本文介绍了一种利用子宫内电穿孔技术在雪貂胚胎脑中进行遗传操作的实验方案。该方法可在体内实现对新皮层中神经前体细胞的靶向操作。
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本文介绍了一种利用子宫内电穿孔技术在雪貂胚胎脑中进行遗传操作的实验方案。该方法可在体内实现对新皮层中神经前体细胞的靶向操作。
在分析单个基因于哺乳动物发育过程中所起作用时,体内操控胚胎发育期间的基因表达是首选方法。在体电穿孔(in utero electroporation)是体内操控胚胎哺乳动物大脑基因表达的关键技术。本文介绍了一种针对雪貂(一种小型食肉动物)胚胎新皮质的在体电穿孔实验方案。由于雪貂新皮质具有一系列在人类和非人灵长类动物中存在、但在小鼠或大鼠等啮齿类模型中缺失的解剖学、组织学、细胞和分子特征,因此雪貂正越来越多地被用作研究新皮质发育的模型。本研究在雪貂胚胎发育第33天(E33)进行在体电穿孔,该时期处于神经发生中期。在体电穿孔主要靶向脑侧脑室壁上的神经前体细胞。在神经发生过程中,这些前体细胞可产生所有其他类型的神经细胞。本研究展示了在E37、出生后第1天(P1)和P16时的代表性结果与分析,分别对应于在体电穿孔后的第4、9和24天。在较早阶段,被靶向细胞的子代主要为多种神经前体细胞亚型;而在较晚阶段,大多数标记细胞为终末分裂后的神经元。因此,在体电穿孔能够用于研究遗传操作对各类神经细胞的细胞和分子特性的影响。通过影响不同细胞群体,在体电穿孔还可用于操控雪貂新皮质的组织学和解剖学特征。重要的是,所有这些效应均为急性效应,且其时空特异性由实验者精确控制。
新皮层是哺乳动物大脑皮层的外层结构,也是高级认知功能的中枢1,2,3,4,5。为了在胚胎发育过程中实现对哺乳动物新皮层的急性基因操作,已探索了两种不同的方法:病毒转染6和胚胎内电穿孔7。这两种方法均可有效靶向新皮层细胞,但也存在一定的局限性。与病毒转染相比,胚胎内电穿孔的主要优势在于能够在新皮层内实现空间特异性,这是通过调控电 场的方向来实现的。
自从电穿孔首次被证明可促进DNA在体外进入细胞以来8,该技术已应用于将DNA递送至多种脊椎动物体内。在发育神经科学领域,胎鼠新皮质的宫内电穿孔技术于2001年首次被报道9,10。该方法包括将DNA混合物注射至胚胎脑的侧脑室,随后使用镊形电极施加电场,从而实现空间上的精确操控7,11。此后,宫内电穿孔已被广泛用于递送核酸,以调控小鼠新皮质中内源基因或外源导入基因的表达。近年来,通过在小鼠新皮质中应用CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术,该方法取得了重要进展,包括:(1)在终末分裂后神经元12,13和神经前体细胞14中实现基因失活;(2)实现基因组15和表观基因组16的编辑。
在小鼠的首次报道之后不久,子宫内电穿孔技术即被应用于胚胎大鼠的新皮质17,18。非啮齿类动物则一直存在技术挑战,直至2012年首次报道对雪貂(一种小型食肉动物)成功实施子宫内电穿孔19,20。自此以后,雪貂的子宫内电穿孔已被广泛用于研究新皮质发育机制,包括标记神经前体细胞和神经元20,21,22,23、调控内源基因表达(包括应用CRISPR/Cas9技术)24,以及递送异位基因21,22,25,其中包括人类特异性基因26。此外,雪貂的子宫内电穿孔还被用于研究在病理条件下人类新皮质发育的特征27,28。
