Nuovi parametri per caratterizzare embrionale Allungamento del nematode<em> Caenorhabditis elegans</em
Summary
Here we detail protocols specifically designed to monitor morphogenic defects that occur during early and late phases of embryonic elongation of the nematode Caenorhabditis elegans. Ultimately, these protocols are designed to identify genes that regulate these phases and to characterize their differential requirements along the antero-posterior axis of the embryo.
Abstract
Dissecting the signaling pathways that control the alteration of morphogenic processes during embryonic development requires robust and sensitive metrics. Embryonic elongation of the nematode Caenorhabditis elegans is a late developmental stage consisting of the elongation of the embryo along its longitudinal axis. This developmental stage is controlled by intercellular communication between hypodermal cells and underlying body-wall muscles. These signaling mechanisms control the morphology of hypodermal cells by remodeling the cytoskeleton and the cell-cell junctions. Measurement of embryonic lethality and developmental arrest at larval stages as well as alteration of cytoskeleton and cell-cell adhesion structures in hypodermal and muscle cells are classical phenotypes that have been used for more than 25 years to dissect these signaling pathways. Recent studies required the development of novel metrics specifically targeting either early or late elongation and characterizing morphogenic defects along the antero-posterior axis of the embryo. Here, we provide detailed protocols enabling the accurate measurement of the length and the width of the elongating embryos as well as the length of synchronized larvae. These methods constitute useful tools to identify genes controlling elongation, to assess whether these genes control both early and late phases of this stage and are required evenly along the antero-posterior axis of the embryo.
Introduction
Per quasi 50 anni nematode Caenorhabditis elegans si è affermata come un potente modello per studiare le questioni importanti in fase di sviluppo, neurobiologia, l'evoluzione, interazioni ospite-patogeno, ecc 1 Il punto di forza di questo modello per lo studio dello sviluppo risiede nella: suo ciclo di vita breve di 3 giorni; la facilità con cui questi animali possono essere geneticamente modificate; la trasparenza che permette l'osservazione di spostamento e la morfologia cellulare in animali viventi e il suo sviluppo che è prevalentemente extra-uterina. Le fasi di sviluppo del nematode coinvolgono embriogenesi e quattro stadi larvali (da L1 a L4), seguito da adulta. Durante lo sviluppo embrionale, epidermica morfogenesi attirato considerevole attenzione per la sua capacità di consentire una migliore comprensione di come epiteliali cellule migrano come gruppo, come si riorganizzano loro giunzioni e modificare la loro morfologia individuale così come il posizionamento corrispondenti entro un epitelio funzionale.Epidermal morfogenesi è diviso in quattro fasi: intercalazione dorsale che consiste nella riorganizzazione delle cellule epidermiche dorsale, indicato come l'ipoderma; recinzione ventrale, che consiste nella migrazione delle cellule ipodermici ventrale verso la linea mediana ventrale incassa quindi l'embrione in un monostrato di cellule epiteliali; all'inizio e alla fine l'allungamento trasformare l'embrione a forma di fagiolo in larve vermiforme. A seguito di morfogenesi, portello di embrione e L1 larve iniziano a nutrire utilizzando batteri disponibili nel loro ambiente immediato.
allungamento embrionale è quindi una fase tardiva dello sviluppo embrionale. Consiste dell'estensione dell'embrione lungo il suo asse longitudinale ed una riduzione del suo diametro trasversale. Ciò comporta una modificazione drammatica della forma delle cellule ipodermici. Allungamento è diviso in una prima e una fase tardiva. La prima fase inizia nella fase virgola e si conclude quando i muscoli del corpo a parete iniziano a contrarre in fase di 1,75 volte in wILD-type (WT) embrioni – corrispondente a embrioni che sono 1,75 volte di lunghezza rispetto agli embrioni non allungata. Processi morfogenetici che si verificano in quella fase sono trainate principalmente dalla contrazione dei fasci filamentosi di actina (FB) situati al polo apicale delle cellule ipodermici che guidano il loro allungamento lungo l'asse antero-posteriore dell'embrione 2. Contrazione di FB è il controllo da fosforilazione delle catene della miosina-luce da tre chinasi LET-502 / rock, MRCK-1 e PAK-1 5. La fase tardiva del allungamento, inizia quando i muscoli del corpo a parete diventano funzionali e iniziare amministrazione. Si tratta di segnalazione meccanotrasduzione dai muscoli del corpo a parete alle cellule dorsali e ventrali ipodermici e termina quando gli animali si schiudono 3.
