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Questo protocollo fornisce un quadro sperimentale per documentare l'impatto fisico del citoscheletro sulla forma nucleare e sugli organelli interni privi di membrana nel sistema ovocitario di topo. Il framework può essere adattato per l'uso in altri tipi di cellule e contesti.
Una delle principali sfide nella comprensione delle cause dell'infertilità femminile è quella di chiarire i meccanismi che regolano lo sviluppo delle cellule germinali femminili, chiamate ovociti. Il loro sviluppo è caratterizzato dalla crescita cellulare e dalle successive divisioni, due fasi critiche che preparano l'ovocita alla fusione con gli spermatozoi per avviare l'embriogenesi. Durante la crescita, gli ovociti riorganizzano il loro citoplasma per posizionare il nucleo al centro della cellula, un evento predittivo del successo dello sviluppo degli ovociti nei topi e nell'uomo e, quindi, del loro potenziale embriogenico. Negli ovociti di topo, è stato dimostrato che questa riorganizzazione citoplasmatica è guidata dal citoscheletro, la cui attività genera forze meccaniche che agitano, si riposizionano e penetrano nel nucleo. Di conseguenza, questa trasmissione di forza citoplasmatica-nucleoplasmatica sintonizza la dinamica degli organelli di elaborazione dell'RNA nucleare noti come condensati biomolecolari. Questo protocollo fornisce un quadro sperimentale per documentare, con un'elevata risoluzione temporale, l'impatto del citoscheletro sul nucleo su scale spaziali negli ovociti di topo. Descrive in dettaglio le fasi e gli strumenti di imaging e analisi delle immagini necessari per valutare i) l'attività del citoscheletro nel citoplasma dell'ovocita, ii) l'agitazione del nucleo dell'ovocita basata sul citoscheletro e iii) i suoi effetti sulla dinamica biomolecolare del condensato nel nucleoplasma dell'ovocita. Al di là della biologia degli ovociti, i metodi qui elaborati possono essere adattati per l'uso nelle cellule somatiche per affrontare in modo simile la sintonizzazione basata sul citoscheletro delle dinamiche nucleari su tutte le scale.
Il posizionamento nucleare è essenziale per molteplici funzioni cellulari e di sviluppo 1,2,3,4,5. Le cellule germinali femminili dei mammiferi chiamate ovociti rimodellano il loro citoplasma per posizionare il nucleo al centro della cellula nonostante subiscano una divisione asimmetrica delle dimensioni, che si basa sul successivo decentramento del cromosoma6 (Figura 1). Questa centratura del nucleo predice il successo dello sviluppo degli ovociti nei topi e nell'uomo 7,8 e, quindi, il loro potenziale embriogenico (Figura 1).
Il rimodellamento citoplasmatico negli ovociti di topo è guidato principalmente dal citoscheletro dell'actomiosina9 (Figura 2). La sua attività genera forze meccaniche che agitano, si riposizionano e penetrano nel nucleo10 (Figura 2). Di conseguenza, questa trasmissione di forza citoplasmatica-nucleoplasmatica sintonizza la dinamica degli organelli di elaborazione dell'RNA messaggero nucleare chiamati macchioline nucleari11, uno dei numerosi organelli senza membrana nel nucleo noti come condensati biomolecolari 12,13,14,15,16 (Figura 2).
L'imaging dal vivo è stato decisivo per decifrare le implicazioni funzionali dell'agitazione nucleare. I filmati della migrazione nucleare nel corso delle ore, così come i filmati ad alta risoluzione temporale della maglia di actina e del citoplasma di massa, hanno ampiamente contribuito all'elaborazione di un modello teorico per il posizionamento nucleare, collegando diverse scale temporali9. Inoltre, filmati ad alta risoluzione temporale del citoplasma, del profilo nucleare e dei componenti nucleari come la cromatina e i condensati nucleari, hanno evidenziato il ruolo dell'agitazione del nucleo basata sul citoscheletro sull'elaborazione dell'RNA e sull'espressione genica negli ovociti di topo, collegando diverse scale spazio-temporali all'interno della cellula10,11. Nel complesso, un tale approccio di incrocio di scala basato sull'imaging dal vivo ha fornito il primo razionale che collega l'agitazione citoscheletrica del nucleo al successo dello sviluppo degli ovociti.
