Summary

Kromatin sprede præparater til analyse af musen oocyt Progression fra Prophase til metafase II

Published: February 26, 2018
doi:

Summary

Oogenesen i pattedyr er kendt for at være fejlbehæftet, især på grund af kromosom missegregation. Dette manuskript beskriver kromatin spredes forberedelse metoder til mus prophase, metafase I og II-iscenesatte oocyter. Disse grundlæggende teknikker giver mulighed for undersøgelse af kromatin-bundet proteiner og kromosom morfologi i hele pattedyr oogenesen.

Abstract

Kromatin udbredelsen teknikker har været meget anvendt til at vurdere den dynamiske lokalisering af forskellige proteiner under gametogenesis, især for spermatogenesen. Disse teknikker giver mulighed for visualisering af proteiner og DNA lokalisering mønstre under meiotiske begivenheder såsom homologe kromosom parring, synapsis og DNA reparation. Mens nogle protokoller er blevet beskrevet i litteraturen, er generelle kromatin udbredelsen teknikker ved hjælp af pattedyr prophase oocyter begrænset og vanskelig på grund af timingen af meiose indledning i føtal æggestokke. I sammenligning, kan prophase spermatocytes afhentes fra unge mandlige mus med højere udbytter uden behov for microdissection. Det er imidlertid vanskeligt at opnå en ren synkroniserede befolkning af celler på bestemte stadier på grund af heterogenitet af meiotiske og post meiotiske kønscelle befolkninger i de unge og voksne testis. I senere faser af meiose er det fordelagtigt at vurdere oocyter gennemgår meiose jeg (MI) eller meiose II (MII), fordi grupper af modne oocyter kan indsamles fra voksne hunmus og stimuleres til at genoptage meiose i kultur. Her, metoder til meiotiske kromatin sprede præparater ved hjælp af oocytter dissekeret fra fostrets, neonatal og voksne æggestokkene er beskrevet med ledsagende video demonstrationer. Kromosom missegregation begivenheder i pattedyr oocyter er hyppige, især under MI. Disse teknikker kan bruges til at vurdere og karakterisere effekten af forskellige mutationer eller miljømæssige eksponeringer under forskellige faser af oogenesen. Som der er tydelige forskelle mellem oogenesen og spermatogenesen, er de teknikker, der er beskrevet inden for uvurderligt for at øge vores forståelse af pattedyr oogenesen og kromosom og protein dynamics seksuelt dimorfe funktioner under meiose .

Introduction

Under spermatogenesen, er store semisynkron bølger af meiotiske kønsceller hurtigt og kontinuerligt genopfyldes i testiklerne i starten af puberteten og hele voksenlivet1. I modsætning til mænd initieres meiose hos kvinder alene i løbet af fostrets udvikling. Efter fødslen, oocyter fortsat arresteret i en langvarig dictyate fase af prophase jeg med en intakt germinale vesikel (GV; nukleare kuvert) indtil puberteten. Ved begyndelsen af puberteten vælges en delmængde af oocytter cyklisk underkastes vækst og modning, markerer indledningen af meiotiske genoptagelse. Meiotiske genoptagelse i fuldt udvokset oocyter er manifesteret ved forsvinden af GV i en proces kendt som germinale vesikel opdeling (GVBD). Oocyt derefter gennemgår kromosom kondens og segregation, efterfulgt af polar body ekstrudering. Oocytter blive pågrebet progression til MII og er stimuleret til at fuldføre den anden og sidste meiotiske deling kun efter befrugtningen.

