Summary

Stamcelle-lignende<em> Xenopus</em> Embryonale Eksplantater at studere Tidlig Neural Udviklingsmæssige Egenskaber<em> In vitro</em> Og<em> In vivo</em

Published: February 02, 2016
doi:

Summary

In Xenopus embryos, cells from the roof of the blastocoel are pluripotent and can be programmed to generate various tissues. Here, we describe protocols to use amphibian blastocoel roof explants as an assay system to investigate key in vivo and in vitro features of early neural development.

Abstract

Understanding the genetic programs underlying neural development is an important goal of developmental and stem cell biology. In the amphibian blastula, cells from the roof of the blastocoel are pluripotent. These cells can be isolated, and programmed to generate various tissues through manipulation of genes expression or induction by morphogens. In this manuscript protocols are described for the use of Xenopus laevis blastocoel roof explants as an assay system to investigate key in vivo and in vitro features of early neural development. These protocols allow the investigation of fate acquisition, cell migration behaviors, and cell autonomous and non-autonomous properties. The blastocoel roof explants can be cultured in a serum-free defined medium and grafted into host embryos. This transplantation into an embryo allows the investigation of the long-term lineage commitment, the inductive properties, and the behavior of transplanted cells in vivo. These assays can be exploited to investigate molecular mechanisms, cellular processes and gene regulatory networks underlying neural development. In the context of regenerative medicine, these assays provide a means to generate neural-derived cell types in vitro that could be used in drug screening.

Introduction

Den hvirveldyr nervesystem fremgår neuralpladen som et homogent lag af neuroepitelceller. Forstå, hvordan udviklingsmæssige programmer induceres, kodet, og etableret under en regionalisering af den neurale plade er på nuværende tidspunkt et vigtigt mål i udviklingsmæssige biologi. Sammenlignet med andre systemer, den eksperimentelt medgørlige Xenopus foster er en model af valg for at analysere tidlige trin i neural udvikling 1,2. Det er nemt at få et stort antal af embryoner, og ekstern udvikling giver adgang til de allerførste trin i neurulation 3. Mange værktøjer til rådighed til eksperimentelt manipulere Xenopus laevis (X. laevis) fosterudviklingen. Mikro-injektion af mRNA'er eller morpholinos (MO), herunder inducerbare MOS, sammen med biokemiske og farmakologiske værktøjer, giver mulighed for kontrolleret gevinst på funktion (GOF) og tab af funktion (LOF) og specifik ændring af signalveje 4,5. Blastocoel tag ectoderm, placeret omkring dyrets pol en blastula eller en meget tidlig gastrula embryo, og benævnt "Animal Cap (AC), er en kilde til pluripotente celler, som kan programmeres ved manipulation af genekspression før eksplantater forberedelse. I dette manuskript er detaljerede protokoller til at bruge X. laevis AC eksplantater at teste in vitro og in vivo molekylære mekanismer og cellulære processer underliggende neurale udvikling.

En teknik præsenteres, så fint observation af genekspressionsmønstre i en Xenopus haletudse neuralrøret, et indledende skridt i identifikationen af skæbnen bestemmelse stikord. Ud fra følgende betragtninger observation af flade monteret væv er almindeligt anvendt i studiet af kyllingeembryoer 6, det har ikke været korrekt beskrevet i Xenopus. Manipulation af genekspression ved at injicere syntetisk mRNA eller MO ind blastomererne på 2 eller 4-celle embryoer tillader programmering af ACexplanter 4. For eksempel inhibering af knoglemorfogenetisk protein (BMP) pathway ved ekspression af anti-BMP faktor Noggin, giver en neural identitet til AC celler 3. Protokollen er beskrevet til udførelse af lokal og tidsstyret eksponering af AC eksplantater til ydre signaler via direkte kontakt med en anionbytterharpiks perle. Endelig en teknik er beskrevet til test udviklingsmæssige funktioner i neurale stamceller in vivo ved transplantation af blandede eksplantater fremstillet ud fra forskellige programmerede celler dissocieres og re-associerede.

Frøen embryo er en kraftfuld model til at studere tidlige hvirveldyr neural udvikling. Ved at kombinere manipulation af genekspression eksplanteres in vitro kulturer indeholder vigtige oplysninger i studiet af neuroepithelium regionalisering, proliferation og morfogenese 7-12. Programmeringen af AC eksplantaterne tilladte udvikling af en funktionel hjerte ex vivo 13,14. Brugenaf eksplantatet podning 15 førte til identifikation af den minimale transskriptionskontakt inducere neural crest differentieringsprogram 16. Zona limitans intrathalamica (ZLI) er en signalering center, der udskiller sonisk pindsvin (Shh) for at kontrollere væksten og regionalisering af caudale forhjernen. Når kontinuerligt udsættes for Shh, neuroepitelceller co-udtrykke tre transkriptionsfaktor gener – barH-lignende homeobox-2 (barhl2), orthodenticle-2 (otx2) og Iroquois-3 (irx3) erhverve to karakteristika ZLI rummet: kompetence til at udtrykke shh, og evnen til at adskille fra anteriore neurale plade celler. Som et modelsystem, vil induktion af en ZLI skæbne i neuroepitelcellerne præsenteres 8.

