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Este protocolo proporciona un marco experimental para documentar el impacto físico del citoesqueleto en la forma nuclear y los orgánulos internos sin membrana en el sistema de ovocitos de ratón. El marco se puede adaptar para su uso en otros tipos de células y contextos.
Un reto importante para comprender las causas de la infertilidad femenina es dilucidar los mecanismos que gobiernan el desarrollo de las células germinales femeninas, llamadas ovocitos. Su desarrollo está marcado por el crecimiento celular y las posteriores divisiones, dos fases críticas que preparan al ovocito para la fusión con los espermatozoides para iniciar la embriogénesis. Durante el crecimiento, los ovocitos reorganizan su citoplasma para posicionar el núcleo en el centro de la célula, un evento predictivo del desarrollo exitoso de los ovocitos en ratones y humanos y, por lo tanto, de su potencial embriogénico. En los ovocitos de ratón, se demostró que esta reorganización citoplasmática está impulsada por el citoesqueleto, cuya actividad genera fuerzas mecánicas que agitan, reposicionan y penetran en el núcleo. En consecuencia, esta transmisión de fuerza citoplasmática a nucleoplasmática sintoniza la dinámica de los orgánulos de procesamiento de ARN nuclear conocidos como condensados biomoleculares. Este protocolo proporciona un marco experimental para documentar, con alta resolución temporal, el impacto del citoesqueleto en el núcleo a través de escalas espaciales en ovocitos de ratón. Se detallan los pasos y herramientas de imagen y análisis de imágenes necesarias para evaluar i) la actividad citoesquelética en el citoplasma del ovocito, ii) la agitación basada en el citoesqueleto del núcleo del ovocito y iii) sus efectos sobre la dinámica del condensado biomolecular en el nucleoplasma del ovocito. Más allá de la biología de los ovocitos, los métodos elaborados aquí se pueden adaptar para su uso en células somáticas para abordar de manera similar el ajuste de la dinámica nuclear basado en citoesqueletos a través de escalas.
El posicionamiento nuclear es esencial para múltiples funciones celulares y de desarrollo 1,2,3,4,5. Las células germinales femeninas de mamíferos llamadas ovocitos remodelan su citoplasma para posicionar el núcleo en el centro de la célula a pesar de sufrir una división asimétrica en tamaño, que depende del descentrado posterior del cromosoma6 (Figura 1). Este centrado del núcleo predice el desarrollo exitoso de los ovocitos en ratones y humanos 7,8 y, por lo tanto, su potencial embriogénico (Figura 1).
La remodelación citoplasmática en ovocitos de ratón es impulsada principalmente por el citoesqueleto de actomiosina9 (Figura 2). Su actividad genera fuerzas mecánicas que agitan, reposicionan y penetran en el núcleo10 (Figura 2). En consecuencia, esta transmisión de fuerza citoplasmática a nucleoplasmática sintoniza la dinámica de los orgánulos de procesamiento de ARN mensajero nuclear llamados motas nucleares11, uno de los varios orgánulos sin membrana en el núcleo conocidos como condensados biomoleculares 12,13,14,15,16 (Figura 2).
Las imágenes en vivo han sido decisivas para descifrar las implicaciones funcionales de la agitación nuclear. Las películas de migración nuclear a lo largo de horas, así como las películas de alta resolución temporal de la malla de actina y el citoplasma a granel, contribuyeron en gran medida a la elaboración de un modelo teórico para el posicionamiento nuclear, vinculando diferentes escalas de tiempo9. Además, las películas de alta resolución temporal del citoplasma, el contorno nuclear y los componentes nucleares como la cromatina y los condensados nucleares, destacaron el papel de la agitación del núcleo basada en el citoesqueleto en el procesamiento del ARN y la expresión génica en ovocitos de ratón, uniendo diferentes escalas espacio-temporales dentro de la célula10,11. En conjunto, este enfoque de cruce de escalas basado en imágenes en vivo proporcionó la primera justificación que vincula la agitación citoesquelética del núcleo con el éxito del desarrollo de los ovocitos.