Kvindelige frugtbarhed er stærkt afhængige af succesen af meiotiske prophase jeg progression. Nøglen til dette er dannelsen af en fysisk sammenhæng mellem homologe kromosomer kendt som chiasmata, hvilket er medieret af reparation af inducerede DNA dobbeltstrenget pauser (DSBs) via crossover rekombination2. Denne proces sker i forbindelse med en dynamisk protein-rige stillads kendt som synaptonemal complex (SC), der danner mellem homologe kromosomer at lette deres synapsis3. SC er en lynlås-lignende tredelte struktur, der består af to parallelle laterale elementer forbundet af centrale region proteiner der holder homologs sammen i hele igangværende DNA reparation. Før synapsis danner prækursorer af de laterale elementer, kaldet aksial elementer, mellem Søster kromatider. Synaptonemal komplekse proteiner som SYCP2 og SYCP3 udgør aksial elementer, der colocalize til søster-chromatid samhørighed akser under tidlige prophase. Disse senere fungere som bindende websteder for tværgående filament protein, SYCP1, der letter centrale element forsamling og synapsis mellem justeret homologs4. I mus oocytter, er komplet synapsis indiceret ved tilstedeværelsen af 20 helt overlappende SYCP3 og SYCP1 strækninger, som kan visualiseres ved hjælp af kromatin sprede præparater. Synapsis er afsluttet træder i pachytene underniveau, hvorved modne delefiltre, der er bestemt til form chiasmata mellem homologs er dekoreret med mutL homolog (MLH1/3) dimerer at fremme deres korrekte behandling5,6 , 7. den strukturelle vedligeholdelse af kromosomer (SMC) komplekser, herunder cohesin, condensin og SMC5/6 komplekse, er vigtig for reguleringen af kromosom dynamik og struktur i hele meiose8,9, 10,11,12. Kollektivt, sikre disse begivenheder ordentlig bi-orientering af homologe kromosomer til modsatrettede spindel polakker efter afmontering af Overvågningsudvalgets

Meiotiske cellecyklus er en kraftfuld model til at undersøge forskellige proteiner i genom vedligeholdelse på grund af den programmerede induktion og efterfølgende reparation af DNA DSBs roller. Derudover er pattedyr meiose også en relevant model for studiet af epigenetiske ændringer og prægning13. Men, det er teknisk vanskeligt at vurdere disse begivenheder under kvindelige meiose, der foregår i føtal og neonatal æggestokkene hos pattedyr (figur 1). Prophase jeg kan opdeles i 5 substages: leptonema, zygonema, pachynema, diplonema og dictyate. Heri, beskriver vi hvordan man isolere og skelne mellem fostrets og neonatal æggestokke og testikler (figur 2). Tilpasset fra tidligere beskrevne metoder, dette manuskript også skitserer en protokol (trin 1) med video demonstration for forberedelse af kvindelige meiotiske prophase jeg kromatin spreder14,15,16,17 . Når kombineret med immunolabelling, som beskrevet i trin 6-7, denne protokol giver mulighed for detaljeret mikroskopisk analyse af prophase jeg begivenheder i oocytter.

Oogenesen er fejlbehæftet, og kromosom missegregation begivenheder i løbet af den første meiotiske deling repræsenterer den mest almindelige kilde til genetisk sygdom i afkom18,19. I dette manuskript (protokol trin 2) beskriver vi en protokol, hvor modne GV-iscenesatte oocyter er udvundet fra PRIMES æggestokkene af voksne hunmus. Betingelser, støttende gennemgå fuldt udvokset oocyter luteiniserende hormon-uafhængige genoptagelse af meiose efter isolation og kultur20. Efter meiotiske genoptagelse, oocyter fremskridt gennem meiose, derefter anholde på metafase II. Oocytter fortsat arresteret på metafase II, medmindre befrugtet. I trin 2 – 5, tilpasser vi tidligere rapporteret protokoller med video demonstration at beskrive, hvordan at indsamle, kultur og forberede kromatin sprede præparater21MI og MII oocyter. Denne kromatin spredning teknik giver mulighed for klare immunolabelling af proteiner tilknyttet kromosomer. Desuden, denne protokol kan også bruges til at skelne mellem bivalent og univalent kromosomer, og kan yderligere løse enkelt Søster kromatider at lette vurderingen af oocyt Ploidi. Derfor, ud over afslørende lokalisering mønstre af meiotiske proteiner, denne protokol kan også tjene som et uvurderligt værktøj for belyse mulige årsager til kromosom missegregation under MI og MII.

