Summary

Evaluering af Planar-Cell-polaritet fænotyper i Ciliopathy Mouse Mutant Cochlea

Published: February 21, 2016
doi:

Summary

Primary cilia influence various signaling pathways. The mammalian cochlea is ideal for examining planar cell polarity (PCP) signaling. Cilia dysfunction affects cochlear outgrowth, cellular patterning and hair cell orientation, readouts of PCP. Our goal is to analyze PCP signaling in mouse cochlea via phenotypic analysis, immunohistochemistry and scanning electron microscopy.

Abstract

In recent years, primary cilia have emerged as key regulators in development and disease by influencing numerous signaling pathways. One of the earliest signaling pathways shown to be associated with ciliary function was the non-canonical Wnt signaling pathway, also referred to as planar cell polarity (PCP) signaling. One of the best places in which to study the effects of planar cell polarity (PCP) signaling during vertebrate development is the mammalian cochlea. PCP signaling disruption in the mouse cochlea disrupts cochlear outgrowth, cellular patterning and hair cell orientation, all of which are affected by cilia dysfunction. The goal of this protocol is to describe the analysis of PCP signaling in the developing mammalian cochlea via phenotypic analysis, immunohistochemistry and scanning electron microscopy. Defects in convergence and extension are manifested as a shortening of the cochlear duct and/or changes in cellular patterning, which can be quantified following dissection from developing mouse mutants. Changes in stereociliary bundle orientation and kinocilia length or positioning can be observed and quantitated using either immunofluorescence or scanning electron microscopy (SEM). A deeper insight into the role of ciliary proteins in cellular signaling pathways and other biological phenomena is crucial for our understanding of cellular and developmental biology, as well as for the development of targeted treatment strategies.

Introduction

Primære cilier er lange mikrotubulus-baserede vedhæng, som strækker sig fra overfladen af ​​de fleste pattedyrceller. Primære cilier forveksles ofte med motile cilier, hvoraf der er altid flere per celle, og hvis formål er at bevæge fluid tværs membranoverflader. Primære cilier, derimod vedtage sensoriske roller og er derfor også betegnet som sensorisk cilia. Når længe glemt, dette organel er for nylig blevet "genopdaget" som et resultat af sin tilknytning til et væld af genetiske sygdomme hos mennesker 1. Ideelt placeret som en signalering organel, har den primære cilium blevet vist at regulere en lang række signalveje, hvoraf mange er vigtigt ikke blot i vævshomeostase og sygdom, men også under udvikling 2.

En af de første signalveje vist at være forbundet med cilia dysfunktion var den ikke-kanoniske Wnt signalvejen, også kendt som den plane cellepolaritet (PCP) pathway <sup > 3. Denne signaleringskaskade oprindeligt identificeret i Drosophila, er afgørende for embryogenese; især for konvergenskriterierne og udvidelse processer og for den korrekte orientering af celler i flyet af epithel 4. Den sekventielle signalering af en kerne sæt regulatoriske proteiner oversætter retningsbestemte signaler, som i sidste ende fører til cytoskeletale omrokeringer og resultere i en koordineret polarisering af epitelceller i et plan 5. Processen med konvergens og udvidelse er absolut nødvendig for cochlear kanal til aflang og for korrekt cellulære mønster 6. Da disse er reguleret via aktivering af PCP pathway, en af de mest slående fænotyper af cochlea PCP mutanter er en forkortet cochlear kanal med uorganiseret sensoriske epithel 7. Tilsvarende mus mutanter, som mangler cilier, også udviser en sådan konvergens og udvidelse fænotype 8,9, men præcist, hvordan det er reguleret mangler at blive belyst.

