Summary

Studere Wnt Signaling Under mønster af ledende Airways

Published: October 16, 2016
doi:

Summary

Anvendelsen af reporter mus koblet til hele mount og sektion farvning, mikroskopi og in vivo assays letter analysen af mekanismer bag den normale mønsterdannelse i luftvejene. Her beskriver vi, hvordan disse teknikker bidraget til analyse af Wnt-signalering under tracheal udvikling.

Abstract

Wnt signaling pathways play critical roles during development of the respiratory tract. Defining precise mechanisms of differentiation and morphogenesis controlled by Wnt signaling is required to understand how tissues are patterned during normal development. This knowledge is also critical to determine the etiology of birth defects such as lung hypoplasia and tracheobronchomalacia. Analysis of earliest stages of development of respiratory tract imposes challenges, as the limited amount of tissue prevents the performance of standard protocols better suited for postnatal studies. In this paper, we discuss methodologies to study cell differentiation and proliferation in the respiratory tract. We describe techniques such as whole mount staining, processing of the tissue for confocal microscopy and immunofluorescence in paraffin sections applied to developing tracheal lung. We also discuss methodologies for the study of tracheal mesenchyme differentiation, in particular cartilage formation. Approaches and techniques discussed in the current paper circumvent the limitation of material while working with embryonic tissue, allowing for a better understanding of the patterning process of developing conducting airways.

Introduction

Udvikling luftvejene er initieret af embryonale dag 9 (E9) med fremkomsten af Nkx2.1 positive celler i den ventrale endodermal fortarm 1,2. Esophageal-trachealtube separation vil løse ved E11.5 når rørene kan skelnes som særskilte enheder, hver omgivet af mesenkymale væv 3. Wnt signalering spiller en central rolle i specifikationen af luftvejene som sletning af Wnt2 og Wnt2b ved splanknisk mesenkym og sletning af β-catenin fra endodermal respiratorisk epitel udtrykt vil resultere i lunge agenesi 4,5. Vores tidligere undersøgelser fastslået, at sletning af WLS, en last receptor medierer sekretion af alle Wnt-ligander, fra endodermale resultater luftveje i lungehypoplasi, defekter i pulmonal vaskulær udvikling og mis-mønster af tracheal mesenchym 6,7. Disse data understøtter betydningen af ​​epitel-mesenchymale cross taler i celledifferentiering og specifikation, som det også er blevet vist i andre undersøgelser 8,9.

Undersøgelsen af de tidligste stadier af lunge udvikling er afhængig af genetiske, in vitro og ex vivo teknikker, der har givet os mulighed for bedre at forstå mekanismerne kørsel respiratorisk identitet 10-16. Hele lunge eksplantatkulturer på Air Liquide interfase er ofte blevet anvendt til at undersøge virkningerne af vækstfaktorer i tidlige stadier af pulmonal forgrening morfogenese 10,17,18. Mens denne metode anvendes som udlæsning af morfologiske ændringer, såsom forgrening morfogenese og genekspression modulation, det er begrænset til studiet af tidlige stadier af udviklingsprocessen, da kulturen ikke selv støtte udviklingen af karrene 17. Udvikling af tracheal brusk kræver længere inkubationstider, der kan være ikke kompatibel med denne kultur teknik.

at analyze rolle Wnt signalering under dannelsen luftveje, har vi tilpasset standardteknikker til at opfylde de behov, vores embryonale undersøgelser. Vi har ændret volumener, farvning gange, forarbejdning cykling for paraffin indlejring og timing for rydning af tracheal-lungevæv. Det vigtigste mål for at optimere de beskrevne teknikker i nærværende undersøgelse var at analysere de tidligste stadier af trachea udvikling hos mus, der finder sted fra E11 til E14.5. Brug af reporter mus linje Axin2LacZ vi præcist bestemte steder i Wnt / β-catenin aktivitet i udviklingslandene tracheal mesenkym. Vi har også tilpasset lectin farvningsprocedure for hele mount luftrør væv. Således var vi i stand til at visualisere mesenkymale fortætninger og forudsige steder, hvor chondrogenese vil finde sted. Farvning af hele mount og sektioner af fostervæv opnået fra WlsShhCre mus, kombineret med avancerede mikroskopi-teknikker, tilladt os at afsløre rolle Wnt ligander produceret af traCheal epitel i tracheal mønster.

