Evaluatie van Planar-Cell-Polariteit Phenotypes in ciliopathie Mouse Mutant Cochlea
Summary
Primary cilia influence various signaling pathways. The mammalian cochlea is ideal for examining planar cell polarity (PCP) signaling. Cilia dysfunction affects cochlear outgrowth, cellular patterning and hair cell orientation, readouts of PCP. Our goal is to analyze PCP signaling in mouse cochlea via phenotypic analysis, immunohistochemistry and scanning electron microscopy.
Abstract
In recent years, primary cilia have emerged as key regulators in development and disease by influencing numerous signaling pathways. One of the earliest signaling pathways shown to be associated with ciliary function was the non-canonical Wnt signaling pathway, also referred to as planar cell polarity (PCP) signaling. One of the best places in which to study the effects of planar cell polarity (PCP) signaling during vertebrate development is the mammalian cochlea. PCP signaling disruption in the mouse cochlea disrupts cochlear outgrowth, cellular patterning and hair cell orientation, all of which are affected by cilia dysfunction. The goal of this protocol is to describe the analysis of PCP signaling in the developing mammalian cochlea via phenotypic analysis, immunohistochemistry and scanning electron microscopy. Defects in convergence and extension are manifested as a shortening of the cochlear duct and/or changes in cellular patterning, which can be quantified following dissection from developing mouse mutants. Changes in stereociliary bundle orientation and kinocilia length or positioning can be observed and quantitated using either immunofluorescence or scanning electron microscopy (SEM). A deeper insight into the role of ciliary proteins in cellular signaling pathways and other biological phenomena is crucial for our understanding of cellular and developmental biology, as well as for the development of targeted treatment strategies.
Introduction
Primaire cilia lange microtubule-gebaseerde aanhangsels die zich uitstrekken vanaf het oppervlak van de meeste zoogdierlijke cellen. Primaire cilia worden vaak verward met beweeglijke cilia, waarvan er altijd meerdere per cel, en waarvan het doel is om de vloeistof over membraanoppervlakken bewegen. Primaire cilia daarentegen vast sensorische rollen en derhalve ook wel sensorische cilia. Eenmaal lang vergeten, dit organel is onlangs herontdekt als gevolg van de associatie met een veelheid van menselijke genetische ziekten 1. Idealiter gepositioneerd als een signalerende organel, heeft de primaire cilium aangetoond talrijke signaalwegen, waarvan vele niet alleen belangrijk in weefsel homeostase en ziekte, maar ook tijdens de ontwikkeling 2 reguleren.
Een van de eerste signaalwegen aangetoond geassocieerd te zijn met cilia disfunctie de Wnt signaling pathway, ook bekend als het vlakke celpolariteit (PCP) pathway <sup > 3. Dit signaalcascade aanvankelijk geïdentificeerd in Drosophila, is van cruciaal belang voor embryogenese; met name convergentie en extensie processen en de juiste oriëntatie van cellen in het vlak van epitheel 4. De sequentiële signalering van een kern set van regulerende eiwitten vertaalt directionele signalen die uiteindelijk leiden tot het cytoskelet herschikkingen en resulteren in de gecoördineerde polarisatie van epitheelcellen in een vlak 5. Het proces van convergentie en uitbreiding is absoluut noodzakelijk voor het cochleair kanaal te verlengen en voor de juiste cellulaire patroonvorming 6. Aangezien dit gereguleerd via activatie van de PCP route, een van de meest opvallende fenotypen van mutanten cochlea PCP is een verkorte cochleair kanaal met ongeorganiseerd sensorische epithelia 7. Evenzo muismutanten die cilia missen, vertonen ook zo'n convergentie en extensie fenotype 8,9, maar precies hoe dit gereguleerd moet nog worden opgehelderd.
