Здесь мы представляем протокол трансплантации клеток с высоким пространственным и временным разрешением эмбрионам и личинкам рыбок данио на любой стадии между как минимум 1 и 7 днями после оплодотворения.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Здесь мы представляем протокол трансплантации клеток с высоким пространственным и временным разрешением эмбрионам и личинкам рыбок данио на любой стадии между как минимум 1 и 7 днями после оплодотворения.
Развитие и регенерация происходят в процессе генетически закодированных пространственно-временных динамических клеточных взаимодействий. Использование трансплантации клеток между животными для отслеживания судьбы клеток и выявления несоответствий в генетических, пространственных или временных свойствах донорских и родительских клеток является мощным средством изучения природы этих взаимодействий. Такие организмы, как цыплята и амфибии, внесли решающий вклад в наше понимание развития и регенерации, соответственно, в значительной степени из-за их податливости к трансплантации. Однако мощность этих моделей была ограничена низкой генетической управляемостью. Аналогичным образом, основные генетические модельные организмы имеют меньшую податливость к трансплантации.
Данио рерио является основной генетической моделью развития и регенерации, и хотя трансплантация клеток распространена у рыбок данио, она, как правило, ограничена переносом недифференцированных клеток на ранних стадиях развития бластулы и гаструлы. В этой статье мы представляем простой и надежный метод, который продлевает окно трансплантации данио-рерио до любой эмбриональной или личиночной стадии между как минимум 1 и 7 днями после оплодотворения. Точность этого подхода позволяет проводить трансплантацию всего одной клетки с почти идеальным пространственным и временным разрешением как у доноров, так и у животных-хозяев. Несмотря на то, что мы выделяем здесь трансплантацию эмбриональных и личиночных нейронов для изучения развития и регенерации нервов, соответственно, этот подход применим к широкому спектру типов клеток-предшественников и дифференцированных клеток и исследовательских вопросов.
Трансплантация клеток имеет долгую и легендарную историю как основополагающий метод в биологии развития. На рубеже20-го века подходы с использованием физических манипуляций для нарушения процесса развития, включая трансплантацию, превратили эмбриологию из наблюдательной науки вэкспериментальную. В одном из знаковых экспериментов Ганс Шпеман и Хильде Мангольд эктопически пересадили дорсальную бластопорную губу эмбриона саламандры на противоположную сторону эмбриона-хозяина, заставив близлежащую ткань сформировать вторичнуюось тела. Этот эксперимент показал, что клетки могут побуждать другие клетки принимать определенную судьбу, и впоследствии трансплантация стала мощным методом для изучения критических вопросов в биологии развития, касающихся компетентности и определения судьбы клетки, клеточной линии, индуктивной способности, пластичности и активности стволовых клеток.
Более поздние научные достижения расширили возможности трансплантационного подхода. В 1969 году открытие Николь Ле Дуарен о том, что ядрышковое окрашивание может различать виды происхождения у химер перепелов и птенцов, позволило отслеживать трансплантированные клетки и их потомство. Эта концепция была позже усилена появлением трансгенных флуоресцентных маркеров ипередовых методов визуализации5 и была использована для отслеживания судьбы клеток 6,7, идентификации стволовых клеток и их активности 8,9 и отслеживания движений клеток во время развития мозга10. Кроме того, развитие молекулярной генетики облегчило трансплантацию между хозяевами и донорами различных генотипов, способствуя точному препарированию автономных и неавтономныхфункций факторов развития.
Трансплантация также внесла важный вклад в изучение регенерации, особенно у организмов с сильными регенеративными способностями, таких как планарии и аксолотли, прояснив клеточную идентичность и взаимодействия, которые регулируют рост и структуру регенерирующих тканей. Исследования трансплантации выявили принципы потенции12, пространственного паттернинга13,14, вклада конкретных тканей15,16 и роли клеточной памяти12,17 в регенерации.
