Method Article
Представлен оптимизированный протокол, позволяющий истощать центры организации цитоплазматических микротрубочек в ооцитах мыши во время метафазы I с использованием фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона.
Верность мейоза ооцитов имеет решающее значение для получения компетентных в развитии эуплоидных яйцеклеток. У млекопитающих ооцит подвергается длительной остановке при профазе I первого мейотического деления. После полового созревания и после мейотического возобновления ядерная мембрана разбирается (разрушение ядерной оболочки), и веретено собирается в основном в центре ооцитов. Первоначальное позиционирование центрального шпинделя имеет важное значение для защиты от аномальных кинетохорно-микротрубочек (МТ) и анеуплоидии. Центрально расположенное веретено мигрирует чувствительным ко времени образом к коре, и это необходимый процесс для выдавливания крошечного полярного тела. В митотических клетках позиционирование веретена зависит от взаимодействия между центросомно-опосредованными астральными МТ и клеточной корой. Напротив, мышиные ооциты не имеют классических центросом и вместо этого содержат многочисленные ацентриолярные МТ-организующие центры (MTOCs). На метафазной стадии I мышиные ооциты имеют два различных набора MTOC: (1) MTOC, которые группируются и сортируются для сборки веретенообразных полюсов (полярные MTOCs), и (2) метафазные цитоплазматические MTOCs (mcMTOCs), которые остаются в цитоплазме и не способствуют непосредственно образованию веретена, но играют решающую роль в регулировании позиционирования веретена и своевременной миграции веретена. Здесь описан метод многофотонной лазерной абляции для селективного истощения эндогенно меченых mcMTOCs в ооцитах, собранных у мышей-репортеров Cep192-eGfp . Этот метод способствует пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе позиционирования и миграции веретена в ооцитах млекопитающих.
Гаплоидные гаметы (сперматозоиды и ооциты) образуются посредством мейоза, который влечет за собой один раунд репликации ДНК с последующим двумя последовательными делениями, которые необходимы для уменьшения числа хромосом до оплодотворения. У млекопитающих в начале внутриутробной жизни яйцеклетка подвергается длительной остановке (до полового созревания) на диплотеновой стадии профазы I первого мейотического деления, стадии, называемой стадией зародышевого пузырька (GV). После мейотического возобновления яйцеклетка GV подвергается разрушению ядерной оболочки (NEBD), и веретено собирается в основном в центре ооцитов 1,2,3. Позже, ведомый F-актином, веретено своевременно мигрирует из центра ооцитов в кору, чтобы обеспечить очень асимметричное деление, в результате чего получается яйцеклетка с крошечным полярным телом (ПБ)4,5,6.
В митотических клетках центросомы состоят из пары центриолей, окруженных перицентриолярными компонентами материала (PMC), такими как перицентрин, γ-тубулин, Cep152 и Cep1927. Эти центриолсодержащие центросомы способствуют верности биполярного веретенообразного образования8. Однако центриоли теряются во время раннего оогенеза у различных видов, включая грызунов9. Поэтому мышиные ооциты принимают центриоль-независимый веретенообразный путь сборки с использованием многочисленных ацентриолярных микротрубочек (MT) организующих центров (MTOCs)9,10. После мейотического возобновления периноядерные MTOC проходят три различные стадии реконденсации, растяжения и фрагментации на большое количество более мелких MTOC11,12. Затем фрагментированные MOC группируются и сортируются для организации биполярного шпинделя 10,13,14. Другой пул MTOCs расположен в цитоплазме во время NEBD. Некоторые из этих цитоплазматических МТОК мигрируют и образуют веретенообразные полюса (полярные МТОК, пМТОК)10,11. Недавно было обнаружено еще одно подмножество цитоплазматических МТОК, называемое метафазными цитоплазматическими МТОКС (mcMTOCs), которые не способствуют образованию веретенообразных полюсов, но остаются в цитоплазме ооцитов во время метафазы I (Met I)15. Истощение mcMTOCs путем многофотонной лазерной абляции или аномальное увеличение их количества путем ингибирования аутофагии возмущает позиционирование и миграцию веретена и увеличивает частоту анеуплоидии в метафазных II ооцитах15.
