鸡是一种经济、易得且广泛可用的模式生物,适用于多种研究。本文详细描述了一系列实验方案,旨在揭示禽类内耳发育与再生的分子机制。
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鸡是一种经济、易得且广泛可用的模式生物,适用于多种研究。本文详细描述了一系列实验方案,旨在揭示禽类内耳发育与再生的分子机制。
内耳通过耳蜗和前庭感知声音并维持平衡。这一功能依赖于一种特化的机械感觉细胞,即毛细胞。内耳的基础研究已使人们深入理解了毛细胞的功能机制,以及其功能失调如何导致听力丧失和眩晕。在这些研究中,小鼠一直是占主导地位的模式系统。然而,与所有哺乳动物一样,小鼠已丧失了再生毛细胞的能力。因此,在探索恢复内耳功能的细胞治疗策略时,对其他脊椎动物物种开展互补性研究可能提供进一步的见解。鸟类的听觉上皮——基底乳头(basilar papilla, BP),是一层由机械感觉毛细胞(HCs)和支持细胞(SCs)交替排列组成的上皮结构。尽管基底乳头与哺乳动物耳蜗在解剖结构上存在差异,但两者在内耳发育和听觉的分子机制方面具有相似性。这使得基底乳头不仅适用于比较研究,也适用于再生机制的研究。本文描述了鸡内耳的解剖与操作技术,包括基因操作和小分子抑制方法,这些方法为研究内耳发育的分子机制提供了有力工具。我们讨论了在鸡胚内进行in ovo电穿孔的技术,利用CRISPR-Cas9介导的基因删除对基底乳头进行遗传干扰,随后分离基底乳头。此外,我们还展示了基底乳头的器官培养方法以及培养基质的优化使用,以观察上皮和毛细胞的发育过程。
所有脊椎动物的内耳均起源于一种称为耳基板的简单上皮1,2。耳基板将发育形成内耳中所有结构成分以及转导听觉和平衡感知相关机械感觉信息所必需的各种细胞类型。内耳中的毛细胞(HCs)是一类具纤毛的感觉细胞,周围由支持细胞(SCs)包绕。毛细胞通过第八脑神经的神经元将信息传递至听觉后脑,而这些神经元同样起源于耳基板3。声音的初级转导发生在听觉毛细胞的顶端表面,依赖于一种机械敏感性的纤毛束4。该过程由基于肌动蛋白的特化突起——静纤毛介导,静纤毛呈梯度排列,形成阶梯状结构5。此外,一种特化的初级纤毛,即动纤毛,参与调控纤毛束的形成,并位于最高一排静纤毛的旁边6,7,8。静纤毛的结构对其将声能产生的机械刺激转化为电信号至关重要9。由于衰老、感染、声学创伤或耳毒性损伤等原因导致的听觉毛细胞损伤,可引起部分或完全性听力丧失,而在哺乳动物中,这种损伤是不可逆的10。
已有研究提出,细胞替代疗法可能修复此类损伤11,12。该研究领域的思路是,首先了解哺乳动物毛细胞的正常发育过程,然后探究内耳中可能存在的类祖细胞是否能够重新启动发育程序13。另一种研究策略是将目光投向哺乳动物之外,观察听觉毛细胞具有较强再生能力的非哺乳脊椎动物,例如鸟类14,15。在鸟类中,毛细胞的再生主要通过支持细胞去分化为类祖细胞状态,随后经不对称 有丝分裂,产生一个新的毛细胞和支持细胞16。此外,也已观察到支持细胞直接转分化为毛细胞的现象17。
尽管鸟类听觉发育的机制与哺乳动物存在显著的相似性,但也存在差异18。鸡胚基底乳头(basilar papilla, BP)中的毛细胞(HC)和支撑细胞(SC)的分化从胚胎期第7天(E7)开始显现,并随时间推移逐渐变得明显。到E12时,可观察到结构清晰且极性良好的基底乳头(BP),而到E17时则可见发育成熟的毛细胞19。这些时间点为研究细胞分化、模式形成、极性建立以及毛细胞成熟的相关机制提供了窗口。明确这些机制是保守还是存在差异具有重要意义,因为它们有助于揭示机械感受性毛细胞起源的深层同源性。
本文展示了在胚胎发育早期和晚期阶段采用的一系列技术,用于研究内耳器官发育过程中细胞的增殖、命运决定、分化、图式形成及维持等细胞过程。这些方法可与已有的关于离体培养中内耳发育研究的其他方案相互补充20,21,22。我们首先介绍利用体内电穿孔法(in ovo electroporation)将外源性 DNA 或 RNA 导入 E3.5 期听囊中基板(BP)前体细胞的技术。尽管基因操作能够提供有价值的见解,但由此产生的表型可能具有多效性,从而导致结果解释困难。这一问题在内耳发育后期尤为突出,因为在该阶段,细胞骨架重塑等基本过程在细胞分裂、组织形态发生以及细胞特化中均发挥多重作用。本文还提供了在培养的组织块中进行药物抑制的实验方案,该方法在控制药物剂量、处理时机和持续时间方面具有优势,可实现对发育机制的精确时空调控。
