Summary

の共焦点分析を用いました<em>アフリカツメガエル</em> WntおよびShhのモルフォゲン勾配の調節を調査するために、

Published: December 14, 2015
doi:

Summary

ここで原稿がアフリカツメガエルにおける蛍光タグ付きリガンドの分泌と普及を分析するための方法の簡単なセットを提供します。これは、リガンドの分布を変更するための他のタンパク質の能力を試験し、モルフォゲン勾配を調節するメカニズムへの洞察を与えることが実験を可能にするためのコンテキストを提供します。

Abstract

このプロトコルは、電池の分野にわたって分散リガンドを可視化する方法を説明しています。一緒に初期胚での細胞のサイズが大きいと、外因性タンパク質を発現の容易さは、 アフリカツメガエルは 、GFPタグ付きリガンドを可視化するための有用なモデルを アフリカツメガエル 作ります。合成mRNAは効率的に早期 アフリカツメガエル 注入した後に翻訳され、注射は、単一の細胞を標的とすることができます。このような膜つながRFPとして系統のトレーサーと組み合わせると、過剰発現されたタンパク質を産生している細胞注入(とその子孫)を容易に追跡することができます。このプロトコルは、注入されたmRNAからWntおよびShhのリガンドをタグ付けされた蛍光を製造するための方法を説明します。方法はマイルを伴います外胚葉外植(アニマルキャップ)と、複数のサンプル中のリガンド拡散の解析のCRO解剖。共焦点イメージングを用いて、細胞のフィールド上のリガンドの分泌および拡散についての情報を得ることができます。共焦点画像の統計分析は、リガンド勾配の形で定量的データを提供します。これらの方法は、モルフォゲン勾配の形状を調節することができる因子の効果を試験する研究に有用であり得ます。

Introduction

初期胚発生時には、細胞が徐々に分化の特定の系統に従うことを約束されています。これは、全能性(または多能性)の基を意味し、細胞が徐々に一つの細胞型を生じると判断前駆細胞の集団を確立するに限定となります。細胞間シグナル伝達は、胚発生時の系統仕様の規制の中心です。これらの信号の操作は、新規な治療法をサポートするために、特定の運命に向かって直接幹細胞に必要とされます。

シグナル伝達経路の比較的小さな数は、TGFスーパーファミリー(nodalsとのBMP)1-2、FGF3、4のWnt、およびハリネズミ5への応答経路を含め、開発中に繰り返されます。これらの分泌されたタンパク質は、それによって遺伝子発現および/または細胞の挙動を変化させるシグナル伝達を活性化する細胞膜に存在する受容体に結合します。細胞標識の厳しい規制エイリングは、細胞系譜の仕様と正常な発達に不可欠です。これらの経路の間でのクロストークは、細胞の運命を決定するのに重要であるが、単一のリガンドは、それ自体、異なる濃度で異なる応答を誘発することができます。モルフォゲン勾配は細胞型はセル 6の分野から派生することができますどのように異なる説明する理論として100年以上前に説明しました。細胞の一つのグループによって生成シグナリング分子は、ソースからの長い距離と濃度の減少、一定の範囲で拡散することができます。信号に曝露された細胞は、異なる位置での細胞が信号の異なるレベルに対して異なる応答すると、電池の分野での位置で局所濃度に応答します。モルフォゲンの存在の証拠は、初期のショウジョウバエ胚7と翼のディスク 8と同様に、脊椎動物の四肢9と神経管10の研究から来ています。

方法は、中に必要とされています確立され、これらの勾配を調節する上で重要な他の分子を同定する方法をモルフォゲン勾配vestigate。異なる遺伝的背景との関連で、インビボで内因性タンパク質を可視化するために免疫組織化学を用いた上品な実験は、モルフォゲン勾配11-12を研究するために使用されています。しかし、優れた抗体および特定の変異体は、常に利用可能ではないので、我々は、代替、外因性遺伝子産物が細胞のフィールド全体でのリガンドの分布に影響を与えることができる方法を詳細に分析するための簡単​​な方法を提供することで、アフリカツメガエルにおける蛍光リガンドの過剰発現を使用して、ここでのプロトコルを記述します。 アフリカツメガエルは、彼らが最も初期の段階でアクセス可能であるので、その胚は、外部開発する実験のこれらのタイプに着手するための優れたシステムを提供します。サイズが大きい(直径1〜1.5ミリメートル)は、マイクロインジェクションおよび外科操作を簡素化し、胞胚によって、彼らはまだ約20(比較的大きいですように、細胞は、画像に簡単ですステージ81;)全体でmは。アフリカツメガエルにおける過剰発現の研究​​を行うのは簡単である:mRNAは、初期胚に注入し、特定の細胞を標的とすることができ、効率的に翻訳されています。

