ここでは、受精後少なくとも1〜7日の任意の段階で、ゼブラフィッシュの胚と幼虫に高い空間的および時間的解像度で細胞を移植するためのプロトコルを紹介します。
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ここでは、受精後少なくとも1〜7日の任意の段階で、ゼブラフィッシュの胚と幼虫に高い空間的および時間的解像度で細胞を移植するためのプロトコルを紹介します。
発生と再生は、遺伝的にコード化された時空間的に動的な細胞相互作用のプロセスによって発生します。動物間の細胞移植を使用して細胞の運命を追跡し、ドナー細胞と宿主細胞の遺伝的、空間的、または時間的特性のミスマッチを誘発することは、これらの相互作用の性質を調べるための強力な手段です。ヒヨコや両生類などの生物は、主に移植に適しているため、それぞれ発生と再生の理解に重要な貢献をしてきました。しかし、これらのモデルの能力は、遺伝的扱い性が低いために制限されてきた。同様に、主要な遺伝子モデル生物は移植に対する適合性が低い。
ゼブラフィッシュは発生と再生の主要な遺伝モデルであり、ゼブラフィッシュでは細胞移植が一般的ですが、一般的には発生の初期の胞胚および原腸段階での未分化細胞の移植に限定されています。この記事では、ゼブラフィッシュの移植ウィンドウを受精後少なくとも1〜7日の間の任意の胚期または幼虫期に拡張するシンプルで堅牢な方法を紹介します。このアプローチの精度により、ドナー動物と宿主動物の両方で、ほぼ完璧な空間的および時間的解像度で、わずか1つの細胞を移植することができます。ここでは、神経の発生と再生の研究のために、それぞれ胚ニューロンと幼虫ニューロンの移植に焦点を当てていますが、このアプローチは、幅広い前駆細胞と分化細胞の種類、および研究課題に適用できます。
細胞移植は、発生生物学の基礎技術として長い歴史を持っています。20世紀初頭頃、移植を含む発生過程を物理的に操作するアプローチにより、発生学は観察科学から実験科学へと変貌を遂げた1,2。ある画期的な実験では、ハンス・シュペーマンとヒルデ・マンゴールドが、サンショウウオ胚の背側胚盤胞唇を宿主胚の反対側に異所性移植し、近くの組織に二次体軸を形成するように誘導した3。この実験により、細胞が他の細胞を特定運命に誘導できることが示され、その後、移植は、能力と細胞運命決定、細胞系譜、誘導能力、可塑性、および幹細胞の効力に関する発生生物学の重要な問題を問うための強力な方法として開発されました1,4,5。
最近の科学の進歩により、移植アプローチの力が拡大しています。1969年、Nicole Le Douarinが核小体染色によりウズラ-ヒヨドリキメラの起源種を区別できるという発見により、移植された細胞とその子孫の追跡が可能になりました6。この概念は、後にトランスジェニック蛍光マーカーと高度なイメージング技術5の出現によって加速され、細胞運命の追跡6,7、幹細胞とその効力の同定8,9、および脳発生中の細胞運動の追跡10に活用されました。さらに、分子遺伝学の台頭は、異なる遺伝子型の宿主とドナーとの間の移植を促進し、発生因子の自律的および非自律的な機能の正確な解剖を支持した11。
移植はまた、再生組織の成長とパターン形成を調節する細胞の同一性と相互作用を解明することにより、特にプラナリアやウーパールーパーなどの強力な再生能力を持つ生物の再生の研究にも重要な貢献をしてきました。移植研究により、効力12、空間パターン化13,14、特定の組織の寄与15,16、および再生における細胞記憶12,17の役割の原理が明らかになった。