ve_content "> Fordi konvergenskriterierne og udvidelse processer er afgørende for udvækst af cochlear kanalen, og cellulære mønster af den sensoriske epithel i cochlear kanalen, udviklingslandene cochlea er en ideel organ til at gennemgå PCP signalering under hvirveldyr udvikling. orgel Corti udtrykket givet til den specialiserede sensoriske epithel at linjer cochlear kanal, består af ikke-sensoriske understøttende celler og mechanosensory hårceller, som skal ensartet orienteret for cochlea til at fungere 10. de mechanosensory hårceller er såkaldte grund af den stereociliary bundter, der strækker sig fra den kutikulære plade (apikale overflade) af hvert sensorisk hår celle 11. Disse fungerer som primære transducere mechanosensation og trods deres nomenklatur som stereocilia, faktisk består af modificeret actin filament-baserede microvilli. Inden for hver chevron-formede hår bundt, tre rækker af stereocilia er organiseret i en meget ordnet og regelmæssig pattern i en trappe-lignende måde. Rigtig mikrotubuli-baserede cilier, betegnes kinocilia, er nødvendige for udviklingen og orienteringen af de stereociliary bundter 12. Ved hvert hår celle, er en enkelt kinocilium fysisk anbragt på stereocilia bundt, placeret centralt ved siden af ​​højeste række af stereocilia. Den præcise funktion af kinocilium er uklar, og en hypotese er, at kinocilium "trækker" den stereocilia i facon, som de modne fra mikrovilli 12. I hvirveldyr, kinocilia i cochlea er kun til stede kortvarigt og trækkes tilbage fra hårcellerne i mus før begyndelsen af hørelse 11,13,14.

Komplet tab af cilier i udviklingslandene cochlea resulterer i alvorligt forkortede cochlear kanaler, mis-formet og mis-orienterede stereociliary bundter samt mis-placerede basale organer 8,9. En funktionel cilium er ikke kun består af den ciliære axoneme. Mange proteiner forbundet med cilierfunktion forekommer i komplekser lokaliseret til cilia-relaterede underdomæner såsom basale krop, overgangszone eller ciliaere axoneme 15. Den basale legeme, der stammer fra moderen centriole af centrosom, er også en mikrotubulus-organiserende center for mikrotubuli strækker sig bort fra cilium i cellen kroppen og kan regulere intracellulær transport samt ciliær trafficking. Den ciliaere overgangszonen er en anden region, hvor ciliaere funktion er reguleret i forhold til at organisere import og eksport af ciliære forbindelser 16.

Flere studier har identificeret en sammenhæng mellem cilier og ikke-kanonisk Wnt (PCP signalering), selvom den præcise mekanisme er uklar 17. Redundans af ciliære og PCP gener og følsomheden af ​​cellepolaritet til generelle cellulære abnormaliteter, gør det vanskeligt at direkte forbinde en mutation til PCP-specifikke underskud. En af de læste outs af PCP signalering er positioneringen af ​​den basale legeme og Primary cilium derfor adskillelse den primære fra de sekundære defekter er udfordrende. Nogle undersøgelser i zebrafisk og mus mutanter har foreslået nogen forbindelse mellem cilier og Wnt signalering 18-20. Uoverensstemmelser i dataene kan afspejle arter, væv eller tidsmæssige-afhængige forskelle i ciliære bidrag til Wnt signalering. Desuden kan normal Wnt lydhørhed bibeholdes, hvis basale organer forbliver funktionelt. En dybere indsigt i den rolle, ciliære proteiner i cellulære signalveje og andre biologiske fænomener er afgørende for vores forståelse af cellulær og udviklingsmæssige biologi, samt til udvikling af målrettede behandlingsstrategier.

Protocol

Brug og aflive alle dyr i overensstemmelse med de institutionelle og statslige retningslinjer og forordninger, oftest via CO 2 indånding og cervikal dislokation. 1. Fremstilling af reagenser BEMÆRK: Før starten forberede alle reagenser bruger kemikalier af analysekvalitet. Foretag løsninger ved hjælp af molekylærbiologisk kvalitet destilleret og demineraliseret vand, medmindre andet er angivet. Fosfat saltvand (1x PBS): Lav 1 l 1x PBS ved at opløse 8g NaCl, 0,2 g KCI, 1,44 g …

