Här presenterar vi protokoll för uppfödning en medel bakterie skalbagge, rävänger (D. maculatus) i labbet. Vi delar också protokoll för embryonal och föräldra RNAi och metoder för att analysera embryonala fenotyper för att studera geners funktion i denna art.
Advances in genomics have raised the possibility of probing biodiversity at an unprecedented scale. However, sequence alone will not be informative without tools to study gene function. The development and sharing of detailed protocols for the establishment of new model systems in laboratories, and for tools to carry out functional studies, is thus crucial for leveraging the power of genomics. Coleoptera (beetles) are the largest clade of insects and occupy virtually all types of habitats on the planet. In addition to providing ideal models for fundamental research, studies of beetles can have impacts on pest control as they are often pests of households, agriculture, and food industries. Detailed protocols for rearing and maintenance of D. maculatus laboratory colonies and for carrying out dsRNA-mediated interference in D. maculatus are presented. Both embryonic and parental RNAi procedures-including apparatus set up, preparation, injection, and post-injection recovery-are described. Methods are also presented for analyzing embryonic phenotypes, including viability, patterning defects in hatched larvae, and cuticle preparations for unhatched larvae. These assays, together with in situ hybridization and immunostaining for molecular markers, make D. maculatus an accessible model system for basic and applied research. They further provide useful information for establishing procedures in other emerging insect model systems.
1998, Fire och Mello rapporterade att dubbelsträngat RNA (dsRNA) kan inducera hämning av geners funktion i Caenorhabditis elegans 1. Detta utlöses av dsRNA utsågs RNA-interferens (RNAi), och sådana RNAi-medierad geners uttryck rapporterades bevaras i djur, växter och svampar 2-7. I växter och vissa djur, RNAi fungerar systemiskt, vilket innebär att effekten kan spridas till andra celler / vävnader där dsRNA inte är direkt införs (granskade i 8-10). Forskarna har använt sig av detta endogena cellulära RNAi svar genom att utforma dsRNAs att rikta gener av intresse, och därmed slog ner geners funktion utan direkt manipulering av genomet (ses över 11-14).
RNAi är ett kraftfullt verktyg för funktionella studier på grund av följande fördelar. Först, även med minimal gensekvens information en gen kan riktas med hjälp av RNAi. Detta är särskilt viktigt för studies icke-modellorganismer som saknar iska eller transcriptomic data. För det andra, i organismer där RNAi svaret är robust systemisk, RNAi-medierad gen knockdown kan utföras på nästan alla utvecklingsstadiet. Denna funktion är mycket användbar för att studera funktionen av pleiotropa gener. För det tredje, i vissa fall, RNAi effekter spridit sig till könskörtlarna och avkomma, så att fenotyper observerades hos avkomman 15,16. Detta fenomen, som kallas föräldra RNAi (pRNAi), är speciellt fördelaktig för gener som påverkar embryonal utveckling, lika många avkommor som produceras av en enda injiceras förälder kan undersökas utan direkt manipulering av ägg. Av dessa skäl är pRNAi metoden för val. Men om pRNAi är ineffektiv, exempelvis för gener som krävs för oogenes, då embryonala RNAi (eRNAi) måste användas. För det fjärde kan RNAi användas för att generera motsvarande en allelisk serie i att mängden av dsRNA levereras kan varieras över ett område för att producera svaga till starka defekter. En sådan gradering av fenotyper kan vara till hjälp för att förstå genfunktion när genen är involverad i en komplex process och / eller fullständig förlust av funktion är livsfarlig. Femte, är leverans av dsRNA i allmänhet lätt och genomförbart, i synnerhet i djur som visar robusta system RNAi svar. dsRNA kan införas genom mikroinjektion 1,5, utfodring / förtäring 17,18, blötläggning, 19,20 och virus / bakterie-medierad leverans 21,22. Sjätte, till skillnad från vissa genmålsökning / redigering metoder, finns det ingen anledning att screena för organismer som bär mutationen eller att utföra genetiska korsningar för att generera homozygoter vid användning av RNAi. Därför, jämfört med många andra tekniker för att studera geners funktion, är RNAi snabb, billig, och kan användas för storskaliga skärmar 23-25.
