斑胸草雀(Taeniopygia guttata)是一种重要的模式生物,但其早期发育阶段尚未得到充分研究。本实验方案描述了如何解剖早期胚胎,以用于发育学和分子生物学研究。
斑胸草雀(Taeniopygia guttata)是一种重要的模式生物,但其早期发育阶段尚未得到充分研究。本实验方案描述了如何解剖早期胚胎,以用于发育学和分子生物学研究。
斑胸草雀(Taeniopygiaguttata在包括毒理学在内的多个研究领域中,) 已成为日益重要的模式生物1,2行为3,以及记忆与学习4,5,6作为唯一完成基因组测序的鸣禽,斑胸草雀在发育学研究中具有重要潜力;然而,斑胸草雀的早期发育阶段尚未得到充分研究。造成斑胸草雀发育研究匮乏的原因在于其卵和胚胎体积微小,解剖操作困难。以下解剖方法可最大限度减少胚胎组织损伤,从而实现对胚胎发育各阶段形态学特征和基因表达的研究。该方法支持胚胎的明场与荧光高质量成像,并可用于分子实验,例如 原位 原位杂交(ISH)、细胞增殖检测以及用于定量分析(如定量实时PCR(qtRT-PCR))的RNA提取 该技术使研究者能够研究以往难以获取的发育早期阶段。
该技术的总体目标是获得斑马雀 (Taeniopygiaguttata) 胚胎,用于多种发育学研究。斑胸草雀已成为主要的鸣禽模式生物,并被广泛应用于包括毒理学在内的多个研究领域。1,2行为3记忆与学习4,5,6,比较神经解剖学7,8,以及语言发展9,10作为唯一完成基因组测序的鸣禽,斑马雀使得对雀形目(Passeriformes)这一占已知鸟类物种50%以上的类群进行分子与遗传学研究成为可能。11,12,13.
尽管斑马雀的成体和幼体已被广泛应用于多个研究领域,但针对斑马雀胚胎的研究仍较少,尤其是在发育早期阶段。这主要是由于其卵和胚胎体积较小,以及作为模式生物的研究历史相对较短14,15,16,而在过去这些研究多以鸡(Gallus gallus domesticus)为主要模式系统17,18,19,20,21。然而,由于鸡不属于鸣叫学习者,因此不适合用于研究鸣叫学习的遗传基础、鸣叫学习的发育过程、遗传性、行为特征,以及参与运动学习的皮层-基底神经节环路10。
需要注意的是,在解剖和分子实验操作过程中,斑马雀胚胎比鸡胚胎更为脆弱,更容易受到损伤。特别是对斑马雀胚胎进行通透化处理时,需要格外小心。一些对鸡胚胎无害的强效去垢剂和酶类可能会损伤斑马雀胚胎。在常规操作中,必须先将斑马雀的卵放入小杯中,再置于孵育箱内,以防止其在孵育过程中滚动时破裂。
斑胸草雀适合进行行为学研究,易于在人工饲养条件下全年大量繁殖,且为鸣禽学习者。这些特性使得斑胸草雀成为一种能够整合语言的发育、遗传及行为特征的模式生物。结合下文详述的解剖方法以及近期开发的针对斑胸草雀的发育分期指南22, 斑胸草雀正日益成为一种有用且标准化的发育模式生物。然而,获取早期胚胎可能具有挑战性。本实验方案可帮助研究人员轻松获得早期胚胎。研究斑胸草雀早期发育过程、复杂行为的分子发育基础,或研究其他小型雀形目鸟类发育中毒理学效应的研究者,将发现该解剖方法具有重要应用价值。
伦理声明:实验所用方法采用威廉与玛丽学院繁殖种群中的家养斑胸草雀进行。所有实验程序均遵循RSPCA指南23,并经威廉与玛丽学院OLAW(实验动物福利办公室)动物福利保证(#A3713-01)批准,同时获得机构动物护理与使用委员会(IACUC)的批准(#2013-06-02-8721-dacris)。
1. 卵的收集与孵化
2. 从卵中取出胚胎
3. 胚胎与胚外组织的分离
4. EdU细胞增殖检测。EdU在斑马雀胚胎中的掺入与检测。
5. EdU “点击”反应方案
以下所有步骤均在玻璃小瓶中进行。