Representative Results

Cochlea Dissektion og Tissue Forberedelse Efter fjernelse af hjernen, post midterlinie sagittal dissektion af en P0 Mouse hoved, den benede labyrint, set bagfra, kan visualiseres (figur 1A, hvid pil) og fjernes. Figur 1B viser de isolerede benede labyrinter med cochlear hår vender opad, ventrale, (til venstre) og bagfra, dorsal (til højre). De hvide pil peger på det ovale v…

Discussion

Ved udarbejdelsen cochlear væv til analyse, er der et par vigtige punkter at huske på. For det første kan forskelle i genetisk baggrund ændre cochlear fænotype, hvilket gør det nødvendigt at analysere og sammenligne kun kuld kontroller. For det andet er fuldstændig fjernelse af tectorial kræves for at opnå de bedste billeder med immunhistokemi og er afgørende for SEM. Den tectorial er en uigennemsigtig struktur og kan tilsløre cellerne i sensoriske epithel direkte under den, hvilket gør billeddannelse mere …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatteren vil gerne takke Matthew Kelley, Tiziana Cogliati, Jessica Gumerson, Uwe Wolfrum, Rivka Levron, Viola Kretschmer og Zoe Mann og for deres kritiske evaluering af manuskriptet. Dette arbejde blev finansieret af Sofja Kovalevskaya Award (Humbodlt Foundation) og Johannes-Gutenberg Universitet, Mainz, Tyskland.

Materials

Tools/Equipment
Silicone elastomere – Sylgard 184 Sigma-Aldrich 761028-5EA See Note 2
Micro dissecting scissors-straight blade Various
Fine forceps (no. 5 and 55) and blunt forceps Various
Dissecting microscope. Various
Uncoated glass microscope slides Various
Microscope cover slips (22 mm × 40 mm × 0.15 mm) Various
Transfer pipettes Various
Minutien pins  Fine Science Tools 26002-10
SEM sample holder tousimis 8762
Scanning electron microscopy studs TED PELLA 16111
PELCO Tabs: Carbon adhesive TED PELLA 16084-3
Fluorescent Microscope Various
Critical Point Dryer Various
Scanning Electron Microscope Various
Glass microscope slides Various
Glass coverslips Various
Kimwipe Tissue  Various
Fine Paint Brush
Reagents
1× Phosphate buffered saline (PBS) Gibco/Life Technologies 10010023
Paraformaldehyde  (PFA) (EM Grade Required for EM) Various Prepare a 4% solution in 1× PBS made fresh each time. EM Grade Required for EM.
2.5% Glutaraldehyde Grade1 Sigma-Aldrich G5882
Tris-HCl (pH 7.5) Various
NaCl Various
CaCl 2 Various
Triton X-100 Various
Normal Goat Serum Various
AffiniPure Fab Fragment Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 715-007-003
Fluoromount-G Mounting media SouthernBiotech 0100-01
10× Hanks’ Balanced Salt Solution (HBSS) Gibco/Life Technologies 14065
Hepes Gibco/Life Technologies 15630-080
Osmium tetroxide (OsO4 ) Sigma-Aldrich/Fluka Analytical 75632
Tannic acid Sigma-Aldrich 403040
Ethanol 200 proof Various
Antibodies
anti Arl13b Protein Tech 17711-1-AP Suggested concentration 1:1000
anti acetylated tubulin (611-B1) Sigma-Aldrich T6793 Suggested concentration 1:800
anti gamma tubulin (GTU-88) Sigma-Aldrich T6557 Suggested concentration 1:200
anti Zo_1  Invitrogen 40-2300 Suggested concentration 1:500
Myosin VI Proteus Biosciences 25-6791 Suggested concentration 1:1000
Myosin VIIa Proteus Biosciences 25-6790 Suggested concentration 1:1000
anti Vangl2 Merk Millipore ABN373 Suggested concentration 1:250
anti Gαi3 Sigma-Aldrich G4040 Suggested concentration 1:250
Alexa Fluor® 488 Phalloidin Invitrogen/Life Technologies A12379 Suggested concentration 1:300-1000
Alexa Fluor® 568 Phalloidin Invitrogen/Life Technologies A12380 Suggested concentration 1:300-1000

