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근적외선 펨토초 레이저를 사용하여 중기 I 동안 마우스 난 모세포에서 세포질 미세 소관 조직 중심의 고갈을 가능하게하는 최적화 된 프로토콜이 제시됩니다.
난 모세포 감수 분열의 충실도는 발달 적으로 유능한 유배체 알을 생성하는 데 중요합니다. 포유류에서 난 모세포는 첫 번째 감수 분열의 I 단계에서 긴 정지를 겪습니다. 사춘기 이후와 감수 분열이 재개되면 핵막이 분해되고 (핵 외피 파괴) 스핀들은 주로 난 모세포 중심에서 조립됩니다. 초기 중앙 스핀들 위치는 비정상적인 키네토코어-미세소관(MT) 부착물 및 이수성으로부터 보호하는 데 필수적입니다. 중앙에 위치한 스핀들은 시간에 민감한 방식으로 피질쪽으로 이동하며, 이는 작은 극체를 압출하는 데 필요한 과정입니다. 유사분열 세포에서 스핀들 위치는 중심체 매개 아스트랄 MT와 세포 피질 사이의 상호 작용에 의존합니다. 반대로, 마우스 난 모세포는 고전적인 중심체가 부족하고 대신 수많은 중심 MT 조직 센터 (MTOC)를 포함합니다. 중기 I 단계에서 마우스 난 모세포는 두 가지 다른 MTOC 세트를 가지고 있습니다 : (1) 스핀들 폴 (극성 MTOC)을 조립하기 위해 클러스터링되고 분류 된 MTOC와 (2) 세포질에 남아 있고 스핀들 형성에 직접 기여하지는 않지만 스핀들 위치 및시기 적절한 스핀들 이동을 조절하는 데 중요한 역할을하는 중기 세포질 MTOC (mcMTOC). 여기서, Cep192-eGfp 리포터 마우스로부터 수집된 난모세포에서 내인성으로 표지된 mcMTOCs를 선택적으로 고갈시키기 위한 다광자 레이저 절제 방법이 설명된다. 이 방법은 포유류 난 모세포에서 스핀들 위치 및 이동의 기초가되는 분자 메커니즘의 이해에 기여합니다.
반수체 배우자 (정자 및 난 모세포)는 감수 분열을 통해 생성되며, 이는 수정 전에 염색체 수 감소에 필요한 두 번의 DNA 복제 후 두 번의 연속 분열을 수반합니다. 포유류에서 초기 태아 생활 동안 난 모세포는 첫 번째 감수 분열의 전상 I의 디 플로 텐 단계 인 발아 소포 (GV) 단계에서 긴 정지 (사춘기까지)를 겪습니다. 감수 분열 재개 후, GV 난 모세포는 핵 외피 파괴 (NEBD)를 거치고, 스핀들은 주로 난 모세포 중심 1,2,3에서 조립된다. 나중에 F- 액틴에 의해 구동되는 스핀들은 난 모세포 중심에서 피질로 적시에 이동하여 고도로 비대칭 인 분열을 보장하여 작은 극체 (PB)4,5,6을 가진 알을 만듭니다.
유사분열 세포에서, 중심체는 페리센트린, γ-튜불린, Cep152 및 Cep1927과 같은 중심주위 물질 성분(PMC)에 의해 둘러싸인 한 쌍의 중심체로 구성된다. 이러한 중심체 함유 중심체는 양극성 스핀들 형성의 충실도에 기여합니다8. 그러나 중심소체는 설치류9를 포함한 다양한 종에서 초기 난자 생성 동안 손실됩니다. 따라서 마우스 난모세포는 수많은 중심체 미세소관(MT) 조직 센터(MTOC)를 사용하여 중심심 독립적 방추 조립 경로를 채택합니다9,10. 감수 분열이 재개되면, 핵 주위 MTOC는 많은 수의 더 작은 MTOC로 재 응축, 스트레칭 및 단편화의 세 가지 뚜렷한 단계를 거친다. 그런 다음 조각화된 MTOC를 클러스터링하고 정렬하여 양극성 스핀들10,13,14를 구성합니다. MTOC의 또 다른 풀은 NEBD 동안 세포질에 위치합니다. 이러한 세포질 MTOC 중 일부는 이동하여 스핀들 극(극성 MTOC, pMTOC)을 형성합니다.10,11. 최근에, 방추 극 형성에 기여하지 않지만 중기 I (Met I) 동안 난 모세포 세포질에 남아있는 중기 세포질 MTOC (mcMTOC)라고 불리는 세포질 MTOC의 또 다른 하위 집합이 발견되었습니다.15. 다광자 레이저 제거에 의해 mcMTOC를 고갈시키거나 자가포식 억제에 의해 이들의 수를 비정상적으로 증가시키면 스핀들 위치 지정 및 이동이 교란되고 중기 II 난모세포에서 이수성 발생률이 증가합니다15.
