Dit werk beschrijft een protocol voor het kwantificeren van de vorm van craniofaciaal kraakbeen met behulp van vrije software (tpsDigs2, MorphoJ en PAST) om veranderingen in gezichtsstructuur bij zebravislarven te meten.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit werk beschrijft een protocol voor het kwantificeren van de vorm van craniofaciaal kraakbeen met behulp van vrije software (tpsDigs2, MorphoJ en PAST) om veranderingen in gezichtsstructuur bij zebravislarven te meten.
Foetale alcoholspectrumstoornissen (FASD) worden gekenmerkt door een wisselende reeks fysieke, cognitieve en gedragsmatige beperkingen veroorzaakt door prenatale blootstelling aan ethanol, waaronder die welke het gezichtsskelet aantasten. Ethanolgevoelige genetische loci dragen bij aan deze hoge mate van variatie in FASD, wat de analyse van de gezichtsvorm bemoeilijkt. We hebben eerder aangetoond dat we deze veranderingen in gezichtsvorm kunnen analyseren door gen-ethanol interacties bij zebravissen. Zebravissen zijn een ideaal model om deze variatie te analyseren om verschillende redenen; (i) 70% van de genen zijn orthologen tussen mensen en zebravissen; (ii) externe bemesting stelt onderzoekers in staat om timing en dosering van ethanolbehandelingen te regelen; (iii) de structuur van hun gezichtsskelet wordt behouden met gewervelden; (iv) doorschijnende larven maken directe waarneming van veranderingen in de craniofaciale skeletstructuur tijdens de ontwikkeling mogelijk. Het analyseren van de vorm van het craniofaciale skelet kan echter moeilijk volledig te beoordelen zijn met eenvoudige lineaire metingen, omdat deze geen algemene vormveranderingen vastleggen. Daarnaast kunnen veranderingen in hoofdgrootte de interpretatie van data bemoeilijken. Om dit aan te pakken, hebben we een morfometrische benadering toegepast, waarbij we de algehele gezichtsvorm analyseerden via hoofdcomponentanalyses via freewaresoftware, tpsDigs2, MorphoJ en PAST. De combinatie van deze software maakt het mogelijk om de algehele gezichtsmorfologie paargewijs te vergelijken. Hier schetsen we onze aanpak en analyse van de gezichtsvorm bij met ethanol behandelde zebravismutanten met behulp van deze programma's om een reeks complementaire multivariate statistische analyses uit te voeren.
Fetale Alcohol Spectrum Disorders (FASD) worden gekenmerkt door een breed scala aan ontwikkelingsafwijkingen, waaronder gedrags-, neurologische en fysiekeaandoeningen 1,2. Tot deze fysieke afwijkingen behoren craniofaciale defecten, zoals kaakhypoplasie 3,4,5,6. Hoewel timing en dosering van ethanolblootstelling bijdragen aan de complexe etiologie van FASD, speelt genetische bijdrage een belangrijke rol in FASD-etiologie 6,7,8,9,10,11,12. Deze combinatie van factoren maakt het bestuderen van gezichtsafwijkingen bij menselijke cohorten uitdagend. Om de impact van prenatale ethanolblootstelling op de ontwikkeling te bestuderen, gebruiken we het zebravismodel. Zebravissen dienen als een sterk model voor FASD, aangezien ze 70% van de genorthologen delen met mensen, waarvan 82% van de bekende ziekteverwekkende genen 13,14,15,16. Naast genetische conservering hebben zebravissen: (i) een hoge vruchtbaarheid, waardoor meerdere zebravislarven tegelijk kunnen worden geproduceerd, (ii) ondergaan externe bevruchting, wat directe studie van ethanolgevoelige ontwikkelingsprocessen mogelijk maakt, (iii) hebben ze een sterk geconserveerde en stereotiepe kraniofaciale ontwikkeling van gewervelden, en (iv) zijn ze doorschijnende embryo's/larven die het mogelijk maken skeletstructuren te visualiseren17. We hebben eerder aangetoond dat mutaties in veel verschillende zebravisgenen embryo's sensibiliseren voor door ethanol veroorzaakte gezichtsafwijkingen, en deze defecten kunnen subtiel en moeilijk te identificeren zijn met hetoog 10,18. Daarnaast hebben we gezien dat met ethanol behandelde wildtypelarven ook lichte veranderingen vertonen in het craniofaciale gebied vergeleken met onbehandelde wildtypelarven, hoewel deze veranderingen opnieuw moeilijk te identificeren zijn met oog10. Hoewel deze veranderingen bij visuele observatie onopgemerkt blijven, konden we deze door ethanol veroorzaakte veranderingen in gezichtsvorm aantonen met morfometrische analyses die beschikbaar zijn op 2D-beelden van het viscerocranium10.