ve_content "> Omdat convergentie en extensie processen zijn van cruciaal belang voor de uitgroei van het cochleair kanaal, en cellulaire patroonvorming van de sensorische epitheel binnen het cochleair kanaal, de ontwikkelingslanden cochlea is een ideaal orgaan waarin PCP signalering te onderzoeken tijdens de ontwikkeling van gewervelde dieren. Het orgel van corti, de term voor de gespecialiseerde sensorische epitheel dat lijnen de cochleaire kanaal, bestaat uit niet-sensorische steuncellen en mechanosensorische haarcellen die uniform moeten worden georiënteerd om de cochlea functioneren 10. de mechanosensorische haarcellen worden zo genoemd omdat de stereociliary bundels die zich uitstrekken van de cuticulaire plaat (apicale oppervlak) van elk zintuighaarcellen cel 11. Deze fungeren als primaire omzetters van mechanosensation en ondanks hun nomenclatuur stereocilia, zijn eigenlijk samengesteld uit gemodificeerde actine-filament op basis van microvilli. Binnen elke chevron-vormige hair bundel, drie rijen stereocilia georganiseerd in een sterk geordende en regelmatige pattern in een trap-achtige manier. Real-microtubule gebaseerde trilharen, kinocilia genoemd, zijn vereist voor de ontwikkeling en oriëntatie van de stereociliary bundels 12. Bij elke haar cel, wordt één kinocilium fysiek verbonden aan de stereocilia bundel, centraal gelegen naast de langste rij stereocilia. De precieze functie van de kinocilium is onduidelijk, en een hypothese is dat de kinocilium 'trekt' de stereocilia in vorm als ze volwassen worden van microvilli 12. In vertebraten, kinocilia in de cochlea alleen aanwezig tijdelijk en intrekken van de haarcellen in muizen voorafgaand aan het begin van het gehoor 11,13,14.Volledig verlies van trilharen in de ontwikkeling van cochlea resulteert in sterk verkorte cochleaire kanalen, verkeerd gevormde of scheef georiënteerde stereociliary bundels, evenals verkeerd gepositioneerd basaalkorrels 8,9. Een functioneel cilium is niet alleen bestaat uit het ciliaire axoneme. Veel eiwitten geassocieerd met ciliafunctie komen in complexen gelokaliseerd op cilia-gerelateerde subdomeinen, zoals de basale lichaam, overgangszone, of ciliaire axoneme 15. De basale instantie, gebaseerd op de moeder centriole van het centrosoom, is een microtubulus organiserende centrum voor microtubules weg van de cilium uitstrekt in het cellichaam en kan intracellulair transport en ciliaire handel reguleren. De ciliaire overgangszone is een ander gebied waar de ciliaire functie is geregeld op het gebied van het organiseren van import en export van trilharen verbindingen 16.
Meerdere studies hebben een verband tussen cilia en niet-canonieke Wnt (PCP signalering) geïdentificeerd, hoewel het precieze mechanisme is onduidelijk 17. Redundantie van ciliaire en PCP genen en de gevoeligheid van de cel polariteit van algemene cellulaire abnormaliteiten, maken het moeilijk om direct een mutatie koppelen aan PCP-specifieke tekorten. Een van de uitlezingen van PCP signalering is de positionering van de basale lichaamstemperatuur en primary cilium, dus scheiden de primaire uit de secundaire gebreken is uitdagend. Sommige studies in zebravis en muis mutanten hebben geen verband tussen de trilharen en Wnt signalering 18-20 voorgesteld. Discrepanties in de gegevens kunnen species, weefsel of tijdelijke-afhankelijke verschillen in ciliaire bijdragen aan Wnt-signalering weerspiegelen. Bovendien zou normaal Wnt reactievermogen blijven, indien basale lichamen blijven functioneren. Een beter inzicht in de rol van ciliaire eiwitten in cellulaire signaalroutes en andere biologische verschijnselen is cruciaal voor ons begrip van cellulaire en ontwikkelingsbiologie en voor de ontwikkeling van gerichte behandelingsstrategieën.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij de voorbereiding van cochleaire weefsel voor analyse, er zijn een paar belangrijke punten in gedachten te houden. Ten eerste, de verschillen in genetische achtergrond kan het cochleair fenotype aan te passen, waardoor het noodzakelijk is om te analyseren en te vergelijken alleen nestgenoot controles. Ten tweede is volledige verwijdering van de tectoriaal membraan vereist om de beste beelden met immunohistochemie verkrijgen en is essentieel voor SEM. Het tectoriaal membraan een ondoorzichtige structuur en kunnen de c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteur wil graag bedanken Matthew Kelley, Tiziana Cogliati, Jessica Gumerson, Uwe Wolfrum, Rivka Levron, Viola Kretschmer en Zoe Mann en hun kritische evaluatie van het manuscript. Dit werk werd gefinancierd door de Sofja Kovalevskaya Award (Humbodlt Foundation) en de Johannes-Gutenberg Universiteit, Mainz, Duitsland.