흥미롭게도 mcMTOC는 여러 측면에서 pMTOC와 다릅니다15. 예를 들어, 주로 핵 주위 MTOC에서 유래하는 pMTOC와 달리 mcMTOC는 난 모세포 피질에서 유래합니다. 스핀들이 여전히 난모세포 중심에 있을 때, mcMTOC는 PB 압출(15)을 위해 스핀들이 이동하는 측면에 비대칭적으로 반대 방향으로 국한된다. 아스트랄 유사 MT는 상대적으로 큰 난 모세포 세포의 피질에 도달 할 수 없습니다. 따라서 이러한 mcMTOC는 MT를 핵으로 만들어 스핀들 (아스트랄 유사 MTOC를 통해 )을 피질에 고정시킵니다. 이러한 발견은 mcMTOC 핵 MT 힘이 피질쪽으로 스핀들 이동을 유도하는 F- 액틴 매개 힘을 상쇄하는 모델을 시사합니다. 이 두 가지 반대되는 힘 사이의 균형은 중앙 스핀들 위치 지정과 시기 적절한 스핀들 이동(15)을 조절하는 데 필수적입니다.
현재까지 검사된 모든 PMC 단백질(페리센트린, g-튜불린, Cep192 및 오로라 키나아제 A)은 mcMTOC 및 pMTOC15의 두 MTOC 풀에 국한됩니다. 따라서 pMTOC를 교란하지 않고 mcMTOC를 선택적으로 교란시키는 화학적 또는 유전적 접근은 없습니다. 이러한 제한은 레이저 제거로 mcMTOC를 선택적으로 표적으로 삼음으로써 피할 수 있습니다. 미세 제거를 위해 개발 된 레이저 기반 기술 중 펄스 다광자 펨토초 레이저는 초점면에 국한된 정밀 충격, 근적외선의 높은 침투 깊이, 세포16,17,18에 대한 광독성 및 열 손상 감소로 인해 큰 잠재력을 보여줍니다. 이 연구는 도립 현미경에 결합 된 다중 광자 레이저를 사용하여 마우스 난 모세포에서 mcMTOC를 제거하는 선택적 접근법을 설명합니다.
여기에 설명 된 모든 방법은 미주리 대학교 (동물 관리 품질 보증 참조 번호 9695)의 승인을 받았습니다. Cep192-eGFP 리포터 6-8주령의 암컷 마우스를 본 연구에 사용하였다. Cep192-eGFP 리포터 마우스를 생성하기 위해, CRISPR/Cas9-매개 상동성-지향 복구를 사용하여 EGFP 리포터 유전자를 CF-1 마우스 게놈 내로 통합하였다. EGFP 리포터는 Cep192(MTOC의 필수 구성 요소)15의 C-말단에서 융합되었습니다. 마우스 콜로니를 유지하기 위해, 동형접합체 Cep192-eGfp 리포터 마우스를 사용하였다. 모든 동물은 21 ° C 및 55 % 습도의 케이지 (최대 4 마리 동물 / 케이지)에서 유지되었으며, 12 시간의 명암 사이클과 음식과 물에 대한 자유로운 접근이 이루어졌습니다.
1. 마우스 난모세포 수집
2. 난모세포 미세주입
3. 난모세포 성숙
4. 절제 및 영상화를 위한 난모세포 제제
5. 절제를위한 현미경 준비
6. mcMTOC의 제거
다광자 레이저 절제는 세포 내 구조를 선택적으로 제거하는 효율적인 방법을 제공합니다. 현재 연구는 마우스 난 모세포에서 mcMTOC를 선택적으로 고갈시키기 위해 다광자 레이저 제거를 사용했습니다. 레이저 제거는 표적 mcMTOC의 내인성 GFP 형광이 배경과 유사한 수준으로 감소하는 것으로 나타난 바와 같이 mcMTOC를 효율적으로 고갈시켰습니다. 표적 mcMTOC의 외인성 mCh-Cep192도 레이저 절제 후 폐지되었습니다. mcMTOC의 레이저 제거는 난모세포 내의 모든 mcMTOC가 고갈되도록 난모세포 내의 다른 초점면(mcMTOC가 있는 곳, 그림 2)에서 수행해야 합니다(그림 3).