在新皮质发育的研究背景下,与小鼠相比,雪貂作为模式生物的优势在于其能够更好地重现一系列类似人类的特征。在解剖学水平上,雪貂表现出典型的皮质折叠模式,这种模式也存在于人类和大多数其他灵长类动物中,但在小鼠或大鼠中则完全缺失4,29,30,31。在组织学水平上,雪貂具有两个不同的室下带生发区,分别称为内侧室下带(ISVZ)和外侧室下带(OSVZ)32,33,两者由内侧纤维层分隔23。这些特征同样存在于包括人类在内的灵长类动物中,但不存在于小鼠中34。在雪貂和人类中,ISVZ和OSVZ含有大量神经前体细胞,而小鼠的室下带(SVZ)仅含有稀疏的神经前体细胞21,32,35,36。在细胞水平上,雪貂表现出较高比例的一类神经前体细胞亚型,称为基底放射状胶质细胞或外侧放射状胶质细胞(bRG或oRG),这类细胞被认为在哺乳动物新皮质的进化扩张中起关键作用34,37,38。因此,bRG在人类胎儿和雪貂胚胎的新皮质中高度富集,但在小鼠胚胎新皮质中极为罕见35,36。此外,雪貂的bRG在形态多样性方面与人类bRG相似,远优于小鼠的bRG21。最后,在分子水平上,发育中的雪貂新皮质表现出与人类胎儿新皮质高度相似的基因表达模式,这些模式被认为在控制皮质折叠发育等方面发挥重要作用39。
雪貂bRG的细胞生物学和分子特征使其 具有高度增殖性,类似于人类的bRG。这导致神经元产量增加,并促进形成更为发达且高度复杂的新生皮层34。这些特性使雪貂成为研究新生皮层发育中人类特有特征的优秀模式生物,而这些特征无法在小鼠中建模26,40。为了充分利雪貂作为模式生物的优势,本研究建立了相应方法。该方法包括在E33期雪貂胚胎中进行子宫内电穿孔,转入由泛表达启动子CAG驱动的表达GFP的质粒(pGFP)。电穿孔后的胚胎可在胚胎期或出生后进行分析。为了减少实验动物的使用数量,雌性雪貂(jills)在子宫切除术后被绝育,并捐赠作为宠物收养。若目标胚胎需在胚胎期取材,则进行第二次手术,通过剖宫产取出胚胎,随后对jills实施子宫切除;若目标胚胎需在出生后阶段分析,则在幼崽断奶或被处死后对jills实施子宫切除。因此,本文也提供了一套针对jills的子宫切除术操作方案。
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所有实验操作均在获得萨克森州管理局(许可证编号 TVV 2/2015 和 TVV 21/2017)批准后,依照德国动物福利法规进行。
1. 体内电穿孔的准备工作
2. 雪貂手术前准备
3. 雪貂胚胎体内电穿孔
4. 靶向动物的术后护理与饲养
5. 雪貂的子宫切除术
注意:进行子宫切除术是为了减少实验动物的牺牲数量,从而使绝育后的动物能够被捐赠用于宠物领养。子宫切除术的术前程序与步骤2相同。
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在E33期对雪貂进行子宫内电穿孔,成功靶向了胚胎新皮层脑室表面排列的神经前体细胞(图1)。这些细胞被称为顶端前体细胞,具有高度增殖能力,在发育过程中产生所有其他类型的细胞。通过不对称分裂,顶端前体细胞生成另一个顶端前体细胞和一个更为分化的细胞,通常是基底前体细胞(BP),后者从脑室表面脱离。基底前体细胞迁移至次级生发区,即SVZ。当电穿孔在E33期进行时,许多新生的基底前体细胞迁移至SVZ最基底的部分,并在那里形成了OSVZ22。
4天后在E37阶段检测电穿孔效应时,大多数被靶向的细胞及其子代仍位于生发区(VZ、ISVZ和OSVZ,参见 图2A)且在皮质板(CP)更基部的位置很少见到细胞。被标记细胞的子代主要由神经前体细胞类型和新生神经元组成。可通过针对细胞周期标记物(如PCNA)的免疫荧光染色来鉴定前体细胞的身份26 (图2B...