Den breda användbarheten av RNAi ger medel för att utföra funktionella studier i ett brett spektrum av organismer, öka antalet arter som finns för studier beyond traditionella modellsystem för vilka genetiska verktyg har utvecklats. Till exempel studier med icke-modellsystem som krävs för att ge insikter i utvecklingen av gener och genprodukter nätverk genom att jämföra funktioner ortologer från arter som representerar olika utvecklingslägen eller uppvisar tydliga morfologiska funktioner 26-29. Dessa typer av undersökningar kommer att ge en bättre förståelse för den biologiska mångfalden, med konsekvenser för både tillämpad forskning och grundforskning.
Är den största djurgrupp på planeten, insekter ger en stor möjlighet att utforska mekanismerna bakom mångfalden. Dessutom, insekter är i allmänhet små, har korta livscykler, hög fruktsamhet, och är lätta att bak i labbet. Under de senaste två decennierna har RNAi med framgång använts i insekter spänner över order, inklusive Diptera (sanna flugor) 5, Lepidoptera (fjärilar och mal) 30, Coleoptera (skalbaggar) 16,31, Hymenoptera (sawflögner, getingar, myror och bin) 32, Hemiptera (skinnbaggar), Isoptera (termiter) 34, Blattodea (kackerlackor) 35, Orthoptera (syrsor, gräshoppor, gräshoppor och katydids) 36 och Phthiraptera (löss) 37. Framgångsrik tillämpning av RNAi har gett funktionella data för studier av mönstring i början av embryogenes (främre-bakre axeln 32, dorsal-ventral axel 28, segmente 26,38), könsbestämning 39,40, kitin / nagelband biosyntesen 41, ekdyson signalering 42, socialt beteende 43, och mer. RNAi metoder som utvecklats för olika insektsarter kan vara av ytterligare fördel i att de sannolikt kommer att vara till nytta för skadedjursbekämpning (översikt i 44-46). RNAi effekterna blir genspecifika liksom artspecifika, så länge som icke-konserverade regioner väljs för inriktning. För nyttiga insektsarter som honungsbin och silkesmaskar, riktar gener avgörande för överlevnaden avvirus eller parasiter för att kontrollera infektion kan ge en ny strategi för att skydda dessa arter 47,48.
Rävänger (D. maculatus), allmänt namn dölja skalbagge, distribueras över hela världen utom Antarktis. Som en holometabolous insekt, innefattar D. maculatus livscykel embryonala, larver, pupal, och vuxenstadier (Figur 1). Eftersom det livnär sig på kött, är D. maculatus används i museer att skeletonize döda djur och rättsmedicinska entomologer kan använda den för att uppskatta tidpunkten för dödsfallet 49,50. D. maculatus livnär sig på djur, inklusive kadaver, torkat kött, ost och puppor / kokonger av andra insekter och orsakar därmed skada hushåll, lagras mat och silke, ost och kött industrin 51,52. Tillämpa RNAi i detta skalbagge kan ge ett effektivt och miljövänligt sätt att minimera dess ekonomiska effekter. Vårt laboratorium har använt D. maculatus som en ny mOdel insekt att studera segmente 53. Förutom att vara mottagliga för lab uppfödning, är D. maculatus av intresse för grundforskning, eftersom det är en medel bakterie utvecklare, vilket gör det till ett användbart art att studera övergången mellan kort och lång groddar utveckling.
