Het sperma moet met succes door de eileider navigeren om een eicel te bevruchten. Hier beschrijven we een assay voor het meten van sperma migratie binnen de C. hermafrodiet baarmoeder. Deze analyse kan kwantitatieve gegevens over sperma distributie binnen de baarmoeder na het koppelen, evenals op snelheid, richtings snelheid, en omkerings frequentie verstrekken.
Succesvolle bevruchting is van fundamenteel belang voor seksuele voortplanting, nog weinig bekend is over de mechanismen die leiden tot sperma oöcyten binnen de vrouwelijke voortplantingsorganen. Terwijl in vitro studies suggereren dat sperma van intern bemesten van dieren kan reageren op verschillende signalen uit hun omgeving, het onvermogen om hun gedrag te visualiseren binnen de vrouwelijke voortplantingsorganen creëert een uitdaging voor het begrijpen van sperma migratie en mobiliteit in zijn eigen omgeving. Hier beschrijven we een methode met behulp van C. dat deze beperking overwint en maakt gebruik van hun transparante epidermis. C. de mannetjes van de kleuren van de hermafrodieten die met een mitochondrial kleurstof worden bevlekt worden gedekt met volwassene, die als gemodificeerde wijfjes handelen, en deponeren fluorescerend geëtiketteerd sperma in de hermafrodiet baarmoeder. De migratie en beweeglijkheid van het gelabelde sperma kan dan direct worden bijgehouden met behulp van een epi-fluorescentiemicroscoop in een live hermafrodiet. In wild-type dieren, ongeveer 90% van het gelabelde sperma kruipen door de baarmoeder en bereiken de bemesting site, of Spermatheca. De beelden van de baarmoeder kunnen 1 h na het koppelen worden genomen om de distributie van het sperma binnen de baarmoeder en het percentage sperma te beoordelen dat de Spermatheca heeft bereikt. Alternatief, time-lapse beelden kunnen onmiddellijk na de paring worden genomen om de snelheid van het sperma, richting snelheid en omkering frequentie te beoordelen. Deze methode kan gecombineerd worden met andere genetische en moleculaire hulpmiddelen die beschikbaar zijn voor de C. Colijn om nieuwe genetische en moleculaire mechanismen te identificeren die belangrijk zijn bij het reguleren van sperma begeleiding en beweeglijkheid binnen het vrouwelijk voortplantingskanaal.
De moleculaire mechanismen waardoor spermatozoa (die als sperma wordt bedoeld) door het vrouwelijke voortplantingskanaal naar de eicel navigeren zijn niet goed begrepen, nog zijn fundamenteel voor seksuele reproductie. Sperma beweeglijkheid is zeer dynamisch en is afhankelijk van robuuste communicatie signalen die verandering sperma snelheid en directionele beweeglijkheid1,2,3,4,5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12. C. het is een krachtig model geworden voor het bestuderen van sperma beweging in vivo omdat de transparante epidermis van de hermafrodiet het volgen van levend sperma bij één cel resolutie2,3toelaat, 8,10. Het doel van dit document is het verstrekken van methoden voor de beoordeling van sperma beweging binnen de C. hermafrodiet baarmoeder.
In diersoorten waar sperma en eicel in het externe milieu (d.w.z., aquatische milieu’s) samenkomen, reageren de sperma op Chemotactische signalen die door oöcyten worden afgescheiden. Deze signalen leiden de richting van sperma beweging, waardoor ze dichter bij het signaalbron4,6,11. Nochtans, is veel minder gekend over sperma beweging in soorten die intern bevruchten. Een grote uitdaging is de architectuur van het vrouwelijke voortplantingskanaal, dat in de meeste soorten niet toegankelijk is voor microscopie. In vitro studies bij mensen, muizen, en varkens, bijvoorbeeld, leveren bewijs dat subpopulaties van sperma kan reageren op chemoattractants, vloeistof stroom, en thermische gradiënten1,5,7,9, 12. Met deze systemen, het onvermogen om te visualiseren en track sperma beweging in vivo plaatsen ernstige beperkingen op strategieën om de belangrijkste mechanismen reguleren van deze functies te ontdekken.
