ニワトリ(Gallus gallus domesticus)の胚は、経済的で利用しやすい発生生物学研究のためのモデル生物です。ニワトリ胚の発生は素早く進行し、遺伝子操作や物理的処置にも適しており、細胞内分子レベルで発生のメカニズムを研究することができます。
このビデオでは、最初にメンドリの生殖器官での卵の受精や形成のプロセス、ニワトリ胚の発生段階の指標となるHamburger Hamiltonの発生ステージ表などを紹介しています。そして、原腸陥入と呼ばれるダイナミックな細胞移動により三胚葉(外胚葉、中胚葉、内胚葉)が形成される過程など発生の主なプロセスを概説しています。この三胚葉から器官など全ての組織が作られていきます。胚体外膜もそのうちの一つであり、卵殻中で消費されるガスや栄養を供給する重要な役割を担っています。そして最後に、ニワトリ発生研究に利用される素晴らしいテクニックの詳細を紹介しています。
何世紀にもわたるニワトリを利用した発生学研究により脊椎動物の発生に関する理解は大きく進展しました。ニワトリは世界中で飼育されているので、簡単かつ低コストでその胚を入手できます。さらに、親鳥の体外で胚発生が進むため物理的処置や遺伝子操作に適しており、発生プロセスの詳細を調べることが可能となります。これから、ニワトリの生殖、鶏卵の構造、胚発生の基本とこの発生システムを活用して行う実験テクニックを紹介していきます。
胚発生の前にまずは卵を形成する重要な構造について学びましょう。
ニワトリのメス、つまりメンドリは、交尾行動に関係なくほぼ毎日産卵します。その特性により私達の食卓を華やかにしてくれているのです。
24時間かけて作られていく卵のスタート地点は卵管中の卵子です。この細胞は卵黄膜に覆われた栄養豊富な卵黄で構成されます。メンドリが交尾を行った場合は、この段階で受精が起こり、胚盤と呼ばれる卵黄の表面のごく限られた部分で細胞分裂が開始されます。卵が卵管を下っていくとアルブミンの層つまり水とタンパク質で構成される卵白が形成され、卵黄を保護しさらに栄養源にもなります。次に、バクテリアから保護するためにケラチンを含む卵殻膜が形成されます。その後、子宮内で炭酸カルシウムから成る半透明の殻が出来上がり、卵は守られ、ガスと水分の交換が可能になります。
ニワトリの内部で何が起こっているのか少し学んだところで、産卵後のステップを見ていきましょう。
既に開始されている発生ですが、卵が外部の冷たい空気にさらされると一旦停止します。再開させるには37.5℃で保温します。一般的にニワトリ胚の発生段階は、HamburgerとHamiltonの発生ステージ表を使って形態学的に評価します。
産卵されたばかりの卵がHamburger Hamiltonステージ1に相当します。この時点では、胚を形成する細胞は、 透明の「明域」と呼ばれる部分つまり胚盤葉の中心部分に存在しています。次のステップでは、原始線条と呼ばれる胚の正中線を介した細胞移動が見られます。明域に存在する細胞は線条にできた溝を通って移動し、胚葉と呼ばれる3つの層を形成します。
最初に線条を通過した細胞は内胚葉を形成し、のちに消化管内膜や気管になります。それよりも後に通過した細胞は中胚葉を形成し、筋肉や血管になります。そして表面に留まった細胞によって外胚葉が形成され、その後表皮や神経組織となります。
この過程は原腸陥入と呼ばれ、ヘンゼン結節という原始線条の前端に位置する細胞塊から始まります。この構造を別の胚へと移植すると、二次胚が形成されるため、胚軸決定における原始結節の重要な役割の解明につながります。
さらに、二次胚の遺伝子発現の解析により、後に脳や脊髄を形成する神経管などの神経組織への誘導に結節が深く関わっていることが明らかになっています。
後期の胚発生は、血管が卵黄を放射状に複雑に取り巻いていくのが特徴です。血液循環は、 急速に胚が成長する際の栄養供給に必要不可欠です。そして、より複雑な胚発生を行うために、血管をもつ胚体外膜が必要になります。中でも 主に卵黄嚢が栄養供給に関わっており、 尿膜と漿膜は呼吸と排泄に対し重要な役割を担っています。7日後には、この2枚の膜の癒合(ゆごう)により漿尿膜又はCAMが形成されます。このおかげで、外部とのガス交換が可能となり、さらに殻は胚のカルシウム源となります。
この輸送システムは約21日間胚発生のために利用され、そしてカルシウムが殻からなくなったとき雛鳥が殻を破り孵化します。
ニワトリの発生の鍵となるステップを学んだところで、このプロセスを研究にどう応用できるのか見ていきましょう。
ヘンゼン結節を別の胚に移植する実験により、単離組織の発生に関する機能を評価できます。これを発展させたものが、ウズラなど他の鳥類の組織をニワトリ胚に移植するテクニックです。この研究では、ウズラ特異的マーカーを利用して移植細胞を容易に追跡できるため、顎形成(がくけいせい)などの発生プロセスへの影響を評価できます。
ダイナミックな遺伝子発現パターンにより発生過程を通じて興味深い形質転換が誘導されます。発生過程をより深く知るために、RNA in situハイブリダイゼーション法により、胚全体の遺伝子発現を可視化します。そのために胚の収集、固定そしてRNAプローブを加えて培養し目的のmRNAと結合させる必要があります。標識プローブから検出されたシグナルが強ければ目的遺伝子が強く発現していることを示します。
初期のニワトリ胚の神経構造の形成については学びましたが、複雑な脊椎動物の神経系はどうやって作られるのでしょうか?神経網について研究を行う手段として神経トレーシング法があります。目的のニューロンに染色液を注入し、軸索を通じて拡散させます。胚を固定し薄くスライスしたら免疫染色を行います。脳組織のマーカーで染色することで、神経のネットワークを観察することができます。
ここまでニワトリの発生についてご覧いただきました。このビデオでは、ニワトリの卵が形成される過程と胚発生の重要なプロセス、そして形質転換の研究などの基本的な実験テクニックを紹介しました。
ご覧いただきありがとうございました。
Centuries of embryological studies performed on chicks have significantly advanced our understanding of vertebrate development. Widespread domestication of chickens means that their embryos are easily and affordably acquired. Additionally, the embryos develop externally and are amenable to many physical and genetic manipulations that allow in-depth exploration of developmental processes. This video will cover the basics of chicken reproduction, egg anatomy, and embryo development before delving into some laboratory techniques that take advantage of this developmental system.