difetti di allungamento sono generalmente caratterizzati dalla percentuale di animali che muoiono come embrioni (letalità embrionale, Emb) e quelli arrestare il loro sviluppo come larve L1 (larvale fenotipo arresto; Lva) e di essere significativamente più breve di peso. L'identificazione della fase di arresto dello sviluppo richiede osservazione al microscopio di embrioni morti e arrestato larve 3-6.
E 'stato recentemente dimostrato che diversi geni, come ad esempio il / regolatore di Cdc42 Rac e effettori pix-1 e pak-1, il controllo dei processi morfogenetici sia in fase precoce e tardiva di allungamento 3,7. Abbiamo anche recentemente dimostrato che i processi morfogenetici differiscono lungo l'asse antero-posteriore degli embrioni durante la prima allungamento 3 7. Questi risultati motivato lo sviluppo di nuove metriche rivolte specificamente alle fasi di allungamento presto o tardi e altri parametri che consentono la caratterizzazione della morfologia degli embrioni lungo il loro asse antero-posteriore durante l'allungamento presto.
Questi nuovi metodi consistono nel misurare la lunghezza di embrioni all'inizio e alla fine dell'allungamento precoce e la larghezza della loro luiannunci e le code. 7 due protocolli sono stati sviluppati anche per misurare la lunghezza delle larve appena schiusi, sincronizzati in fase L1 7.
I gusci di uova di embrioni li proteggono trattamento ipoclorito alcalino mentre larve, adulti e batteri presenti nei mezzi di coltura vengono sciolti dal trattamento. Questo trattamento viene poi utilizzato per purificare embrioni da una popolazione non sincronizzato contenente una maggioranza degli adulti ben nutriti 8. restrizione alimentare viene utilizzato per sincronizzare le larve neonate. Misurare la lunghezza di queste larve viene quindi utilizzato per rilevare difetti di allungamento. Questa misurazione è preferibile rispetto alla misura di larve catturato su piastre di coltura a causa larve che si schiudono da non interamente embrioni allungati può recuperare a "lunghezza normale" durante l'alimentazione ma mantenere la loro ridotta dimensione quando arrestato in assenza di cibo.
Qui, presentiamo protocolli dettagliati che consentono la misurazione del length di allungamento embrioni così come la larghezza della loro testa e la coda utilizzando time-lapse DIC microscopia e analisi di immagine (protocollo 1). Forniamo anche protocolli dettagliati per misurare la lunghezza delle larve sincronizzata utilizzando l'analisi dell'immagine (protocollo 2) e citometria a flusso (protocollo 3).
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo descrive nuove metriche per caratterizzare presto e fasi tardive di allungamento embrionale.
Nella sezione 1, il punto critico è la potenziale presenza di batteri sul pad. Gli embrioni sono ermeticamente racchiusi tra il pad e il vetrino durante l'acquisizione dell'immagine. Sigillatura la slitta è necessario per evitare l'essiccamento degli animali durante l'acquisizione che dura più di due ore. A nostra conoscenza, nessuno dei sigillanti usati per monta…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by grants from the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada and The Canada Foundation for Innovation. Thanks to Dr Paul Mains (University of Calgary, Calgary, Canada) for let-502(sb118ts) strain. Some of the strains were provided by the Caenorhabditis Genetics Center, which is funded by NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440).