蛍光タグ付けWnt8a / Wnt11b-HA-EGFP構築物は、PCS2 Wnt8a-HA 13、PCS2 Wnt11b-HA 14およびEGFPを用いて作製しました。 HAペプチドは、追加の分子タグを提供するだけでなく、含まれることが重要であるが、それは両方の遺伝子産物が機能することを可能にするのWntおよびEGFPタンパク質を分離するスペーサーとして作用すると考えられるからです。 Shhの可視化のために使用される構築物は、以前のShh-EGFP融合タンパク質15を発現するトランスジェニックマウスを生成しました。これは親切にアンディ・マクマホンによって提供されました。重要なことは、すべての構築物について、GFPタグは、それが処理した後に保持されるようなシグナル配列の3 '側にクローニングされます。そのようなadditio、最終タンパク質は、修正するために必要な配列を含むことを確実にするためにも不可欠です脂質のnが合成mRNAのprodution用に最適化されPCS2 +発現ベクターにサブクローニングしたのShhおよびWnt ligands.TheのcDNAの場合です。それは、SP6プロモーターおよびポリアデニル化シグナル(http://sitemaker.umich.edu/dlturner.vectors)を含みます。

ここで説明する作業は、分泌および蛍光の拡散を比較するための単純なプロトコルがWntとのShhは、リガンドをタグ付けタグ付けています。合成mRNAの規定量を注入することにより、プロトコルが異なるプロモーターを使用して、異なるベクターからの変数式に関連するすべての問題を一周します。これらのメソッドは、最近のShh-EGFPおよびWnt8a /アフリカツメガエル16-17でWnt11b-HA-EGFP分泌および拡散にヘパラン硫酸endosulfatase Sulf1の影響を調査するために適用されています。

Protocol

倫理声明:動物実験は、MEPする英国ホームオフィスのライセンスの下で行われたと行った実験が到着に準拠したヨーク大学の倫理委員会によって承認されました:ガイドライン(動物実験in vivo実験の報告)。 (https://www.nc3rs.org.uk/arrive-guidelines)。 蛍光タグ付きリガンドを生成するには1.戦略以下は、フレーム融合構築Wnta-HA-EGFPに製造するため?…

Representative Results

蛍光タグ付きタンパク質を発現アニマルキャップの外植片の共焦点分析は、異なる実験条件の下でのリガンド分布を可視化するための効果的なシステムを提供します。一例では、GFPの分布のShhは、( 図1)が示されているタグを付けました。 2細胞期では、 アフリカツメガエル胚は対照mRNAとまたはmRNAはSulf1、細胞表面ヘパラン硫酸を変更し、Shhのモルフォゲン勾配16に?…

Discussion

このプロトコールの重要な部分は、通常、加工分泌され、結合した蛍光部分を有するにもかかわらず、受容細胞における応答を誘発することができる生物学的に活性なリガンドを生成しています。これは、蛍光タグを付けた遺伝子産物は、適切なアッセイを用いて生物学的に活性であることを確立することが重要です。 Shh-GFPについては、PTC1の発現を活性化する能力は、16を確…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この作品は、MEP(BB / H010297 / 1)、SARにBBSRCクォータの学生の身分、およびSWFへのMRC学生の身分にBBSRCの助成金によって賄われていました。

