Method Article
ここでは、通常の発達過程を妨げずにゼブラフィッシュの胚のサイズを小さくする方法について述べる。この手法により、サイズ変更に対するパターンのスケーリングと開発の堅牢性の検討が可能になります。
発達過程において、胚は体のサイズに自分の体のパターンを一致させる顕著な能力を示す。それらの体の割合は、特定の限界内で、より大きいか、またはより小さい胚においてさえ維持される。このスケーリングの現象は1世紀以上にわたって注目されてきたが、様々なサイズの胚における発達力学の量的記述不足のために、根底にあるメカニズムを理解することは限定的であった。このような制約を克服するため、ゼブラフィッシュの胚のサイズを外科的に減少させる新しい手法を開発し、生体内ライブイメージングに大きな利点を持っています。我々は、別のステップで胞胚段階で細胞および卵黄を平衡除去した後、胚が適切な条件下で迅速に回復し、より小さいがそれ以外の場合は正常な胚に成長することを実証する。この技術は特別な装置を必要としないので、それは容易に適応可能であり、morphogen によって媒介されるパターン化の強さを含むスケールの問題の広い範囲を研究するのに使用することができる。
科学者たちは、胚の大きさは、自然と実験的な条件1,2,3の下で大きく異なるが、一定の体の割合を形成する顕著な能力を持っていることを長い間知られています。数十年にわたる理論的および実験的研究にもかかわらず、このようなサイズ変動に対する頑健性は、スケーリングと呼ばれ、多くの組織や器官においてその根底にあるメカニズムは未知のままである。現像システムのダイナミクスを直接捕捉するために、ゼブラフィッシュ4において再現性がありかつ単純なサイズ低減技術を確立し、これは生体内ライブ撮像5において大きな利点を有する。
ゼブラフィッシュは、発生生物学を含む生物学の複数の学問分野を研究するためのモデル脊椎動物として役立ってきた。特に、ゼブラフィッシュは生体内ライブ撮像6にとって理想的であるので 1) 開発は母と卵殻の外で正常に進行でき、そして 2) 胚は透明である。さらに、胚は、それらが実験室条件で研究されることを可能にするいくつかの温度および環境変動に耐えることができる。また、モルホリノや mRNA 注入7,8による従来の遺伝子発現摂動に加え、近年の CRISPR/Cas9 技術の進歩により、ゼブラフィッシュにおける逆遺伝学が極めて効率的な9となっている。さらに、細胞移植または組織手術などの発生学における多くの古典的技術を、4、10、11に適用することができる。
サイズ低減技術は、両生類および他の非脊椎動物12で元々開発された。例えば、アフリカツメガエルガエルにおいて、他の一般的な脊椎動物モデルでは、胞胚段階で動物植物軸に沿って公知は、サイズ減少した胚12,13を作り出すことができる。しかし、私たちの手の中でこのワンステップのアプローチは、dorsalized または ventralized の胚が不均一に分布しており、胚の形態からの局在を知ることができないためであると考えられます。ここでは、通常発達しているがより小さな胚を生成するゼブラフィッシュのための代替の2段階のチョッピング技術を示す。この技術によって、細胞は最初に動物の極から、オーガナイザーの活動に欠けているナイーブな細胞の領域から取り除かれます。Epiboly とその後の形態形成に重要な卵黄と細胞の量のバランスをとるために、卵黄を除去する。ここでは、このプロトコルについて詳しく説明し、パターン形成におけるサイズ不変性の2つの例を示します。somite 形成と腹部神経管のパターニング。定量的イメージングと組み合わせることで、サイズ低減技術を利用して、体節と神経管のサイズが減少した胚のサイズにどのように影響するかを調べました。
すべての魚関連の手続きは、ハーバード大学医学部の制度的動物ケアと使用委員会 (IACUC) の承認を得て行われました。
1. ツールと試薬の準備
2. ゼブラフィッシュ胚の外科的サイズ低減のための準備
3. 外科サイズの減少および回復
4. ゼブラフィッシュ Somitogenesis のライブイメージング
5. 神経管パターニングのイメージング
卵黄体積減少は、通常の形態にとって重要である
最近述べたように Almuedo-カスティージョ et al.17において、胚のサイズ減少は卵黄体積を減少させることなく達成することができる。卵黄体積減少と比較するために、我々は2段階のチョッピング (胞胚と卵黄の両方) と胞胚のみのチョッピング (図 2と補足ムービー 1) の両方を行いました。2段階の細断された胚は、発達段階全体にわたって、サイズ差以外のコントロール (dechorionation のみ) 胚に比べて一見正常な全体的形態を示した (図 2の上部および中央パネルを参照)。一方、胞胚のみの細断胚は、特に初期の段階で特異な形態を示した。Epiboly の間、胚は狭窄し、インデントされた外観を有していた (図2の epiboly% 70 の下側パネルを参照)。次の somite 段階では、中線構造が平坦であることが見出された (すなわち DV 長は ML 長よりも比較的短い) 多くの軸レベルで (図 2の下部パネルを参照してください8と 20 somite).後期段階において、卵黄に隣接する身体構造、例えばミッドおよび後脳、および最初〜10体節は、依然として比較的平坦な形状を示し、おそらく比較的大きな卵黄からの張力の増加に起因する。
