Se presenta un protocolo optimizado que permite el agotamiento de los centros organizadores de microtúbulos citoplasmáticos en ovocitos de ratón durante la metafase I utilizando un láser de femtosegundo de infrarrojo cercano.
La fidelidad de la meiosis ovocitaria es crítica para generar óvulos euploides competentes para el desarrollo. En los mamíferos, el ovocito sufre un largo paro en la profase I de la primera división meiótica. Después de la pubertad y tras la reanudación meiótica, la membrana nuclear se desmonta (ruptura de la envoltura nuclear), y el huso se ensambla principalmente en el centro de los ovocitos. El posicionamiento inicial del huso central es esencial para proteger contra las uniones anormales de cinetocoro-microtúbulos (MT) y la aneuploidía. El huso colocado centralmente migra de una manera sensible al tiempo hacia la corteza, y este es un proceso necesario para extruir un pequeño cuerpo polar. En las células mitóticas, el posicionamiento del huso se basa en la interacción entre las MT astrales mediadas por el centrosoma y la corteza celular. Por el contrario, los ovocitos de ratón carecen de centrosomas clásicos y, en cambio, contienen numerosos centros organizadores de MT acentriolares (MTOC). En la etapa de metafase I, los ovocitos de ratón tienen dos conjuntos diferentes de MTOC: (1) MTOC que se agrupan y clasifican para ensamblar polos del huso (MTOC polares) y (2) MTOC citoplasmáticos de metafase (mcMTOC) que permanecen en el citoplasma y no contribuyen directamente a la formación del huso, pero desempeñan un papel crucial en la regulación del posicionamiento del huso y la migración oportuna del huso. Aquí, se describe un método de ablación con láser multifotón para agotar selectivamente los mcMTOC marcados endógenamente en ovocitos recolectados de ratones reporteros Cep192-eGfp . Este método contribuye a la comprensión de los mecanismos moleculares subyacentes al posicionamiento y la migración del huso en ovocitos de mamíferos.
Los gametos haploides (espermatozoides y ovocitos) se producen a través de la meiosis, que implica una ronda de replicación del ADN seguida de dos divisiones consecutivas que son necesarias para la reducción del número de cromosomas antes de la fertilización. En los mamíferos, durante la vida fetal temprana, el ovocito sufre un paro prolongado (hasta la pubertad) en la etapa diploteno de la profase I de la primera división meiótica, una etapa llamada etapa de vesícula germinal (GV). Después de la reanudación meiótica, el ovocito GV sufre una ruptura de la envoltura nuclear (NEBD), y el huso se ensambla principalmente en el centro ovocitario 1,2,3. Más tarde, impulsado por la actina F, el huso migra de manera oportuna desde el centro del ovocito a la corteza para asegurar una división altamente asimétrica, lo que resulta en un huevo con un pequeño cuerpo polar (PB)4,5,6.
En las células mitóticas, los centrosomas consisten en un par de centriolos rodeados por componentes de material pericentriolar (PMC), como pericentrina, γ-tubulina, Cep152 y Cep1927. Estos centrosomas que contienen centriolo contribuyen a la fidelidad de la formación del huso bipolar8. Sin embargo, los centriolos se pierden durante la ovogénesis temprana en varias especies, incluidos los roedores9. Por lo tanto, los ovocitos de ratón adoptan una vía de ensamblaje del huso independiente del centríolo utilizando numerosos centros organizadores de microtúbulos acentriolares (MT) (MTOC)9,10. Tras la reanudación meiótica, los MTOC perinucleares experimentan tres pasos distintos de recondensación, estiramiento y fragmentación en un gran número de MTOC más pequeños11,12. Los MTOC fragmentados se agrupan y ordenan para organizar un huso bipolar10,13,14. Otro grupo de MTOC se encuentra en el citoplasma durante NEBD. Algunos de estos MTOC citoplasmáticos migran y forman polos fusiformes (MTOCs polares, pMTOCs)10,11. Recientemente, se descubrió otro subconjunto de MTOCs citoplasmáticos, denominados MTOCs citoplasmáticos metafásicos (mcMTOCs), que no contribuyen a la formación del polo fusiforme pero permanecen en el citoplasma ovocitario durante la metafase I (Met I)15. El agotamiento de los mcMTOC por ablación con láser multifotón o el aumento anormal de su número por inhibición de la autofagia perturba el posicionamiento y la migración del huso y aumenta la incidencia de aneuploidía en ovocitos metafase II15.