Materials

Agarose Melford MB 1200
Ammonium acetate Ambion From Megascript SP6 Kit AM 1330
Bicarbonate VWR International RC-091
Calcium nitrate Sigma C13961
Cap analog (m7G(5')) Applied Biosystems AM 8050
Chloroform Sigma C 2432
 L-Cysteine hydrochloride monohydrate Sigma C7880
dNTPs Invitrogen 18427-013
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) Sigma O3690
Ethanol VWR International 20821.33
Ficoll 400 Sigma F 4375
Fiji image J software N/A N/A Free download http://fiji.sc/Fiji
Gentamycin Melford G 0124
Glacial acetic acid Fisher Scientific A/0400/PB17
Glass cover slips, No.1.5  Scientific Laboratory Supplies 22X22-SGJ3015. 22X50-SGJ3030 
Glass needle puller Narishige Narishige PC -10
Glass pull needles Drummond Scientific 3-000-203-G/X
Human chronic gonadotropin (HCG) Intervet
Isopropanol Fisher Scientific P/7500/PB17
Lithium chloride (LiCl) Sigma L-7026
LSM710 and Zen software (2008-2010) Carl Zeiss
Matlab software Mathworks http://uk.mathworks.com/
Molecular grade water  Fisher Scientific BP 2819-10
Nail varnish  Boots Bar code 3600530 373048
Spectrophotometer Lab.tech International ND-1000 / ND8000
Petri dish (55mm) VWR International 391-0865
Phenol-chloroform Sigma P3803
Photoshop software Adobe N/A http://www.photoshop.com/products
High fidelity DNA polymerase and buffers  Biolabs M0530S  Buffer – M0531S
Potassium chloride (KCl) Fisher Scientific P/4280/53
PVC insulation tape Onecall SH5006MPK
Gel extraction kit  Qiagen S28704
Restriction enzymes buffers Roche SuRE/CUT Buffer Set 11082 035 001
RNAse-free DNAse Promega ME10A
Steel back single edge blades Personna 66-0403-0000
Sodium chloride (NaCl) Fisher Scientific 27810.364
SP6 transcription kit Ambion AM1330
Glass slides Thermo Fisher SHE 2505
Tris base Invitrogen 15504-020
Tungsten needles N/A N/A homemade
Zen lite software Carl Zeiss N/A Free download  http://www.zeiss.co.uk/microscopy/en_gb/downloads/zen.html