图中所示的步骤 图1 指示胚胎附着于卵黄膜时的外观(A),并演示将胚胎与卵黄正确分离的方法(B)。胚胎可通过连接区识别,该区域颜色明显较卵黄膜浅。在卵黄被切除之前,胚胎本身通常难以辨认。一旦将胚胎从蛋中解剖出来,即可进行固定或速冻,以备后续使用。如果 原位 若计划对解剖后的胚胎进行杂交,必须去除通过连接区附着在胚胎上的卵黄膜。 图2 展示了去除该膜后胚胎可见度的改善情况(C),以及剥离卵黄膜的正确方法(A,B)。解剖和固定后,进行整体封片 原位 杂交按如下所示进行 图3 (A,A’,B,B’)以及 图4 (A,A',B,B')和 图5 (A、B、C)用于检测差异 orthodenticle同源框 2 (Otx2胚胎发育期暴露于低剂量甲基汞后的基因表达情况。 图5 显示正义探针结果,表明无背景信号。在 图4尽管在同一时间点从卵中解剖出来,暴露于甲基汞(MeHg)的胚胎在发育上已进展至5期22 (B,B’),而对照胚胎发育至6期22 (A,A’)所示解剖并展示的胚胎群 图4 从孵化箱中同时收集了巢内的样本。尽管发育过程中存在一定的自然变异,但根据此前的解剖数据,孵化箱内温度波动仅导致2.4 ppm甲基汞暴露组胚胎发育延迟的可能性极低。各阶段的差异表明,甲基汞发育暴露对胚胎细胞增殖产生了影响。
在解剖前,将EdU注射到第2天的卵中,并过夜孵育。解剖并固定第16期22胚胎后,利用“点击”化学反应对EdU进行可视化,从而可检测增殖中的细胞,如图6(A、B、C)所示。在将卵放入孵育箱及进行解剖的过程中,必须仔细监控各个时间点,因为甲基汞暴露或EdU检测操作可能干扰胚胎的正常发育进程。最早的一次注射是在第0天进行的,即步骤1.3中所述的收集当天。该胚胎在约38小时后被解剖(第7期22)。只要注射体积不超过478 nl,胚胎的存活率约为90%(与对照组胚胎相同)。
该解剖方法还可实现高质量的RNA提取。在解剖16期22胚胎后,按照试剂盒制造商提供的方案进行RNA提取,无需任何优化步骤,如图7所示。对于RNA提取及后续的qRT-PCR应用而言,无需去除卵黄膜。
注意:所有胚胎图像的方位均为上端为前端,下端为后端。

图 1. 定位并解剖斑胸草雀胚胎的操作流程,阶段 1–1022。 轻轻滚动卵黄,直至出现微弱的白色圆盘,由此确定胚胎位置 (A)。当胚胎位于卵黄中央后,逐步进行卵黄解剖 (B):第一步切开以释放卵黄膜的压力(1),随后的切口(2)围绕与卵黄膜相连的连接区(zj)。比例尺为 1 mm。

图2. 卵黄膜的去除及胚胎结构的可见性 从卵黄中取出胚胎后,将胚胎置于含有4% PFA的培养皿中。如果 原位 杂交实验需要进行,胚胎结构的可见性至关重要,可通过去除卵黄膜来实现 (A)用超细尖镊子夹住卵黄膜,如有必要,通过直接在胚胎最外缘操作,轻轻将其从胚胎上剥离。 (B)去除卵黄膜可提高胚胎结构的清晰度,便于对胚胎进行成像或后续处理 原位 杂交 (C)比例尺长度为 1 mm。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3. 整体装片 原位 对发育过程中暴露于处理的斑胸草雀胚胎进行杂交实验 甲基汞. 表达模式 orthodenticle同源框 2 (Otx2) 在暴露于 0.0 ppm 甲基汞的胚胎中进行了表征 (A,A’) 和 2.4 ppm 甲基汞 (B,B’) 通过亲代饮食。背侧(A)和腹侧(A’)表达 Otx2 在12期期间,中脑和视泡中均可见22处理组胚胎在同一时间点进行解剖,但其发育进程延迟,这在头部结构的背侧(B)和腹侧(B’)视图中可见,表现为典型的11期特征。22缩写:mb,中脑;op,视泡。比例尺为1 mm。

图4. 整体装片 原位 斑马雀胚胎在发育过程中暴露于杂交实验 甲基汞. 表达模式 orthodenticle同源框 2 (Otx2)在第6阶段进行了表征22 暴露于0.0 ppm甲基汞的胚胎 (A,A’) 以及5期22 暴露于 2.4 ppm 甲基汞的胚胎 (B,B’) 通过亲代饮食。缩写:am,中胚层前缘;no,脊索,脊索中胚层;po,前羊膜,前原肠孔;ps,原条22比例尺代表1 mm。