Интересно, что mcMTOCs отличаются от pMOC во многих аспектах15. Например, в отличие от pMTOCs, которые в основном происходят из периноядерных MTOCs, mcMTOCs происходят из коры ооцитов. Когда веретено все еще находится в центре ооцитов, mcMTOCs локализуются асимметрично противоположной стороне, в которую веретено мигрирует для экструзии PB15. Астрально-подобные МТ не могут достичь коры головного мозга в относительно большой клетке ооцита. Таким образом, эти mcMTOCs зарождают МТ, чтобы закрепить веретено (через астрально-подобные MOC) к коре. Эти результаты предполагают модель, в которой mcMTOC-ядерная сила MT противодействует F-актин-опосредованной силе, которая управляет миграцией веретена к коре. Баланс между этими двумя противоположными силами необходим для регулирования позиционирования центрального шпинделя и своевременной миграции шпинделя15.
На сегодняшний день все исследованные белки PMC (перицентрин, г-тубулин, Cep192 и aurora kinase A) локализуются в обоих пулах MTOC: mcMTOCs и pMTOCs15. Поэтому не существует химического или генетического подхода к избирательному возмущению mcMTOC без возмущения pMTOC. Эти ограничения можно обойти, выборочно нацеливаясь на mcMTOCs с помощью лазерной абляции. Среди лазерных технологий, разработанных для микроабляции, импульсные многофотонные фемтосекундные лазеры показывают большой потенциал благодаря их прецизионному воздействию, ограниченному фокальной плоскостью, высокой глубине проникновения ближнего инфракрасного света и снижению фототоксичности и теплового повреждения ячейки 16,17,18. В этой работе описывается селективный подход к абляции mcMTOCs в мышиных ооцитах с использованием многофотонного лазера, связанного с инвертированным микроскопом.
Все методы, описанные здесь, были одобрены Университетом Миссури (Animal Care Quality Assurance Ref. Number 9695). В настоящем исследовании использовались самки мышей cep192-eGFP в возрасте 6-8 недель. Для генерации мышей-репортеров Cep192-eGFP для интеграции гена-репортера EGFP в геном мыши CF-1 использовался CRISPR/Cas9-опосредованный гомологией репарация. Репортер EGFP был слит на C-конце Cep192 (неотъемлемый компонент MTOCs)15. Для поддержания мышиной колонии использовали гомозиготных мышей-репортеров Cep192-eGfp . Все животные содержались в клетках (до четырех животных / клетка) при 21 ° C и влажности 55%, с 12-часовым циклом света / темноты и доступом ad libitum к пище и воде.
1. Сбор ооцитов мыши
2. Микроинъекция ооцитов
3. Созревание ооцитов
4. Подготовка ооцитов к абляции и визуализации
5. Подготовка микроскопа к абляции
6. Абляция mcMTOCs
Многофотонная лазерная абляция обеспечивает эффективный метод селективного абляции внутриклеточных структур. В текущем исследовании использовалась многофотонная лазерная абляция для селективного истощения mcMTOCs в ооцитах мышей. Лазерная абляция эффективно истощала mcMOC, о чем свидетельствует снижение эндогенной флуоресценции GFP в целевых mcMTOCs до уровня, сопоставимого с фоном. Экзогенный mCh-Cep192 в целевых mcMTOCs также был отменен после лазерной абляции. Лазерная абляция mcMTOCs должна выполняться в разных фокальных плоскостях внутри ооцита (где расположены mcMTOCs, рисунок 2), чтобы гарантировать, что все mcMTOCs в ооците истощены (рисунок 3).