根据小分子抑制剂处理时间的不同,可采用多种器官培养方法。本文展示了两种器官培养方法,可用于研究上皮形态发生及细胞特化过程。其中一种方法是利用胶原作为基质进行耳蜗管的三维培养,可实现耳蜗支持细胞(BP)的稳定培养并进行活体观察。为研究静纤毛的形成,我们介绍了一种膜培养方法,该方法将上皮组织培养在刚性基质上,使肌动蛋白突起能够自由生长。这两种方法均适用于后续分析,如活细胞成像、免疫组织化学、扫描电子显微镜(SEM)、细胞记录等。这些技术为有效利用鸡作为模式系统,研究和调控禽类听觉上皮的发育、成熟与再生提供了可行方案。
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涉及获取、培养和使用受精鸡卵及未孵化胚胎的实验方案已获得卡纳塔克邦班加罗尔国家生物科学中心机构动物伦理委员会的批准。
1. 在卵内 鸡听觉前体细胞的电穿孔
2. 基底乳头解剖
3. 基底乳头外植体的培养
4. 成像与分析
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在电穿孔实验装置中,电极的位置可能影响转染区域。正极置于卵黄下方,负极置于胚胎上方(图1A)。这导致内耳大部分区域以及两个前庭器官(图1B)和听觉基底乳头(图1C,D)中绿色荧光蛋白(GFP)表达增强,证实实现了转染。
在评估CRISPR敲低后的表型时,我们设计了针对毛细胞转录因子Atonal同源物1(Atoh1)的向导RNA。Atoh1基因突变的小鼠无法形成毛细胞32;在将Atoh1向导RNA电转染入样本并培养至E10后,我们发现与对照组(空质粒对照)相比,毛细胞的发育受到显著抑制(图2)。尽管电转染呈嵌合分布(图2E、F),但对照组中被电转染的细胞仍能正常发育为毛细胞。...
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鸡是一种经济且便捷的模式生物,可用于实验室研究内耳。本文所述方法在我们的实验室中常规使用,并可补充正在进行的哺乳动物内耳研究。In ovo 电穿孔技术用于将基因操作引入鸡的基因组。电穿孔还可用于导入编码靶向特定细胞器或亚细胞结构的荧光蛋白的载体35,36。尽管该操作较为简单,但在 in ovo 条件下对胚胎的操作确实会影响其存活率。为了实现高效的电穿孔,应获取新鲜的鸡蛋(产下后尽快使用)。储存超过5天的鸡蛋常出现死亡率升高和/或发育异常的情况。采用无菌操作技术、确保蛋壳妥善封闭以防止水分流失,并尽量减少对胚胎的操作,均可提高胚胎存活率。
我们发现,在E3.5至E4阶段靶向耳囊可减少胚胎所受的创伤,而使用精确定位的电极能够有效靶向BP的感觉前体细胞。然而,到这一阶段,听觉-前庭神经节的前体细胞已从内耳迁移出去37,38
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作者无任何竞争利益需要披露。
我们衷心感谢印度科学培育协会(NCBS)、塔塔基础研究院(TIFR)、Infosys-TIFR前沿研究资助项目、印度科学技术部-科学与工程研究委员会(DST-SERB)以及皇家国家聋人研究所提供的支持。我们感谢位于班加罗尔Hesaraghatta的中央家禽发展组织与培训研究所。我们对CIFF和EM设施以及NCBS实验室的支持深表感谢。我们感谢Yoshiko Takahashi和Koichi Kawakami提供Tol2-eGFP和T2TP质粒,感谢Guy Richardson提供HCA和G19 Pcdh15抗体。我们感谢Earlab团队成员对本实验方案持续的支持和宝贵的反馈意见。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Thermo Fisher Scientific | A12379 | |
| Alexa Fluor 647 Phalloidin | Thermo Fisher Scientific | A22287 | |
| Alt-R S.p. HiFi Cas9 Nuclease V3 | Integrated DNA Technologies | 1081061 | 高保真 Cas9 蛋白 |
| Anti-GFP 抗体 | Abcam | ab290 | 兔多克隆抗 GFP 抗体 |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A9647 | |
| 二水合氯化钙 | Thermo Fisher Scientific | Q12135 | |
| Ⅰ型胶原蛋白,大鼠尾部来源 | Thermo Fisher Scientific | A1048301 | |
| Leica EM CPD300 临界点干燥仪 | Leica | ||