Figur 1: Life Cycle D. maculatus. Fotografier av D. maculatus vid olika livsstadier, såsom anges. Livscykeln från ägg till vuxen tar tre veckor vid 30 ° C men längre vid lägre temperaturer. (A, F) nylagda embryon är vita till ljusgula och ovala, ca 1,5 mm i längd. Embryogenes sker ~ 55 h vid 30 ° C. (B, C och G) Larver har mörka pigmenterade ränder och är täckta med hårkanten. Larver gå igenom flera instars beroende på miljön och deras längd kan sträcka sig upp till över 1 cm. (D, H) </strong> Young puppor är ljusgula. Förpuppning tar ~ 5 – 7 dagar vid 30 ° C. (E, I) Strax efter eclosion verkar mörk pigmentering över den vuxna skalbaggen kroppen. Vuxna kan leva upp till flera månader och en hona kan lägga hundratals embryon över hennes livstid. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tidigare visade vi att RNAi är effektiv i att knacka ner geners funktion i D. maculatus 53. Här vår erfarenhet uppfödning D. maculatus kolonier i laboratoriet delas tillsammans med steg-för-steg-protokoll för både embryonala och föräldra RNAi set-up, injektion, efter injektion vård och fenotypisk analys. DsRNA-förmedlade gen knockdown och analysmetoder som införts här inte bara ge detaljerad information för att ta itu med frågor i D. maculatus, men också ha potentiell betydelse for tillämpa RNAi i andra icke-modell skalbagge / insektsarter.
Medan ett litet antal avancerade modellsystem (möss, flugor, maskar) utvecklades under 20-talet, har 21-talet sett en våg av nya djursystem utvecklas i laboratorier över hela världen. Dessa nya system kan forskare att ta itu med jämförande, evolutionära frågor som inte kan sonde endast med hjälp av de "vanliga" modellsystem. Denna utbyggnad av nya modeller kräver den snabba utvecklingen av metoder för labb odling gen identifiering och funktionella metoder i nya arter. Här har …
The authors have nothing to disclose.
We thank Drs. Alison Heffer and Yong Lu for setting up the microinjection apparatus and sharing their invaluable knowledge and experience with insect RNAi. This work was supported by the National Institutes of Health (R01GM113230 to L.P.).
Dermestes maculatus live beetles | Our lab or Carolina Biological Supply | #144168 | Our lab strain was verified by COI barcoding; strain variation from Carolina cannot be ruled out |
Wet cat food | Fancy Feast | Chunks of meat with gravy. Can buy at most pet food and grocery stores | |
Dry dog food | Purina Puppy Chow | Can buy at most pet food and grocery stores | |
Insect cage (size medium, 30.5x19x20.3 cm) | Exo Terra | PT2260 | For colony maintenance. Can use larger cage if needed |
Insect cage (size mini, 17.8×10.2×12.7 cm) | Exo Terra | PT2250 | For embryo collection |
Petri dish | VWR | 89038-968 | |
Cotton ball | Fisher | 22-456-883 | |
Megascript T7 transcription kit | Fisher | AM1334 | For 40 reactions |
Pneumatic pump | WPI | PV830 | |
Capillary holder | WPI | ||
Micromanipulator | NARISHIGE | MN-151 | |
Black filter paper (90 mm) | VWR | 28342-010 | |
Food coloring (green) | McCormick | ||
Borosilicate glass capillary | Hilgenberg | 1406119 | |
Needle puller (micropipette puller) | Sutter Instrument Co. | P-97 | |
Microscope glass slide | WorldWide Life Sciences Division | 41351157 | |
Sealing film (Parafilm M) | Fisher | 13-374-12 | |
Model 801 Syringe (10 µl ) | Hamilton | 7642-01 | |
Needle (32-gauge) | Hamilton | 7762-05 | |
Fixation Solution (Pampel's) | BioQuip Products, Inc. | 1184C | Toxic, needs to be handled in fume hood |
Forcep (DUMONT #5) | Fine Science Tools | 11252-30 | |
Cover slip (24X50 mm, No. 1.5) | Globe Scientific | 1415-15 | |
Eppendorf Femtotips Microloader pipette tip | Fisher | E5242956003 | |
Dissecting microscopy for embryo injection | Leica | M420 | |
Dissecting microscopy for larval phenotypic visualization | Zeiss | SteREO Discover. V12 | |
DIC microscopy | Zeiss | AXIO Imager. M1 |