Protocol

Dyrene blev huset i patogenfrie betingelser. Musene blev håndteret i overensstemmelse med protokoller godkendt af CCHMC Institutional Animal Care og brug Udvalg (Cincinnati, OH USA). Mus anvendt i alle disse undersøgelser blev opretholdt i en blandet baggrund. 1. Whole Mount X-galactosidasefarvning Euthanize gravide kvinder ved E11.5 til E14.5 ved CO2 inhalation. Placer dyr i CO 2 kammer, oplade kammer med CO 2. Oprethold dyr i kammer til mindst …

Representative Results

Wnt / β-catenin-aktivitet Whole mount Lac-Z farvning blev påvist i trakeal-lungevæv af embryoner isoleret fra reporter Axin2 Lac-Z mus 11. Lokaliteter af farvning indikerer Wnt / β-catenin-aktivitet. Analyse af sektioner af hele mount-farvning bestemmes, at Wnt / β-catenin-aktivitet var til stede i mesenkym af luftrøret og i mesenkym af randområder i udviklingslandene lungerne. …

Discussion

Arrangementer ligger til grund for morfogenese i luftvejene forstås ikke til fulde, navnlig de processer, der er nødvendige for mønsterdannelse af de ledende luftveje. Tidligere undersøgelser har anvendt ex vivo-teknikker, hvor udviklingslande eksplantater dyrkes ved luft-væske interfase eller indlejret i matrigel 21,22. Disse undersøgelser har vist, hvordan vækstfaktorer påvirker mønsterdannelse af den udviklende luftrøret og dannelsen af ​​tracheal brusk. En begrænsning til disse und…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi anerkender bistand fra Mike Muntifering og Matt Kofron med konfokal billedbehandling og Gail Macke med histologiske procedurer. Dette arbejde blev delvist støttet af National Institutes of Health-NHLBI (K01HL115447 til DS).

Materials

Anti Sox9 ab. Millipore AB5535 1:400 , rabbit
Anti Sox9 ab. Santa Cruz Sc-20095 1:50, rabbit
Anti Smooth Muscle Actin ab. Sigma A5228 1:2k, mouse
Anti NKX2.1 ab. Seven Hills n/a 1:100, guinea pig
Anti NKX2.1 ab. Seven Hills n/a 1:400, mouse
Anti Brdu ab. Abcam AB1893 1:200, sheep
Anti Brdu ab. Santa Cruz Sc-32323 1:4k, mouse
PNA Lectin Sigma L 7381
Secondary antibodies Life technologies Alexa fluor Molecular probes
K3Fe(CN)6 Sigma P8131
K4Fe(CN)6 Sigma-Aldrich P3289
MgCl2 Sigma-Aldrich M9272
NaDOC Life Technologies 89905
NP4O Life Technologies 85124
Alcian Blue 8GX Sigma A-3157
Fisher brand super-frost plus Fisher 12-550-15
PFA (16%) EMS 15710
PBS Gibco 70011-044
Fetal Calf Serum Sigma 11K413
Blocking reagent Invitrogen Component of TSA kit #2    ( T20932)
BrDu Sigma B5002-5g
Vectashield mounting medium Vector labs H-1000
Permount Fisher SP15-500
Tissue-loc cassettes Histoscreen Fisher C-0250-GR
Biopsy cassettes Premiere BC0109 Available in different colors
Nuclear fast red  Kernechtrot 0.1% Sigma N3020
Citric acid Sigma C1909-500G
Sodium citrate tribasic dihydrate Sigma S4641-1Kg
Trizma hydrochloride Sigma T5941-500G
Xylene Pharmco-AAPER 399000000
Ethanol Pharmco-AAPER 111000200
Micro knives FST 10318-14
Dumont #5 ceramic coated FST 11252-50
Dumont #5CO FST 11295-20
Dumont # 5 FST 91150-20
Thermo/Shandon Excelsior ES Thermo Fisher
Microtome Leica RM2135
Nikon i90 Nikon Wide field microscope
NikonA1Rsi Nikon Confocal microscopy. Settings:NikonA1 plus camera, scanner: Galvano, detector:DU4. Optics Plan Apo lambda 10x. Modality: Widefield fluorescence laser confocal. 
Leica MS 16 FA Leica Fluorescence Dissecting microscope
Zeiss Zeiss Automated fluorescence microscope
Leica Application suite Leica Leica imaging software
NIS Nikon Nikon imaging software
IMARIS Bitplane Imaging processing software