| CUY-21 电穿孔仪 | Nepagene | ||
| 二甲基亚砜 (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| DM5000B 宽场显微镜 | Leica | ||
| DMEM,高糖,含 GlutaMAX 添加剂和丙酮酸钠 | Thermo Fisher Scientific | 10569010 | |
| Dumont #5 镊子 | Fine Science Tools | 11251-20 | |
| Dumont #55 镊子 | Fine Science Tools | 11255-20 | |
| 快绿 FCF | Sigma-Aldrich | F7252 | |
| Fluoroshield | Sigma-Aldrich | F6182 | |
| Olympus FLUOVIEW 3000 激光扫描显微镜 | Olympus | ||
| 戊二醛 (25 %) | Sigma-Aldrich | 340855 | |
| 山羊抗小鼠 IgG 二抗,Alexa Fluor 488 标记 | Thermo Fisher Scientific | A-11001 | |
| 山羊抗小鼠 IgG 二抗,Alexa Fluor 594 标记 | Thermo Fisher Scientific | A-11032 | |
| 山羊抗兔 IgG 二抗,Alexa Fluor 488 标记 | Thermo Fisher Scientific | A-11008 | |
| 无菌过滤山羊血清 | HiMedia | RM10701 | 经热灭活处理 |
| Hanks' 平衡盐溶液 (HBSS) | Thermo Fisher Scientific | 14025092 | |
| LSM980 Airyscan 显微镜 | Zeiss | ||
| Millicell 细胞培养小室,30 mm,亲水性 PTFE,0.4 µm | Sigma-Aldrich | PICM03050 | |
| MVX10 体视显微镜 | Olympus | ||
| MYO7A 抗体 | DSHB | 138-1 | 小鼠单克隆抗非常规肌球蛋白-VIIa 抗体 |
| MZ16 解剖显微镜 | Leica | ||
| N-2 补充剂 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 17502048 | |
| Noyes 剪刀,14 cm (5.5'') | World Precision Instruments | 501237 | |
| 四氧化锇 (4%) | Sigma-Aldrich | 75632 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| PC-10 拉针仪 | Narishige | ||
| pcU6_1sgRNA | Addgene | 92395 | 带有修饰型鸡 U6 启动子的微型载体 |
| 青霉素 G 钠盐 | Sigma-Aldrich | P3032 | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | |
| ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Thermo Fisher Scientific | P36934 | |
| SMZ1500 解剖显微镜 | Nikon | ||
| 0.2 M 二甲胂酸钠缓冲液 | Electron Microscopy Sciences | 11652 | |
| 氯化钠 | HiMedia | GRM853 | |
| K550X 溅射镀膜仪 | Emitech | ||
| 标准玻璃毛细管,3 英寸,外径 1.0 mm,无纤维丝 | World Precision Instruments | 1B100-3 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | 84097 | |
| ZEISS MERLIN Compact VP | Zeiss | ||
| 硫代碳酰肼 | Alfa Aesar | L01205 | |
| TWEEN 20 | Sigma-Aldrich | P1379 |
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