El protocolo proporciona la línea de imágenes y análisis de imágenes utilizada para estudiar la transmisión de las fuerzas citoplasmáticas (generadas principalmente por la actina F y en parte por los microtúbulos) al núcleo y sus componentes internos en los ovocitos de ratón. El resultado de estos experimentos es capturar el continuo de fuerzas a través de escalas espaciales, desde el citoesqueleto en el citoplasma hasta el interior nuclear a través de películas de alta resolución temporal, como se muestra en dos estudios recientes 10,11, que establecieron el vínculo entre los movimientos citoplasmáticos activos, las fluctuaciones del contorno nuclear, así como el movimiento y las fluctuaciones superficiales de un solo tipo de condensados biomoleculares nucleares: motas nucleares. El mismo enfoque puede aplicarse a otros sistemas modelo en los que se espera que cambien las fuerzas citoplasmáticas, como en el contexto de las células cancerosas malignas17.
Todos los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con las directrices de la Comunidad Europea y fueron aprobados por el Ministerio de Agricultura francés (autorización Nº 75-1170) y por la Dirección General de Investigación e Innovación (DGRI; Acuerdo OMG número DUO-5291). Los ratones se alojaron en el animalario en un ciclo de luz/oscuridad de 12 horas, con una temperatura ambiente de 22-24 °C y una humedad del 40%-50%. Los ratones utilizados aquí incluyen hembras OF1 (Oncins France 1, 8 a 12 semanas de edad) y hembras C57BL/6 (10 a 14 semanas de edad).
1. Recolección y preparación de ovocitos
2. Microinyección de ovocitos
NOTA: Para capturar la actividad basada en el citoesqueleto en el citoplasma, se utilizan imágenes en vivo de campo claro. Por lo tanto, no es necesaria la microinyección de marcadores fluorescentes, y el protocolo se puede reanudar en el paso 3. Para obtener imágenes del contorno nuclear, se utilizó Rango, una sonda que mostraba la etiqueta YFP en su extremo N y una etiqueta CFP en su extremo C21,22. Cuando se obtiene una imagen en ovocitos a 488 nm, marca todo el núcleo, excepto el nucléolo23, y muestra un contorno nuclear muy nítido. Para visualizar las motas nucleares, se utilizó SRSF2-GFP (NM_011358), un marcador de motas nucleares11. El mismo medio se utiliza para la recolección de ovocitos, la microinyección, la traducción complementaria de ARN y la obtención de imágenes de células vivas.
3. Obtención de imágenes de células vivas
NOTA: Los ovocitos vivos de ratón se examinaron con un microscopio confocal invertido equipado con un objetivo de inmersión en aceite Plan-APO 40x/1,25 NA, una plataforma de exploración motorizada, una cámara de incubación (37 °C), una cámara CCD acoplada a una rueda de filtros y un disco giratorio. Las imágenes de alta resolución temporal se adquieren utilizando Metamorph (en lo sucesivo, el software de imágenes) en el modo de adquisición de flujos.
4. Análisis de imágenes: Agitación citoplasmática
NOTA: La agitación citoplasmática que refleja la intensidad de la actividad citoesquelética basada en actina en los ovocitos se determina mediante análisis de correlación de imágenes utilizando un software de una publicación anterior del laboratorio9 y disponible el27. El software mide la cantidad de intensidades de píxeles que se conservan entre imágenes consecutivas. El resultado es la pérdida de correlación entre las imágenes en el tiempo, comenzando en 1 y disminuyendo exponencialmente con el tiempo, como en9.
5. Análisis de imágenes: Mapas vectoriales citoplasmáticos
NOTA: Los mapas vectoriales de citoplasma de ovocitos de ratón fueron generados por el complemento30 de espectroscopia de correlación de imágenes espaciotemporal (STICS) implementado previamente para detectar flujos citoplasmáticos en ovocitosde ratón 31 en Fiji 32 y disponible en 33. Los mapas muestran la magnitud y dirección de la velocidad del flujo citoplasmático, como en9 y11.
6. Análisis de imágenes: Fluctuaciones del contorno nuclear
NOTA: Las fluctuaciones del contorno nuclear que reflejan la agitación de la membrana nuclear pueden determinarse a partir de películas de núcleos marcados con YFP-Rango (Figura 4A, C). El análisis de imágenes para las fluctuaciones del contorno nuclear requiere Fiji y la instalación de los complementos StackReg (habilitar el sitio de actualización BIG-EPFL29 para obtener acceso al complemento StackReg), PureDenoise34 y Ovocyte_nucleus. El complemento StackReg realiza el registro de imágenes para corregir un posible movimiento global. El plugin PureDenoise elimina el ruido de las imágenes multidimensionales corrompidas por el ruido mixto de Poisson-Gaussian y suaviza el contorno nuclear. El complemento Ovocyte_nucleus umbraliza la señal y llena el agujero correspondiente al nucléolo para crear una máscara de núcleo binario, realinearla con StackRreg y calcular la distancia r desde el centroide de la máscara del núcleo hasta la circunferencia de la máscara para todos los ángulos θ (θ° de 0° a 360° en incrementos de 1°), como en la Figura 4. Todos los códigos para estos complementos se pueden encontrar en 35.