Om deze beperkingen te overwinnen, hebben we methoden ontwikkeld met behulp van de nematode C. om sperma direct te visualiseren na inseminatie, om individuele sperma migratie parameters in vivo te meten, en om het vermogen van een sperma populatie te meten om te targeten de Bemestings plaats. Deze methoden, samen met de C. de moleculaire en genetische toolset, vergemakkelijken de ontdekking van de chemische signaalmoleculen en moleculaire machines die het gedrag van de beweeglijkheid van sperma reguleren. Bijvoorbeeld, kunnen de genetische schermen in hermafrodieten of mannetjes worden geleid om genen te identificeren die voor efficiënte sperma beweging in vivo13essentieel zijn. Moleculen kunnen worden geïnjecteerd in de hermafrodiet Gonade om te testen op effecten op sperma activatie, migratiesnelheid, en directionele beweeglijkheid3. Bovendien, de beschreven methoden kunnen worden gebruikt om te controleren Rogue sperma migratie naar buitenbaarmoederlijke lichaams locaties en de sperma wedstrijd te evalueren10,14.
C. er bestaan in de natuur als hermafrodieten en mannetjes (Zie Figuur 1). De hermafrodiet Gonade heeft twee U-vormige armen die spiegelbeelden van elkaar. Tijdens de L4 larvale stadium, de meest proximale kiemcellen (dat wil zeggen, de cellen in de buurt van de Spermatheca) ondergaan spermatogenese. Elke primaire spermatocyte voert de meiose in en produceert vier haploid spermatids. Deze spermatids worden geduwd in Spermatheca samen met eerste rijpe eicel en ondergaan spermiogenesis15. Volwassen hermafrodieten overschakelen van spermatogenese naar ooegenese. De oöcyten rijpen in een assemblagelijn mode langs de Gonade, met de meest volwassen eicel aan het proximale uiteinde van de Gonade, naast de Spermatheca. MSP-signalen van het sperma is nodig om Meiotische rijping en ovulatie16,17trigger. Mannelijk C.de, aan de andere kant, hebben een J-vormige Gonade die alleen sperma produceren. De spermatids worden opgeslagen in de rudimentaire blaasje. Bij de paring met de hermafrodiet of vrouw, de man voegt de spicules in de buurt van de staart in de vulva. Spermatids worden geactiveerd tijdens de ejaculatie, wanneer ze in contact komen met de rudimentaire vloeistof18. C. het sperma van de gegeselde niet zwemmen aangezien zij niet zijn. In plaats daarvan kruipen ze door het voortplantingskanaal, met behulp van de pseudopod voor de motoriek. Het is goed vastgesteld dat mannelijk sperma, die groter zijn in omvang, hebben een concurrentievoordeel ten opzichte van hermafrodiet sperma14.
In deze methode, mannelijke C. wordt het als spermadonor en gedekt door volwassen hermaprhodites. Volwassen mannetjes zijn gekleurd met een fluorescerende mitochondriale kleurstof te produceren geëtiketteerd sperma. Eenmaal gestort via de hermafrodiet vulva, moet het sperma kruipen rond de embryo’s in de baarmoeder naar de Spermatheca, of bemesting site. De transparante epidermis van het C. model van de modellen maakt de directe visualisatie van elk individueel sperma mogelijk als het door het vrouwelijke voortplantingskanaal navigeert. In de afgelopen jaren heeft ons lab met succes gebruikt deze methode om het belang van een klasse van F-serie prostaglandines in het begeleiden van sperma van de vulva aan de Spermatheca19,20aan te tonen. De moleculaire mechansims die zijn synthese door hermafrodiet en de reactie door het sperma regeren zijn nog in onderzoek. Echter, deze methode voor de beoordeling van sperma beweeglijkheid en migratie sterk vergemakkelijkt de identificatie van de belangrijkste spelers die controle sperma en eicel communicatie in intern bemesten van dieren. Het volgende protocol beschrijft stap voor stap hoe u deze test uitvoeren.
De capaciteit van sperma om het ingewikkelde vrouwelijke voortplantingskanaal te navigeren en oöcyten te vinden is kritiek voor seksuele reproductie. Recente studies met behulp van sperma van intern bemesten dieren suggereren dat ze actief reageren op verschillende milieu-cues, met inbegrip van chemische signalen, vloeiende stroming, en temperatuur gradiënten1,5,7, 9 , 12. deze waarnemingen zijn echter grotendeels het gevolg van in vitro experimenten en er is weinig bekend over het sperma gedrag en de communicatie binnen het voortplantingskanaal. Een van de belangrijkste belemmeringen voor het verwerven in vivo gegevens over de migratie van sperma en de beweeglijkheid is het gebrek aan zichtbaarheid binnen de meeste vrouwelijke voortplantingsorganen. De methode die we hier hebben beschreven met behulp van C. , overwint deze beperking. Aangezien de representatieve resultaten aantonen, staat de transparante epidermis voor directe visualisatie en het volgen van elk sperma bij enige cel resolutie in een levend, intact organisme toe.
