細胞外フラックス分析装置を用いてマウス精子容量化時の糖質および酸化リン酸化の変化を測定する

質量分析法の応用は代謝の研究に革命をもたらした。標的代謝プロファイリングとメタボロミクストレースにより、エネルギー代謝の変化を正確にモニタリングできます。しかし、メタボロミクスを成功させるには、広範なトレーニング、経験豊富なスタッフ、および高価で機密性の高い質量分析計が必要です。近年、シーホースXFe96などの細胞外フラックス分析装置を用いて、種々の細胞型1、2、3、4、5のエネルギー代謝の変化を測定する代理法として普及している。

精子は高度に専門化された運動細胞です。その仕事は、卵母細胞に父性ゲノムを提供することです。射精後に男性の生殖管を離れる精子はまだ機能的に未熟であり、卵母細胞のベストを貫通できないため、卵母細胞を受精させることができない。精子は、容量^6、7として知られている成熟プロセスで女性の生殖管を通過する時に受精能力を獲得する。カウダ精巣上体から解剖された新鮮に射精した精子または精子は^、Ca2+、重炭酸塩(HCO3−)または細胞透過性cAMPアナログ(例えば、ジブチリルcAMP)、コレステロールアクセプター(例えば、ウシ血清アルブミン、BSA)、およびグルコース(例えば、ウシ血清アルブミン)を含む定義された容量媒体中のインキュベーションによってインビトロで容量化することができる。容量化の間、精子は運動パターンを非対称フラジェラ拍動に変え、過活性化^8、9と呼ばれる水泳モードを表し、卵母細胞のベストを消化するタンパク質分解酵素が放出されるアクロソーム反応⁷を受ける能力を持つようになる。これらのプロセスは、エネルギーを必要とし、および体細胞と同様に、精子は、糖和を介してATPおよび他の高エネルギー化合物を生成するだけでなく、ミトコンドリアTCAサイクルおよび酸化リン酸化(oxphos)10を生成する。複数の研究は、糖質上昇が必要であり、精子の容量^化を支するのに十分であることを示^{しているが、オックス}フォスの寄与はあまり明らかではない。糖分解がTCAサイクルに物理的に結合されている他の細胞タイプとは対照的に、精子は非常に区画化され、これらのプロセスを別々の旗手コンパートメントに維持すると考えられている:ミッドピースはミトコンドリア機械を濃縮し、一方、糖分解の主要な酵素は主片^15、16に制限されているように見える。この区画化は、グリコリシスによって主な部分で産生されるピルビン酸がミトコンドリアオックスホスを中間部分で支えることができるかどうか、そしてミッドピース中のオックスホスによって産生されるATPが、主片^17、18、19の遠位部分のエネルギー要件をサポートするためにフラグラムの長さに沿って十分に迅速に拡散することができるかどうかについての議論を続ける。精子の容量におけるオックスホスの役割のサポートもあります。オックスホスは、糖酸化物よりも精力的に有利であるだけでなく、糖和よりも16倍多くのATPを生成するが、ミッドピース体積およびミトコンドリア含有量は、仲間²⁰のための男性間のより大きな競争度を示す哺乳動物種における生殖適性と直接相関している。これらの質問に対処するには、精子の容量化中に糖質およびオックスホスの相対的な寄与を調べるための方法が必要です。

Tourmenteららは、24ウェル細胞外フラックス分析装置を適用し、有意に異なる精子性能パラメータ²¹と密接に関連するマウス種のエネルギー代謝を比較した。ここでは、非容量性精子の基底ECAR値とOCR値を報告する代わりに、96ウェルの細胞外フラックスアナライザを用いて、マウス精子容量のエネルギー代謝の変化をリアルタイムでモニタリングする方法を適応させます。酸素のフラックス_(O2)とプロトン^(H+)を測定することにより、最大12の異なる実験条件でフラゲラを打つ精子で糖質およびオックスホスをリアルタイムでリアルタイムにモニタリングできる方法を開発しました(図1A)。糖分解中の乳酸へのピルビン酸の分解とTCAサイクルを介した_CO2の産生により、非容量および容量化された精子は^、H+-感受性フルオロフォアを介して細胞外フラックスアナライザによって検出されるアッセイ媒体に^H+を押し出し、センサカートリッジのプローブ先端に固定化します。並行して、酸化リン酸化による_O2消費は、同じプローブ先端に固定化された_O2感受性フルオロフォアを介して検出される(図1B)。放出された^H+および消費された_O2の効果的な検出は、重炭酸塩またはフェノール赤色なしで低い緩衝能を有する修飾精子緩衝液を必要とする。従って、重炭酸塩の非存在下で容量を誘導するために、広範囲PDE阻害剤^IBMX22と共に注入された細胞透過性cAMPアナログの使用を採用した。3つの追加の独立した注入ポートは、薬理活性剤および/または阻害剤の注入を可能にし、実験的操作による細胞呼吸および糖上昇率の変化のリアルタイム検出を容易にする。