Materials
| Tools/Equipment | |||
| Silicone elastomere – Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761028-5EA | See Note 2 |
| Micro dissecting scissors-straight blade | Various | ||
| Fine forceps (no. 5 and 55) and blunt forceps | Various | ||
| Dissecting microscope. | Various | ||
| Uncoated glass microscope slides | Various | ||
| Microscope cover slips (22 mm × 40 mm × 0.15 mm) | Various | ||
| Transfer pipettes | Various | ||
| Minutien pins | Fine Science Tools | 26002-10 | |
| SEM sample holder | tousimis | 8762 | |
| Scanning electron microscopy studs | TED PELLA | 16111 | |
| PELCO Tabs: Carbon adhesive | TED PELLA | 16084-3 | |
| Fluorescent Microscope | Various | ||
| Critical Point Dryer | Various | ||
| Scanning Electron Microscope | Various | ||
| Glass microscope slides | Various | ||
| Glass coverslips | Various | ||
| Kimwipe Tissue | Various | ||
| Fine Paint Brush | |||
| Reagents | |||
| 1× Phosphate buffered saline (PBS) | Gibco/Life Technologies | 10010023 | |
| Paraformaldehyde (PFA) (EM Grade Required for EM) | Various | Prepare a 4% solution in 1× PBS made fresh each time. EM Grade Required for EM. | |
| 2.5% Glutaraldehyde Grade1 | Sigma-Aldrich | G5882 | |
| Tris-HCl (pH 7.5) | Various | ||
| NaCl | Various | ||
| CaCl 2 | Various | ||
| Triton X-100 | Various | ||
| Normal Goat Serum | Various | ||
| AffiniPure Fab Fragment Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 715-007-003 | |
| Fluoromount-G Mounting media | SouthernBiotech | 0100-01 | |
| 10× Hanks’ Balanced Salt Solution (HBSS) | Gibco/Life Technologies | 14065 | |
| Hepes | Gibco/Life Technologies | 15630-080 | |
| Osmium tetroxide (OsO4 ) | Sigma-Aldrich/Fluka Analytical | 75632 | |
| Tannic acid | Sigma-Aldrich | 403040 | |
| Ethanol 200 proof | Various | ||
| Antibodies | |||
| anti Arl13b | Protein Tech | 17711-1-AP | Suggested concentration 1:1000 |
| anti acetylated tubulin (611-B1) | Sigma-Aldrich | T6793 | Suggested concentration 1:800 |
| anti gamma tubulin (GTU-88) | Sigma-Aldrich | T6557 | Suggested concentration 1:200 |
| anti Zo_1 | Invitrogen | 40-2300 | Suggested concentration 1:500 |
| Myosin VI | Proteus Biosciences | 25-6791 | Suggested concentration 1:1000 |
| Myosin VIIa | Proteus Biosciences | 25-6790 | Suggested concentration 1:1000 |
| anti Vangl2 | Merk Millipore | ABN373 | Suggested concentration 1:250 |
| anti Gαi3 | Sigma-Aldrich | G4040 | Suggested concentration 1:250 |
| Alexa Fluor® 488 Phalloidin | Invitrogen/Life Technologies | A12379 | Suggested concentration 1:300-1000 |
| Alexa Fluor® 568 Phalloidin | Invitrogen/Life Technologies | A12380 | Suggested concentration 1:300-1000 |
References
- Waters, A. M., Beales, P. L. Ciliopathies: an expanding disease spectrum. Pediatr Nephrol. 26, 1039-1056 (2011).