图5. 整体装片 原位 使用正义探针在斑胸草雀胚胎上进行的杂交实验 (A) 5期22 胚胎 (B) 早期阶段622 胚胎 (C) 11期22 胚胎。比例尺代表 1 mm。

图 6.斑胸草雀胚胎中的 EdU 掺入与检测。 采用 EdU “点击化学”方法检测第16期22胚胎中的增殖细胞(A、B、C)。EdU 在 DNA 中取代胸腺嘧啶26,27,并通过点击化学法进行检测27。体节的侧缘和尾芽区域的细胞增殖现象清晰可见。图 A 显示增殖主要局限于胚胎后部,并可见单个增殖细胞。图 B 展示整个胚胎中增殖细胞的分布位置。图 C 显示胚胎前部区域,并更详细地展示了高度增殖的端脑(te)。缩写:af,羊膜褶;flb,前肢芽;hlb,后肢芽;le,晶状体泡;ms,中脑;mt,后脑;opc,视杯;pa,咽弓;sm,体节中胚层;tb,尾芽;te,端脑。比例尺为 1 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图7. 从解剖的斑胸草雀胚胎中提取的RNA质量。 对照组(0.0 ppm)和1.2 ppm甲基汞处理组的胚胎按照步骤3.8所述进行解剖并快速冷冻。每条泳道显示的是从各处理组中两个匀浆后的胚胎提取的RNA。
近期胚胎发育分期指南22和基因组注释的建立,使斑胸草雀成为发育研究中理想的研究模型。然而,斑胸草雀胚胎体积小且结构脆弱,在1至10期阶段其大小仅为3至7 mm22,这使得解剖操作较为困难11,14。在卵黄表面准确定位胚胎并完整取出具有挑战性。本方案提供了充分的细节,以方便地完成该操作。本方案展示了通常不为人知但对成功解剖至关重要的关键步骤。例如,必须在胚胎与称量纸之间保留一层薄薄的卵黄,以防止粘连。
识别和移除胚胎都可能具有挑战性。若难以在蛋黄表面识别胚胎,可将蛋黄从蛋中取出后,直接从上方用光照射,并以45°角观察蛋黄,以定位胚胎。找到胚胎后,将蛋黄放在称量纸上小心切割,注意不要撕裂胚胎。
如果后续应用包括用于观察解剖学差异的成像、原位杂交或细胞增殖检测,则在1–8阶段去除卵黄膜22对于更清晰地观察结构至关重要。若在早期阶段去除卵黄或卵黄膜时遇到困难,可在用1×PBS洗涤前先用4 % PFA固定胚胎,以降低胚胎的脆弱性。通过如上所述在解剖过程中首先去除卵黄膜,可在执行原位杂交后仍清晰完整地观察到斑胸雀鹛胚胎中的结构。
EdU的一个局限性是,当给药体积超过478 nl时会导致胚胎死亡。然而,较宽的给药剂量范围允许对增殖细胞进行不同水平的标记。
本试剂盒中使用的“点击”反应为铜(I)催化的炔烃-叠氮化物环加成反应(Cu(I)AAC)。在此特定反应中,含有炔基的胸苷类似物分子(EdU)被处于活跃分裂状态的细胞所掺入。EdU中的炔基从DNA的螺旋结构中伸出,通过与连接绿色荧光分子的叠氮化合物孵育,该叠氮分子可特异性结合游离的炔基。绿色荧光即显示出胚胎中新生增殖的细胞。由于叠氮基团和炔基具有生物正交性,而这些反应基团在生物体内天然不存在,因此可避免非特异性染色。此外,由于该反应无需对DNA进行变性处理,因此可方便地进一步进行依赖DNA的其他分析27。
该方法的一个固有局限在于斑胸草雀胚胎体积小且脆弱。需去除1至15期胚胎的卵黄膜22 若操作不慎,可能会对胚胎结构造成损伤。然而,本方案简化了分离方法,使研究者能够利用早期胚胎阶段来研究以往尚未深入探讨的结构异常和基因表达。该方案为开展多种细胞与分子检测铺平了道路,有助于研究者确定成体表型的发育起源。例如,可在发育最早阶段考察不同环境条件下或经药物处理后与发声学习相关的基因表达情况。28,29,30,31尽管本文未展示,该方法理论上可适用于其他操作,例如放射性标记 原位 斑马雀组织切片杂交及电穿孔/在 卵外科手术32,33,34鉴于斑胸草雀已在大量文献中被确立为重要的模式生物,此类研究为关联发育机制与成体生理学及行为学(尤其是语言发育)提供了尚未充分利用的机遇7,9.