ゼブラフィッシュは、保存された遺伝的プログラム、高い遺伝的扱いやすさ、体外受精、大きなクラッチサイズ、および光学的透明度18,19,20により、神経系を含む発生と再生の研究のための主要な脊椎動物モデルです。また、ゼブラフィッシュは発生初期に移植するのに非常に適しています。最も顕著なアプローチは、標識されたドナー胚から胞胚または原腸の段階で宿主胚に細胞を移植してモザイク動物を生成することです。胞胚期に移植された細胞は、エピボリーが始まると散乱して分散し、胚21全体に標識された細胞と組織のモザイクを生成する。胃腸移植は、シールドが形成され、A-P軸とD-V軸が決定される21として、大まかな運命マップに従って移植された細胞のいくつかの標的化を可能にする。得られたモザイクは、遺伝子が細胞に自律的に作用するかどうかの判断、細胞の関与の試験、および発生全体にわたる組織の動きと細胞移動のマッピングに役立っています5,11。モザイクゼブラフィッシュは、エレクトロポレーション22、組換え23、F0トランスジェネシス24、突然変異誘発25など、いくつかの方法で作製することができるが、移植は、空間、時間、細胞の数と種類において最大の操作性と精度を提供する。ゼブラフィッシュ移植の現状は、脊髄運動ニューロン26,27、網膜神経節細胞28,29、受精後10-30時間以内の神経堤細胞(HPF)30、成体ゼブラフィッシュの造血細胞および腫瘍細胞5,31などの例外を除いて、初期段階では主に前駆細胞に限られている.移植法を幅広い年齢、分化段階、細胞型に拡大することで、このアプローチの力が大幅に向上し、発生および再生プロセスに関する洞察が得られるでしょう。
ここでは、ゼブラフィッシュの胚と幼虫に受精後少なくとも7日まで有効な高解像度細胞移植のための柔軟で堅牢な技術を実証します。標的組織に蛍光タンパク質を発現するトランスジェニック宿主およびドナーフィッシュを使用して、単一細胞を抽出し、ほぼ完璧な空間的および時間的分解能で移植することができます。ゼブラフィッシュの胚と幼生の光学的透明度により、宿主動物が発育または再生する間、移植された細胞を生きたまま画像化することができます。このアプローチは、時空間的なシグナル伝達ダイナミクスが胚32のニューロンの同一性と軸索の誘導にどのように影響するかを調べ、内因性および外因性の因子が幼魚の再生中に軸索の誘導を促進するロジックを調べるために以前に使用されてきました33。ここでは分化したニューロンの移植に焦点を当てていますが、私たちの方法は、発生と再生の問題に対処するために、多くの段階や組織にわたって未分化細胞タイプと分化細胞タイプの両方に広く適用できます。
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生きたゼブラフィッシュの取り扱いに関連するこの手順のすべての側面は、ミネソタ大学の動物管理および使用委員会(IACUC)によって承認されており、IACUCガイドラインに準拠して実施されています。
1. 移植装置の1回限りの初期設定(図1)
2.胚プッシャーを準備します。
3.溶液を準備します。
4.移植のためのドナー動物とホスト動物を準備します。
5.移植針を準備します。
6. 移植
注:すべての針の動きは、このセクションの細かいマイクロマニピュレーターを使用して行う必要があります。
7. 宿主動物の回復
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移植実験の結果は、移植後の適切な時点における宿主動物の蛍光標識ドナー細胞を蛍光顕微鏡で可視化することで直接観察することができます。ここでは、個々の前迷走神経ニューロンを3dpfで移植しました。その後、宿主動物を12時間または48時間インキュベートし、麻酔をかけ、ガラスカバースリップ上にLMAにマウントし、共焦点顕微鏡でイメージングしました(図5)。移植後12時間(hpt)で、移植に成功したドナーニューロンを観察します(図5A)。細胞は宿主迷走神経運動核の前部にある宿主迷走神経ニューロンの中に位置しているため、細胞の正しい位置を確認できます。また、細胞は無傷で健康に見えるが、これはいくつかの短い神経突起の延長によって示される(図5A)。移植後2日(dpt)で、単一のニューロンが宿主核の正しい位置に正常に移植されたことを再び確認できます(図5B)。この時点で、ニューロンが新しい軸索を第4咽頭弓まで伸ばした...
