ニワトリ胚へのIn ovoエレクトロポレーション法

JoVE Science Education
Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick
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JoVE Science Education Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick
In ovo Electroporation of Chicken Embryos

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06:57 min
April 30, 2023

Overview

エレクトロポレーション法は、生物医学研究に有用なテクニックです。この手法を利用して外来遺伝子を細胞内に導入し、遺伝子発現を操作することができます。卵殻中で発生している初期のニワトリ(Gallus gallus domesticus)胚を用いる場合はin ovoエレクトロポレーション法が適用されます。その最初の工程はDNA又はノックダウンコンストラクトを目的の組織に注入することです。しかしそのままでは遺伝物質が細胞膜を通過して細胞内に入ることはできません。そこで電場を利用し一時的に膜を不安定な状態にし、それに伴い形成される小さな穴を通してマイナスに帯電した核酸を陽極電極側へと移動させます。このようにしてDNA又はノックダウンコンストラクトを効率的に細胞内に導入することができます。エレクトロポレーション法の大きな利点は、特定の発生段階の単一の細胞に限局して遺伝物質を導入可能な点です。これは結果的に各発生イベントを制御する遺伝子メカニズムの解明につながります。

このビデオでは、in ovoエレクトロポレーション法の基本原理と キャピラリーニードル、電極、エレクトロポレーターなどの必要な道具を紹介しています。そして、エレクトロポレーション法のプロトコルを段階的に学んだ後に、ニワトリ胚を利用した遺伝子操作にこの手法がどのように応用されているのかご覧いただけます。

Procedure

エレクトロポレーション法は、外来遺伝子を細胞内に導入するための手法です。鶏卵中の胚へのエレクトロポレーションはin ovoエレクトロポレーション法と呼ばれ、目的となる発生段階の特定の組織に遺伝子を導入できるため、発生生物学研究のためのすばらしいツールとなります。このビデオでは、in ovoエレクトロポレーション法の基本原理と必須となる手順、そして生物学的プロセス研究への応用について紹介していきます。

エレクトロポレーション法の基本原理を学び、どにようにDNAが細胞内に取り入れられるのか考えてみましょう。

最初にマイクロインジェクション法を使って、目的の細胞のすぐ近くにDNAを注入します。しかしこれだけではDNAが細胞膜を通過することはできません。

しかし、そこに電流を流すと膜が不安定な状態となり穴が形成されるのです。この電場の発生に伴い、負に帯電しているDNAは陽極側へと移動します。その結果、陽極側の正の電荷を帯びた細胞にのみDNAの導入が起こります。

エレクトロポレーション法の基本原理を学び、どにようにDNAが細胞内に取り入れられるのか考えてみましょう。

最初にマイクロインジェクション法を使って、目的の細胞のすぐ近くにDNAを注入します。しかしこれだけではDNAが細胞膜を通過することはできません。

しかし、そこに電流を流すと膜が不安定な状態となり穴が形成されるのです。この電場の発生に伴い、負に帯電しているDNAは陽極側へと移動します。その結果、陽極側の正の電荷を帯びた細胞にのみDNAの導入が起こります。

コンストラクトを注入できたら、実際にエレクトロポレーション法を実施していきましょう。電極を加えておいたハンクス液に浸し、目的組織が中心にくるように設置します。フットペダルを踏んで電流を流し、電極から泡が発生しているのを確認してください。

エレクトロポレーション終了後は、電極を取り出し、70%エタノールで拭き取ってください。感染を防ぐために抗生物質を添加した食塩水を数滴加え、穴をテープで塞いでおきます。最後に卵をインキューベーターに戻し、表現型解析を行うまで発生を継続させます。

ここからはin ovoエレクトロポレーション法を利用した発生研究を見ていきましょう。

エレクトロポレーション法によりノックダウンコンストラクトを導入し遺伝子発現をブロックすることができます。ここでは神経管を形成する細胞に遺伝子抑制コンストラクトを導入しています。そのまま胚発生を継続させ、軸索の通り道をコントロールと比較することで軸索ガイダンスに重要な遺伝子を評価できます。

また、in ovoエレクトロポレーション法によりプラスミドを導入し細胞の一部にタンパク質を発現させることもできます。タンパク質コード遺伝子と共に導入されたプロモーターにRNAポリメラーゼが結合することで転写が開始されます。ここでは、胚の脳細胞に単一の遺伝子を導入しています。この遺伝子によってできるタンパク質と神経を染色により検出することで、導入した遺伝子が神経系発生に変化を与えていることが分かります。

