Análisis de la diferenciación celular, la morfogénesis y el patrón durante la embriogénesis del pollo utilizando el ensayo de cuentas empapadas
Summary
El ensayo de perla empapada implica la entrega dirigida de reactivo de prueba en cualquier punto de tiempo de desarrollo para estudiar la regulación de la diferenciación celular y la morfogénesis. Se presenta un protocolo detallado, aplicable a cualquier modelo animal experimental, para preparar tres tipos diferentes de perlas remojadas e implantarlas en el interdigito de un embrión de pollo.
Abstract
Una multitud de programas genéticos se activan durante el desarrollo embrionario que orquesta la diferenciación celular para generar una asombrosa diversidad de células, tejidos y órganos somáticos. La activación precisa de estos programas genéticos está regulada por morfógenos, moléculas difusibles que dirigen el destino celular a diferentes umbrales. Comprender cómo la activación genética coordina la morfogénesis requiere el estudio de las interacciones locales desencadenadas por los morfógenos durante el desarrollo. El uso de perlas empapadas en proteínas o fármacos implantados en distintas regiones del embrión permite estudiar el papel de moléculas específicas en el establecimiento de dedos y otros procesos de desarrollo. Esta técnica experimental proporciona información sobre el control de la inducción celular, el destino celular y la formación de patrones. Por lo tanto, este ensayo de cuentas empapadas es una herramienta experimental extremadamente poderosa y valiosa aplicable a otros modelos embrionarios.
Introduction
Los avances en los mecanismos moleculares que controlan la expresión génica durante el desarrollo embrionario nos han permitido comprender cómo se determina el destino celular. El compromiso con diferentes linajes celulares ocurre una vez que las células comienzan la expresión molecular de los factores de transcripción1. Este patrón de expresión está altamente coordinado en el espacio y el tiempo y, por lo tanto, dirige la formación, el posicionamiento y el patrón de células, tejidos y órganos 1,2,3,4,5. La inducción embrionaria es el proceso por el cual las células se comprometen con linajes específicos estableciendo jerarquías que restringen la potencialidad de las células, que incluso incluyen la generación del plan corporal básico como ocurre con el organizador de Spemann 6,7. El labio dorsal blastoporo induce un segundo eje embrionario en un embrión huésped 8,9. Hoy en día, con la ayuda del injerto y otros experimentos clásicos combinados con enfoques moleculares, se sabe que diferentes factores de transcripción y factores de crecimiento funcionan para dirigir la inducción embrionaria en el organizador de Spemann10. Por lo tanto, la manipulación experimental es una herramienta importante para comprender la diferenciación celular, la morfogénesis y los procesos de modelado durante la embriogénesis.
Curiosamente, en los sistemas embrionarios donde el trasplante de tejidos es difícil o cuando los inductores ya son bien conocidos, los portadores se utilizan para entregar moléculas (por ejemplo, proteínas, productos químicos, toxinas, etc.) para regular la diferenciación celular, la morfogénesis e incluso los patrones. Uno de estos sistemas portadores consiste en implantar perlas empapadas en una molécula específica en cualquier organismo modelo experimental en cualquier punto de tiempo de desarrollo para determinar el efecto de dicho reactivo o dirigir la diferenciación de dicho modelo. Por ejemplo, al implantar perlas empapadas en ácido retinoico (AR) en el brote de la extremidad del ala de pollo, Cheryl Tickle et al. (1985) demostraron que la AR induce la expresión del erizo sónico en la zona de actividad polarizante (ZPA)11,12. La misma estrategia experimental se utilizó para descubrir que la AR controla la asimetría de los somitas y la muerte celular en el brote de la extremidad durante el desarrollo de los dedos y en otras regiones embrionarias de las extremidades 13,14,15. Otros factores, principalmente proteínas (por ejemplo, factores de crecimiento de fibroblastos [FGF], factor de crecimiento transformante beta [TGF-ß]) se han utilizado para inducir extremidades en los flancos de embriones tempranos y nuevos dígitos en la región interdigital, respectivamente 16,17,18,19,20,21 . Estos experimentos evidencian el poder y la utilidad de esta técnica para determinar la etapa de compromiso o competencia de tejidos o grupos de células expuestas a las moléculas.
En este protocolo, la extremidad del pollito en la etapa de formación de dedos sirvió como modelo experimental para presentar paso a paso cómo preparar e implantar las cuentas empapadas. Sin embargo, esta herramienta experimental no se limita a esta aplicación, sino que puede ser explotada en cualquier modelo animal experimental y cualquier punto de tiempo in vitro e in vivo para estudiar la inducción, la diferenciación, la muerte celular y el modelado.
Protocol
Representative Results
Discussion
La principal ventaja de la herramienta experimental detallada en este protocolo es poder controlar el tiempo y la ubicación de la exposición a las perlas empapadas en una molécula experimental determinada. La combinación del posicionamiento correcto con un tiempo de desarrollo preciso proporciona enormes posibilidades para estudiar los procesos de diferenciación celular. La realización de estos experimentos en tejido indiferenciado permite investigar los primeros eventos cruciales en el linaje celular. Por ejemplo,…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA)-Universidad Nacional Autónoma de México [números de subvención IN211117 e IN213314] y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) [número de subvención 1887 CONACyT-Fronteras de la Ciencia] otorgado a JC-M. JC M-L recibió una beca postdoctoral del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT-Fronteras de la Ciencia-1887). Los autores agradecen la ayuda del Lic. Lucía Brito del Instituto de Investigaciones Biomédicas, UNAM en la preparación de referencias de este manuscrito.