Curiosamente, los mcMTOC difieren de los pMTOC en muchos aspectos15. Por ejemplo, a diferencia de los pMTOC, que se originan principalmente en los MTOC perinucleares, los mcMTOC se originan en la corteza ovocitaria. Cuando el husillo todavía está en el centro del ovocito, los mcMTOC se localizan asimétricamente opuestos al lado al que migra el husillo para la extrusión de PB15. Las MT de tipo astral no pueden alcanzar la corteza en la célula de ovocitos relativamente grande. Por lo tanto, estos mcMTOC nuclean MT para anclar el huso (a través de MTOC astrales) a la corteza. Estos hallazgos sugieren un modelo en el que la fuerza MT nucleada por mcMTOC contrarresta la fuerza mediada por la actina F que impulsa la migración del huso hacia la corteza. El equilibrio entre estas dos fuerzas opuestas es esencial para regular el posicionamiento del husillo central y la migración oportuna del husillo15.
Hasta la fecha, todas las proteínas PMC examinadas (pericentrina, g-tubulina, Cep192 y Aurora quinasa A) se localizan en ambos grupos MTOC: mcMTOCs y pMTOCs15. Por lo tanto, no existe un enfoque químico o genético para perturbar selectivamente los mcMTOC sin perturbar los pMTOC. Estas limitaciones se pueden eludir dirigiéndose selectivamente a los mcMTOC con ablación láser. Entre las tecnologías basadas en láser desarrolladas para la microablación, los láseres de femtosegundo multifotón pulsados muestran un gran potencial debido a su impacto de precisión limitado al plano focal, la alta profundidad de penetración de la luz infrarroja cercana y la reducción de la fototoxicidad y el daño térmico a la célula16,17,18. Este trabajo describe un enfoque selectivo para extirpar mcMTOCs en ovocitos de ratón utilizando un láser multifotón acoplado a un microscopio invertido.
Todos los métodos descritos aquí fueron aprobados por la Universidad de Missouri (Animal Care Quality Assurance Ref. Number 9695). En el presente estudio se utilizaron ratones hembra reporteros Cep192-eGFP de 6 a 8 semanas de edad. Para generar ratones reporteros Cep192-eGFP , se utilizó la reparación dirigida por homología mediada por CRISPR / Cas9 para integrar el gen reportero EGFP en el genoma del ratón CF-1. El reportero del EGFP se fusionó en el extremo C del CEP192 (un componente integral de los MTOC)15. Para mantener la colonia de ratones, se utilizaron ratones reporteros homocigotos Cep192-eGfp . Todos los animales se mantuvieron en jaulas (hasta cuatro animales/jaula) a 21 °C y 55% de humedad, con un ciclo de luz/oscuridad de 12 h y acceso ad libitum a alimentos y agua.
1. Recolección de ovocitos de ratón
2. Microinyección de ovocitos
3. Maduración de los ovocitos
4. Preparación de ovocitos para ablación e imagen
5. Preparación del microscopio para la ablación
6. Ablación de mcMTOCs
La ablación con láser multifotón proporciona un método eficiente para extirpar selectivamente las estructuras intracelulares. El estudio actual empleó la ablación con láser multifotón para agotar los mcMTOC en ovocitos de ratón de forma selectiva. La ablación con láser agotó los mcMTOC de manera eficiente, como lo demuestra la reducción de la fluorescencia endógena de GFP en los mcMTOC específicos a un nivel comparable al de fondo. El mCh-Cep192 exógeno en los mcMTOC específicos también se abolió después de la ablación con láser. La ablación con láser de los mcMTOC debe realizarse en diferentes planos focales dentro del ovocito (donde se encuentran los mcMTOC, Figura 2) para garantizar que todos los mcMTOC dentro del ovocito se agoten (Figura 3).
