Summary

En mulig Zebrafisk Model af polycystisk nyresygdom: Knockdown af<em> Wnt5a</em> Årsager cyster i zebrafisk Nyrer

Published: December 02, 2014
doi:

Summary

We describe a method of generating a possible zebrafish model of polycystic kidney disease. We used Tg(wt1b:GFP) fish to visualize kidney structure. Knockdown of wnt5a was by morpholino injection. Pronephric cyst formation after wnt5a knockdown was observed in this GFP transgenic zebrafish.

Abstract

Polycystic kidney disease (PKD) is one of the most common causes of end-stage kidney disease, a devastating disease for which there is no cure. The molecular mechanisms leading to cyst formation in PKD remain somewhat unclear, but many genes are thought to be involved. Wnt5a is a non-canonical glycoprotein that regulates a wide range of developmental processes. Wnt5a works through the planar cell polarity (PCP) pathway that regulates oriented cell division during renal tubular cell elongation. Defects of the PCP pathway have been found to cause kidney cyst formation. Our paper describes a method for developing a zebrafish cystic kidney disease model by knockdown of the wnt5a gene with wnt5a antisense morpholino (MO) oligonucleotides. Tg(wt1b:GFP) transgenic zebrafish were used to visualize kidney structure and kidney cysts following wnt5a knockdown. Two distinct antisense MOs (AUG – and splice-site) were used and both resulted in curly tail down phenotype and cyst formation after wnt5a knockdown. Injection of mouse Wnt5a mRNA, resistant to the MOs due to a difference in primary base pair structure, rescued the abnormal phenotype, demonstrating that the phenotype was not due to “off-target” effects of the morpholino. This work supports the validity of using a zebrafish model to study wnt5a function in the kidney.

Introduction

Zebrafisk (Danio rerio) embryoner er ofte blevet brugt som model for at studere nyre udvikling og polycystisk nyresygdom. Der er mange fordele ved at bruge zebrafisk som en dyremodel: muligheden for at studere genetiske interaktioner, evnen til at anvende antisense morpholinos (MO) for protein knockdown, mulighed for hurtigt at analysere et stort antal embryoner, og den lethed visning orgel fænotyper i levende larver 1. De pronephros er den første nyre at udvikle sig i hvirveldyr og er funktionel i larvernes zebrafisk 2. Strukturen af ​​zebrafisk pronephros er relativt simpel i forhold til de mammale metanephros, at den tredje og sidste nyre udvikles i pattedyr. Den nephron er arbejdsmiljøet enhed i nyrerne, med hvert menneske nyre indeholder mellem 500.000-1.000.000 nefroner 3,4 og hver mus nyre har cirka 13.000 nefroner 5, hvilket gør det vanskeligt at observere enkelt nephron struktur in humane eller muse nyrer. Zebrafisken har kun to nefroner, og hver zebrafisk nephron indeholder alle de vigtige komponenter fundet i glomerulus og tubuli i mus og mennesker 6 og lignende specialiserede renale celletyper. Sammenlignet med andre modeller hvirveldyr såsom Xenopus, zebrafisk nephron mere ligner pattedyrs nefron, fordi det har et lukket system 7.

I de seneste år har zebrafisk genom blevet sekventeret, så den brede introduktion af genetiske værktøjer, omfattende mutant ressourcer og samlinger af transgene reporter linier i zebrafisk modeller. Zebrafisken pronephros dannes mellem 12-72 timer efter befrugtning (HPF) og kan visualiseres let i de transparente embryoner. Den Wilms tumor protein WT1 er en væsentlig faktor for nyre udvikling. Transgene zebrafisk, der udtrykker grønt fluorescerende protein (GFP) under kontrol af den wt1b promotoren Tg (wt1b: GFP) viser GFP EXPREfission specifikt placeret i pronephric regioner i zebrafisk embryoner, startende fra 17 HPF 8. Nephronophthisis (NPHP), en autosomal recessiv cystisk nyresygdom, er forårsaget af mutationer i NPHP gener 9. NPHP4 knockdown af morpholino forårsagede cyste dannelse i Tg (wt1b: GFP). Fisk 10 Derfor er denne transgene fisk er en egnet model til at observere nyre strukturer og cyste dannelse under nyre udvikling. Vigtigere, kan indflydelsen af ​​modulatorer af nyre udvikling undersøges ved hjælp af denne stamme i en tid og arbejdskraft effektiv måde.