Before discussing embryogenesis, let’s review how the many essential structures of the egg are formed.
Female chickens, or hens, lay eggs just about every day, irrespective of mating behavior; a trait that we often take advantage of at the breakfast table!
The 24-hour task of egg assembly begins with an ovum in the oviduct. This cell consists of a nutrient-rich yolk ensheathed in vitelline membrane. If the hen has mated recently, fertilization occurs at this stage, initiating cell divisions restricted to a small area on the surface of the yolk called the germinal disc. As the egg passes down the oviduct, a layer of albumen or egg white forms around the yolk, containing water and protein for protection and nourishment. Next, shell membranes containing keratin are added, providing a defense against bacteria. Finally, a semi-permeable shell made of calcium carbonate is assembled in the uterus, which will protect the egg and allow for gas and moisture exchange.
Now that we know a little bit about what goes on inside the chicken, let’s review the next steps after the eggs are laid.
Even though development has already started at this point, progression will halt as the eggs are exposed to cooler temperatures. Since continued growth is dependent upon incubation at 37.5 °C, stages of chick development are most commonly defined by morphological milestones, as outlined in the Hamburger Hamilton staging series.
When the egg is laid, the chick is at Hamburger Hamilton stage 1. At this point, the cells that will form the embryo are found within a transparent “area pellucida” at the center of the white bullseye-like structure called the blastoderm. The next phase of development is marked by the appearance of a cellular formation at the embryo midline known as the primitive streak. Cells of the area pellucida migrate through a groove that forms in the streak to generate three discrete layers, known as the germ layers.
The first cells to move through the streak become the endoderm, which forms the lining of the gut and respiratory tract; and cells that pass through later cells become the mesoderm, which forms muscle and blood. Cells that remain on the surface represent the ectoderm, which becomes skin and neural tissue.
This process, known as gastrulation, begins in a mass of cells known as Hensen’s node at the anterior end of the primitive streak. Transplantation of this structure to another embryo results in the formation of secondary embryonic structures, demonstrating the node’s crucial role in patterning the embryonic axis.
Analysis of gene expression in this secondary embryo further shows that the node is involved in specification of neural tissues such as the neural tube, which later forms the embryonic brain and spinal cord.
A noticeable feature of these later embryos is the complex web of blood vessels radiating out over the yolk. Circulation through these vessels is essential to the distribution of nutrients from the yolk throughout the rapidly growing embryo. As the embryo grows more complex, so too does the system of vascularized extraembryonic membranes that support it. While the yolk sac is primarily involved in nutrient delivery, the allantois and chorion play critical roles in embryo respiration and excretion. After about 7 days of incubation, these two membranes fuse, creating the chorioallantoic membrane or CAM. Thanks to its positioning, the CAM enables gas exchange with the outside world and also allows the embryo to use the shell as a calcium source.
This transport system carries the embryo through about 21 days of development, after which the chick breaks a hole in the calcium-depleted shell and hatches.
Now that we’ve touched on some of the key steps in chicken development, let’s take a look at how researchers study these processes in the lab.
As with the experiments on Hensen’s node, transplantation between embryos can demonstrate the function of isolated tissues in development. One common extension of this technique is the grafting of tissues from other avian species, such as the quail, into chick embryos. In these studies, the transplanted cells can be easily tracked using quail-specific markers to assess their impact on developmental processes, like jaw formation.
Dynamic gene expression patterns direct the fascinating transformations observed over the course of chick development. To better understand developmental pathways, RNA in situ hybridization is used to visualize gene expression in whole embryos. For this procedure, embryos are collected, fixed, and then incubated with an RNA probe, which binds to specific mRNA targets. Labels on the probes highlight the cells in which target mRNAs are abundant, indicating robust gene expression.
We’ve seen how the primitive neural structures form in the chick, but how do these evolve into a complex vertebrate nervous system? One approach to studying embryonic neural connections is called neural tracing. Researchers inject dye into neurons of interest and allow the dye to spread through the axon. Fixed embryos are then thinly sliced, and immunostained. The paths that neurons follow can then be visualized using the dye label along with known markers of brain tissue.
You’ve just watched JoVE’s video on chicken development. This video has covered the basics of egg formation, key events in chick development, and some common research techniques used to gain a better understanding of the fascinating transformation from breakfast to dinner. Thanks for watching!
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