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Method Article
细胞内Ca +动力学是非常重要的,在精子生理学和Ca +敏感的荧光染料构成一个多功能的工具来研究它们。人口实验(荧光和停流荧光)和单细胞实验(流式细胞仪和单细胞成像)是用来跟踪时空的[Ca +]在人类精子细胞中的变化。
精子是男性生殖细胞特别设计,以达到与卵子结合,识别和融合。要执行这些任务,精子细胞必须准备好面对不断变化的环境和来克服一些物理障碍。在本质上转录和翻译默默的,这些运动细胞的深刻依赖不同的信号机制,将自己定位和定向的方式游泳,具有挑战性的环境条件,在旅途中找到鸡蛋抗衡。特别的Ca 2 +介导的信号是关键的几个精子功能:激活的运动,获能和顶体反应(胞吐的事件,使精卵融合)(一个复杂的过程,精子顶体反应准备)。使用荧光染料来跟踪该离子的细胞内波动是由于它们易于应用,灵敏度显着的重要性,和多功能性DET挠度。使用单一染料加载协议,我们使用四种不同的荧光技术监测精子的Ca 2 +的动态。每种技术都提供了不同的信息,使空间和/或时间分辨率,在单细胞和细胞种群水平产生数据。
的Ca 2 +是一种通用的第二信使,在真核细胞中的信号转导通路。细胞内钙离子(Ca 2 +的一)参与许多基本的生理过程的调节兴奋和非兴奋性细胞。的重要性和普遍性的Ca 2 +作为第二信使的信号转导过程中的事件是来自于细胞内的信息在传输及其时空通用性。虽然的Ca 2 +可以不被合成的新生或退化内的细胞,其细胞内浓度([钙2 +] i 的 )是保持非常严格的限制内通过不同的细胞机制,不断缓冲,死骨,区域化,和/或累积的Ca 2 +。在该离子的浓度的变化可以发生在高度局部化区域内的电池1,解密这种波动是必不可少的获得解EPER(1)中的作用中的信令机制,(2)的生理意义,和(3)一般的细胞信号转导机制的理解。的Ca 2 +介导的信号转导是在第2精子生理特别重要的。精子活力受精成功的最重要的功能之一,而事实上,一些精子活动力缺陷可导致不育3-5。中的Ca 2 +鞭毛运动的重要性已确认6,但是如何的Ca 2 +鞭毛弯曲控制的具体形式,该机制尚不完全清楚。
在融合与卵子结合之前,精子必须经过获能,精子内居住的女性道依赖于一个复杂的过程。能过程中,精子膜的脂质结构和组织被修改,主要是由于从细胞膜的胆固醇去除。此外,一些蛋白质酪氨酸磷7 ylated 2。重要的是,能过程,增加细胞内pH值(pH值)的[Ca 2 +] i的,并在一些物种2的超极化膜电位。能的只需在亚精子(20-40%),在所有这些细胞的变化所涉及的机制远未清楚。人们普遍接受的,只有亚能精子发生顶体反应(AR),当暴露在生理电感。也是AR的Ca 2 +施肥在所有物种中具有专门的顶体(细胞器外层和内层膜)所需的受规管活动。在此过程中的外顶体膜与精子的质膜融合,释放的水解酶,使精子细胞渗透到周围的卵透明带(ZP)的糖蛋白质的基质。 AR还公开了一个新的膜融合与精子细胞表面为最后的两个配子融合蛋质膜。有几种细胞的配体诱导的AR,孕激素之一,其中研究最多的。
在这项工作中,我们提出了四种不同的技术涉及使用的Ca 2 +敏感的荧光染料来衡量的[Ca 2 +] i的变化,孕激素引发的人精子(除了流式细胞仪,我们测量了的[Ca 2 + ] i的增加诱导在体外获能过程)。在这种特殊情况下,我们用荧光凌晨3点(生命科技,大岛,NY),膜渗透性染料的K D = 325纳米, 在体外监测荧光变化作为时间的函数有三个方法,第四技术,我们测量了在一个单一的给定时间点的荧光值。这些不同的方法,相得益彰,因为他们完全提供了空间和时间的水库辨率在单细胞和细胞种群水平。
细胞群体或散装实验
散装技术被广泛使用,不仅因为他们所需要的工具都一应俱全,而且还因为他们是简单,完善,并允许平均百万计的细胞进行测量,在一次实验中的信息。
技术#1。传统的荧光
这种技术监测的荧光变化作为时间的函数的样品体积范围从200到1,000μl的玻璃比色皿中进行实验。加入试剂时,需要适当的混合磁力搅拌,因此,获得的时间分辨率是在以秒计。典型的细胞所分析的样品的浓度范围是10 5 -10 8个细胞/ ml。