Vores papir beskriver brugen af Tg (wt1b: GFP) fisk som en model til at visualisere nyre cyste dannelse efter gen graduering. Vi brugte start- og splejse-site anti-sense Mos at banke ned wnt5a genet i zebrafisk. Wnt5a er en ikke-kanoniske secerneret glycoprotein af Wnt familie, som spiller en vigtig rolle i udviklingen af ​​forskellige organer og postnatal cellulærefunktion 11. Wnt5a virker gennem ikke-kanoniske Wnt veje, herunder plane cellepolaritet (PCP) pathway, som har vist sig at spille en rolle i orienteret celledeling under tubulær forlængelse. Wnt5a regulerer Wnt / PCP pathway ved at danne et kompleks med receptoren lignende tyrosinkinase (Ryk), hvilket yderligere transducerer Wnt5a signalering ved at danne et kompleks med VANGL plane cellepolaritet protein 2 (Vangl2) og derved fremme Vangl2 stabilitet 12. Defekter i PCP pathway kan resultere i tilfældig celledeling og forårsage nyrecyste formation. Vi brugte Tg (wt1b: GFP) zebrafisk linje at observere nyre cyste dannelse efter wnt5a knockdown. Tg (wt1b: GFP) zebrafisk model giver mulighed direkte billedvisning og rettidig observation af nyre struktur. Efter wnt5a knockdown blev nyre cyste dannelse fundet begyndende ved 24 HPF; ved 72 HPF kunne cyster findes i glomeruli og den proksimale tubuli. Denne metode kan også anvendes til at screen andre gener, der kan forårsage nyre cyste dannelse.

Protocol

BEMÆRK: Etik Statement: Alle zebrafisk eksperimenter blev godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg på den østlige Virginia Medical School. 1. Morpholino Forberedelse Design og syntese af translation-blokering (AUG-) og splice-inhiberende (Splice-) anti-sense morpholino (MO) oligonucleotider for genet af interesse, som ifølge producentens instruktioner (figur 1A). Se fabrikantens oplysninger i tabel 1. BEMÆRK: MOS sendes som frysetørrede bestan…

Representative Results

Wnt5a vælte blev opnået ved at indføre translation blokering MO (AUG-MO) eller exon / intron grænse splejse MO (splejs-MO) til zebrafisk embryoner på én celle scenen. AUG-MO målretter startkodonen, og derfor hæmmer både moderens og zygotisk wnt5a besked. Splejsningen-MO målretter tredje splejsningsdonorsite og hæmmer kun zygotisk udskrift af wnt5a (figur 1A). Den AUG- og splice- morphants phenocopied hinanden med flere defekter, herunder krøllede hale ned krop akse og perik…

Discussion

Polycystisk nyresygdom (PKD) er en af de førende årsager til end-stage renal sygdom hos mennesker og er kendetegnet ved progressiv cystedannelse, renal udvidelsen, og unormal tubulus udvikling 14. Autosomal dominant PKD (ADPKD) er en genetisk sygdom, hvor mutation af enten pKD1, der koder polycystin-1 (PC1) eller PKD2 kodende polycystin-2 (PC2), resulterer i polycystiske nyrerne. Mange andre gener, især dem, der koder for proteiner, der findes i den primære cilium, menes at være involveret i udviklingen …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af NIH (DK093625 at LH og DK069909 og DK047757 til JHL) og VA (Merit Award I01BX000820 til JHL). Vi vil gerne takke Dr. Michael Pack og Dr. Jie Han ved University of Pennsylvania zebrafisk Core for at yde væsentlig støtte.