Il protocollo fornisce la pipeline di imaging e analisi delle immagini utilizzata per studiare la trasmissione delle forze citoplasmatiche (generate principalmente dalla F-actina e in parte dai microtubuli) al nucleo e ai suoi componenti interni negli ovociti di topo. Il risultato di questi esperimenti è quello di catturare il continuum delle forze su scale spaziali, dal citoscheletro nel citoplasma all'interno del nucleo attraverso filmati ad alta risoluzione temporale, come mostrato in due recenti studi 10,11, che hanno stabilito il legame tra i movimenti attivi citoplasmatici, le fluttuazioni del contorno nucleare, così come il movimento e le fluttuazioni superficiali di un singolo tipo di condensati biomolecolari nucleari: macchioline nucleari. Lo stesso approccio può essere applicato ad altri sistemi modello in cui ci si aspetta che le forze citoplasmatiche cambino, come nel contesto delle cellule tumorali maligne17.
Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti in conformità con le linee guida della Comunità Europea e sono stati approvati dal Ministero dell'Agricoltura francese (autorizzazione n. 75-1170) e dalla Direction Générale de la Recherche et de l'Innovation (DGRI; DUO 5291). I topi sono stati alloggiati nella struttura per animali con un ciclo luce/buio di 12 ore, con una temperatura ambiente di 22-24 °C e un'umidità del 40%-50%. I topi utilizzati includono la femmina OF1 (Oncins France 1, da 8 a 12 settimane) e la femmina C57BL/6 (da 10 a 14 settimane).
1. Raccolta e preparazione degli ovociti
2. Microiniezione di ovociti
NOTA: Per catturare l'attività basata sul citoscheletro nel citoplasma, viene utilizzato l'imaging in tempo reale in campo chiaro. La microiniezione di marcatori fluorescenti non è quindi necessaria e il protocollo può essere ripreso dalla fase 3. Per l'immagine del contorno nucleare, è stata utilizzata Rango, una sonda che mostra il tag YFP al suo N-terminale e un tag CFP al suo C-terminale21,22. Quando viene fotografato in ovociti a 488 nm, etichetta l'intero nucleo, ad eccezione del nucleolo23, e mostra un contorno nucleare molto nitido. Per visualizzare le macchioline nucleari, è stato utilizzato SRSF2-GFP (NM_011358), un marcatore delle macchioline nucleari11. Lo stesso mezzo viene utilizzato per la raccolta degli ovociti, la microiniezione, la traduzione dell'RNA complementare e l'imaging di cellule vive.
3. Imaging di cellule vive
NOTA: Gli ovociti di topo vivi sono stati esaminati con un microscopio confocale invertito dotato di un obiettivo ad immersione in olio Plan-APO 40x/1.25 NA, un piano di scansione motorizzato, una camera di incubazione (37 °C), una telecamera CCD accoppiata a una ruota portafiltri e un disco rotante. Le immagini ad alta risoluzione temporale vengono acquisite utilizzando Metamorph (di seguito denominato software di imaging) in modalità di acquisizione del flusso.
4. Analisi dell'immagine: agitazione citoplasmatica
NOTA: L'agitazione citoplasmatica che riflette l'intensità dell'attività citoscheletrica a base di actina negli ovociti è determinata da analisi di correlazione di immagini utilizzando un software di una precedente pubblicazione del laboratorio9 e disponibile su27. Il software misura la quantità di intensità dei pixel conservata tra immagini consecutive. L'output è la perdita di correlazione tra le immagini nel tempo, a partire da 1 e decrescente esponenzialmente con il tempo, come in9.