Рисунок 1: Микроинъекция ооцитов. Микроинъекция профазного I-арестованного ооцита мыши с цРНК mCh-Cep192 . Шкала: 10 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Истощение mcMTOCs в мышиных ооцитах. Репрезентативные изображения одиночных фокальных плоскостей. Белые квадраты указывают на mcMTOC до и после многофотонной лазерной абляции. Шкала: 40 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Истощение mcMTOCs в разных фокальных плоскостях в мышиной яйцеклетке. Репрезентативные максимальные проекционные изображения макМОК-абляционного мышиного ооцита. Шкала: 20 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл 1: Композиции Chatot, Ziomek и Bavister (CZB) и минимальной существенной среды без бикарбоната (MEM/PVP). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Существуют различные методы нарушения структур, связанных с цитоскелетом, в клетках 22,23,24,25. Тем не менее, поиск эффективных методов для избирательного возмущения целевой структуры без ущерба для жизнеспособности клеток является сложной задачей. Метод многофотонной лазерной абляции, представленный здесь, является эффективной стратегией для индуцирования селективного механического возмущения mcMTOCs внутри ооцита без изменения жизнеспособности ооцитов.
Лазерная абляция широко используется для понимания молекулярных механизмов, контролирующих сегрегацию хромосом во время митоза и мейоза 22,23,26,27. Из-за относительно большого размера (>80 мм в диаметре) ооцитов млекопитающих по сравнению с соматическими клетками28, абляция их внутриклеточных структур представляет собой проблему. Кроме того, средний объем mcMTOC в метафазных I ооцитах составляет ~ 20 мкм15, что представляет собой дополнительную проблему. Эффективный метод, который обеспечивает более глубокое проникновение в ткани, должен быть принят для преодоления этих проблем. Основным преимуществом использования многофотонного лазера для абляции является его способность проникать глубже в клетку, сводя к минимуму нецелевые эффекты29.
Для проверки эффективности и действенности метода лазерной абляции для истощения целевой структуры рекомендуется использовать флуоресцентно меченый белок для идентификации целевой структуры с течением времени (до и после абляции)23. Важно отметить, что лазерная абляция истощает весь mcMTOC как структуру, и хотя меньшие mcMOC требуют истощения только одного лазерного воздействия, более крупные mcMOC могут потребовать более одного лазерного воздействия в разных фокальных плоскостях. Также рекомендуется фиксировать и иммуномаркировать подмножество контрольных и макМТОК-абляционных ооцитов маркером MTOC (таким как γ-тубулин, перицентрин или Cep192) для дальнейшего подтверждения эффективности абляции mcMTOC. В контрольных ооцитах участки цитоплазмы, непосредственно прилегающие, но не перекрывающиеся с mcMTOCs, будут подвергаться воздействию лазера.
Этот эксперимент требует нескольких абляций mcMTOC при перемещении между различными фокальными плоскостями внутри ооцитов. Поэтому настоятельно рекомендуется практиковать эту технику несколько раз перед выполнением эксперимента, чтобы минимизировать время эксперимента, тем самым повышая жизнеспособность ооцитов. Кроме того, важно использовать минимальную мощность лазера, достаточную для истощения mcMTOCs, не влияя на жизнеспособность ооцитов.
Этот метод имеет некоторые ограничения. Во-первых, многофотонные конфокальные микроскопы относительно дороже, чем обычные конфокальные микроскопы. Во-вторых, возмущение всех mcMTOC в разных фокальных плоскостях занимает больше времени, чем химические или генетические возмущения. В-третьих, этот протокол требует технических навыков для удаления всех mcMTOC в кратчайшие сроки. Тем не менее, после освоения, использование многофотонного лазера обеспечивает отличную стратегию для возмущения нескольких внутриклеточных структур в ооцитах мыши, включая mcMTOCs, способствуя пониманию молекулярных механизмов, регулирующих позиционирование веретена и его своевременную миграцию в ооцитах млекопитающих.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Авторы хотели бы поблагодарить всех членов лаборатории Балбулы за их ценную помощь и обсуждения. Авторы благодарят Мелину Шух за любезное распространение конструкции mCherry-Cep192. Это исследование было поддержано R35GM142537 (NIGMS, NIH) для 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены