Prezentowany tutaj jest protokół do przeprowadzenia manipulacji genetycznej w mózgu fretki embrionalnej za pomocą elektroporacji in utero. Metoda ta pozwala na celowanie w neuronalne komórki progenitorowe w korze nowej in vivo.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Prezentowany tutaj jest protokół do przeprowadzenia manipulacji genetycznej w mózgu fretki embrionalnej za pomocą elektroporacji in utero. Metoda ta pozwala na celowanie w neuronalne komórki progenitorowe w korze nowej in vivo.
Manipulowanie ekspresją genów in vivo podczas rozwoju embrionalnego jest metodą z wyboru przy analizie roli poszczególnych genów podczas rozwoju ssaków. Elektroporacja in utero jest kluczową techniką manipulacji ekspresją genów w embrionalnym mózgu ssaków in vivo. Przedstawiono tutaj protokół elektroporacji in utero embrionalnej kory nowej fretek, małego mięsożercy. Fretka jest coraz częściej wykorzystywana jako model rozwoju kory nowej, ponieważ jej kora nowa wykazuje szereg cech anatomicznych, histologicznych, komórkowych i molekularnych, które są również obecne u naczelnych i innych niż ludzie, ale nieobecne w modelach gryzoni, takich jak myszy lub szczury. Elektroporację in utero przeprowadzono w 33 dniu embrionalnym (E), w środkowym stadium neurogenezy u fretki. Elektroporacja in utero jest ukierunkowana na neuronalne komórki progenitorowe wyściełające boczne komory mózgu. Podczas neurogenezy te komórki progenitorowe dają początek wszystkim innym typom komórek nerwowych. Praca ta przedstawia reprezentatywne wyniki i analizy w E37, dniu po urodzeniu (P) 1 i P16, odpowiadające odpowiednio 4, 9 i 24 dni po elektroporacji in utero. Na wcześniejszych etapach potomstwo docelowych komórek składa się głównie z różnych podtypów progenitorów nerwowych, podczas gdy na późniejszych etapach większość znakowanych komórek to neurony postmitotyczne. Tak więc elektroporacja in utero umożliwia badanie wpływu manipulacji genetycznej na cechy komórkowe i molekularne różnych typów komórek nerwowych. Ze względu na swój wpływ na różne populacje komórek, elektroporacja in utero może być również stosowana do manipulacji cechami histologicznymi i anatomicznymi kory nowej fretki. Co ważne, wszystkie te efekty są dotkliwe i wykonywane są ze specyficznością czasoprzestrzenną określoną przez użytkownika.
Kora nowa jest zewnętrzną warstwą mózgu ssaków i siedzibą wyższych funkcji poznawczych1,2,3,4,5. W celu uzyskania ostrej manipulacji genetycznej w korze nowej ssaków in vivo podczas rozwoju embrionalnego, zbadano dwie różne metody: infekcja wirusowa6 i elektroporacja in utero7. Obie metody pozwalają na skuteczne celowanie w komórki kory nowej, ale mają pewne ograniczenia. Główną zaletą elektroporacji in utero w porównaniu z infekcją wirusową jest możliwość osiągnięcia specyficzności przestrzennej w obrębie kory nowej, którą osiąga się poprzez regulację kierunku pola elektrycznego.
Odkąd po raz pierwszy wykazano, że elektroporacja ułatwia wprowadzanie DNA do komórek in vitro8, została zastosowana do dostarczania DNA różnym kręgowcom in vivo. W neurobiologii rozwojowej, elektroporacja kory nowej myszy w macicy została po raz pierwszy opisana w 2001 roku9,10. Metoda ta polega na wstrzyknięciu mieszaniny DNA do bocznej komory embrionalnej mózgu, a następnie zastosowaniu pola elektrycznego za pomocą elektrod pęsetowych, co pozwala na precyzję przestrzenną7,11. Od tego czasu elektroporacja in utero jest stosowana do dostarczania kwasów nukleinowych w celu manipulowania ekspresją endogennych lub ektopowo dodanych genów w korze nowej myszy. Ostatnio poczyniono ważne postępy dzięki zastosowaniu metodologii edycji genomu za pośrednictwem CRISPR/Cas9 za pomocą elektroporacji in utero w korze nowej myszy w celu przeprowadzenia (1) zakłócenia genów w neuronach postmitotycznych 12,13 i neuronalnych komórek progenitorowych14, oraz (2) edycji genome15 i epigenome16.
Bardzo szybko po pierwszym raporcie u myszy, elektroporacja in utero została zastosowana do embrionalnej kory nowej szczura17,18. Nie-gryzonie pozostawały wyzwaniem do czasu pierwszego wystąpienia elektroporacji in utero fretek, małego drapieżnika, w 2012 roku19,20. Od tego czasu elektroporacja in utero fretek jest stosowana do badania mechanizmów rozwoju kory nowej poprzez znakowanie progenitorów neuronalnych i neuronów20,21,22,23, manipulując ekspresją endogennych genów, w tym wykorzystując technologię CRISPR/Cas924, oraz dostarczając geny ektopowe21,22,25, w tym geny specyficzne dla człowieka26. Co więcej, elektroporacja in utero fretek została wykorzystana do określenia cech rozwoju kory nowej człowieka w warunkach patologicznych27,28.