- May-Simera, H. L., Kelley, M. W. Cilia, Wnt signaling, and the cytoskeleton. Cilia. 1, 7 (2012).
- Ross, A. J., et al. Disruption of Bardet-Biedl syndrome ciliary proteins perturbs planar cell polarity in vertebrates. Nat Genet. 37, 1135-1140 (2005).
- Ezan, J., Montcouquiol, M. Revisiting planar cell polarity in the inner ear. Seminars in cell & developmental biology. 24, 499-506 (2013).
- Semenov, M. V., Habas, R., Macdonald, B. T., He, X. SnapShot: Noncanonical Wnt Signaling Pathways. Cell. 131, 1378 (2007).
- Wang, J., et al. Regulation of polarized extension and planar cell polarity in the cochlea by the vertebrate PCP pathway. Nat Genet. 37, 980-985 (2005).
- Montcouquiol, M., et al. Identification of Vangl2 and Scrb1 as planar polarity genes in mammals. Nature. 423, 173-177 (2003).
- May-Simera, H. L., et al. Ciliary proteins Bbs8 and Ift20 promote planar cell polarity in the cochlea. Development. 142, 555-566 (2015).
- Jones, C., et al. Ciliary proteins link basal body polarization to planar cell polarity regulation. Nat Genet. 40, 69-77 (2008).
- Lim, D. J. Functional structure of the organ of Corti: a review. Hearing research. 22, 117-146 (1986).
- Nayak, G. D., Ratnayaka, H. S., Goodyear, R. J., Richardson, G. P. Development of the hair bundle and mechanotransduction. The International journal of developmental biology. 51, 597-608 (2007).
- Denman-Johnson, K., Forge, A. Establishment of hair bundle polarity and orientation in the deveoping vestibular system of the mouse. J. Neurocytol. , 821-835 (1999).
- Sobkowicz, H. M., Slapnick, S. M., August, B. K. The kinocilium of auditory hair cells and evidence for its morphogenetic role during the regeneration of stereocilia and cuticular plates. Journal of neurocytology. 24, 633-653 (1995).
- Denman-Johnson, K., Forge, A. Establishment of hair bundle polarity and orientation in the developing vestibular system of the mouse. Journal of neurocytology. 28, 821-835 (1999).
- van Dam, T. J., et al. The SYSCILIA gold standard (SCGSv1) of known ciliary components and its applications within a systems biology consortium. Cilia. 2, 7 (2013).
- Blacque, O. E., Sanders, A. A. Compartments within a compartment: what C. elegans can tell us about ciliary subdomain composition, biogenesis, function, and disease. Organogenesis. 10, 126-137 (2014).
- Wallingford, J. B., Mitchell, B. Strange as it may seem: the many links between Wnt signaling, planar cell polarity, and cilia. Genes & development. 25, 201-213 (2011).
- Borovina, A., Ciruna, B. IFT88 plays a cilia- and PCP-independent role in controlling oriented cell divisions during vertebrate embryonic development. Cell reports. 5, 37-43 (2013).
- Huang, P., Schier, A. F. Dampened Hedgehog signaling but normal Wnt signaling in zebrafish without cilia. Development. 136, 3089-3098 (2009).
