얼굴 발달을 평가하기 위해 조류 전뇌 키메라 만들기
Summary
이 기사에서는 두개안면 발달 중 기저 전뇌의 신호 전달 및 패턴 특성을 테스트하도록 설계된 조직 이식 기술에 대해 설명합니다.
Abstract
조류 배아는 100년 이상 모델 시스템으로 사용되어 왔으며 척추동물 발달에 대한 근본적인 이해로 이어졌습니다. 이 모델 시스템의 강점 중 하나는 키메라 배아에서 조직의 효과와 상호 작용을 직접 평가할 수 있다는 것입니다. 우리는 이전에 전뇌의 신호가 전두엽 외배엽 영역(FEZ)에서 소닉 고슴도치(SHH)의 발현 도메인 모양을 조절하여 안면 형태 형성에 기여한다는 것을 보여주었습니다. 이 기사에서는 전뇌 키메라를 생성하는 방법을 설명하고 이러한 실험 결과를 설명합니다.
Introduction
발달 생물학에 대한 많은 현대 연구는 배아를 형성하는 유전자의 역할에 초점을 맞추고 있습니다. 유전적 관점에서 발달 메커니즘을 조사할 수 있는 좋은 도구가 있습니다. 그러나 배아는 조립되어 조직 상호 작용에 반응하여 형태 형성을 겪습니다. 조류 시스템은 다음과 같은 이유로 발달을 조절하는 다양한 조직 상호 작용을 평가하는 데 사용되는 고전적인 도구입니다 : 발생학은 잘 이해되고, 배아는 쉽게 접근 할 수 있으며, 조류 시스템 분석 도구는 잘 발달되어 있으며, 배아는 저렴합니다.
조류 이식 시스템은 거의 한 세기 동안 혈통 추적 및 발달 중 조직 상호 작용을 평가하는 데 널리 사용되었습니다 1,2,3,4. 이 시스템은 위턱의 형태 형성을 조절하는 신호 센터인 전두엽 외배엽 영역(Frontonasal Ectodermal Zone, FEZ)을 조사하는 데 사용되었으며, 이전에 6. 메추라기 병아리 외에도 다른 종들도 조직 상호 작용 분석을 위해 키메라를 생산하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 마우스 FEZ는 야생형7 및 돌연변이 마우스8로부터 이식되었고, 다른 사람들은 오리, 메추라기 및 병아리 시스템을 사용하여 안면 골격 9,10,11,12을 패턴화하는 데 신경 능선의 역할을 평가했습니다.
본 연구에서는 FEZ에서 소닉 고슴도치 발현을 유도하기 위해서는 전뇌의 신호가 필요하기 때문에 복부 전뇌를 메추라기, 오리, 병아리 배아에 상호 이식하여 FEZ에서 유전자 발현 패턴을 조절하는 전뇌의 역할을 평가하였다. 전뇌 이식은 이 분야에서만 볼 수 있는 것이 아닙니다. 이 이식은 메추라기와 오리 배아의 운동성 발달을 평가하는 데 사용되었지만13, 이 실험에서는 비신경 유도체에 기여한 조직도 이식되었다. 다른 연구에서, 조류의 청각 회로는 전뇌 이식(forebrain transplantation)에 의해 평가되었지만, 이러한 이식은 얼굴 모양(9,10)에 기여하고FEZ15에서 SHH 발현 조절에 관여하는 추정 신경 능선 세포를 포함했다. 따라서, 신경관을 폐쇄하기 전에 한 종의 새에서 다른 종으로 복부 전뇌만을 이식하는 시스템이 얼굴 모양에서 뇌의 역할을 평가하기 위해 고안되었습니다(그림 1A, B). 이 방법은 이식편의 신경 능선 오염이 없었습니다. 이 기사에서는 방법을 설명하고 예상 결과를 설명하며 직면한 과제에 대해 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
설명 된 방법은 기저 전뇌와 인접한 외배엽 사이의 조직 상호 작용을 검사 할 수 있습니다. 이 접근법은 기증자 조직이 복부 전뇌로 제한되었기 때문에 이전의 전뇌 이식 방법과 다릅니다. 이것은 얼굴 형태 9,10을 패턴화하는 데 참여하는 것으로 밝혀진 신경 능선 세포의 이식을 제거합니다. 따라서 이식편을 기저 전뇌로 제한하는 것은 계획된 실험 결?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 간행물에 보고된 연구는 수상 번호 R01DE019648, R01DE018234 및 R01DE019638로 국립 보건원(National Institutes of Health)의 국립 치과 및 두개안면 연구 연구소(National Institute of Dental and Craniofacial Research)의 지원을 받았습니다.
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. 발생학. 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. 발생학. 325 (1), 200-210 (2009).
- Griffin, J. N., et al. Fgf8 dosage determines midfacial integration and polarity within the nasal and optic capsules. 발생학. 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).