Het oppervlak is een complexe 3D-structuur die moeilijk te meten is met conventionele lineaire metingen. Deze enkele lineaire maten houden geen rekening met de relatieve positie van elke gemeten structuur ten opzichte van, en hun impact op, de andere gemeten structuren van het vlak. Morfometrische analyses pakken deze tekortkomingen aan door vormconfiguraties via herkenningspunten te gebruiken die rekening houden met de relatieve positie van alle gemeten structuren, waarbij zelfs de totale verschillen in grootte18, 19, 20 worden gecorrigeerd. Deze aanpak resulteert in gegevens die nauwkeuriger zijn, een hogere resolutie hebben en veel gemakkelijker te visualiseren zijn, wat resultaten kan opleveren die mogelijk niet worden waargenomen met conventionele lineaire metingen 18,19,20. Daarnaast kunnen morfometrische benaderingen directe vergelijkingen maken tussen en binnen groepen met behulp van multivariate statistische methoden. Hier beschrijven we het gebruik van de gratis morfometrische software, tpsUtil, tpsDigs221, MorphoJ20 en Paleontological Statistics (PAST)22, in combinatie met 2D-beelden van het viscerocranium in onbehandelde en met ethanol behandelde wildtype- en larven heterozygoot voor het Bone Morphogenetic Protein (Bmp) gen bmp7a. Hoewel deze programma's vooral worden gebruikt in paleontologie en ecologiegerichte vakgebieden, bieden ze in combinatie een grondige analyse van de gezichtsvorm. Uiteindelijk laten we in dit protocol zien hoe we deze vrij beschikbare softwaretoepassingen kunnen gebruiken om veranderingen in de vorm van craniofaciaal kraakbeen in het zebravismodel te kwantificeren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle zebravislarven die bij deze procedure werden gebruikt, zijn gekweekt en gefokt volgens vastgestelde IACUC-protocollen goedgekeurd door de University of Louisville23.
OPMERKING: De zebravisstam bmp7aty68a24 en wildtype-broers en zussen (allemaal in de AB-achtergrond) werden in deze studie gebruikt, waarbij volwassen vissen op 28,5 °C werden gehouden met een licht/donker cyclus van 14/10 uur. Gebruik de juiste lijnen volgens de gewenste experimentele uitkomsten. Gebruik water dat gesteriliseerd is door omgekeerde osmose. Geslacht als biologische variabele is niet van toepassing op de bestudeerde ontwikkelingsstadia, aangezien geslacht bij zebravissen voor het eerst wordt waargenomen rond 20-25 dagen na bevruchting (dpf)25, na alle analyses.
1. Ethanolbehandeling
2. Gezichtskleuring en beeldvorming
3. Genotypering
4. Software gebruikt voor vormanalyses
5. Het consequent in beeld brengen van het gezichtsskelet zodat alle monsters geanalyseerd kunnen worden
6. Afbeeldingen voorbereiden met de TPS-software
7. Afbeeldingen invoeren in de TPS-software
8. Bezienswaardigheden toevoegen aan afbeeldingen
9. Gebruik van MorphoJ om vorm te analyseren door Procrustes ANOVA
10. Canonieke variate analyse van de dataset
11. MANOVA in VERLEDEN software
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Om door ethanol veroorzaakte veranderingen in gezichtsvorm bij zebravissen te identificeren, combineerden we vrij beschikbare softwaretoepassingen om morfologische gegevens van het gezichtsskelet te genereren en te kwantificeren. Embryo's van bmp7a heterozygote volwassen dragervissen werden gegenereerd en behandeld met ethanol van 6-24 hpf. Larven van deze kruisingen werden vastgezet op 5 dpf, en de gezichtskraakbeen werd gekleurd met Alcian Blue. Beelden van het viscerocranium ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
FASD wordt gekenmerkt door een breed scala aan ontwikkelingsafwijkingen, waaronder craniofaciale defecten zoals kaakhypoplasie. Zebravissen zijn een sterk voorbeeld van FASD vanwege hun genetische conservering bij mensen, hoge vruchtbaarheid, doorschijnende larven en externe bevruchting. Zebravissen worden al decennialang gebruikt om zowel de vorming van het craniofaciale skelet als de impact van ethanol op de ontwikkeling te bestuderen 6,12,13,15,18,2...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Het onderzoek dat in dit artikel wordt gepresenteerd, werd ondersteund door een subsidie van de National Institutes of Health/National Institute on Alcohol Abuse (NIH/NIAAA) R01AA031043 aan C.B.L.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| tpsUtil, tpsDig2, MorphoJ | https://sbmorphometrics.org | Freeware Software - mogelijk beheerdersrechten vereist om te downloaden | |
| PAST | https://www.nhm.uio.no/english/research/resources/past/ | Freeware Software - mogelijk beheerdersrechten vereist om te downloaden | |
| Compound Brightfield Microscope | Olympus | BX53 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.