References

  1. Shen, M. M. Nodal signaling: developmental roles and regulation. Development. 134 (6), 1023-1034 (2007).
  2. Shimmi, O., Newfeld, S. J. New insights into extracellular and post-translational regulation of TGF-beta family signalling pathways. J Biochem. 154 (1), 11-19 (2013).
  3. Pownall, M. E., Isaacs, H. V. . FGF Signalling in Vertebrate Development. 1, 1-75 (2010).
  4. Clevers, H. Wnt/beta-catenin signaling in development and disease. Cell. 127 (3), 469-480 (2006).
  5. Ingham, P. W., McMahon, A. P. Hedgehog signaling in animal development: paradigms and principles. Genes and Development. 15 (23), 3059-3087 (2001).
  6. Wolpert, L. One hundred years of positional information. Trends in Genetics. 12 (9), 359-3564 (1996).
  7. Rushlow, C. A., Shvartsman, S. Y. Temporal dynamics, spatial range, and transcriptional interpretation of the Dorsal morphogen gradient. Current Opinion in Genetics and Development. 22 (6), 542-546 (2012).
  8. Erickson, J. L. Formation and maintenance of morphogen gradients: an essential role for the endomembrane system in Drosophila melanogaster wing development. Fly (Austin). 5 (3), 266-271 (2011).
  9. Towers, M., Wolpert, L., Tickle, C. Gradients of signalling in the developing limb. Current Opinions in Cell Biology. 24 (2), 181-187 (2012).
  10. Dessaud, E., McMahon, A. P., Briscoe, J. Pattern formation in the vertebrate neural tube: a sonic hedgehog morphogen-regulated transcriptional network. Development. 135 (15), 2489-2503 (2008).
  11. Briscoe, J., et al. Homeobox gene Nkx2.2 and specification of neuronal identity by graded Sonic hedgehog signalling. Nature. 398 (6728), 622-627 (1999).
  12. Ribes, V., et al. Distinct Sonic Hedgehog signaling dynamics specify floor plate and ventral neuronal progenitors in the vertebrate neural tube. Genes and Development. 24 (11), 1186-1200 (2010).
  13. Freeman, S. D., Moore, W. M., Guiral, E. C., Holme, A., Turnbull, J. E., Pownall, M. E. Extracellular regulation of developmental cell signaling by XtSulf1. Developmental Biology. 320 (2), 436-445 (2008).
  14. Tao, Q., et al. Maternal wnt11 activates the canonical wnt signaling pathway required for axis formation in Xenopus embryos. Cell. 120 (6), 857-871 (2005).
  15. Chamberlain, C. E., Jeong, J., Guo, C., Allen, B. L., McMahon, A. P. Notochord-derived Shh concentrates in close association with the apically positioned basal body in neural target cells and forms a dynamic gradient during neural patterning. Development. 135 (6), 1097-1106 (2008).
  16. Ramsbottom, S. A., Maguire, R. J., Fellgett, S. W., Pownall, M. E. Sulf1 influences the Shh morphogen gradient during the dorsal ventral patterning of the neural tube in Xenopus tropicalis. Developmental Biology. 391 (2), 207-218 (2014).
  17. Fellgett, S. W., Maguire, R. J., Pownall, M. E. Sulf1 has ligand dependent effects on canonical and non-canonical WNT signalling. Journal of Cell Science. 128 (7), 1408-1421 (2015).
  18. Dytham, C. . Choosing and using statistics : A biologist’s guide. , (2005).
  19. Fay, M. P., Proschan, M. A. Wilcoxon-Mann-Whitney or t-test? On assumptions for hypothesis tests and multiple interpretations of decision rules. Statistical Surveys. 4, 1-39 (2010).
  20. Christian, J. L., McMahon, J. A., McMahon, A. P., Moon, R. T. Xwnt-8, a Xenopus Wnt-1 /int-1-related gene responsive to mesoderm-inducing growth factors, may play a role in ventral mesodermal patterning during embryogenesis. Development. 111 (4), 1045-1055 (1991).
  21. Du, S. J., Purcell, S. M., Christian, J. L., McGrew, L. L., Moon, R. T. Identification of distinct classes and functional domains of Wnts through expression of wild-type and chimeric proteins in Xenopus embryos. Molecular and Cellular Biology. 15 (5), 2625-2634 (1995).
  22. Tada, M., Smith, J. C. Xwnt11 is a target of Xenopus Brachyury: regulation of gastrulation movements via Dishevelled, but not through the canonical Wnt pathway. Development. 127 (10), 2227-2238 (2000).
  23. Williams, P. H., Hagemann, A., Gonzalez-Gaitan, M., Smith, J. C. Visualizing long-range movement of the morphogen Xnr2 in the Xenopus embryo. Current Biology. 14 (21), 1916-1923 (2004).
  24. McDowell, N., Zorn, A. M., Crease, D. J., Gurdon, J. B. Activin has direct long-range signalling activity and can form a concentration gradient by diffusion. Current Biology. 7 (9), 671-681 (1997).
  25. Chen, Y., Schier, A. F. The zebrafish Nodal signal Squint functions as a morphogen. Nature. 411 (6837), 607-610 (2001).
  26. Miller, J. R., Rowning, B. A., Larabell, C. A., Yang-Snyder, J. A., Bates, R. L., Moon, R. T. Establishment of the dorsal-ventral axis in Xenopus embryos coincides with the dorsal enrichment of dishevelled that is dependent on cortical rotation. Journal of Cell Biology. 146 (2), 427-437 (1999).
  27. Schohl, A., Fagotto, F. B. e. t. a. -. c. a. t. e. n. i. n. MAPK and Smad signaling during early Xenopus development. Development. 129 (1), 37-52 (2002).
  28. Muller, P., et al. Differential diffusivity of Nodal and Lefty underlies a reaction-diffusion patterning system. Science. 336, 721-724 (2012).
  29. Yu, S. R., Burkhardt, M., Nowak, M., Ries, J., Petrasek, Z., Scholpp, S., Schwille, P., Brand, M. Fgf8 morphogen gradient forms by a source-sink mechanism with freely diffusing molecules. Nature. 461, 533-536 (2009).
  30. Janda, C. Y., Waghray , D., Levin, A. M., Thomas, C., Garcia, K. C. Structural basis of Wnt recognition by Frizzled. Science. 337, 59-64 (2012).
  31. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. . Early development of Xenopus laevis: a laboratory manual. , (2010).

Play Video

Cite This Article
Fellgett, S. W., Ramsbottom, S. A., Maguire, R. J., Cross, S., O’Toole, P., Pownall, M. E. Using Confocal Analysis of Xenopus laevis to Investigate Modulators of Wnt and Shh Morphogen Gradients. J. Vis. Exp. (106), e53162, doi:10.3791/53162 (2015).

View Video