W kontekście rozwoju kory nowej, zalety używania fretek jako organizmu modelowego w porównaniu do myszy wynikają z faktu, że fretki lepiej odwzorowują szereg cech podobnych do ludzkich. Na poziomie anatomicznym fretki wykazują charakterystyczny wzór fałdowania kory mózgowej, który jest również obecny u ludzi i większości innych naczelnych, ale jest całkowicie nieobecny u myszy lub szczurów4,29,30,31. Na poziomie histologicznym fretki mają dwie odrębne podkomorowe strefy rozrodcze, określane jako wewnętrzna i zewnętrzna strefa podkomorowa (odpowiednio ISVZ i OSVZ)32,33, oddzielone wewnętrzną warstwą włókien23. Te cechy są również wspólne dla naczelnych, w tym ludzi, ale nie dla myszy34. ISVZ i OSVZ u fretek i ludzi są wypełnione licznymi neuronalnymi komórkami progenitorowymi, podczas gdy strefa podkomorowa (SVZ) myszy zawiera tylko nieliczne neuronalne komórki progenitorowe21,32,35,36. Na poziomie komórkowym fretki wykazują wysoki odsetek podtypu progenitorów nerwowych określanych jako podstawowy lub zewnętrzny promienisty glej (odpowiednio bRG lub oRG), które są uważane za kluczowe dla ewolucyjnej ekspansji kory nowej ssaków34,37,38. bRG są zatem bardzo obfite w płodowej korze nowej ludzkiej i embrionalnej fretki, ale są bardzo rzadkie w embrionalnej korze nowej myszy 35,36. Co więcej, bRG fretki wykazuje niejednorodność morfologiczną podobną do ludzkiej bRG, znacznie przewyższającą bRG myszy bRG21. Wreszcie, na poziomie molekularnym, rozwijająca się kora nowa fretki wykazuje wzorce ekspresji genów bardzo podobne do tych w ludzkiej korze nowej, która przypuszczalnie kontroluje między innymi rozwój fałdowania kory mózgowej39.
Biologiczne i molekularne cechy komórek bRG fretek sprawiają, że są one wysoce proliferacyjne, podobne do ludzkiego bRG. Powoduje to zwiększoną produkcję neuronów i rozwój rozszerzonej i wysoce złożonej kory nowej34. Te cechy sprawiają, że fretki są doskonałymi organizmami modelowymi do badania podobnych do ludzkich cech rozwoju kory nowej, których nie można modelować u myszy26,40. Aby w pełni wykorzystać fretkę jako organizm modelowy, opracowano prezentowaną metodę. Polega na elektroporacji in utero zarodków fretek E33 z plazmidem eksprymującym GFP (pGFP) pod kontrolą wszechobecnego promotora, CAG. Elektropostowane zarodki mogą być następnie analizowane embrionalnie lub po urodzeniu. W celu zmniejszenia liczby ofiarowanych zwierząt, samice fretek (skrzelków) są sterylizowane przez histerektomię i przekazywane do adopcji jako zwierzęta domowe. Jeśli docelowe zarodki są pobierane w stadium embrionalnym, przeprowadza się drugą operację i zarodki są usuwane przez cesarskie cięcie, podczas gdy skrzelki są poddawane histerektomii. Jeśli docelowe zarodki są analizowane w stadium postnatalnym, źlęce są histerektomizowane po odsadzeniu szczeniąt od piersi lub uśmierceniu. W związku z tym przedstawiono również protokół histerektomii skrzelów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury eksperymentalne zostały przeprowadzone zgodnie z niemieckim ustawodawstwem dotyczącym dobrostanu zwierząt po zatwierdzeniu przez Landesdirektion Sachsen (licencje TVV 2/2015 i TVV 21/2017).
1. Przygotowanie do elektroporacji in utero
2. Przygotowanie fretek do operacji
3. Elektroporacja fretek in utero
4. Opieka pooperacyjna i trzymanie docelowych zwierząt
5. Histerektomia fretek
UWAGA: Histerektomia jest wykonywana w celu zmniejszenia liczby zwierząt składanych w ofierze, tak aby wysterylizowane zwierzęta mogły być oddane do adopcji jako zwierzęta domowe. Procedura przedoperacyjna histerektomii jest taka sama jak w kroku 2.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Elektroporacja in utero fretkek w dniu E33 doprowadziła do ukierunkowania na komórki progenitorowe neuronów wyścielające powierzchnię komorową embrionalnej nowokory (Rysunek 1). Komórki te nazywane są progenitorami apikalnymi i wykazują wysoką zdolność do proliferacji, dając początek wszystkim innym typom komórek podczas rozwoju. W wyniku podziału asymetrycznego progenitory apikalne generowały kolejny progenitor apikalny oraz komórkę bardziej zróżnicowaną, zazwyczaj progenitor bazalny (BP), ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Elektroporacja in utero u fretki jest ważną techniką, mającą zalety i wady w stosunku do innych metod. Istnieją krytyczne kroki i ograniczenia tej metody, a także potencjalne modyfikacje i przyszłe zastosowania, o których należy pamiętać.