Somite サイズ縮小胚のサイズ減少
体節は、胚発生中に一過性に現れ、椎骨および骨格筋を生じさせる部分的な構造である。Presomitic 中胚葉 (PSM) から、体節は、定期的に前方から後方向に1つずつ形成される (例えばゼブラフィッシュの場合は25分、マウスの場合は 2 h) (図 3a)。我々は、コントロールと細断された胚の両方の somite 形成のタイムラプス撮影を行い、最も新しく形成した体節のサイズを測定した (図 3B)。胚の制御とみじん切りの両方において、後の段階で形成された体節のサイズは、初期の段階からのものと比較してより小さいことが見出された。また、somite 形成段階を通して、細断された胚は、対照胚におけるものよりも体節が小さかった (図 3C)。
神経管の高さは次のサイズの減少減少する
胚のサイズ減少が神経管サイズに及ぼす影響を確認するために、 mCherry注入胚に対して2段階のチョッピング技術を実施し、共焦点イメージングシステム (図 4A、B) を用いて20台の hpf で脊髄を画像化しました。このデータセットでは、ニューラルチューブの高さを 12.4% ± 3.2% 減少させた後、カスタム画像解析コード (図 4C) を用いて手動で測定した。まとめると、これらのデータは、サイズの減少が神経管の高さを減少させることを示している。この技術は、ニューラルパターニングにおけるサイズ減少の効果を測定するために使用することができる。
図 1: サイズ縮小技術。細胞の約 30%-40% が動物の棒 (上のパネル) から切られた。卵黄を取り囲んでいる膜は、卵黄がみなぎっ (中央のパネル) になるように注意深く傷つけられました。次の数分の間、卵黄がみなぎっし、次に blastoderm と卵黄の両方の傷が治った (下のパネル)。スケールバー = 200 μ mこの図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: サイズ削減の2つの方法の比較。コントロールの胚 (トップパネル, 24 hpf のトップ胚と 30 hpf), サイズは、2段階のチョッピング (胞胚と卵黄, ミドルパネル, 24 hpf のための中間胚と 30 hpf) とサイズが減少した胚胞胚のみのチョッピング (下のパネル, 下の胚24 hpf と 30 hpf) 開発段階に沿って比較されます。なお、胞胚のみの細断された胚では、blastoderm 体積は卵黄に比べてはるかに小さい (70% epiboly)。結果として、胚は、somite 段階で不釣合いに平坦化した形状を有する (すなわち、DV 軸は、胞胚のみの細断された胚における AP 軸と比較して比較的短く、コントロールまたは2段階のチョップド 1) に比較した。スケール ba = 200 μ mこの図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: サイズ削減体節の長さ。(A) somite 形成の概略図。(B) 時間の経過とともに制御および細断した胚の明視野画像。黄色の矢印は、各 somite 段階で最も新しく形成された somite を示す。(C) コントロールと刻んだ胚の両方のための時間をかけての Somite の長さ (前後方軸) の測定値。誤差バーは標準偏差を表します。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: サイズの減少は神経管の高さを減らす。(A-B)正常サイズの画像例 (A) およびサイズ減少 (B) tg (ptch2: かえで)の胚を、mem − mCherry mRNA を用いて単一細胞段階で注入した。スケールバー = 20 μ m(C) 各 z スタック内の神経管の手動セグメンテーションから抽出された神経管高さ。非対 t 検定 (p = 0.0397) を使用して値を比較すると、統計的に有意な差が平均神経の高さで観察されます。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足動画 1: 2 段階のチョッピングと胞胚のみのチョッピングの比較。上段 = 制御胚、中央行 = 2 つのステップチョップでサイズを減少させた胚は、最下行 = サイズが胞胚でのみ減少した胚をチョッピングする。映画は12時間ごとに3分ごとに撮影しました。スケールバー = 1 mm。こちらをクリックして、この動画をご覧ください。(右クリックしてダウンロードします。
歴史的に、脊椎動物のうち、サイズの減少は、主に両生類の胚を使用して行われており、植物軸に沿って胚を胞胚段階12で bisecting することによっている。しかし、カエルとゼブラフィッシュの胚の間には、胚を二分すると2つの違いがある。まず、ゼブラフィッシュの胚が bisecting (胞胚ステージ) に寛容になった段階で、オーガナイザーは胞胚マージン18、19、20、21の制限区域に位置しています。オーガナイザーの位置を胚の形態から伝えることができないので、動物-植物軸に沿って胚をランダムに切断すると、dorsalized または ventralized 胚が生成される。第2は、カエルの胚とは異なり、ゼブラフィッシュの胚は epiboly と呼ばれるプロセスを通過し、細胞は細胞に完全に囲まれるまで、分離された卵黄の周りに植物に向かって移動します。Blastoderm の一部のみが除去された場合、比較的大きな体積の卵黄を巻き込むために残っている細胞が少なくなり、その結果、形態は epiboly 後に影響を受けるように見える。したがって、私たちは、blastulae の近くで、オーガナイザーを切断し、卵黄膜を傷つけ、胞胚に比例した卵黄サイズを作る2段階のチョッピングを採用しています。