References

  1. Waters, A. M., Beales, P. L. Ciliopathies: an expanding disease spectrum. Pediatr Nephrol. 26, 1039-1056 (2011).
  2. May-Simera, H. L., Kelley, M. W. Cilia, Wnt signaling, and the cytoskeleton. Cilia. 1, 7 (2012).
  3. Ross, A. J., et al. Disruption of Bardet-Biedl syndrome ciliary proteins perturbs planar cell polarity in vertebrates. Nat Genet. 37, 1135-1140 (2005).
  4. Ezan, J., Montcouquiol, M. Revisiting planar cell polarity in the inner ear. Seminars in cell & developmental biology. 24, 499-506 (2013).
  5. Semenov, M. V., Habas, R., Macdonald, B. T., He, X. SnapShot: Noncanonical Wnt Signaling Pathways. Cell. 131, 1378 (2007).
  6. Wang, J., et al. Regulation of polarized extension and planar cell polarity in the cochlea by the vertebrate PCP pathway. Nat Genet. 37, 980-985 (2005).
  7. Montcouquiol, M., et al. Identification of Vangl2 and Scrb1 as planar polarity genes in mammals. Nature. 423, 173-177 (2003).
  8. May-Simera, H. L., et al. Ciliary proteins Bbs8 and Ift20 promote planar cell polarity in the cochlea. Development. 142, 555-566 (2015).
  9. Jones, C., et al. Ciliary proteins link basal body polarization to planar cell polarity regulation. Nat Genet. 40, 69-77 (2008).
  10. Lim, D. J. Functional structure of the organ of Corti: a review. Hearing research. 22, 117-146 (1986).
  11. Nayak, G. D., Ratnayaka, H. S., Goodyear, R. J., Richardson, G. P. Development of the hair bundle and mechanotransduction. The International journal of developmental biology. 51, 597-608 (2007).
  12. Denman-Johnson, K., Forge, A. Establishment of hair bundle polarity and orientation in the deveoping vestibular system of the mouse. J. Neurocytol. , 821-835 (1999).
  13. Sobkowicz, H. M., Slapnick, S. M., August, B. K. The kinocilium of auditory hair cells and evidence for its morphogenetic role during the regeneration of stereocilia and cuticular plates. Journal of neurocytology. 24, 633-653 (1995).
  14. Denman-Johnson, K., Forge, A. Establishment of hair bundle polarity and orientation in the developing vestibular system of the mouse. Journal of neurocytology. 28, 821-835 (1999).
  15. van Dam, T. J., et al. The SYSCILIA gold standard (SCGSv1) of known ciliary components and its applications within a systems biology consortium. Cilia. 2, 7 (2013).
  16. Blacque, O. E., Sanders, A. A. Compartments within a compartment: what C. elegans can tell us about ciliary subdomain composition, biogenesis, function, and disease. Organogenesis. 10, 126-137 (2014).
  17. Wallingford, J. B., Mitchell, B. Strange as it may seem: the many links between Wnt signaling, planar cell polarity, and cilia. Genes & development. 25, 201-213 (2011).
  18. Borovina, A., Ciruna, B. IFT88 plays a cilia- and PCP-independent role in controlling oriented cell divisions during vertebrate embryonic development. Cell reports. 5, 37-43 (2013).
  19. Huang, P., Schier, A. F. Dampened Hedgehog signaling but normal Wnt signaling in zebrafish without cilia. Development. 136, 3089-3098 (2009).
  20. Ocbina, P. J., Tuson, M., Anderson, K. V. Primary cilia are not required for normal canonical Wnt signaling in the mouse embryo. PloS one. 4, e6839 (2009).
  21. Jones, C. G. Scanning electron microscopy: preparation and imaging for SEM. Methods Mol Biol. 915, 1-20 (2012).
  22. Curtin, J. A., et al. Mutation of Celsr1 disrupts planar polarity of inner ear hair cells and causes severe neural tube defects in the mouse. Current biology : CB. 13, 1129-1133 (2003).