Figura 1: Microinyección de ovocitos. Microinyección de un ovocito de ratón detenido en profase I con ARNc mCh-Cep192 . Barra de escala: 10 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Agotamiento de mcMTOCs en ovocitos de ratón. Imágenes representativas de planos focales individuales. Los cuadrados blancos indican un mcMTOC antes y después de la ablación con láser multifotón. Barra de escala: 40 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Agotamiento de mcMTOCs en diferentes planos focales en un ovocito de ratón. Imágenes representativas de máxima proyección de un ovocito de ratón ablacionado por mcMTOC. Barra de escala: 20 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo complementario 1: Composiciones de Chatot, Ziomek y Bavister (CZB) y medio esencial mínimo libre de bicarbonato (MEM/PVP). Haga clic aquí para descargar este archivo.
Existen diferentes métodos para perturbar las estructuras relacionadas con el citoesqueleto dentro de las células22,23,24,25. Sin embargo, encontrar técnicas eficientes para perturbar selectivamente la estructura objetivo sin comprometer la viabilidad celular es un desafío. El método de ablación con láser multifotón presentado aquí es una estrategia eficiente para inducir una perturbación mecánica selectiva a los mcMTOCs dentro del ovocito sin alterar la viabilidad del ovocito.
La ablación con láser se ha utilizado ampliamente para comprender los mecanismos moleculares que controlan la segregación cromosómica durante la mitosis y la meiosis22,23,26,27. Debido al tamaño relativamente grande (>80 mm de diámetro) de los ovocitos de mamíferos en comparación con las células somáticas28, la ablación de sus estructuras intracelulares representa un desafío. Además, el volumen promedio de mcMTOC en ovocitos en metafase I es ~ 20 μm15, lo que representa un desafío adicional. Se debe adoptar un método eficiente que ofrezca una penetración más profunda del tejido para superar estos desafíos. La principal ventaja de utilizar el láser multifotón para la ablación es su capacidad para penetrar más profundamente en la célula y minimizar los efectos fuera del objetivo29.
Para verificar la eficacia y eficiencia del método de ablación láser para agotar la estructura objetivo, se recomienda utilizar una proteína marcada fluorescentemente para identificar la estructura objetivo a lo largo del tiempo (antes y después de la ablación)23. Es importante notar que la ablación con láser agota todo el mcMTOC como estructura, y aunque los mcMTOC más pequeños requieren solo una exposición al láser para agotarse, los mcMTOC más grandes pueden requerir más de una exposición al láser en diferentes planos focales. También se recomienda fijar e inmunomarcar un subconjunto de ovocitos control y ablacionados con mcMTOC con un marcador MTOC (como γ-tubulina, pericentrina o Cep192) para confirmar aún más la eficiencia de la ablación de mcMTOC. En los ovocitos de control, las áreas del citoplasma adyacentes pero que no se superponen con los mcMTOC estarán expuestas al láser.
Este experimento requiere varias ablaciones de mcMTOC mientras se mueve entre diferentes planos focales dentro de los ovocitos. Por lo tanto, es muy recomendable practicar esta técnica varias veces antes de ejecutar el experimento para minimizar el tiempo del experimento, aumentando así la viabilidad de los ovocitos. Además, es importante utilizar la potencia mínima del láser que sea suficiente para agotar los mcMTOC sin afectar la viabilidad de los ovocitos.
Esta técnica tiene algunas limitaciones. En primer lugar, los microscopios confocales multifotónicos son relativamente más caros que los microscopios confocales regulares. En segundo lugar, perturbar todos los mcMTOC en diferentes planos focales requiere más tiempo que las perturbaciones químicas o genéticas. En tercer lugar, este protocolo requiere habilidades técnicas para extirpar todos los mcMTOC en el menor tiempo posible. Sin embargo, una vez dominado, el uso del láser multifotón proporciona una excelente estrategia para perturbar varias estructuras intracelulares en ovocitos de ratón, incluidos los mcMTOC, contribuyendo a la comprensión de los mecanismos moleculares que regulan el posicionamiento del huso y su migración oportuna en ovocitos de mamíferos.
Los autores declaran que no hay intereses contrapuestos.