Materials
| Agar | BioShop | AGR001.500 | |
| Agarose | Bioshop | AGA001.500 | |
| CaCl2 (calcium chloride) | Bio Basic Inc. | CT1330 | |
| Cholesterol | Sigma-aldrich | C8667 | |
| cleaning solution | union Biometrica | 300-5072-000 | |
| glass coverslips | Fisherbrand | 12-542B | |
| glass slides | Fisherbrand | 12-552-3 | |
| high fluorescent control particles | union Biometrica | 310-5071-001 | |
| K2HPO4 (potassium phosphate, dibasic) | Bio Basic Inc. | PB0447 | |
| KH2PO4 (potassium phosphate, monobasic) | Bio Basic Inc. | PB0445 | |
| MgSO4 (magnesium sulfate) | Sigma-aldrich | 230391 | |
| Na2HPO4( sodium phosphate, dibasic) | Bio Basic Inc. | SDB0487 | |
| NaCl (sodium chloride) | Bio Basic Inc. | DB0483 | |
| Pebeo Drawing Gum 45ml | pébéo | PDG033000 | any art/craft store |
| Peptone | BioShop | PEP403.500 | |
| Sheath buffer | union Biometrica | 300-5070-100 | |
| COPAS Biosort | union Biometrica |
References
- Corsi, A. K., Wightman, B., Chalfie, M. A Transparent Window into Biology: A Primer on Caenorhabditis elegans. Genetics. 200, 387-407 (2015).
- Priess, J. R., Hirsh, D. I. Caenorhabditis elegans morphogenesis: the role of the cytoskeleton in elongation of the embryo. Developmental biology. 117, 156-173 (1986).
- Zhang, H., et al. A tension-induced mechanotransduction pathway promotes epithelial morphogenesis. Nature. 471, 99-103 (2011).
- Diogon, M., et al. The RhoGAP RGA-2 and LET-502/ROCK achieve a balance of actomyosin-dependent forces in C. elegans epidermis to control morphogenesis. Development. 134, 2469-2479 (2007).
- Gally, C., et al. Myosin II regulation during C. elegans embryonic elongation: LET-502/ROCK, MRCK-1 and PAK-1, three kinases with different roles. Development. 136, 3109-3119 (2009).
- Piekny, A. J., Wissmann, A., Mains, P. E. Embryonic morphogenesis in Caenorhabditis elegans integrates the activity of LET-502 Rho-binding kinase, MEL-11 myosin phosphatase, DAF-2 insulin receptor and FEM-2 PP2c phosphatase. Genetics. 156, 1671-1689 (2000).
- Martin, E., et al. pix-1 controls early elongation in parallel with mel-11 and let-502 in Caenorhabditis elegans. PloS one. 9, e94684 (2014).
- Sulston, J., Hodgkin, J., Wood, W. B. . Methods. , 587-606 (1988).
- Andersen, E. C., et al. A Powerful New Quantitative Genetics Platform, Combining Caenorhabditis elegans High-Throughput Fitness Assays with a Large Collection of Recombinant Strains. G3 (Bethesda). 5, 911-920 (2015).
- Boulier, E. L., Jenna, S. Genetic dissection of Caenorhabditis elegans embryogenesis using RNA interference and flow cytometry. Methods Mol Biol. 550, 181-194 (2009).
- Verster, A. J., Ramani, A. K., McKay, S. J., Fraser, A. G. Comparative RNAi screens in C. elegans and C. briggsae reveal the impact of developmental system drift on gene function. PLoS genetics. 10, e1004077 (2014).
- Ramani, A. K., et al. The majority of animal genes are required for wild-type fitness. Cell. 148, 792-802 (2012).
- So, S., Miyahara, K., Ohshima, Y. Control of body size in C. elegans dependent on food and insulin/IGF-1 signal. Genes to cells : devoted to molecular & cellular mechanisms. 16, 639-651 (2011).
- Dineen, A., Gaudet, J. TGF-beta signaling can act from multiple tissues to regulate C. elegans body size. BMC developmental biology. 14, 43 (2014).
- Tan, L., Wang, S., Wang, Y., He, M., Liu, D. Bisphenol A exposure accelerated the aging process in the nematode Caenorhabditis elegans. Toxicology letters. 235, 75-83 (2015).
- Yu, Z., Yin, D., Deng, H. The combinational effects between sulfonamides and metals on nematode Caenorhabditis elegans. Ecotoxicology and environmental safety. 111, 66-71 (2015).