技术#2。停流荧光
Ť他的技术还监测作为时间的函数的荧光的变化,但迅速混合在一起,此试剂包含一个非常小的样品体积(从25-100微升)到记录比色皿(使用压力)。因此,均质化试剂是瞬时的,能够在毫秒级的时间分辨率高。分析所得到的荧光随时间的痕迹是适合用于确定反应速率,阐明反应机理的复杂性,常见的细胞所分析的样品的浓度范围内获得上短命的反应中间体等的信息是10 5 -10 7细胞/ ml。
单细胞实验
批量实验报告了大量的单元格的平均行为,但是,人口可能经常表现出这种类型的测量过程中不受干扰的异构属性。因此,单细胞技术用于补充日E信息的细胞群体的实验获得。
技术#3。流式细胞仪
尽管从单细胞测量的重要性,所产生的信息,重要的是要分析大量的单元格,以防止错误的推断小区固有属性的整个人口。出于这个原因,高通量技术的青睐和最常用的方法是流式细胞仪,其中10,000个细胞常规分析每个条件。此方法使不同的人群多参数分析细胞分类根据它们的大小(前向散射(FSC)),粒度(侧向散射光(SSC))和荧光强度(与抗体的特异性标记,生存能力的盯防,等) ,从而提供了参数的分布的信息的一组单元格。流式细胞仪提供即时的,而不是随时间变化的信息8。正向和侧向散射光值ARE也可用于选择一个栅极,包括细胞,但对于测量荧光,阴性和阳性荧光控制判别的细胞碎片,灰尘等也必须被包括在内。如果使用一个以上的荧光通道,这个过程被称为补偿必须执行(详见http://www.bdbiosciences.com/resources/protocols/setting_compensation.jsp )。补偿允许为光谱重叠荧光团之间的歧视。流式细胞术还允许歧视的死细胞,一般通过碘化丙啶(PI)染色。
技术#4。单细胞成像
显微镜是另一种常见的方法,研究单细胞的行为,它非常适合于随时间变化的研究,而且还提供了空间分辨率。一个主要缺点是高通量分析仅处于起步阶段,在目前的时间
在本文中,我们报道了使用上述四个技术来衡量的[Ca 2 +] i的变化在人类精子细胞。我们用孕激素引发的Ca 2 +响应,因为它是公认的,这种类固醇产生一个短暂的[的Ca 2 +] i的增加精子。特别是,在人精子,孕激素直接激活的Ca 2 +通道(即CatSper)表达于精子细胞的质膜10,11。我们还测量了休息的[Ca 2 +] i的前,后获能,它也被广泛接受,增加的[Ca 2 +] i的出现能过程。对于阳性对照的技术要求中,我们使用的Ca 2 +离子载体离子霉素诱导最大的Ca 2 +摄取进入细胞内,从而,最大荧光响应,最小荧光值,我们使用了锰2 +淬灭荧光。
1。精子样品制备水池方法(见图1)
仅使用射精样本(通过自慰获得),其特征履行世界卫生组织实验室手册(在http://whqlibdoc.who.int/publications/2010/9789241547789_eng.pdf )建立了其最新版本的参数,考试和处理人的精液。
2。荧光染料加载的Ca 2 +测量
有一些可用来测量细胞内Ca 2 +的荧光染料,根据其K d的,必须选择适当的一个,它的激发和发射波长(用于定性和定量测量,单,双的激发和发射波长分别,必须是使用)更多信息)。对于目前的定性应用程序,我们使用萤光-3 AM用K = 325纳米,细胞透性的染料,和单一发射和激发波长为506/526 nm处,分别为12。
3。技术#1。传统的荧光(大细胞人口的平均信息)
设备:对于我们的精子人口的[Ca 2 +] i的测量,我们使用Olis提供软件(博加特,GA,USA),磁力搅拌器控制(SIM AMINCO),加上蓝色LED(SLM AMINCO分光光度计丽讯星LXHL LB3C LUMILEDS)和465-505 nm的带通滤波器(色度科技股份有限公司)萤光-3 AM激发。 LED控制通过一个定制的电源(700毫安)。排放测量光通过设置发射波长525 nm的分光光度计的单色(λEM)。
4。技术#2。停止弗洛瓦特荧光(信息与高时间分辨率从大细胞群)