Disse protokoller til formål at give enkle, billige og effektive værktøjer til udviklingsmæssige biologer og andre forskere til at udforske den grundlæggende mechanisms af centrale neurale celle adfærd. Disse protokoller er meget alsidig og tillade undersøgelse af en lang række ydre og indre neurale beslutsomhed signaler. Den tillader langsigtet in vivo analyser af neurale slægt engagement, induktive interaktioner og celle adfærd.

Protocol

Eksperimenter overholder nationale og europæisk forordning om beskyttelse af dyr, der anvendes til videnskabelige formål og med internationalt vedtagne principper om erstatning, begrænsning og forfining. 1. Fladskærms-montering af Xenopus laevis Haletudser Anterior Neural Tube Efter Whole-mount in situ-hybridisering Opnå X. laevis embryoner i henhold til standardprocedurer 4 og alder dem, indtil de når neurula stadie 26 og ældre (ifølg…

Representative Results

Baseret på morfologiske overvejelser i forskellige arter, embryologiske manipulationer, og ekspressionsmønsteret for regulerende gener besidder en konceptuel model, neuralpladen er opdelt i tværgående og langsgående segmenter, der definerer en udviklingsmæssig gitter generere forskellige histogenic felter. I den neurale plade, er det primordier af forhjernen, midthjernen, baghjerne og rygmarv alle allerede etableret langs antero-posterior (AP) akse under gastrulation (revideret i <…

Discussion

Neural udvikling orkestreret af et komplekst samspil mellem cellulære udviklingsmæssige programmer og signaler fra de omgivende væv (Anmeldt i 3,31,32). Her beskriver vi et sæt protokoller, der kan anvendes i X. laevis embryoner til at udforske ydre og indre faktorer involveret i neurale skæbne beslutsomhed og neurale morfogenese in vitro og in vivo. Disse protokoller kan anvendes som sådan på X. tropicalis embryoner dog X. tropicalis embryoner er f…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The author thanks Hugo Juraver-Geslin, Marion Wassef and Anne Hélène Monsoro-Burq for their help and advice, and the Animal Facility of the Institut Curie. The author thanks Paul Johnson for his editing work on the manuscript. This work was supported by the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS UMR8197, INSERM U1024) and by grants from the “Association pour la Recherche sur le Cancer” (ARC 4972 and ARC 5115; FRC DOC20120605233 and LABEX Memolife) and the Fondation Pierre Gilles de Gennes (FPGG0039).

Materials

Paraformaldehyde VWR  20909.290 Toxic
anion exchange resin beads Biorad 140- 1231
Bovine Serum Albumin  SIGMA A-7888 For culture of animal cappH 7.6
Gentamycine  GIBCO 15751-045  antibiotic
Bovine Serum Albumin SIGMA A7906  for bead preparation