Referências

  1. Maeda, Y., Dave, V., Whitsett, J. A. Transcriptional control of lung morphogenesis. Physiol Rev. 87, 219-244 (2007).
  2. Morrisey, E. E., Hogan, B. L. Preparing for the first breath: genetic and cellular mechanisms in lung development. Dev Cell. 18, 8-23 (2010).
  3. Fausett, S. R., Klingensmith, J. Compartmentalization of the foregut tube: developmental origins of the trachea and esophagus. Wiley Interdiscip Rev Dev Biol. 1, 184-202 (2012).
  4. Goss, A. M., et al. Wnt2/2b and beta-catenin signaling are necessary and sufficient to specify lung progenitors in the foregut. Dev Cell. 17, 290-298 (2009).
  5. Harris-Johnson, K. S., Domyan, E. T., Vezina, C. M., Sun, X. beta-Catenin promotes respiratory progenitor identity in mouse foregut. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 16287-16292 (2009).
  6. Cornett, B., et al. Wntless is required for peripheral lung differentiation and pulmonary vascular development. Dev Biol. 379, 38-52 (2013).
  7. Snowball, J., Ambalavanan, M., Whitsett, J., Sinner, D. 34;Endodermal Wnt signaling is required for tracheal cartilage formation". Dev Biol. , (2015).
  8. Shannon, J. M., Hyatt, B. A. Epithelial-mesenchymal interactions in the developing lung. Annu Rev Physiol. 66, 625-645 (2004).
  9. Shannon, J. M., Nielsen, L. D., Gebb, S. A., Randell, S. H. Mesenchyme specifies epithelial differentiation in reciprocal recombinants of embryonic lung and trachea. Dev Dyn. 212, 482-494 (1998).
  10. Li, C., et al. Wnt5a regulates Shh and Fgf10 signaling during lung development. Dev Biol. 287, 86-97 (2005).
  11. Loscertales, M., Mikels, A. J., Hu, J. K., Donahoe, P. K., Roberts, D. J. Chick pulmonary Wnt5a directs airway and vascular tubulogenesis. Development. 135, 1365-1376 (2008).
  12. Yin, Y., et al. An FGF-WNT gene regulatory network controls lung mesenchyme development. Dev Biol. 319, 426-436 (2008).
  13. Shu, W., et al. Wnt/beta-catenin signaling acts upstream of N-myc, BMP4, and FGF signaling to regulate proximal-distal patterning in the lung. Dev Biol. 283, 226-239 (2005).
  14. Bretholz, A., Morrisey, R., Hoffman, R. S. The use of OpdA in rat models of organic phosphorus (OP) poisoning. Toxicology. 257, (2009).
  15. Goss, A. M., et al. Wnt2 signaling is necessary and sufficient to activate the airway smooth muscle program in the lung by regulating myocardin/Mrtf-B and Fgf10 expression. Dev Biol. 356, 541-552 (2011).
  16. Mucenski, M. L., et al. beta-Catenin is required for specification of proximal/distal cell fate during lung morphogenesis. J Biol Chem. 278, 40231-40238 (2003).
  17. Hyatt, B. A., Shangguan, X., Shannon, J. M. FGF-10 induces SP-C and Bmp4 and regulates proximal-distal patterning in embryonic tracheal epithelium. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 287, L1116-L1126 (2004).
  18. Del Moral, P. M., et al. VEGF-A signaling through Flk-1 is a critical facilitator of early embryonic lung epithelial to endothelial crosstalk and branching morphogenesis. Dev Biol. 290, 177-188 (2006).
  19. Ott, S. R. Confocal microscopy in large insect brains: zinc-formaldehyde fixation improves synapsin immunostaining and preservation of morphology in whole-mounts. J Neurosci Methods. 172, 220-230 (2008).
  20. Jahrling, N., Becker, K., Dodt, H. U. 3D-reconstruction of blood vessels by ultramicroscopy. Organogenesis. 5, 145-148 (2009).
  21. Park, J., et al. Regulation of Sox9 by Sonic Hedgehog (Shh) is essential for patterning and formation of tracheal cartilage. Dev Dyn. 239, 514-526 (2010).
  22. Elluru, R. G., Thompson, F., Reece, A. Fibroblast growth factor 18 gives growth and directional cues to airway cartilage. Laryngoscope. 119, 1153-1165 (2009).
  23. Ahnfelt-Ronne, J., et al. An improved method for three-dimensional reconstruction of protein expression patterns in intact mouse and chicken embryos and organs. J Histochem Cytochem. 55, 925-930 (2007).
  24. Yang, B., et al. Single-cell phenotyping within transparent intact tissue through whole-body clearing. Cell. 158, 945-958 (2014).
  25. Gillotte, D. M., Fox, P. L., Mjaatvedt, C. H., Hoffman, S., Capehart, A. A. An in vitro method for analysis of chondrogenesis in limb mesenchyme from individual transgenic (hdf) embryos. Methods Cell Sci. 25, 97-104 (2003).
  26. Cohen, E. D., et al. Wnt signaling regulates smooth muscle precursor development in the mouse lung via a tenascin C/PDGFR pathway. J Clin Invest. 119, 2538-2549 (2009).
  27. Boucherat, O., et al. Partial functional redundancy between Hoxa5 and Hoxb5 paralog genes during lung morphogenesis. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 304, L817-L830 (2013).
check_url/pt/53910?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Snowball, J., Ambalavanan, M., Sinner, D. Studying Wnt Signaling During Patterning of Conducting Airways. J. Vis. Exp. (116), e53910, doi:10.3791/53910 (2016).

View Video