Los autores desean agradecer a todos los miembros del laboratorio Balboula por su valiosa ayuda y discusiones. Los autores agradecen a Melina Schuh por compartir amablemente la construcción mCherry-Cep192. Este estudio fue apoyado por R35GM142537 (NIGMS, NIH) a AZB.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4 IN thinwall GL 1.0 OD/.75 ID | World precision instrument | TW100F-4 | Injection needles |
Borosilicate glass | Fisherbrand | Cat# 13-678-20D | |
Borosilicate glass capillarities | World Precision Instrument | Cat# TW100-6 | Holding needles |
Bovine serum albumine | MilliporeSigma | Cat# A4503 | |
Cage incubator for Leica DMI6000 B microscope | Life Imaging Services GmbH | ||
Calcium chlrode dihydrate | MilliporeSigma | Cat# C7902 | |
CO2 controller | Pecon | # 0506.000 | |
CO2 Cover HP | Pecon | # 0506.020 | |
DL-Lactic acid | MilliporeSigma | Cat# L7900 | |
DMi8 | Leica | N/A | Microscope |
EDTA | MilliporeSigma | Cat# E5134 | |
Femtojet 4i | Eppendorf | N/A | Microinjector |
Femtotips Microloader | Fisher scientific | E5242956003 | |
Gentamicin | MilliporeSigma | Cat# G1272 | |
Gentamycin | MilliporeSigma | Cat# 1272 | |
Glass bottom dish | Mat Tek Corporation | Cat# P35G-1.0-20-C | |
Hepes | MilliporeSigma | Cat# H3784 | |
Hepes Sodium Salt | MilliporeSigma | Cat # H3784 | |
Hera Cell vios 160i | Thermo | N/A | CO2 incubator |
Leica TCP SP8 spectral laser scanning confocal micorscope with inverted stand DMI6000 B | Leica Microsystems, Inc | N/A | |
L-Glutamine | MilliporeSigma | Cat#G8540 | |
Magnesium sulfate dihydrate | MilliporeSigma | Cat# M7774 | |
MaiTai DeepSee Ti-Sapphire femtosecond laser | Spectra-Physics | N/A | |
mCH-Cep192 cRNA | N/A | ||
Medium Essential Medium Eagle - MEM | MilliporeSigma | Cat #M0258 | |
Milrinone | MilliporeSigma | Cat# M4659 | |
Mineral oil | MilliporeSigma | Cat# M5310 | |
Minimum essential medium eagle (MEM) | MilliporeSigma | Cat# M0268 - 1L | |
Mouse: Cep192-eGFP reporter CF-1 | N/A | ||
Petri dish (100 mm) | Fisherbrand | Cat# FB0875712 | |
Petri dish (35 mm) | Corning | Cat# 430165 | |
Petri dish (60 mm) | Falcon | Cat# 351007 | |
Phenol Red | MilliporeSigma | Cat# P5530 | |
Polyvinylpyrolidone | MilliporeSigma | Cat# P2307 | |
Polyvinylpyrolidone (PVP) | MilliporeSigma | Cat# P2307 | |
Potassium chloride | MilliporeSigma | Cat# P5405 | |
Potassium phosphate monobasic | MilliporeSigma | Cat# P5655 | |
Pregnant mare´s serum gonadotropin | Lee BioSolutions | Cat# 493-10-10 | |
Pyruvic acid | MilliporeSigma | Cat# P4562 | |
Pyruvic acid | MilliporeSigma | Cat# P4562 | |
Sewing needles | D.M.C | N/A | N° 5 * 16 Needles |
Sodium bicarbonate | MilliporeSigma | Cat# S5761 | |
Sodium chloride | MilliporeSigma | Cat# S5886 | |
Stage-top heating insert P | Pecon | # 0426.300 | |
Sterezoom S9i | Leica | N/A | Stereomicroscope |
Syringe 1 mL | BD company | Cat# 309597 | |
Taurine | MilliporeSigma | Cat# T0625 | |
Temperature controller Tempcontrol 37-2 digital | Pecon | # 0503.000 | |
The Cube temperature controller for the cage incubator | Life Imaging Services GmbH |
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