cortical folding. J. Biomech. Eng. 132, 71013 (2010).
- Chen, Z., Guo, Q., Dai, E., Forsch, N., Taber, L. A. How the embryonic chick brain twists. J. R. Soc. Interface. 13, (2016).
- Manca, A., et al. Nerve growth factor regulates axial rotation during early stages of chick embryo development. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 2009-2014 (2012).
- Shi, Y., Yao, J., Xu, G., Taber, L. a. Bending of the looping heart: differential growth revisited. J. Biomech. Eng. 136, 1-15 (2014).
- Shi, Y., et al. Bending and twisting the embryonic heart: A computational model for c-looping based on realistic geometry. Front. Physiol. 5, (2014).
- Taber, L. A. Morphomechanics: Transforming tubes into organs. Current Opinion in Genetics and Development. 27, 7-13 (2014).
- Hosseini, H. S., Beebe, D. C., Taber, L. A. Mechanical effects of the surface ectoderm on optic vesicle morphogenesis in the chick embryo. J. Biomech. 47, 3837-3846 (2014).
- Hamburger, V., Hamilton, H. L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Dev. Dyn. 88, 49-92 (1951).
- Shi, Y., Varner, V. D., Taber, L. a. Why is cytoskeletal contraction required for cardiac fusion before but not after looping begins?. Phys. Biol. 12, 16012 (2015).
- Garcia, K. E., Okamoto, R. J., Bayly, P. V., Taber, L. A. Contraction and stress-dependent growth shape the forebrain of the early chicken embryo. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 65, 383-397 (2017).
- Faisst, A. M., Alvarez-Bolado, G., Treichel, D., Gruss, P. Rotatin is a novel gene required for axial rotation and left-right specification in mouse embryos. Mech. Dev. 113, 15-28 (2002).
- Yalcin, H. C., Shekhar, A., Rane, A. a., Butcher, J. T. An ex-ovo chicken embryo culture system suitable for imaging and microsurgery applications. J. Vis. Exp. (44), (2010).
- Chapman, S. C., Collignon, J., Schoenwolf, G. C., Lumsden, A. Improved method for chick whole-embryo culture using a filter paper carrier. Dev. Dyn. 220, 284-289 (2001).
- Campàs, O., et al. Quantifying cell-generated mechanical forces within living embryonic tissues. Nat. Methods. 11, 183-189 (2014).
- Schierenberg, E., Junkersdorf, B. The role of eggshell and underlying vitelline membrane for normal pattern formation in the early C. elegans embryo. Roux’s Arch. Dev. Biol. 202, 10-16 (1992).
- Chuai, M., Weijer, C. J. The Mechanisms Underlying Primitive Streak Formation in the Chick Embryo. Current Topics in Developmental Biology. 81, 135-156 (2008).
- Voronov, D. A., Alford, P. W., Xu, G., Taber, L. A. The role of mechanical forces in dextral rotation during cardiac looping in the chick embryo. Dev. Biol. 272, 339-350 (2004).
- Raya, A., Izpisua Belmonte, J. C. Unveiling the establishment of left-right asymmetry in the chick embryo. Mechanisms of Development. 121, 1043-1054 (2004).
- Voronov, D. A., Taber, L. A. Cardiac looping in experimental conditions: Effects of extraembryonic forces. Dev. Dyn. 224, 413-421 (2002).
- Chen, Z., Huang, G., Trase, I., Han, X., Mei, Y. Mechanical Self-Assembly of a Strain-Engineered Flexible Layer: Wrinkling, Rolling, and Twisting. Phys. Rev. Appl. 5, (2016).
- Manner, J., Seidl, W., Steding, G. Formation of the cervical flexure: an experimental study on chick embryos. Acta Anat. (Basel). 152, 1-10 (1995).
- Ware, M., Schubert, F. R. Development of the early axon scaffold in the rostral brain of the chick embryo. J. Anat. 219, 203-216 (2011).
- Ramasubramanian, A., et al. On the role of intrinsic and extrinsic forces in early cardiac S-looping. Dev. Dyn. 242, 801-816 (2013).
- Hoyle, C., Brown, N. a., Wolpert, L. Development of left/right handedness in the chick heart. Development. 115, 1071-1078 (1992).
- Nerurkar, N. L., Ramasubramanian, A., Taber, L. A. Morphogenetic adaptation of the looping embryonic heart to altered mechanical loads. Dev. Dyn. 235, 1822-1829 (2006).
- Levin, M. Left-right asymmetry and the chick embryo. Semin. Cell Dev. Biol. 9, 67-76 (1998).
- Roebroek, A. J., et al. Failure of ventral closure and axial rotation in embryos lacking the proprotein convertase Furin. Development. 125, 4863-4876 (1998).
- Peebles, D. M., et al. Magnetic resonance proton spectroscopy and diffusion weighted imaging of chick embryo brain in ovo. Dev. Brain Res. 141, 101-107 (2003).
- Zhu, L., et al. Cerberus regulates left-right asymmetry of the embryonic head and heart. Curr. Biol. 9, 931-938 (1999).