Protocol

Alle metoder beskrevet her er blevet godkendt af institutionelle Animal Care og brug udvalg (IACUC) af Johns Hopkins University. Forsøgene blev udført på wild-type C57BL/6J mus. 1. høst føtal eller Neonatal æggestokke og forberedelse af Prophase kromatin spreder For at udtrække embryoner på 14,5-19,5 dage ofre post-coitum (dpc) de drægtige hundyr via cervikal dislokation eller CO2 kvælning ifølge IACUC retningslinjer.Bemærk: For postnatal dag 1 – 5 ægges…

Representative Results

Vi har beskrevet to teknikker til visualisering og vurdere meiotiske kromosomer i oocytter. Den første teknik er dækket mod vurdere prophase progression i embryonale og neonatal æggestokke. Prophase kromatin spredning præparater er utrolig værdifuld til at visualisere mange dynamiske processer under meiose, herunder kromosom parring, synapsis og desynapsis, homologe rekombination, og epigenetiske kromosom remodellering. Her, vi har vist nytten af denne metode til robust visualisering…

Discussion

Kromatin spredning præparater giver forskere at kronologisk studere kvindelige pattedyr meiose og den dynamiske lokalisering af proteiner involveret. Embryonale og neonatal kromatin opslag giver mulighed for tæt analyse af hændelser i hele meiotiske prophase. Metafase jeg og metafase II kromatin spreads kan bruges til at skelne enkelt Søster kromatider fra parret søstre og parret homologe kromosomer, samt vurdere Ploidi. Til sammenligning, kan den protokol, der er beskrevet her være fordelagtigt i forhold til hele …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af NIGMS (R01GM11755) til P.W.J og af en uddannelse grant stipendium fra National Cancer Institute (NIH) (CA009110) til Niels og J.H.