装备:细胞内的[Ca 2 +]的变化测量具有高时间分辨率使用一个SFM-20停流混频器耦合的MOS-200快速反应动力学的光学系统,无论是从生物科学仪器(法国格勒诺布尔)。所有的数据进行分析与生物Kine32从同一家公司的软件。
5。技术#3。流式细胞术(单细胞获得的信息从大量细胞)
设备:这种技术允许在一个单一的时间点同时测量几个参数,但与以前的技 术不同的是,它不测量随时间变化的,而是提供了测量时的参数值。因此,代替添加PG触发的响应,在这种情况下,我们测得细胞内Ca 2 +的水平,在精子细胞中诱导获能之前和之后。我们使用了FACSCanto流式细胞仪(Becton Dickinson公司)和数据进行了分析与FlowJo软件(树星9.3.3)。
6。技术#4。单细胞成像(单细胞具有高空间分辨率的信息)
我们的成像设备:定制成像设置。设置是由一个倒置的尼康DIAPHOT 300配备温度控制器(医疗系统股份有限公司,格林韦尔,NY),一个,尼康PlanApo 60X(1.4 NA油浸显微镜)目标。荧光照明提供一个LUXEON V星朗伯青色LED的一部分#LXHL-LE5C的(Lumileds照明有限责任公司,圣何塞,加利福尼亚州)连接到一个定制的频闪控制箱。在LED被安装成FlashCube40组件与二向色反射镜M40-DC400(拉普光电,汉堡,德国)(带宽:激发450-490纳米,分色镜505纳米,和发射520-560纳米)。 LED输出同步输出信号酷捕捉CCD相机通过控制箱产生一个单一的闪光持续时间为2毫秒每个曝光的曝光。相机的曝光时间设置相当于闪光持续时间(毫秒)。图像收集每250毫秒(或可根据需要调节所需的时间分辨率)使用IQ软件(安道尔生物成像,北卡罗来纳州威尔明顿)。
技术#1。传统的荧光
黄体酮是已知的AR诱导剂之一,正如所料,确实挑起瞬态[的Ca 2 +] i的增加人类精子( 如图2所示)。另外,钙离子载体(离子霉素)引起的最大的[Ca 2 +] i的增加,这不返回到基础水平。
技术#2。 Ş平顶流荧光
孕激素诱导的[Ca 2 +] i升高前(常规荧光光度法)测定,但具有更高的时间分辨率,在这种情况下,这一次收购的频率为0.1赫兹。 如图3所示,孕酮(瞬态,红色线)和伊屋诺霉素(持续,蓝线)导致一个非常快的[Ca 2 +] i的增加。孕酮诱导的[Ca 2 +] i的增加延迟的情况下直接表明孕激素激活的Ca 2 +通道CatSper,无中间信号10,14与以前的报告是一致的。
技术#3。流式细胞仪
的[Ca 2 +] i的测定人类精子产能和非产能。据此前报道,我们也观察到在小鼠15 16,牛精子与人类精子17增加[C2 +] i的产能相比,非人类精子获能。巴尔迪等人 (1991)17日报道,较高的基础的[Ca 2 +] i的产能比非人类精子获能使用传统的荧光。在这项工作中,我们用流式细胞仪测量的[Ca 2 +] i的体外获能前后。流式细胞仪,使我们看到了分布的荧光值能精子( 图4D,蓝色曲线)被转移到更高的价值相比,非能精子( 图4D,红色轨迹)。为每个单独的单元格, 如图4G中所示的二维点图中可以观察到荧光值,重要的是,可以消除产生的死细胞(约15%)的信号( 图4G,上部象限)。
技术#4。单细胞成像
孕酮诱导D [Ca 2 +的í变化是衡量在单个精子细胞。孕激素除了导致的增量中的[Ca 2 +] i的无论是在精子的头部和鞭毛。正如人口的实验中观察到,单细胞分析,揭示了瞬态和持续增加的孕激素和离子霉素。
图1。示意图实验的协议精子样品制备游泳方法。活动精子分离,并调整其浓度的主要步骤进行了说明。最后孵化步骤只获能需要时执行。
细胞内的信号是至关重要的大多数细胞活动的Ca 2 +是一个无处不在的使者,伴随着哺乳动物细胞在其整个生命周期,从他们的起源在受精时,其生命周期结束。针对不同的刺激的[Ca 2 +] i的增加,振荡和录时空编纂;因此,多元化的进程被激活,调制或终止的Ca 2 +编码的消息。细胞内Ca 2 +动力学精子生理学是非常重要的,因为这涉及离子的信号转导过程中在一个复杂...
我们什么都没有透露。