2段階のチョッピングに加えて、手術後の胚の回復にはサイズ縮小手術が行われる培地が重要であることがわかった。私たちが試したいくつかのメディアの中で (卵水、卵水 + アルブミン、Danieau バッファー、L15、L15 + FBS、1/3x リンガー、1x リンガー)、わずか 1/3x リンガーと1x リンガーは、高い生存率を得ました。他の培地では、胚は創傷から回復することができなかった。
低生存率のための重要なトラブルシューティングのヒントは、健康で若い親の魚から健康的な胚を使用することです。我々は、対照の非サイズ減少胚がほぼ 100% の生存率を示す場合でさえ、サイズが減少したとき、古い魚からの胚は、より低い生存率を示す傾向があることに留意した。また、サイズ減少がモルホリノ注入などの追加の摂動と組み合わされると、生存率が低下する傾向があることに注意してください。
ここに記載されているサイズ削減技術のシンプルさは、研究者が特殊な機器や集中的なトレーニングなしでこの技術を適用することができます。さらに、サイズ減少した胚は、開発の後の段階まで小さいままであるので (彼らが食べ始めると、そのサイズはコントロール魚に追いつくと思われる)、この技術は、多くの組織および器官のスケーリングを研究するために適用することができる。したがって、この技術は、生体イメージングにおけるサイズ縮小と定量を組み合わせて、様々なシステムのスケーリングおよびサイズ制御を研究することを可能にする。
著者は、競合または金銭的利益を宣言しません。
この研究は、日本科学技術振興機構 (JPMJPR11AA) と国立衛生研究所 (R01GM107733) の PRESTO 事業によって支援された。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
60 mm PYREX Petri dish | CORNING | 3160-60 | |
Agarose | affymetrix | 75817 | For making a mount for live imaging |
Agarose, low gelling temperature Type VII-A | SIGMA-ALDRICH | A0701-25G | |
CaCl2 | EMD | CX0130-1 | For 1/3 Ringer's solution |
CaSO4 | For egg water | ||
Cover slip (25 mm x 25 mm, Thickness 1) | CORNING | 2845-25 | |
Disposable Spatula | VWR | 80081-188 | |
Foam board | ELMER'S | 951300 | For microscope incubator |
Forcept (No 55) | FST | 11255-20 | |
Glass pipette | VWR | 14673-043 | |
HEPES | SIGMA Life Science | H4034 | For 1/3 Ringer's solution |
INCUKIT XL for Cabinet Incubators | INCUBATOR Warehouse.com | For microscope incubator | |
Instant sea salt | Instant Ocean | 138510 | For egg water |
KCl | SIGMA-ALDRICH | P4504 | For 1/3 Ringer's solution |
Methyl cellulose | SIGMA-ALDRICH | M0387-100G | |
NaCl | SIGMA-ALDRICH | S7653 | For 1/3 Ringer's solution |
Petri dish | Falcon | 351029 | For making a mount for live imaging |
Phenol red | SIGMA Life Science | P0290 | |
Pipette pump | BEL-ART PRODUCTS | F37898 | |
Pronase | EMD Millipore Corp | 53702-250KU | |
Tricaine-S (MS222) | WESTERN CHEMICAL INC | NC0135573 | |
Ultra thin bright annealed 316L dia. 0.035 mm Stainless Steel Weaving Wires | Sandra | The wire we used was obtained ~20 years ago and we could not find exactly the same one. This product has the same material and diameter as the one we use. |
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