Materials

10X Phosphate buffered saline (PBS) pH 7.4 Quality Biological 119-069-161
60 mm x 15 mm petri dishes Denville T1106
35mm x 12mm petri dishes Denville T1103
Fine forceps VWR 300-050
Micro dissection scissors Ted Pella 1340
Dissecting scissors, sharp tip, 41/2" VWR 82027-578
Watch glass square 1 5/8 Carolina Biological Supply Company 742300 Autoclave before each use
Sucrose Sigma S8501
Trisodium Citrate Dihydrate Sigma S1804
EDTA Sigma E6758
Trizma Base Sigma T1503
1,4-Dithiothreitol (DTT) Sigma 646563 Add to hypotonic buffer immediately before use
50x Protease Inhibitor Roche 11873580001 Add to hypotonic buffer immediately before use
Turberculin syringe with needle (1cc, 27 G x 1/2 in) Becton, Dickinson (BD) 309623
Gold seal ultra frost glass slides (25X75mm, 1mm thick) Thermo 3063-002
Super PAP pen, large (liquid blocker) Electron Microscopy Sciences (EMS) 71310
16% Paraformaldehyde aqueous Electron Microscopy Sciences (EMS) 15710
Triton X-100 Sigma T8787 Detergent in manuscript
Immuno stain moisture chamber Evergreen 240-9020-Z10
Coplin jars Fisher 08-815
Photo-flo 200 Electron Microscopy Sciences (EMS) 74257 Wetting agent in manuscript
Pregnant mare serum gonadotropin (PMSG) Sigma G4877 Store aliquots at -20C
Human chorionic gonadotropin (HCG) Sigma C0434 Store aliquots at -20C
PYREX Spot Plates with nine concave cavities Fisher 13-748B Autoclave before each use
Glass capillary Fisher 22260943 For making oocyte collection needles
Brand Parafilm M Sigma BR701501 For making oocyte collection needles
Latex rubber tubing (3.2 mm inner diameter x 6.4 mm outer diameter) Fisher 14-178-5B For making oocyte collection needles
Latex rubber tubing (6.4 mm inner diameter x 11.1 mm outer diameter) Fisher 14-178-5D For making oocyte collection needles
Flexible silicone rubber nosepiece, hard plastic mouthpiece and 15 inches of latex tubing Sigma A5177-5EA For making oocyte collection needles
Mitutoyo micrometer head Mituoyo 150-208 For making oocyte collection needles
Syringe 5 mL BD Biosciences 309646 For making oocyte collection needles
Syringe filter 0.45 μm filter Corning 431220 For making oocyte collection needles
Glass Pasteur Pipette 5 3/4" Fisher 13-678-6A For making oocyte collection needles
83 x 0.5 mm pipette tip Denville P3080 For making oocyte collection needles
α-MEM Invitrogen 11415049
Waymouth's media Life Technologies 11220035
Fetal bovine serum Fisher A3160602
Bovine serum albumin (BSA) Sigma A3311 For oocyte culture media
500ml filter units 0.22um Denville F5227
Hyaluronidase Sigma H3506
Tyrode’s solution Sigma T1788 Store aliquots at -20C
Horse serum Sigma H-1270 For ADB/wash buffer
Bovine serum albumin (BSA) Sigma A1470 For ADB/wash buffer
VECTASHIELD antifade mounting medium with DAPI Vector Labs H-1200
Microscope cover slides (22mmx60mm) Fisher 12-544-G
Clear nail polish Amazon N/A
Name Company Catalog Number Comments
Microscopes
SteREO Discovery.V8 Zeiss 495015-0001-000
Observer Z1 Zeiss
Name Company Catalog Number Comments
Primary Antibodies
Mouse anti-MLH1 Life Technologies MA5-15431 Dilution factor- 1:100
Rabbit anti-SYCP1 Life Technologies PA1-16763 Dilution factor- 1:1000
Goat anti-SCP3 Santa Cruz sc-20845 Dilution factor- 1:50
Human anti-centromere protein Antibodies Incorporated 15-235 Dilution factor- 1:100
Rabbit anti- TOPOII Abcam ab109524 Dilution factor- 1:100
Mouse anti-Histone H4 (di methyl K20, tri methyl K20) Abcam ab78517 Dilution factor- 1:500
Rabbit anti-Rec8 Courtesy of Dr. Karen Schindler N/A Dilution factor- 1:10,000
Name Company Catalog Number Comments
Secondary Antibodies
Donkey anti-goat IgG (H+L) Alexa Fluor 568 conjugate Thermo-Fisher Scientific A-11057 Dilution factor- 1:500
Donkey anti-mouse IgG (H+L) Alexa Fluor 488 conjugate Thermo-Fisher Scientific A-21202 Dilution factor- 1:500
Donkey anti-rabbit IgG (H+L) Alexa Fluor 647 conjugate Thermo-Fisher Scientific A-31573 Dilution factor- 1:500
Goat anti-mouse IgG (H+L) Alexa Fluor 568 conjugate Thermo-Fisher Scientific A-11004 Dilution factor- 1:500
Goat anti-Human IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 Thermo-Fisher Scientific A-11013 Dilution factor- 1:500
Goat anti-rabbit IgG (H+L) Alexa Fluor 568 conjugate Thermo-Fisher Scientific A-11011 Dilution factor- 1:500