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雪貂胚胎内电穿孔是一种重要的技术,与其他方法相比具有优势和局限性。该方法存在一些关键步骤和限制,同时也需考虑潜在的改进方法及未来应用方向。
自从Victor Borrell及其同事开创性地通过电穿孔或病毒注射对出生后雪貂新皮层进行遗传操作以来35,42,43,雪貂已成为一种可进行遗传操作的模式生物。通过子宫内电穿孔实现胚胎发育期间的遗传操作19,20,使得研究人员能够在更早的发育阶段靶向神经前体细胞,从而开辟了新的研究可能性。与出生后的操作相比,子宫内电穿孔能够靶向更大范围的新皮层区域,并作用于分化程度较低的神经前体细胞,这些细胞会依次产生新皮层的所有其他细胞类型。尤为重要的是,与病毒靶向相比,子宫内电穿孔可实现更高空间精度的靶向操作。
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们衷心感谢马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的各个服务部门和设施提供的卓越支持,特别是生物医学服务部(BMS)全体团队在雪貂饲养管理方面的出色工作,以及光镜设施部J. Peychl及其团队的支持。我们特别感谢BMS的Katrin Reppe和Anna Pfeffer提供的杰出兽医支持,以及Huttner课题组的Lei Xing在雪貂手术中的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1毫升注射器 | BD | 309628 | 电穿孔 |
| 4-0 Vicryl 缝合线 | Ethicon | V392ZG | 手术 |
| 铝喷雾剂 | cp-pharma | 98017 | 手术 |
| 阿莫西林+克拉维酸(Synulox RTU) | WDT | 6301 | 手术 |
| 毛细管固定器 | WPI | MPH6S12 | 电穿孔 |
| 泛醇软膏溶液 | Bayer | 6029009.00.00 | 手术 |
| 手术铺巾(45×75厘米) | Hartmann | 2513052 | 手术 |
| 镊形电极,铂镀层,5毫米 | BTX | 45-0489 | 电穿孔 |
| 电穿孔仪 | BTX | ECM830 | 电穿孔 |
| 快绿染料 | Sigma | F7258-25G | 电穿孔 |
| 雪貂(Mustela putorius furo) | Marshall | NA | 实验生物体 |
| 光纤光源 | Olympus | KL1500LCD | 电穿孔 |
| 镊子 | Allgaier instrumente | 08-033-130 | 手术 |
| 3C-SA 镊子 | Rubis Tech | 3C-SA | 手术 |
| 55号镊子 | Dumostar | 11295-51 | 手术 |
| 5-SA 镊子 | Rubis Tech | 5-SA | 手术 |
| 大号纱布敷料 | Hartmann | 401723 | 手术 |
| 小号纱布敷料 | Hartmann | 401721 | 手术 |
| GFAP 抗体 | Dako | Z0334 | 抗体 |
| GFP 抗体 | Aves labs | GFP1020 | 抗体 |
| 玻璃毛细管(含丝硼硅酸盐玻璃,外径:1.2毫米,内径:0.69毫米,长度:10厘米) | Sutter Instrument | BF120-69-10 | 电穿孔 |
| 葡萄糖 | Bela-pharm | K4011-02 | 手术 |
| 加热垫 | Hans Dinslage | Sanitas SHK18 | 手术 |
| 碘(聚维酮碘溶液,100 毫克/毫升) | Meda | 997437 | 手术 |
| 异氟烷 | CP | 21311 | 手术 |
| 加样吸头 20µl | Eppendorf | #5242 956.003 | 电穿孔 |
| 安乃近 | WDT | 99012 | 手术 |
| 梅岑鲍姆解剖剪 | Aesculap | BC600R | 手术 |
| 微量移液器拉制仪 | Sutter Instrument | Model P-97 | 电穿孔 |
| pCAGGS-GFP | NA | NA | 来自 Kalebic 等人,eLife,2018 |
| PCNA 抗体 | Millipore | CBL407 | 抗体 |
| pH3 抗体 | Abcam | ab10543 | 抗体 |
| 手术刀 | Aesculap | 294200104 | 手术 |
| 剃毛器 | Braun | EP100 | 手术 |
| Sox2 抗体 | R+D Systems | AF2018 | 抗体 |
| 13厘米手术钳 | WDT | 27080 | 手术 |
| 双头手术勺(Williger) | WDT | 27232 | 手术 |
| 手术洞巾 | WDT | 28800 | 手术 |
| 小型手术剪 | FST | 14090-09 | 手术 |
| 缝合针持 | Aesculap | BM149R | 手术 |
| Tbr2 抗体 | Abcam | ab23345 | 抗体 |
| 3毫升移液管 | Fischer scientific | 13439108 | 手术 |
| 水浴锅 | Julabo | TW2 | 手术 |
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