Réduction chirurgicale de la taille du Zébrafish pour l’étude de l’échelle des motifs embryonnaires
Summary
Ici, nous décrivons une méthode pour réduire la taille des embryons de zébrafish sans perturber les processus de développement normaux. Cette technique permet d’étudier la mise à l’échelle des patrons et la robustesse du développement contre le changement de taille.
Abstract
Dans le processus de développement, les embryons montrent une capacité remarquable à assortir leur modèle corporel à leur taille corporelle; leur proportion corporelle est maintenue même chez les embryons plus grands ou plus petits, dans certaines limites. Bien que ce phénomène de mise à l’échelle ait attiré l’attention depuis plus d’un siècle, la compréhension des mécanismes sous-jacents a été limitée, en partie en raison d’un manque de description quantitative de la dynamique du développement chez les embryons de tailles variées. Pour surmonter cette limitation, nous avons développé une nouvelle technique pour réduire chirurgicalement la taille des embryons de zébrafish, qui ont de grands avantages pour l’imagerie en direct in vivo. Nous démontrons qu’après l’élimination équilibrée des cellules et du jaune au stade blastula dans des étapes distinctes, les embryons peuvent rapidement se rétablir dans les bonnes conditions et se développer en embryons plus petits mais normalement normaux. Comme cette technique ne nécessite pas d’équipement spécial, elle est facilement adaptable et peut être utilisée pour étudier un large éventail de problèmes de dimensionnement, y compris la robustesse du modelage par médiation morphogénique.
Introduction
Les scientifiques ont longtemps connu que les embryons ont une capacité remarquable à former des proportions constantes du corps bien que la taille de l’embryon peut varier grandement à la fois dans les conditions naturelles et expérimentales1,2,3. Malgré des décennies d’études théoriques et expérimentales, cette robustesse à la variation de taille, appelée mise à l’échelle, et ses mécanismes sous-jacents demeurent inconnus dans de nombreux tissus et organes. Afin de capturer directement la dynamique du système en développement, nous avons établi une technique de réduction de taille reproductible et simple dans le poisson zèbre4, qui a le grand avantage dans l’imagerie en direct in vivo5.
Le zébrafish a servi de modèle d’animal vertébré pour étudier plusieurs disciplines de la biologie, y compris la biologie du développement. En particulier, le zébrafish est idéal pour l’imagerie en direct in vivo6 parce que 1) le développement peut se dérouler normalement à l’extérieur de la mère et de la coquille d’oeuf, et 2) les embryons sont transparents. En outre, les embryons peuvent résister à certaines fluctuations de température et d’environnement, ce qui leur permet d’être étudiés dans des conditions de laboratoire. En outre, en plus de la perturbation conventionnelle d’expression génique par morpholino et l’injection de mRNA7,8, les progrès récents dans la technologie crispr/Cas9 a fait la génétique inversée dans le poisson zèbre très efficace9. En outre, de nombreuses techniques classiques en embryologie, telles que la transplantation cellulaire ou la chirurgie tissulaire peuvent être appliquées4,10,11.
Des techniques de réduction de la taille ont été développées à l’origine chez les amphibiens et autres animaux non vertébrés12. Par exemple, dans Xenopus laevis, un autre modèle animal de vertébrés populaire, la bissection le long de l’axe animal-végétal au stade blastula peut produire des embryons réduits de taille12,13. Cependant, dans nos mains cette approche en une étape entraîne des embryons dorsalisés ou ventralisés dans le zébrafish, vraisemblablement parce que les déterminants dorsales sont distribués de manière inégale et on ne peut pas connaître leur localisation de la morphologie des embryons. Nous montrons ici une technique alternative de hachage en deux étapes pour le zébrafish qui produit des embryons normalement en développement mais plus petits. Avec cette technique, les cellules sont d’abord retirées du pôle animal, une région de cellules naïves manquant dans l’activité de l’organisateur. Pour équilibrer la quantité de jaune et de cellules, ce qui est important pour l’épibolie et la morphogenèse subséquente, le jaune est ensuite enlevé. Ici, nous détaillons ce protocole et fournissons deux exemples d’invariance de taille dans la formation de modèle; formation de somite et le modelage du tube neural ventrale. Combinée à l’imagerie quantitative, nous avons utilisé la technique de réduction de la taille pour examiner la façon dont les tailles des somites et du tube neural sont affectées par la taille des embryons réduits.
Protocol
Representative Results
Discussion
Historiquement, parmi les animaux vertébrés, la réduction de la taille a été principalement réalisée à l’aide d’embryons d’amphibiens, en bisayant les embryons le long de l’axe animal-végétal à une phase blastula12. Cependant, il y a principalement deux différences entre les embryons de grenouille et de zébrafish lorsque nous bisect embryons. Premièrement, au stade où les embryons de zébrafish deviennent tolérants au bisou (stade blastula), l?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les travaux ont été soutenus par le programme PRESTO de l’Agence japonaise pour la science et la technologie (JPMJPR11AA) et un don des instituts nationaux de santé (R01GM107733).