Referências

  1. Morelli, M. A., Cohen, P. E. Not all germ cells are created equal: aspects of sexual dimorphism in mammalian meiosis. Reproduction. 130 (6), 761-781 (2005).
  2. Keeney, S. Spo11 and the Formation of DNA Double-Strand Breaks in Meiosis. Genome Dyn Stab. 2, 81-123 (2008).
  3. Zickler, D., Kleckner, N. Recombination, Pairing, and Synapsis of Homologs during Meiosis. Cold Spring Harb Perspect Biol. 7 (6), (2015).
  4. Vries, F. A., et al. Mouse Sycp1 functions in synaptonemal complex assembly, meiotic recombination, and XY body formation. Genes Dev. 19 (11), 1376-1389 (2005).
  5. Baker, S. M., et al. Involvement of mouse Mlh1 in DNA mismatch repair and meiotic crossing over. Nat Genet. 13 (3), 336-342 (1996).
  6. Lipkin, S. M., et al. Meiotic arrest and aneuploidy in MLH3-deficient mice. Nat Genet. 31 (4), 385-390 (2002).
  7. Kolas, N. K., et al. Localization of MMR proteins on meiotic chromosomes in mice indicates distinct functions during prophase I. J Cell Biol. 171 (3), 447-458 (2005).
  8. Rankin, S. Complex elaboration: making sense of meiotic cohesin dynamics. FEBS Journal. 282 (13), 2426-2443 (2015).
  9. Lee, J. Roles of Cohesin and Condensin in Chromosome Dynamics During Mammalian Meiosis. J. Reprod Dev. 59 (5), 431-436 (2013).
  10. Verver, D. E., Hwang, G. H., Jordan, P. W., Hamer, G. Resolving complex chromosome structures during meiosis: versatile deployment of Smc5/6. Chromosoma. 125 (1), 15-27 (2016).
  11. Hopkins, J., et al. Meiosis-specific cohesin component, Stag3 is essential for maintaining centromere chromatid cohesion, and required for DNA repair and synapsis between homologous chromosomes. PLoS Genet. 10 (7), e1004413 (2014).
  12. Hwang, G., et al. SMC5/6 is required for the formation of segregation-competent bivalent chromosomes during meiosis I in mouse oocytes. Development. 144 (9), 1648-1660 (2017).
  13. Kota, S. K., Feil, R. Epigenetic transitions in germ cell development and meiosis. Dev Cell. 19 (5), 675-686 (2010).
  14. Taketo, T. Microspread ovarian cell preparations for the analysis of meiotic prophase progression in oocytes with improved recovery by cytospin centrifugation. Methods Mol Biol. 825 (1), 173-181 (2012).
  15. Sun, X., Cohen, P. E. Studying recombination in mouse oocytes. Methods Mol Biol. 957 (1), 1-18 (2013).
  16. Kim, J. H., Ishiguro, K., Kudo, N., Watanabe, Y. Studying meiosis-specific cohesins in mouse embryonic oocytes. Methods Mol Biol. 957 (1), 47-57 (2013).
  17. Susiarjo, M., Rubio, C., Hunt, P. Analyzing mammalian female meiosis. Methods Mol Biol. 558, 339-354 (2009).
  18. Hassold, T., Hunt, P. To err (meiotically) is human: the genesis of human aneuploidy. Nat Rev Genet. 2 (4), 280-291 (2001).
  19. Hassold, T., Hall, H., Hunt, P. The origin of human aneuploidy: where we have been, where we are going. Hum Mol Genet. 16, R203-R208 (2007).
  20. Pincus, G., Enzmann, E. V. The Comparative Behavior of Mammalian Eggs In vivo and In vitro: I. The Activation of Ovarian Eggs. J Exp Med. 62 (5), 665-675 (1935).
  21. Chambon, J. P., Hached, K., Wassmann, K. Chromosome spreads with centromere staining in mouse oocytes. Methods Mol Biol. 957 (1), 203-212 (2013).
  22. Stein, P., Schindler, K. Mouse oocyte microinjection, maturation and ploidy assessment. J Vis Exp. (53), (2011).
check_url/pt/56736?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Hwang, G. H., Hopkins, J. L., Jordan, P. W. Chromatin Spread Preparations for the Analysis of Mouse Oocyte Progression from Prophase to Metaphase II. J. Vis. Exp. (132), e56736, doi:10.3791/56736 (2018).

View Video