作者感谢何塞·路易斯·德德拉维加,埃里卡Melchy和木村拓哉西垣博士的技术援助。这项工作得到全国理事会全国西恩西亚ŸTECNOLOGIA(国家科学技术委员会墨西哥)(99333和128566 CT);局一般事务德尔个人Académico/国立大学自治墨西哥(IN202212-CT)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ham's F-10 | Sigma-Aldrich | N-6013 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A-7906 | |
Calcium Chloride Dihydrate approx. 99% | Sigma-Aldrich | C-3881 | |
Makler Counting Chamber | SEFI Medical Insruments LTD | SEF-MAKL | |
Fluo-3 AM | Invitrogen | F-1242 | 20 vials/50 μg each |
Ionomycin | Alomone | I-700 | |
Progesterone | Sigma-Aldrich | P0130 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S-9888 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P-3911 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Sodium bicarbonate | JT Baker | 3506 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M-2670 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Calcium chloride anhydrous | Sigma-Aldrich | C-1016 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
HEPES | Sigma-Aldrich | H-3125 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
D-Glucose | JT Baker | 1906-01 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | P-2256 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Sodium L-lactate (aprox. 99%) | Sigma-Aldrich | L- 7022 | Reagents for human sperm medium (HSM) |
Propidium Iodide | Invitrogen | L-7011 | Component B |
Triton X-100 (t-Octylphenoxypolyethoxyethanol) | Sigma- Aldrich | X-100 | 2.4 mM solution in water |
Round coverslip | VWR | 48380 080 | 25 mm diameter |
Poly-L-lysine solution | Sigma-Aldrich | P8920 | |
Manganese chloride | Sigma-Aldrich | M-3634 | |
Attofluor; Cell Chamber, for microscopy | Life technologies | A-7816 | |
Dimethyl Sulphoxide | Sigma-Aldrich | D2650 | 5x5 ml |
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