- Ocbina, P. J., Tuson, M., Anderson, K. V. Primary cilia are not required for normal canonical Wnt signaling in the mouse embryo. PloS one. 4, e6839 (2009).
- Jones, C. G. Scanning electron microscopy: preparation and imaging for SEM. Methods Mol Biol. 915, 1-20 (2012).
- Curtin, J. A., et al. Mutation of Celsr1 disrupts planar polarity of inner ear hair cells and causes severe neural tube defects in the mouse. Current biology : CB. 13, 1129-1133 (2003).
- Wang, Y., Guo, N., Nathans, J. The role of Frizzled3 and Frizzled6 in neural tube closure and in the planar polarity of inner-ear sensory hair cells. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26, 2147-2156 (2006).
- Montcouquiol, M., Jones, J. M., Sans, N. Detection of planar polarity proteins in mammalian cochlea. Methods Mol Biol. 468, 207-219 (2008).
- May-Simera, H., Kelley, M. W. Examining planar cell polarity in the mammalian cochlea. Methods Mol Biol. 839, 157-171 (2012).
- Yin, H., Copley, C. O., Goodrich, L. V., Deans, M. R. Comparison of phenotypes between different vangl2 mutants demonstrates dominant effects of the Looptail mutation during hair cell development. PloS one. 7, e31988 (2012).
- Rachel, R. A., et al. Combining Cep290 and Mkks ciliopathy alleles in mice rescues sensory defects and restores ciliogenesis. J Clin Invest. 122, 1233-1245 (2012).
- Jagger, D., et al. Alstrom Syndrome protein ALMS1 localizes to basal bodies of cochlear hair cells and regulates cilium-dependent planar cell polarity. Human molecular genetics. 20, 466-481 (2011).
- Collin, G. B., et al. The Alstrom Syndrome Protein, ALMS1, Interacts with alpha-Actinin and Components of the Endosome Recycling Pathway. PloS one. 7, e37925 (2012).
- Copley, C. O., Duncan, J. S., Liu, C., Cheng, H., Deans, M. R. Postnatal refinement of auditory hair cell planar polarity deficits occurs in the absence of Vangl2. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33, 14001-14016 (2013).
- Sorusch, N., Wunderlich, K., Bauss, K., Nagel-Wolfrum, K., Wolfrum, U. Usher syndrome protein network functions in the retina and their relation to other retinal ciliopathies. Advances in experimental medicine and biology. 801, 527-533 (2014).
- Hebert, J. M., McConnell, S. K. Targeting of cre to the Foxg1 (BF-1) locus mediates loxP recombination in the telencephalon and other developing head structures. Dev Biol. 222, 296-306 (2000).
- Willott, J. F. Chapter 8, Measurement of the auditory brainstem response (ABR) to study auditory sensitivity in mice. Current protocols in neuroscience. , Unit8 21B (2006).
- Martin, G. K., Stagner, B. B., Lonsbury-Martin, B. L., et al. Chapter 8, Assessment of cochlear function in mice: distortion-product otoacoustic emissions. Current protocols in neuroscience. , Unit8 21C (2006).
- Finetti, F., et al. Intraflagellar transport is required for polarized recycling of the TCR/CD3 complex to the immune synapse. Nature cell biology. 11, 1332-1339 (2009).
- Sedmak, T., Wolfrum, U. Intraflagellar transport molecules in ciliary and nonciliary cells of the retina. J Cell Biol. 189, 171-186 (2010).
- Yuan, S., Sun, Z. Expanding horizons: ciliary proteins reach beyond cilia. Annual review of genetics. 47, 353-376 (2013).
- Tarchini, B., Jolicoeur, C., Cayouette, M. A molecular blueprint at the apical surface establishes planar asymmetry in cochlear hair cells. Developmental cell. 27, 88-102 (2013).
- Ezan, J., et al. Primary cilium migration depends on G-protein signalling control of subapical cytoskeleton. Nature cell biology. 15, 1107-1115 (2013).