Materials

0.5% Phenol-Red Sigma P0290 Color indicator for injection
Morpholino Genn Tools, LLC (customized) Customized designed to the gene of interest
Pre-pulled needle Tritech Research MINJ-PP If large amount of needle is required, you can also purchase a needle puller and prepare the needle in the lab
T7 mMessage Kit Ambion 1344 For in vitro transcription to make capped mRNA for rescue experiment
N-Phenylthiourea Sigma P7629 For prevention of melanization
Tricaine Sigma A5040 Also called ethyl 3-aminobenzoate, for zebrafish anesthesia
Methyl Cellulose Sigma M-0387 For position of zebrafish 
QIAquick PCR Purification Kit  Qiagen 28104 For purification of PCR product for cap RNA synthesis.
dNTP mix Promega U1511 For PCR
Tag DNA Polymerase Invitrogen 10342-053 For PCR
Equipment
NanoDrop sepctrophotometer Thermo Scientific ND-1000 For measure morpholino and RNA concentration
Air Compressor Werther International, Inc. Panther Compact 106 Air source for injection
Pico micro-injection pump World Precision Instruments Inc PV830 Pnematic PicoPump Other types of microinjection system can be used.
Micro-manuplator World Precision Instruments Inc MMJR Right-handed (MMJL for left handed)
Needle holder World Precision Instruments Inc 5430-ALL To hold needle for micromanipulation
Dumont Tweezers Fine Surgical Tools 11253-20 For breaking off the needle tip
Dissecting microscope Leica M205C  For observing and imaging zebrafish embryos
Fluorscence microscope Zeiss Axio Obserer D1m   For imaging zebrafish pronephros
Capillary tube (I.D 0.15 mm) VitroCom CV1525Q-100 For measure the volume of each injected drop

References

  1. Choi, S. Y., et al. Cdc42 deficiency causes ciliary abnormalities and cystic kidneys. J Am Soc Nephrol. 24 (9), 1435-1450 (2013).
  2. Hostetter, C. L., Sullivan-Brown, J. L., Burdine, R. D. Zebrafish pronephros: a model for understanding cystic kidney disease. Dev Dyn. 228 (3), 514-522 (2003).
  3. Nyengaard, J. R., Bendtsen, T. F. Glomerular number and size in relation to age, kidney weight, and body surface in normal man. Anat Rec. 232 (2), 514-201 (1992).
  4. Keller, G., Zimmer, G., Mall, G., Ritz, E., Amann, K. Nephron number in patients with primary hypertension. N Engl J Med. 348 (2), 101-108 (2003).
  5. Cullen-McEwen, L. A., Kett, M. M., Dowling, J., Anderson, W. P., Bertram, J. F. Nephron number, renal function, and arterial pressure in aged GDNF heterozygous mice. Hypertension. 41 (2), 335-340 (2003).
  6. Gerlach, G. F., Wingert, R. A. Kidney organogenesis in the zebrafish: insights into vertebrate nephrogenesis and regeneration. Wiley Interdiscip Rev Dev Biol. 2 (5), 559-585 (2013).
  7. Igarashi, P. Overview: nonmammalian organisms for studies of kidney development and disease. J Am Soc Nephrol. 16 (2), 296-298 (2005).
  8. Zhou, W., Boucher, R. C., Bollig, F., Englert, C., Hildebrandt, F. Characterization of mesonephric development and regeneration using transgenic zebrafish. Am J Physiol Renal Physiol. 299 (5), 1040-1047 (2010).
  9. Liu, S., et al. A defect in a novel Nek-family kinase causes cystic kidney disease in the mouse and in zebrafish. Development. 129 (24), 5839-5846 (2002).
  10. Slanchev, K., Putz, M., Schmitt, A., Kramer-Zucker, A., Walz, G. Nephrocystin-4 is required for pronephric duct-dependent cloaca formation in zebrafish. Hum Mol Genet. 20 (16), 3119-3128 (2011).
  11. Huang, L., et al. The role of Wnt5a in prostate gland development. Dev Biol. 328 (2), 188-199 (2009).
  12. Andre, P., et al. The Wnt coreceptor Ryk regulates Wnt/planar cell polarity by modulating the degradation of the core planar cell polarity component Vangl2. J Biol Chem. 287 (53), 44518-44525 (2012).
  13. Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Dev Dyn. 203 (3), 253-310 (1995).
  14. Torres, V. E., Harris, P. C., Pirson, Y. Autosomal dominant polycystic kidney disease. Lancet. 369 (9569), 1287-1301 (2007).
check_url/52156?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Huang, L., Xiao, A., Wecker, A., McBride, D. A., Choi, S. Y., Zhou, W., Lipschutz, J. H. A Possible Zebrafish Model of Polycystic Kidney Disease: Knockdown of wnt5a Causes Cysts in Zebrafish Kidneys. J. Vis. Exp. (94), e52156, doi:10.3791/52156 (2014).

View Video