Materials
| 60 mm PYREX Petri dish | CORNING | 3160-60 | |
| Agarose | affymetrix | 75817 | For making a mount for live imaging |
| Agarose, low gelling temperature Type VII-A | SIGMA-ALDRICH | A0701-25G | |
| CaCl2 | EMD | CX0130-1 | For 1/3 Ringer's solution |
| CaSO4 | For egg water | ||
| Cover slip (25 mm x 25 mm, Thickness 1) | CORNING | 2845-25 | |
| Disposable Spatula | VWR | 80081-188 | |
| Foam board | ELMER'S | 951300 | For microscope incubator |
| Forcept (No 55) | FST | 11255-20 | |
| Glass pipette | VWR | 14673-043 | |
| HEPES | SIGMA Life Science | H4034 | For 1/3 Ringer's solution |
| INCUKIT XL for Cabinet Incubators | INCUBATOR Warehouse.com | For microscope incubator | |
| Instant sea salt | Instant Ocean | 138510 | For egg water |
| KCl | SIGMA-ALDRICH | P4504 | For 1/3 Ringer's solution |
| Methyl cellulose | SIGMA-ALDRICH | M0387-100G | |
| NaCl | SIGMA-ALDRICH | S7653 | For 1/3 Ringer's solution |
| Petri dish | Falcon | 351029 | For making a mount for live imaging |
| Phenol red | SIGMA Life Science | P0290 | |
| Pipette pump | BEL-ART PRODUCTS | F37898 | |
| Pronase | EMD Millipore Corp | 53702-250KU | |
| Tricaine-S (MS222) | WESTERN CHEMICAL INC | NC0135573 | |
| Ultra thin bright annealed 316L dia. 0.035 mm Stainless Steel Weaving Wires | Sandra | The wire we used was obtained ~20 years ago and we could not find exactly the same one. This product has the same material and diameter as the one we use. |
References
- Cooke, J. Scale of body pattern adjusts to available cell number in amphibian embryos. Nature. 290, 775-778 (1981).
- Driesch, H. Entwicklungsmechanische Studien: I. Der Werthe der beiden ersten Furchungszellen in der Echinogdermenentwicklung. Experimentelle Erzeugung von Theil- und Doppelbildungen. Zeitschrift fur wissenschaftliche Zoologie. , (1892).
- Morgan, T. H. Half embryos and whole embryos from one of the first two blastomeres. Anatomischer Anzeiger. 10, 623-638 (1895).
- Ishimatsu, K., et al. Size-reduced embryos reveal a gradient scaling-based mechanism for zebrafish somite formation. Development. 145, (2018).
- Megason, S. G. In toto imaging of embryogenesis with confocal time-lapse microscopy. Methods in Molecular Biology. 546, 317-332 (2009).
- Graeden, E., Sive, H. Live imaging of the zebrafish embryonic brain by confocal microscopy. Journal of Visualized Experiments. (26), e1217 (2009).
- Rosen, J. N., Sweeney, M. F., Mably, J. D. Microinjection of zebrafish embryos to analyze gene function. Journal of Visualized Experiments. (25), e1115 (2009).
- Yuan, S., Sun, Z. Microinjection of mRNA and morpholino antisense oligonucleotides in zebrafish embryos. Journal of Visualized Experiments. (27), e1113 (2009).
- Sorlien, E. L., Witucki, M. A., Ogas, J. Efficient Production and Identification of CRISPR/Cas9-generated Gene Knockouts in the Model System Danio rerio. Journal of Visualized Experiments. (138), e56969 (2018).
- Kemp, H. A., Carmany-Rampey, A., Moens, C. Generating chimeric zebrafish embryos by transplantation. Journal of Visualized Experiments. (29), e1394 (2009).
- Mizuno, T., Shinya, M., Takeda, H. Cell and tissue transplantation in zebrafish embryos. Methods in Molecular Biology. 127, 15-28 (1999).
- Cooke, J. Control of somite number during morphogenesis of a vertebrate, Xenopus laevis. Nature. 254, 196-199 (1975).
- Inomata, H., Shibata, T., Haraguchi, T., Sasai, Y. Scaling of dorsal-ventral patterning by embryo size-dependent degradation of Spemann’s organizer signals. Cell. 153, 1296-1311 (2013).
- Gomez, C., et al. Control of segment number in vertebrate embryos. Nature. 454, 335-339 (2008).
- Lauschke, V. M., Tsiairis, C. D., Francois, P., Aulehla, A. Scaling of embryonic patterning based on phase-gradient encoding. Nature. 493, 101-105 (2013).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9, 676-682 (2012).
- Almuedo-Castillo, M., et al. Scale-invariant patterning by size-dependent inhibition of Nodal signalling. Nature Cell Biology. 20, 1032-1042 (2018).
- Koos, D. S., Ho, R. K. The nieuwkoid gene characterizes and mediates a Nieuwkoop-center-like activity in the zebrafish. Current Biology. 8, 1199-1206 (1998).
- Yamanaka, Y., et al. A novel homeobox gene, dharma, can induce the organizer in a non-cell-autonomous manner. Genes and Development. 12, 2345-2353 (1998).
- Jesuthasan, S., Stahle, U. Dynamic microtubules and specification of the zebrafish embryonic axis. Current Biology. 7, 31-42 (1997).
- Schier, A. F., Talbot, W. S. The zebrafish organizer. Current Opinion in Genetics and Development. 8, 464-471 (1998).