References

  1. Nieuwkoop, P. D. IIB, Pattern formation in the developing central nervous system (CNS) of the amphibians and birds (English). Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. 94, 121-127 (1991).
  2. Nieuwkoop, P. D. The neural induction process; its morphogenetic aspects. Int J Dev Biol. 43, 615-623 (1999).
  3. Harland, R. Neural induction. Curr Opin Genet Dev. 10, 357-362 (2000).
  4. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. . Early development of Xenopus laevis : a laboratory manual. , (2000).
  5. Hoppler, S., Vize, P. D., Hoppler, S., Vize, P. D. . Xenopus protocols : post-genomic approaches. , (2012).
  6. Franklin Hughes, W., La Velle, A. The effects of early tectal lesions on development in the retinal gonglion cell layer of chick embryos. J Comp Neurol. 163, 265-283 (1975).
  7. Theveneau, E., Mayor, R. Beads on the run: beads as alternative tools for chemotaxis assays. Methods Mol Biol. 769, 449-460 (2011).
  8. Juraver-Geslin, H. A., Gomez-Skarmeta, J. L., Durand, B. C. The conserved barH-like homeobox-2 gene barhl2 acts downstream of orthodentricle-2 and together with iroquois-3 in establishment of the caudal forebrain signaling center induced by Sonic Hedgehog. Dev Biol. 396, 107-120 (2014).
  9. Green, J. B., New, H. V., Smith, J. C. Responses of embryonic Xenopus cells to activin and FGF are separated by multiple dose thresholds and correspond to distinct axes of the mesoderm. Cell. 71, 731-739 (1992).
  10. Wallingford, J. B., Ewald, A. J., Harland, R. M., Fraser, S. E. Calcium signaling during convergent extension in Xenopus. Curr Biol. 11, 652-661 (2001).
  11. Kiecker, C., Niehrs, C. A morphogen gradient of Wnt/beta-catenin signalling regulates anteroposterior neural patterning in Xenopus. DEVELOPMENT. 128, 4189-4201 (2001).
  12. Wilson, P. A., Hemmati-Brivanlou, A. Induction of epidermis and inhibition of neural fate by Bmp-4. Nature. 376, 331-333 (1995).
  13. Afouda, B. A., Hoppler, S. Xenopus explants as an experimental model system for studying heart development. Trends in cardiovascular medicine. 19, 220-226 (2009).
  14. Afouda, B. A. Stem-cell-like embryonic explants to study cardiac development. Methods Mol Biol. 917, 515-523 (2012).
  15. Milet, C., Monsoro-Burq, A. H. Dissection of Xenopus laevis neural crest for in vitro explant culture or in vivo transplantation. Journal of visualized experiments: JoVE. , (2014).
  16. Milet, C., Maczkowiak, F., Roche, D. D., Monsoro-Burq, A. H. Pax3 and Zic1 drive induction and differentiation of multipotent, migratory, and functional neural crest in Xenopus embryos. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 5528-5533 (2013).
  17. Nieuwkoop, P. D., Faber, J., Nieuwkoop, P. D., Faber, J. . Normal table of Xenopus laevis (Daudin): a systematical and chronological survey of the development from the fertilized egg till the end of metamorphosis. , (1994).
  18. Harland, R. M. In situ hybridization: an improved whole-mount method for Xenopus embryos. Methods Cell Biol. 36, 685-695 (1991).
  19. Turner, D. L., Weintraub, H. Expression of achaete-scute homolog 3 in Xenopus embryos converts ectodermal cells to a neural fate. Genes Dev. 8, 1434-1447 (1994).
  20. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Removing the Vitelline Membrane from Xenopus laevis Embryos. CSH protocols. , (2007).
  21. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Animal Cap Isolation from Xenopus laevis. CSH protocols. , (2007).
  22. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Embryo dissection and micromanipulation tools. CSH protocols. , (2007).
  23. Wilson, S. W., Houart, C. Review: Early Steps in the Development of the Forebrain. Developmental Cell. 6, 167-181 (2004).
  24. Juraver-Geslin, H. A., Durand, B. C. Early development of the neural plate: new roles for apoptosis and for one of its main effectors caspase-3. Genesis. 53, 203-224 (2015).
  25. Heasman, J. Patterning the early Xenopus embryo. Development. 133, 1205-1217 (2006).
  26. Rubenstein, J. L., Martinez, S., Shimamura, K., Puelles, L. The embryonic vertebrate forebrain: the prosomeric model. Science. 266, 578-580 (1994).
  27. Puelles, L., Rubenstein, J. L. R. Forebrain gene expression domains and the evolving prosomeric model. Trends in Neurosciences. 26, 469-476 (2003).
  28. Martinez-Ferre, A., Martinez, S. Molecular regionalization of the diencephalon. Frontiers In Neuroscience. 6, 73-73 (2012).
  29. Scholpp, S., Lumsden, A. Review: Building a bridal chamber: development of the thalamus. Trends in Neurosciences. 33, 373-380 (2010).
  30. Coffman, C., Harris, W., Kintner, C. Xotch, the Xenopus homolog of Drosophila notch. Science. 249, 1438-1441 (1990).
  31. Pera, E. M., Acosta, H., Gouignard, N., Climent, M., Arregi, I. Active signals, gradient formation and regional specificity in neural induction. Exp Cell Res. 321, 25-31 (2014).
  32. Stern, C. D. Neural induction: old problem, new findings, yet more questions. Development. 132, 2007-2021 (2005).
  33. Juraver-Geslin, H. A., Ausseil, J. J., Wassef, M., Durand, B. C. Barhl2 limits growth of the diencephalic primordium through Caspase3 inhibition of beta-catenin activation. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 2288-2293 (2011).
  34. Sive, H. L., Grainger, R. M., Harland, R. M. Dissociation and Reaggregation of Xenopus laevis Animal Caps. CSH protocols. , (2007).
  35. Harland, R. M., Grainger, R. M. Xenopus research: metamorphosed by genetics and genomics. Trends Genet. 27, 507-515 (2011).
  36. Beccari, L., Marco-Ferreres, R., Bovolenta, P. The logic of gene regulatory networks in early vertebrate forebrain patterning. Mech Dev. 130, 95-111 (2013).
  37. Pani, A. M., et al. Ancient deuterostome origins of vertebrate brain signalling centres. Nature. 483, 289-294 (2012).
  38. Holland, L. Z., et al. Evolution of bilaterian central nervous systems: a single origin?. Evodevo. 4, 27 (2013).
  39. Pratt, K. G., Khakhalin, A. S. Modeling human neurodevelopmental disorders in the Xenopus tadpole: from mechanisms to therapeutic targets. Disease models & mechanisms. 6, 1057-1065 (2013).
  40. Sasai, Y., Ogushi, M., Nagase, T., Ando, S. Bridging the gap from frog research to human therapy: a tale of neural differentiation in Xenopus animal caps and human pluripotent cells. Development, growth & differentiation. 50, s47-s55 (2008).
check_url/53474?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Durand, B. C. Stem cell-like Xenopus Embryonic Explants to Study Early Neural Developmental Features In Vitro and In Vivo. J. Vis. Exp. (108), e53474, doi:10.3791/53474 (2016).

View Video