Рыбки данио являются ведущей моделью позвоночных для изучения развития и регенерации, в том числе в нервной системе, благодаря их консервативным генетическим программам, высокой генетической управляемости, внешнему оплодотворению, большому размеру кладки и оптической прозрачности 18,19,20. Рыбки данио также хорошо поддаются трансплантации на ранних стадиях развития. Наиболее распространенным подходом является трансплантация клеток от меченого донорского эмбриона к эмбриону-хозяину на стадии бластулы или гаструлы для получения мозаичных животных. Клетки, трансплантированные на стадии бластулы, будут рассеиваться и рассеиваться в начале эпиболии, создавая мозаику меченых клеток и тканей по всему эмбриону21. Трансплантаты гаструл позволяют в некоторой степени нацеливаться на трансплантированные клетки в соответствии с приблизительной картой судьбы по мере формирования щита и определения осей A-P и D-V21. Полученные мозаики оказались полезными для определения того, действуют ли гены в клетке автономно, проверки приверженности клеток и картирования движения тканей и миграции клеток на протяжении всего развития 5,11. Мозаичные рыбки данио рерио могут быть получены несколькими способами, включая электропорацию22, рекомбинацию23, а также трансгенез F024 и мутагенез25, но трансплантация обеспечивает наибольшую манипулируемость и точность в пространстве, времени, количестве и типах клеток. Современное состояние трансплантации рыбок данио в значительной степени ограничено клетками-предшественниками на ранних стадиях, за некоторыми исключениями, включая трансплантацию спинальных моторных нейронов26,27, ганглиозных клеток сетчатки28,29 и клеток нервного гребня в первые 10-30 ч после оплодотворения (ВПФ)30, а также гемопоэтических и опухолевых клеток у взрослых рыбок данио-рерио 5,31. Распространение методов трансплантации на широкий диапазон возрастов, стадий дифференцировки и типов клеток значительно усилит возможности этого подхода для понимания процессов развития и регенерации.
В этой статье мы демонстрируем гибкую и надежную технику трансплантации клеток с высоким разрешением, эффективную для эмбрионов и личинок рыбок данио-рерио в течение как минимум 7 дней после оплодотворения. Трансгенные рыбы-хозяева и доноры, экспрессирующие флуоресцентные белки в тканях-мишенях, могут быть использованы для извлечения одиночных клеток и их трансплантации с почти идеальным пространственным и временным разрешением. Оптическая прозрачность эмбрионов и личинок рыбок данио позволяет визуализировать трансплантированные клетки вживую по мере развития или регенерации животного-хозяина. Этот подход ранее использовался для изучения того, как пространственно-временная сигнальная динамика влияет на идентичность нейронов и направление аксонов у эмбриона32, а также для изучения логики, с помощью которой внутренние и внешние факторы способствуют управлению аксонами во время регенерации у личиночных рыб33. Несмотря на то, что мы сосредоточились здесь на трансплантации дифференцированных нейронов, наш метод широко применим как к недифференцированным, так и к дифференцированным типам клеток на многих стадиях и тканях для решения вопросов развития и регенерации.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Все аспекты этой процедуры, относящиеся к работе с живыми рыбками данио, были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) Университета Миннесоты и выполняются в соответствии с рекомендациями IACUC.
1. Однократная первичная настройка трансплантационного аппарата (Рисунок 1)
2. Подготовьте подталкиватели эмбрионов.
3. Приготовьте растворы.
4. Подготовка донорских и принимающих животных к трансплантации.
5. Подготовьте иглу для пересадки.
6. Трансплантация
ПРИМЕЧАНИЕ: Все движения иглой должны выполняться с помощью тонкого микроманипулятора для этого участка.