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発生生物学と再生生物学は、1世紀以上にわたり、細胞シグナル伝達と細胞運命決定の原理を調べるために移植実験に依存してきました。ゼブラフィッシュモデルは、すでに遺伝的アプローチと移植アプローチの強力な融合を表しています。胞胚期と原腸期に移植してモザイク動物を作製することは一般的ですが、対処できる問題の種類は限られています。後期移植はまれですが、胚性脊髄運動ニューロンと網膜神経節細胞をそれぞれ16-18 hpfおよび30-33 hpfで移植する方法が報告されています26,27,28。これらのこれまでの取り組みからインスピレーションを得て、この研究は、後期胚期および幼虫期に適用可能なアプローチを説明し、再生研究への扉を開き、最新の蛍光トランスジェニックアプローチを統合して細胞の標識、移植、および長期追跡を強化することにより、ゼブラフィッシュ移植の力をさらに強化します。
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著者には、開示すべき利益相反はありません。
ゼブラフィッシュ移植のトレーニングを提供してくれたCecilia Moensに感謝します。マーク・タイは優れた魚の世話をしてくれます。エマ・カールソンは原稿に対するフィードバックをくれました。この研究は、NIHのA.J.I.への助成金NS121595によって支援されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 10 mL "リザーバーシリンジ" | Fisher Scientific | 14-955-459 | |
| 150 mL使い捨て真空フィルター、.2 & マイクロ;m, PES | コーニング | 431153 | |
| 20 x 12 mm 加熱ブロック | コーニング | 480122 | |
| 3方向ストップコック | Braun Medical Inc. | ||
| 3 x 1 すりガラススライド | VWR | 48312-004 | |
| 40x 水浸対物レンズ | ニコン | MRD07420 | |
| 塩化カルシウム二水和物 | Sigma-Aldrich | C3306 | |
| 粗いマニピュレーター | 成茂 | MN-4 | |
| カスタムマイクロシリンジポンプ | オレゴン大学 | N/A | オレゴン大学機械工場(tsa.uoregon@gmail.com)で製造。市販の代替品を以下に示します。 |
| デュモン #5 鉗子 | ファインサイエンスツール | 1129500 | |
| エクリプス FN1 "移植顕微鏡" | ニコン | N/A | |
| 電極ハンドル | ワールド プレシジョン インスツルメンツ | 5444 | |
| フェザー滅菌外科用ブレード、#11 | VWR | 21899-530 | |
| ファイン マイクロマニピュレーター、3軸油圧 | 成茂 | MMO-203 | |
| HEPES pH 7.2 | Sigma-Aldrich | H3375-100G | |
| 高精度 #3 スタイル メス ハンドル | フィッシャー サイエンティフィック | 12-000-163 | |
| キンブル ディスポーザブル ホウケイ酸パスツールピペット、ワイド チップ、5.75 インチ DWK | ライフサイエンス | 63A53WT | |
| キンブル クロマトグラフィー アダプター | DWKライフサイエンス | 420408-0000 | |
| キワイプキン | バリークラークプロフェッショナル | 34120 | |
| 軽鉱物油 | シグマアルドリッチ | M3516-1L | |
| LSEデジタルドライバスヒーター、1ブロック、120 V | コーニング | 6875SB | |
| 手動マイクロシリンジポンプ | ワールド精密機器 | MMP | カスタムマイクロシリンジポンプの商用代替品 |
| マイクロ電極ホルダー | ワールド精密機器 | MPH310 | |
| マイクロフィルピペットフィラー | ワールド精密機器 | MF28G67-5 | |
| マニキュア 電子 | 顕微鏡 科学 | 72180 | |
| ヌクレアーゼフリー水 | VWR | 82007-334 | |
| P-97 フレーミング/ブラウンタイプ マイクロピペット プーラー | サッター機器 | P-97 | |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | Sigma-Aldrich | p4458-100ML | 5,000 ユニット ペニシリンと 5 mg ストレプトマイシン/mL |
| ピペット ポンプ 10 mL | Bel-Art | 37898-0000 | |
| 塩化カリウム | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| プロフェッショナル 瞬間接着剤 | ロックタイト | LOC1365882 | |
| 丸底ポリスチレン試験管 | ファルコン | 352054 | |
| 塩化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| ステージマイクロメーター | Meiji Techno America | MA285 | |
| 注射器(針なし)、50 mL | BD Medical | 309635 | |
| Tricaine Methanosulfonate | Syndel USA | SYNCMGAUS03 | |
| Trilene XL smooth casting Fishing Line | Berkley | XLFS6-15 | |
| チューブ、ポリエチレン No. 205 | BD Medical | 427445 | |
| UltraPure 低融点 Agarose | Invitrogen | 16520050 | |
| Wiretrol II キャリブレーション済みマイクロピペット | Drummond | 50002010 |
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