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢其资助来源:霍华德·休斯医学研究所本科科学教育项目对威廉与玛丽学院的支持;资助机构:美国国立卫生研究院(M.S.S);资助编号:R15NS067566。同时感谢威廉与玛丽学院、生物学系以及艺术与科学学院在动物护理方面提供的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 鸡胚孵育器 | 我们使用 Picture Window Hova-Bator 孵育器,循环空气型号 | ||
| Click-iT EdU Alexa Fluor 488 成像试剂盒 | Invitrogen | C10337 | 用于细胞增殖检测。 |
| 解剖显微镜 | 我们使用 Olympus SZ61 | ||
| 7'' Drummond 毛细管(用于 Nanoject II 注射仪) | Drummond | 3-00-203-G/X | |
| Drummond Nanoject II 微量注射仪 | Drummond | ||
| Dumont 镊子 #55 | World Precision Instruments | 14099 | |
| 乙醇(EtOH) | |||
| 50 ml Falcon 离心管(聚丙烯材质) | Fisher Scientific | 06-443-18 | |
| FastPrep Lysis Matrix H 裂解管 | MP biomedicals | 6917-100 | 用于 RNA 提取,用于胚胎匀浆 |
| 光纤照明灯(高强度照明器) | Dolan-Jenner Industries | Fiber-Lite MI-150 | |
| 带螺口盖的玻璃小瓶(DEPC 处理) | Fisher Scientific | 03-338A | |
| 微量离心管(1.5 ml) | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| 矿物油 | Sigma-Aldrich | M-8410 | |
| 模型黏土 | 任意品牌 | ||
| Narshige PB-7 玻璃微电极拉制仪 | Narshige | ||
| Omni Bead Ruptor 匀浆器 | OMNI International | 19-010 | 用于 RNA 提取 |
| 4% 多聚甲醛(4% PFA):20 ml 8% PFA(32 g 多聚甲醛,350 ml sdd H2O,调 pH 至 7.6,400 ml sdd H2O),20 ml 2x PBS | 用于胚胎固定。注意:有害,切勿吸入。 | ||
| 磷酸盐缓冲液(1x PBS):200 ml 10x PBS,1,800 ml Barnstead H2O,调 pH 至 7.4 | |||
| 磷酸盐缓冲液(10x PBS):800 ml Barnstead 水,2.013 g KCl,80.063 g NaCl,2.722 g KH2PO4 一碱,14.196 g Na2HPO4 二碱,200 ml Barnstead H2O,调 pH 至 6.5 | |||
| 含 0.1% Tween-20 的磷酸盐缓冲液(1x PTw):1,800 ml Barnstead H2O,200 ml 10x PBS,调 pH 至 7.4,2 ml Tween-20 | |||
| 35 ml 塑料培养皿 | Fisher Scientific | 08-757-100A | |
| 塑料封口膜 | 任意品牌 | ||
| PrepEase RNA Spin 试剂盒 | PrepEase, Affymetrix | 78766 1 KT | 用于 RNA 提取,用于胚胎匀浆 |
| 反应混合液:875 μl 1xPBS,100 mM 20 μl CuSO4(试剂盒组分 E),5 μl Alexa Fluor 488 叠氮化物(试剂盒组分 B),100 μl 稀释后的反应缓冲液添加剂(试剂盒组分 F) | Invitrogen | C10337 | 用于细胞增殖检测。 |
| sdd H2O | |||
| 种蛋杯 | 孵蛋时用作容器 | ||
| 不锈钢手术刀片 | |||
| 标准鸟巢盒 | 我们使用 Abba Plastic Finch 巢盒 | ||
| 4 ml 带聚四氟乙烯衬垫盖的玻璃小瓶 | Fisher Scientific | 02-912-352 | |
| 移液管(聚乙烯材质) | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
| 4 x 4 称量纸 | Fisher Scientific | 09-898-12B |