그림 1: 난모세포 미세 주입. mCh-Cep192 cRNA를 갖는 전상 I- 체포 마우스 난 모세포의 미세 주입. 스케일 바: 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 마우스 난모세포에서 mcMTOC의 고갈. 단일 초점면의 대표 이미지. 흰색 사각형은 다광자 레이저 제거 전후의 mcMTOC를 나타냅니다. 스케일 바: 40 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 마우스 난모세포의 다른 초점면에서 mcMTOC의 고갈. mcMTOC 절제 마우스 난모세포의 대표적인 최대 투영 이미지. 스케일 바: 20 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1 : Chatot, Ziomek 및 Bavister (CZB) 및 중탄산염이없는 최소 필수 배지 (MEM / PVP)의 조성물. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
세포내의 세포골격-관련 구조를 교란시키는 상이한 방법들이 존재한다 22,23,24,25. 그러나 세포 생존력을 손상시키지 않고 표적 구조를 선택적으로 교란시키는 효율적인 기술을 찾는 것은 어려운 일입니다. 여기에 제시된 다광자 레이저 절제 방법은 난모세포 생존력을 변경하지 않고 난모세포 내의 mcMTOC에 선택적 기계적 섭동을 유도하는 효율적인 전략입니다.
레이저 절제는 유사분열 및 감수 분열 22,23,26,27 동안 염색체 분리를 제어하는 분자 메커니즘을 이해하는 데 광범위하게 사용되었습니다. 체세포(28)에 비해 상대적으로 큰 크기(직경 >80mm)로 인해 포유동물 난모세포(28)의 세포 내 구조의 절제는 도전을 나타냅니다. 더욱이, 중기 I 난모세포의 평균 mcMTOC 부피는 ~20μm15이며, 이는 추가적인 도전을 나타낸다. 이러한 문제를 극복하기 위해 더 깊은 조직 침투를 제공하는 효율적인 방법을 채택해야 합니다. 절제를 위해 다광자 레이저를 사용하는 주요 이점은 오프 타겟 효과(29)를 최소화하면서 세포 깊숙이 도달 할 수있는 능력이다.
표적 구조를 고갈시키는 레이저 절제 방법의 효능과 효율성을 검증하려면 형광 표지 단백질을 사용하여 시간이 지남에 따라(절제 전후) 표적 구조를 식별하는 것이 좋습니다23. 레이저 제거는 구조로서 전체 mcMTOC를 고갈시키며, 더 작은 mcMTOC는 단일 레이저 노출만 고갈시키면 되지만 더 큰 mcMTOC는 다른 초점면에서 둘 이상의 레이저 노출이 필요할 수 있습니다. 또한 mcMTOC 절제의 효율성을 추가로 확인하기 위해 MTOC 마커(예: γ-튜불린, 페리센트린 또는 Cep192)를 사용하여 대조군 및 mcMTOC 절제 난모세포의 하위 집합을 고정하고 면역 표지하는 것이 좋습니다. 대조 난 모세포에서 mcMTOC에 인접하지만 겹치지 않는 세포질 영역이 레이저에 노출됩니다.
이 실험은 난 모세포 내의 다른 초점면 사이를 이동하는 동안 여러 mcMTOC 제거가 필요합니다. 따라서 실험 시간을 최소화하여 난모세포 생존력을 높이기 위해 실험을 실행하기 전에 이 기술을 여러 번 연습하는 것이 좋습니다. 또한, 난모세포 생존력에 영향을 미치지 않으면서 mcMTOC를 고갈시키기에 충분한 최소 레이저 출력을 사용하는 것이 중요합니다.
이 기술에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 첫째, 다광자 컨포칼 현미경은 일반 컨포칼 현미경보다 상대적으로 비쌉니다. 둘째, 서로 다른 초점면에서 모든 mcMTOC를 교란하는 것은 화학적 또는 유전적 섭동보다 시간이 많이 걸립니다. 셋째, 이 프로토콜은 가능한 한 최단 시간에 모든 mcMTOC를 제거할 수 있는 기술적 기술이 필요합니다. 그러나 일단 숙달되면 다광자 레이저의 사용은 mcMTOC를 포함한 마우스 난 모세포의 여러 세포 내 구조를 교란시키는 훌륭한 전략을 제공하여 스핀들 위치를 조절하는 분자 메커니즘과 포유류 난 모세포에서의 적시 이동에 대한 이해에 기여합니다.
저자는 경쟁 이익이 없다고 선언합니다.
저자는 귀중한 도움과 토론에 대해 Balboula 실험실의 모든 구성원에게 감사드립니다. 저자는 mCherry-Cep192 구조를 친절하게 공유해 준 Melina Schuh에게 감사드립니다. 이 연구는 R35GM142537 (NIGMS, NIH)에서 AZB로 지원되었습니다.
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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