7. Análisis de imágenes: Movimientos de moteado nuclear (dinámica difusiva)
NOTA: El análisis del movimiento de las motas nucleares permite deducir el tipo de dinámica (impulsada, difusiva o confinada) de esos orgánulos a partir de sus trazas.
8. Análisis de imágenes: Fluctuaciones de la superficie de las motas nucleares
NOTA: La evolución del contorno del moteado nuclear en el tiempo, una lectura de la transmisión de fuerza activa en estos orgánulos, se midió con un complemento personalizado Radioak36 para su uso en Fiji y disponible en37. El plugin extrae los valores de los radios de una selección dada para todos los ángulos alrededor del centro de selección. La variación de la forma a lo largo del tiempo se midió comparando el valor del radio en relación con su valor promedio para cada ángulo. El plugin permite cuantificar las fluctuaciones de forma y ofrece una opción para visualizar estas dinámicas. Para instalarlo, descargue el archivo Radioak_.jar y colóquelo en la carpeta de complementos de Fiji. Reinicie Fiji. Este complemento es una versión actualizada del complemento utilizado para analizar las fluctuaciones del esquema nuclear anterior e implementar una canalización comparable.
Los paneles de imágenes de la Figura 3 muestran ejemplos de un ovocito adulto típico (Figura 3A), el nucleoplasma de un ovocito completamente desarrollado que expresa YFP-Rango (Figura 3B), el nucleoplasma de un ovocito completamente desarrollado que expresa un (panel izquierdo; Figura 3C) o un excesivo (panel derecho; Figura 3C) dosis de ARNc SRSF2-GFP, y una inmunotinci...
Los pasos clave de este protocolo incluyen la microinyección adecuada de ovocitos sin afectar su supervivencia o función normal 9,10,11, así como la microinyección de cantidades predefinidas de ARNc que permitan la correcta visualización de estructuras relevantes, como las motas nucleares.
Establecer el vínculo entre la dinámica citoplasmática y la dinámica (intra)nuclear es esencial cuando s...
Los autores declaran no tener intereses contrapuestos.
A.A.J. y M.A. co-escribieron el manuscrito y todos los co-autores comentaron sobre el manuscrito. M. A. cuenta con el apoyo del CNRS y de la "Projet Fondation ARC" (PJA2022070005322). A.A.J. cuenta con el apoyo de la Fondation des Treilles, el Fonds Saint-Michel y la Fondation du Collège de France.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | A3311 | |
CSU-X1-M1 spinning disk | Yokogawa | ||
DMI6000B microscope | Leica | ||
Femtojet microinjector | Eppendorf | ||
Fiji | |||
Filter wheel | Sutter Instruments Roper Scientific | ||
Fluorodish | World Precision Instruments | FD35-100 | |
Metamorph software | Universal Imaging, | version 7.7.9.0 | |
Mineral oil | Sigma Aldrich | M8410-1L | |
NanoDrop 2000 | Thermo Scientific | ||
OF1 and C57BL/6 mice | Charles River Laboratories | ||
Poly(A) Tailing kit | Thermo Fisher | AM1350 | |
Retiga 3 CCD camera | QImaging | ||
RNAeasy kit | Qiagen | 74104 | |
SC35 antibody | Abcam | ab11826 | Nuclear speckle antibody; mouse IgG1 anti-SRSF2/SC35 (1:400) |
SRSF2-GFP plasmid | OriGene Technologies | MG202528 | NM_011358 |
Stripper Micropipette | XLAB Solutions | specialized for oocyte collection | |
T3 mMessage mMachine | Thermo Fisher | AM1384 | |
T7 mMessage mMachine | Thermo Fisher | AM13344 | |
Thermostatic chamber | Life Imaging Service | ||
Windows Excel | Windows |
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