Materials
| Affi-Gel Blue Gel beads | Bio-Rad | 153-7302 | |
| AG1-X2 beads | Bio-Rad | 1400123 | |
| Egg incubator | Incumatic de Mexico | Incumatic 1000 | |
| Fine surgical forceps | Fine Science Tools | 9115-10 | |
| Heparine Sepharose beads | Abcam | ab193268 | |
| Petri dish | Nest | 705001 | |
| Stereomicroscope | Zeiss | Stemi DV4 | |
| Tape | NA | NA | |
| Tungsten needle | GoodFellow | E74-15096/01 |
Riferimenti
- Stapornwongkul, K. S., Vincent, J. P. Generation of extracellular morphogen gradients: the case for diffusion. Nature Reviews Genetics. 22 (6), 393-411 (2021).
- Rogers, K. W., Schier, A. F. Morphogen gradients: from generation to interpretation. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 27, 377-407 (2011).
- Irizarry, J., Stathopoulos, A. Dynamic patterning by morphogens illuminated by cis-regulatory studies. Development. 148 (2), 196113 (2021).
- Capek, D., Müller, P. Positional information and tissue scaling during development and regeneration. Development. 146 (24), (2019).
- Marín-Llera, J. C., Garciadiego-Cázares, D., Chimal-Monroy, J. Understanding the cellular and molecular mechanisms that control early cell fate decisions during appendicular skeletogenesis. Frontiers in Genetics. 10, 977 (2019).
- Gurdon, J. B. Embryonic induction–molecular prospects. Development. 99 (3), 285-306 (1987).
- Bouwmeester, T. The Spemann-Mangold organizer: the control of fate specification and morphogenetic rearrangements during gastrulation in Xenopus. International Journal of Developmental Biology. 45 (1), 251-258 (2001).
- Piccolo, S., Sasai, Y., Lu, B., De Robertis, E. M. Dorsoventral patterning in Xenopus: inhibition of ventral signals by direct binding of chordin to BMP-4. Cell. 86 (4), 589-598 (1996).
- Cho, K. W., Blumberg, B., Steinbeisser, H., De Robertis, E. M. Molecular nature of Spemann’s organizer: the role of the Xenopus homeobox gene goosecoid. Cell. 67 (6), 1111-1120 (1991).
- Thisse, B., Thisse, C. Formation of the vertebrate embryo: Moving beyond the Spemann organizer. Seminars in Cell & Development Biology. 42, 94-102 (2015).
- Eichele, G., Tickle, C., Alberts, B. M. Microcontrolled release of biologically active compounds in chick embryos: beads of 200-microns diameter for the local release of retinoids. Analytical Biochemistry. 142 (2), 542-555 (1984).
- Tickle, C., Lee, J., Eichele, G. A quantitative analysis of the effect of all-trans-retinoic acid on the pattern of chick wing development. Biologia dello sviluppo. 109 (1), 82-95 (1985).
- Vermot, J., Pourquié, O. Retinoic acid coordinates somitogenesis and left-right patterning in vertebrate embryos. Nature. 435 (7039), 215-220 (2005).
- Rodriguez-Leon, J., et al. Retinoic acid regulates programmed cell death through BMP signalling. Nature Cell Biology. 1 (2), 125-126 (1999).
- Rodriguez-Guzman, M., et al. Tendon-muscle crosstalk controls muscle bellies morphogenesis, which is mediated by cell death and retinoic acid signaling. Biologia dello sviluppo. 302 (1), 267-280 (2007).
- Cohn, M. J., Izpisúa-Belmonte, J. C., Abud, H., Heath, J. K., Tickle, C. Fibroblast growth factors induce additional limb development from the flank of chick embryos. Cell. 80 (5), 739-746 (1995).
- Ohuchi, H., et al. An additional limb can be induced from the flank of the chick embryo by FGF4. Biochemical and Biophysical Research Communications. 209 (3), 809-816 (1995).
- Abu-Elmagd, M., Goljanek Whysall, K., Wheeler, G., Münsterberg, A. Sprouty2 mediated tuning of signalling is essential for somite myogenesis. BMC Medical Genomics. 8, 8 (2015).
- Gañan, Y., Macias, D., Duterque-Coquillaud, M., Ros, M. A., Hurle, J. M. Role of TGF beta s and BMPs as signals controlling the position of the digits and the areas of interdigital cell death in the developing chick limb autopod. Development. 122 (8), 2349-2357 (1996).
- Merino, R., et al. Morphogenesis of digits in the avian limb is controlled by FGFs, TGFbetas, and noggin through BMP signaling. Biologia dello sviluppo. 200 (1), 35-45 (1998).
- Montero, J. A., Lorda-Diez, C. I., Gañan, Y., Macias, D., Hurle, J. M. Activin/TGFbeta and BMP crosstalk determines digit chondrogenesis. Biologia dello sviluppo. 321 (2), 343-356 (2008).
- 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).
- Díaz-Hernández, M. E., Bustamante, M., Galván-Hernández, C. I., Chimal-Monroy, J. Irx1 and Irx2 are coordinately expressed and regulated by retinoic acid, TGFβ and FGF signaling during chick hindlimb development. PLoS One. 8 (3), 58549 (2013).
- Díaz-Hernández, M. E., Rios-Flores, A. J., Abarca-Buis, R. F., Bustamante, M., Chimal-Monroy, J. Molecular control of interdigital cell death and cell differentiation by retinoic acid during digit development. Journal of Developmental Biology. 2 (2), 138-157 (2014).
- Chimal-Monroy, J., et al. Analysis of the molecular cascade responsible for mesodermal limb chondrogenesis: Sox genes and BMP signaling. Biologia dello sviluppo. 257 (2), 292-301 (2003).