蛍光タンパク質をコードしたDNAコンストラクトを導入し、発生過程の細胞や構造を観察するためにもこの手法が用いられます。脊髄の発達などの複雑な過程をライブイメージングすることで細胞移動のダイナミクスの解明につながります。

ここまでJoVE in ovoエレクトロポレーション法導入編をご覧いただきました。この手法は遺伝物質をニワトリ胚に導入するための有益な手法です。エレクトロポレーション法の基本原理、必須工程、現在行われている発生研究へのアプリケーション例を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。

Transcript

Electroporation is a technique used to introduce foreign genetic material into cells. Electroporation of chick embryos inside the egg, or in ovo electroporation, is a valuable tool for developmental biologists because the delivery of genetic material can be localized to specific tissues and specific developmental time points. This video will introduce the basic principles of in ovo electroporation, describe essential steps of the procedure, and discuss how this technique can be used to study biological processes during development.

To start, let’s review the basic principles of electroporation to figure out how it can be used to get DNA into a cell.

First, microinjection is used to deliver the DNA in close proximity to a cell of interest. However, the DNA can’t penetrate the plasma membrane to get into the cell.

To solve this problem, an electrical current is applied to disrupt the stability of the membrane, creating pores. A second consequence of this electric field is the migration of the negatively charged DNA towards the positive electrode. As a result, only cells on the side of the injection site closer to the positive electrode become transfected with the DNA.

Now that you know the basic principles, let’s talk about how to prepare embryos for electroporation. If you need to use embryos older than Hamburger Hamilton stage 20, it’s best to culture your chicks outside of the shell, or ex ovo, for improved tissue access. This video will focus on electroporations performed on early embryos developing within the shell, or in ovo.

To begin, eggs should be incubated in a humidified incubator at 37 °C until they have reached the desired developmental stage. While the eggs are incubating, prepare the tools for injection and electroporation. First, make capillary needles by pulling a 0.5 mm glass pipet with a pipet puller. To open the pipet, place it under a microscope and break off a small piece of the tip. Then, prepare the injection solution, which should contain an appropriate dilution of your construct as well as a dye to help you visualize the injected solution.

To control the movement of fluid within the needle, attach it to a human-powered mouth pipet. Alternatively, the needle can be loaded onto a microinjector, which provides adjustable pressure pulses of air. Fill the needle by submerging the tip in the injection solution and applying negative pressure.

In addition to needles, you’ll also need electrodes. These consist of two exposed wires fixed together by an adaptor. A pair of cables connects the electrodes to the electric pulse generator, or electroporator, which controls the pulse duration, frequency, and voltage. For hands free operation, the electroporator can be activated by a foot pedal.

Once the eggs are ready, cut a window in the shell, and add a few drops of physiological salt solution, such as Hanks, to prevent the embryo from drying out. Under a microscope, position the egg such that the tissue of interest is accessible to the needle. Then, pierce the embryo with the capillary needle and deliver the solution by applying gentle pressure.

Now that we’ve injected the construct, it’s time to perform the electroporation. Position the electrodes so that they are submerged in the Hank’s solution and the tissue of interest is centered between them. In order to apply the electrical current, press the foot pedal and look for bubbles forming around the electrodes.

Once the electroporation is complete, remove the electrodes from the embryo and wipe them down with 70% ethanol. Add a few drops of salt solution supplemented with antibiotics to prevent infection, and seal the window with tape. Finally, place the eggs back in the incubator for continued development prior to phenotypic analysis.

Now that we’ve learned all about in ovo electroporation, let’s look at some examples of how scientists are applying this technique in developmental research.

To begin, electroporation can be used to block gene expression by delivery of knockdown constructs. In this example, cells of the developing neural tube were electroporated with gene silencing constructs. The embryos were allowed to develop, and then axon trajectories were compared between normal and knockdown samples to assess the genetic control of axon guidance.

On the flipside, in ovo electroporation can also be used to express a protein in a subset of cells by introducing a plasmid containing a protein-encoding gene and a promoter: a sequence which binds RNA polymerase to initiate transcription. Here, scientists delivered a single gene into cells of the embryonic brain. Tissue staining to detect both the protein product of this gene and markers of specific neural subtypes shows that the electroporated gene alters neural development.

DNA constructs encoding fluorescent proteins can also be introduced by electroporation to visualize cells and structures during development. This allows for live imaging of complex processes, such as spinal cord development, giving insight into the dynamics of cell movements over time.

You’ve just watched JoVE’s introduction to in ovo electroporation, a useful technique for delivering genetic material into chicks. This video discussed the basic principles of electroporation, steps required to inject and electroporate chicks, and applications of this technique in current developmental research. Thanks for watching!