5. Analisi delle immagini: mappe vettoriali citoplasmatiche
NOTA: Le mappe vettoriali citoplasmatiche degli ovociti di topo sono state generate dal plug-in Spatiotemporal Image Correlation Spectroscopy (STICS)30 precedentemente implementato per rilevare i flussi citoplasmatici negli ovociti di topo31 su Fiji 32 e disponibile su 33. Le mappe mostrano la velocità del flusso citoplasmatico, l'ampiezza e la direzione, come in9 e11.
6. Analisi dell'immagine: fluttuazioni del contorno nucleare
NOTA: Le fluttuazioni del contorno nucleare che riflettono l'agitazione della membrana nucleare possono essere determinate da filmati di nuclei marcati con YFP-Rango (Figura 4A,C). L'analisi delle immagini per le fluttuazioni del profilo nucleare richiede Fiji e l'installazione dei plug-in StackReg (abilitare il sito di aggiornamento BIG-EPFL29 per ottenere l'accesso al plug-in StackReg), PureDenoise34 e Ovocyte_nucleus. Il plug-in StackReg esegue la registrazione delle immagini per correggere eventuali movimenti globali. Il plugin PureDenoise rimuove il rumore delle immagini multidimensionali corrotte dal rumore misto Poisson-Gaussian e smussa il contorno nucleare. Il plugin Ovocyte_nucleus sommizza il segnale e riempie il buco corrispondente al nucleolo in modo da creare una maschera di nucleo binario, riallinearla con StackRreg e calcolare la distanza r dal baricentro della maschera del nucleo alla circonferenza della maschera per tutti gli angoli θ (θ° da 0° a 360° con incrementi di 1°), come nella Figura 4. Tutti i codici per questi plugin possono essere trovati a 35.
7. Analisi delle immagini: Movimenti di speckle nucleari (dinamica diffusiva)
NOTA: L'analisi del movimento dello speckle nucleare permette di dedurre il tipo di dinamica (guidata, diffusiva o confinata) di quegli organelli dalle loro tracce.
8. Analisi dell'immagine: fluttuazioni della superficie della macchia nucleare
NOTA: L'evoluzione del contorno della macchia nucleare nel tempo, una lettura della trasmissione della forza attiva su questi organelli, è stata misurata con un plug-in personalizzato Radioak36 per l'uso nelle Fiji e disponibile su37. Il plugin estrae i valori dei raggi di una data selezione per tutti gli angoli intorno al centro della selezione. La variazione di forma nel tempo è stata misurata confrontando il valore del raggio rispetto al suo valore medio per ciascun angolo. Il plugin permette di quantificare le fluttuazioni di forma e offre un'opzione per visualizzare queste dinamiche. Per installarlo, scarica il file Radioak_.jar e inseriscilo nella cartella plugins di Fiji. Riavvia Fiji. Questo plugin è una versione aggiornata del plugin utilizzato per analizzare le fluttuazioni del profilo nucleare di cui sopra e implementare una pipeline comparabile.
I pannelli di immagini nella Figura 3 mostrano esempi di un tipico ovocita completamente cresciuto (Figura 3A), il nucleoplasma in un ovocita completamente cresciuto che esprime YFP-Rango (Figura 3B), il nucleoplasma in un ovocita completamente cresciuto che esprime un corretto (pannello di sinistra; Figura 3C) o un eccessivo (pannello di destra; Figura 3C) dose di cRNA SRS...
I passaggi chiave di questo protocollo includono una corretta microiniezione di ovociti senza compromettere la loro sopravvivenza o la loro normale funzione 9,10,11, nonché la microiniezione di quantità predefinite di cRNA che consentirebbero la corretta visualizzazione di strutture rilevanti, come le macchioline nucleari.
Stabilire il legame tra la dinamica citoplasmatica e quella (intra)nucleare ?...
Gli autori dichiarano di non avere interessi contrastanti.
A.A.J. e M.A. hanno co-scritto il manoscritto e tutti i co-autori hanno commentato il manoscritto. M. A. è sostenuto dal CNRS e dal "Projet Fondation ARC" (PJA2022070005322).A.A.J. è sostenuto dalla Fondation des Treilles, dal Fonds Saint-Michel e dalla 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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