Od czasu pionierskiej pracy Victora Borrella i współpracowników nad manipulacją genetyczną kory nowej fretki po urodzeniu za pomocą elektroporacji lub iniekcji wirusowej 35,42,43, fretka stała się genetycznie dostępnym organizmem modelowym.<...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Jesteśmy wdzięczni Usługom i Obiektom Instytutu Molekularnej Biologii Komórki i Genetyki im. Maxa Plancka za wyjątkowe wsparcie, w szczególności całemu zespołowi Służb Biomedycznych (BMS) za doskonałą hodowlę fretek oraz J. Peychlowi i jego zespołowi z Zakładu Mikroskopii Świetlnej. Jesteśmy szczególnie wdzięczni Katrin Reppe i Annie Pfeffer z BMS za wyjątkowe wsparcie weterynaryjne oraz Lei Xing z grupy Huttner za pomoc w operacjach fretek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Strzykawka 1ml | BD | 309628 | Elektroporacja |
| 4-0 Szew Vicryl | Ethicon | V392ZG | Chirurgia |
| Spray | aluminiowy cp-pharma | 98017 | Chirurgia |
| Amoksycylina + kwas klawulanowy (Synulox RTU) | WDT | 6301 | Chirurgiczny |
| uchwyt na | kapsułkę WPI | MPH6S12 | Elektroporacja |
| Roztwór maści dekspantenol | Bayer | 6029009.00.00 | |
| Prześcieradło chirurgiczne 45x75cm | |||
| Pęseta elektrodowa Hartmann 2513052 Surgery, platynowa 5mm | BTX | 45-0489 | Elektroporacja |
| BTX | ECM830 | Elektroporacja | |
| Szybka Zielona | Sigma | F7258-25G | Elektroporacja |
| Fretka Mustela putorius furo | Marshall | NA | Organizm eksperymentalny |
| Światłowodowe źródło światła | Olympus | KL1500LCD | Kleszcze do elektroporacji |
| Allgaier Instrumente | 08-033-130 | Kleszcze chirurgiczne | |
| 3C-SA | chirurgiczne | Rubis Tech | 3C-SA |
| 55 | Dumostar | 11295-51 | Chirurgia |
| Kleszcze 5-SA | Rubis Tech | 5-SA | Chirurgia |
| Waciki z gazy duże | Hartmann | 401723 | Surgery |
| Waciki z gazy małe | Hartmann | 401721 | Surgery |
| Przeciwciało GFAP | Dako | Z0334 | Przeciwciało |
| GFP | Aves labs | GFP1020 | Przeciwciało |
| Szklane kapspilary (szkło borokrzemianowe z żarnikiem, OD: 1,2 mm, ID: 0,69 mm, długość 10 cm) | Sutter Instrument | BF120-69-10 | Elektroporacja |
| Glukoza | Bela-pharm | K4011-02 | Chirurgiczna |
| poduszka grzewcza | Hans Dinslage | Sanitas SHK18 | Chirurgia |
| Jod (roztwór betadyny 100 mg / ml) | Meda | 997437 Surgery | |
| Isofluran | CP | 21311 | Chirurgia |
| Końcówki ładowania 20 i mikro; l | Eppendorf | #5242 956.003 | Elektroporacja |
| Metamizol | WDT | 99012 | Chirurgia |
| Nożyczki preparacyjne Metzenbaum | Aesculap | BC600R | Chirurgia |
| Ściągacz do mikropipet | Instrument Sutter | Model P-97 | Elektroporacja |
| pCAGGS-GFP | NA | Z Kalebic i wsp., eLife, 2018 | |
| Przeciwciało PCNA | Przeciwciało Millipore | CBL407 | |
| Przeciwciało pH3 | Abcam | ab10543 | Skalpel przeciwciał |
| Aesculap | 294200104 | Surgery | |
| Golarka | Braun | EP100 | Chirurgia |
| Przeciwciało Sox2 | Systemy R + D | AF2018 | przeciwciała |
| 13 cm | WDT | 27080 | Chirurgia |
| Podwójna łyżka chirurgiczna (Williger) | WDT | 27232 | Chirurgia |
| Serweta chirurgiczna | WDT | 28800 | Chirurgia |
| Nożyczki chirurgiczne małe | FST | 14090-09 | Chirurgia |
| Uchwyt na igłę do szycia | Aesculap | BM149R | Chirurgia Przeciwciało |
| Tbr2 | Abcam | ab23345 | |
| Pipeta do przenoszenia przeciwciał 3ml | Fischer 13439108 naukowy | Chirurgia | |
| Kąpiel wodna | Julabo | TW2 | Surgery |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.