7. Восстановление животного-хозяина
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты экспериментов по трансплантации непосредственно наблюдаются путем визуализации флуоресцентно меченых донорских клеток у животных-хозяев в соответствующие моменты времени после трансплантации с помощью флуоресцентного микроскопа. Здесь мы пересадили отдельные передние нейроны блуждающего нерва с частотой 3 dpf. Затем животных-хозяев инкубировали в течение 12 или 48 часов, обезболивали, установили в LMA на стеклянную покровную крышку и визуализировали с помощью конфокального микроскопа (рис....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Биология развития и регенеративная биология уже более ста лет опирается на эксперименты по трансплантации для изучения принципов клеточной сигнализации и определения клеточной судьбы. Модель рыбок данио уже представляет собой мощное слияние генетического и трансплантационного подходов. Трансплантация на стадиях бластулы и гаструлы для получения мозаичных животных распространена, но ограничена в том, какие вопросы она может решить. Трансплантация на более поздних стадиях встречается редко...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Мы благодарим Сесилию Моэнс за обучение по трансплантации рыбок данио; Марк Тай за отличный уход за рыбами; и Эмме Карлсон за отзывы о рукописи. Эта работа была поддержана грантом NIH NS121595 A.J.I.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 10 мл "резервуарный шприц" | Fisher Scientific | 14-955-459 | |
| 150 мл одноразовый вакуумный фильтр, .2 & микро; m, PES | Corning | 431153 | |
| нагревательный блок 20 x 12 мм | Corning | 480122 | |
| 3-х ходовой запорный кран | Braun Medical Inc. | ||
| 3 x 1 Предметное стекло с матовым стеклом | VWR | 48312-004 | |
| 40-кратный объектив для погружения в воду | Nikon | MRD07420 | |
| Дигидрат хлорида кальция | Sigma-Aldrich | C3306 | |
| Грубый манипулятор | Narishige | MN-4 | |
| Пользовательский микрошприцевой насос | Университет Орегона | Н/Д | Изготовлен в механическом цехе Орегонского университета (tsa.uoregon@gmail.com). Коммерчески доступная альтернатива перечислена ниже. |
| Dumont #5 Щипцы | Fine Science Tools | 1129500 | |
| Eclipse FN1 "Микроскоп для трансплантации" | Nikon N/A | ||
| Электродная ручка | World Precision Instruments | 5444 | |
| Перьевое стерильное хирургическое лезвие, #11 | VWR | 21899-530 | |
| Тонкий микроманипулятор, трехосевой масляный гидравлический | Narishige | MMO-203 | |
| HEPES pH 7,2 | Sigma-Aldrich | H3375-100G | |
| Высокая точность #3 Стиль Ручка скальпеля | Fisher Scientific | 12-000-163 | |
| Kimble Одноразовая боросиликатная пипетка Пастера, широкий наконечник, 5,75 в | DWK Life Sciences | 63A53WT | |
| KIMBLE Адаптер для хроматографии | DWK Life Sciences | 420408-0000 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34120 | |
| Легкое минеральное масло | Sigma-Aldrich | M3516-1L | |
| LSE цифровой обогреватель для сухой ванны, 1 блок, 120 В | Corning | 6875SB | |
| Ручной микрошприцевой насос | World Precision Instruments | MMP | Коммерческая альтернатива заказному микрошприцевому насосу |
| Держатель микроэлектродов | World Precision Instruments | MPH310 | |
| Наполнитель для пипеток MicroFil | World Precision Instruments | MF28G67-5 | |
| Лак для ногтей | Электронная микроскопия Sciences | 72180 | |
| Вода без нуклеазы | VWR | 82007-334 | |
| P-97 Пылающий/коричневый тип Пуллер для микропипеток | Sutter Instruments | P-97 | |
| Пенициллин-стрептомицин | Sigma-Aldrich | p4458-100ML | 5,000 единиц пенициллина и 5 мг стрептомицина/мл |
| Дозатор 10 мл | Bel-Art | 37898-0000 | |
| Хлорид калия | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Профессиональный суперклей | Локтит | LOC1365882 | |
| полистирольные пробирки | с круглым дномFalcon | 352054 | |
| Хлорид натрия | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Stage micrometer | Meiji Techno America | MA285 | |
| Шприцы без иглы, 50 мл | BD Медицинский | 309635 | |
| Трикаин Метаносульфонат | Syndel США | SYNCMGAUS03 | |
| Трилен XL гладкий кастинг Леска | Berkley | XLFS6-15 | |
| Трубка, полиэтилен No205 | BD Medical | 427445 | |
| UltraPure с низкой температурой плавления Agarose | Invitrogen | 16520050 | |
| калиброванными микропипетками Wiretrol II | Drummond | 50002010 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.