  23. Wang, Y., Guo, N., Nathans, J. The role of Frizzled3 and Frizzled6 in neural tube closure and in the planar polarity of inner-ear sensory hair cells. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26, 2147-2156 (2006).
  24. Montcouquiol, M., Jones, J. M., Sans, N. Detection of planar polarity proteins in mammalian cochlea. Methods Mol Biol. 468, 207-219 (2008).
  25. May-Simera, H., Kelley, M. W. Examining planar cell polarity in the mammalian cochlea. Methods Mol Biol. 839, 157-171 (2012).
  26. Yin, H., Copley, C. O., Goodrich, L. V., Deans, M. R. Comparison of phenotypes between different vangl2 mutants demonstrates dominant effects of the Looptail mutation during hair cell development. PloS one. 7, e31988 (2012).
  27. Rachel, R. A., et al. Combining Cep290 and Mkks ciliopathy alleles in mice rescues sensory defects and restores ciliogenesis. J Clin Invest. 122, 1233-1245 (2012).
  28. Jagger, D., et al. Alstrom Syndrome protein ALMS1 localizes to basal bodies of cochlear hair cells and regulates cilium-dependent planar cell polarity. Human molecular genetics. 20, 466-481 (2011).
  29. Collin, G. B., et al. The Alstrom Syndrome Protein, ALMS1, Interacts with alpha-Actinin and Components of the Endosome Recycling Pathway. PloS one. 7, e37925 (2012).
  30. Copley, C. O., Duncan, J. S., Liu, C., Cheng, H., Deans, M. R. Postnatal refinement of auditory hair cell planar polarity deficits occurs in the absence of Vangl2. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33, 14001-14016 (2013).
  31. Sorusch, N., Wunderlich, K., Bauss, K., Nagel-Wolfrum, K., Wolfrum, U. Usher syndrome protein network functions in the retina and their relation to other retinal ciliopathies. Advances in experimental medicine and biology. 801, 527-533 (2014).
  32. Hebert, J. M., McConnell, S. K. Targeting of cre to the Foxg1 (BF-1) locus mediates loxP recombination in the telencephalon and other developing head structures. Dev Biol. 222, 296-306 (2000).
  33. Willott, J. F. Chapter 8, Measurement of the auditory brainstem response (ABR) to study auditory sensitivity in mice. Current protocols in neuroscience. , Unit8 21B (2006).
  34. Martin, G. K., Stagner, B. B., Lonsbury-Martin, B. L., et al. Chapter 8, Assessment of cochlear function in mice: distortion-product otoacoustic emissions. Current protocols in neuroscience. , Unit8 21C (2006).
  35. Finetti, F., et al. Intraflagellar transport is required for polarized recycling of the TCR/CD3 complex to the immune synapse. Nature cell biology. 11, 1332-1339 (2009).
  36. Sedmak, T., Wolfrum, U. Intraflagellar transport molecules in ciliary and nonciliary cells of the retina. J Cell Biol. 189, 171-186 (2010).
  37. Yuan, S., Sun, Z. Expanding horizons: ciliary proteins reach beyond cilia. Annual review of genetics. 47, 353-376 (2013).
  38. Tarchini, B., Jolicoeur, C., Cayouette, M. A molecular blueprint at the apical surface establishes planar asymmetry in cochlear hair cells. Developmental cell. 27, 88-102 (2013).
  39. Ezan, J., et al. Primary cilium migration depends on G-protein signalling control of subapical cytoskeleton. Nature cell biology. 15, 1107-1115 (2013).

Play Video

Cite This Article
May-Simera, H. Evaluation of Planar-Cell-Polarity Phenotypes in Ciliopathy Mouse Mutant Cochlea. J. Vis. Exp. (108), e53559, doi:10.3791/53559 (2016).

View Video