Podczas wczesnego rozwoju embrionalnego, komórki są stopniowo zobowiązane do podążania za określonymi liniami różnicowania: oznacza to, że grupa komórek totipotencjalnych (lub pluripotencjalnych) stopniowo ogranicza się do tworzenia populacji komórek progenitorowych zdeterminowanych, aby dać początek jednemu typowi komórek. Sygnalizacja komórka-komórka ma kluczowe znaczenie dla regulacji specyfikacji linii podczas rozwoju embrionalnego. Manipulacja tymi sygnałami będzie konieczna, aby skierować komórki macierzyste w stronę określonego losu, aby wspierać nowatorskie terapie medyczne.
Stosunkowo niewielka liczba ścieżek sygnalizacyjnych jest powtarzana podczas rozwoju, w tym ścieżki reagujące na nadrodzinę TGF (węzły i BMP)1-2, FGFy3, Wnts4 i Jeże5. Te wydzielane białka wiążą receptory obecne na błonie komórkowej, aby aktywować transdukcję sygnału, zmieniając w ten sposób ekspresję genów i/lub zachowanie komórki. Ścisła regulacja sygnalizacji komórkowej jest niezbędna do specyfikacji linii komórkowej i prawidłowego rozwoju. Podczas gdy wzajemne oddziaływanie między tymi szlakami jest ważne w określaniu losu komórki, pojedynczy ligand może sam w sobie wywoływać różne odpowiedzi w różnych stężeniach. Gradienty morfogenów zostały opisane ponad 100 lat temu jako teoria wyjaśniająca, w jaki sposób różne typy komórek mogą wywodzić się z pola komórek6. Cząsteczki sygnałowe wytwarzane przez jedną grupę komórek mogą dyfundować w pewnym zakresie, zmniejszając stężenie wraz z większą odległością od źródła. Komórki wystawione na sygnał będą reagować na lokalne stężenie w swoim położeniu w polu komórek, przy czym komórki w różnych pozycjach będą reagować inaczej na różne poziomy sygnału. Dowody na istnienie morfogenów pochodzą z badań wczesnego zarodka Drosophila7 i dysku skrzydła8, a także kończyny kręgowca9 i cewy nerwowej10.
Potrzebne są metody do zbadania, w jaki sposób powstają gradienty morfogenu i zidentyfikowania innych cząsteczek ważnych w regulacji tych gradientów. Eleganckie eksperymenty wykorzystujące immunohistochemię do wizualizacji endogennych białek in vivo w kontekście różnych środowisk genetycznych zostały wykorzystane do zbadania gradientów morfogenu11-12. Jednak dobre przeciwciała i specyficzne mutanty nie zawsze są dostępne, dlatego opisujemy tutaj protokół wykorzystujący nadekspresję ligandów fluorescencyjnych w Xenopus, aby zapewnić alternatywną, prostą metodę analizy, w jaki sposób produkty genów egzogennych mogą wpływać na dystrybucję ligandów w polu komórek. Xenopus laevis stanowi doskonały system do przeprowadzania tego typu eksperymentów, ponieważ ich zarodki rozwijają się zewnętrznie, dzięki czemu są dostępne na jak najwcześniejszych etapach. Ich duży rozmiar (1-1,5 mm średnicy) upraszcza mikroiniekcję i manipulację chirurgiczną, a w stadiach blastuli komórki są łatwe do zobrazowania, ponieważ są nadal stosunkowo duże (około 20 μm średnicy). Badania nadekspresji u Xenopus są proste do przeprowadzenia: mRNA wstrzyknięte do wczesnego zarodka może być ukierunkowane na określone komórki i jest skutecznie translowane.
Fluorescencyjnie oznaczone konstrukcje Wnt8a/Wnt11b-HA-eGFP zostały wygenerowane przy użyciu pCS2 Wnt8a-HA13, pCS2 Wnt11b-HA14 i eGFP. Peptyd HA jest ważny nie tylko w celu zapewnienia dodatkowego znacznika molekularnego, ale także dlatego, że uważa się, że działa on jako przekładka oddzielająca białka Wnt i eGFP, umożliwiając funkcjonowanie obu produktów genu. Konstrukt wykorzystany do wizualizacji Shh został wcześniej wykorzystany do wygenerowania transgenicznej myszy wykazującej ekspresję białka fuzyjnego Shh-eGFP15; zostało to uprzejmie dostarczone przez Andy'ego McMahona. Co ważne, znacznik GFP dla wszystkich konstrukcji jest klonowany 3' do sekwencji sygnału, tak aby był zachowywany po przetworzeniu. Istotne jest również zapewnienie, że końcowe białko zawiera sekwencje wymagane do modyfikacji, takich jak dodanie lipidów, jak ma to miejsce w przypadku ligandów Shh i Wnt. CDNA poddano subklonowaniu do wektora ekspresyjnego pCS2+, który jest zoptymalizowany pod kątem produkcji syntetycznego mRNA; zawiera promotor SP6 i sygnał poliadenylacji (http://sitemaker.umich.edu/dlturner.vectors).
Opisana tutaj praca dostarcza prostego protokołu do porównywania wydzielania i dyfuzji fluorescencyjnie znakowanych ligandów Wnt i Shh. Poprzez wstrzykiwanie określonych ilości syntetycznego mRNA, protokół omija wszelkie problemy związane z ekspresją zmiennych z różnych wektorów przy użyciu różnych promotorów. Metody te zostały ostatnio zastosowane do zbadania wpływu endosulfatazy siarczanowej heparanu Sulf1 na wydzielanie i dyfuzję Shh-eGFP i Wnt8a/Wnt11b-HA-eGFP w Xenopus16-17.