C. het heeft twee geslachten. De mannetjes, met een XO genotype, produceren slechts sperma, en in deze methode, worden gebruikt als spermadonors. De hermafrodiet, met een XX genotype, zijn gemodificeerde vrouwtjes. Hun gonaden eerst ondergaan spermatogenese tijdens de vierde larvale stadium en over te schakelen naar ooegenese in de volwassenheid25. Deze test maakt gebruik van volwassen hermafrodieten, waarvan de voortplantings weefsels een model voor de vrouwelijke voortplantingsorganen. Het gebruik van beide geslachten in deze assay stelt ons in staat om genetische en moleculaire paden te identificeren in zowel de mannelijke en vrouwelijke dat sperma begeleiding en de beweeglijkheid kan reguleren. In combinatie met de hele reeks van genetische en moleculaire technieken beschikbaar voor C., kan deze methode leiden tot nieuwe inzichten in sperma migratie en beweeglijkheid, alsmede sperma-en eicel communicatie.
Een paar kritieke stappen in dit protocol rechtvaardigen verdere aandacht, in aanvulling op de details die in het protocol sectie.
Wormen
Fog-2 (q71), him-5 (e1490), of hem-8 (e1489) Mutant mannetjes kunnen worden gebruikt in plaats van N2 mannetjes. Deze mutaties verhogen de frequentie van de mannetjes in culturen, maar hebben geen invloed op de mannelijke paring of sperma functies13. De wijfjes, zoals mist-2 (q71) wijfjes, kunnen in plaats van hermafrodieten worden gebruikt. Nochtans, moeten de wijfjes met mannetjes worden pre-gedekt om juiste eicelontwikkeling toe te staan. De aanwezigheid van bevruchte embryo’s van deze pre-paring zorgt er ook voor dat de baarmoeder is lang genoeg om goed te beoordelen sperma distributie. Als Mutant of experimentele hermafrodieten worden beoordeeld, omvatten een controlegroep (s). Bijvoorbeeld, Mutant hermafrodieten moet worden gekoppeld aan wild type N2 hermafrodieten als een controle voor andere variabelen in de assay. Hermafrodieten die zijn gevoed met bacteriën die plasmiden voor RNA interferentie assays moeten ook worden gevoed met bacteriën met lege Vector controle. De afstand van de vulva, waar het sperma wordt bevrucht, aan Spermatheca, de Bemestings plaats, kan afhankelijk van het aantal eieren in de baarmoeder variëren (d.w.z., breidt de baarmoeder zich met stijgend ei aantal uit). Als vergelijkingen tussen genotypen worden gemaakt, selecteert hermafrodieten waarvan de baarmoeders gelijkaardige aantallen eieren bevatten. Selecteer geen hermafrodieten met broed embryo’s of bewegende larven. Een tijd cursus kan worden uitgevoerd om de optimale leeftijd te identificeren waarop hermafrodieten moet worden getest.
Plukken hermafrodieten en mannetjes
Het is belangrijk dat de hermafrodieten geplukt voor deze test niet uit overwoekerd of uitgehongerd platen. Voedsel en feromonen cues moduleren de uitdrukking van DAF-7, een TGFß homolog. De DAF-7 route is aangetoond reguleren van de synthese van F-serie prostaglandines die belangrijke rol spelen in het begeleiden van sperma naar de Spermatheca20. Het plukken hermafrodieten van overbevolkte of uitgehongerde platen kan in slechte sperma begeleiding resulteren niet verwant met het doel van belang. De dichtheid van de platen schijnt niet om het mannelijke sperma te beïnvloeden. Nochtans, kunnen de mannetjes die te jong of te oud zijn resulteren in verminderde het koppelen efficiency (d.w.z., het percent van hermafrodieten op de het koppelen plaat die genoeg sperma in hun baarmoeders hebben om te kwantificeren). 1-3 dag oude volwassen mannetjes zijn optimaal voor deze assay23.
Verlamming hermafrodieten
In onze handen, de Tetramisole en Tricaine combinatie zorgt ervoor dat wormen zijn immobiled, en blijven leven tijdens de paring en beeldacquisitie. Andere verdovingsmiddelen, zoals natrium azide, kunnen ook worden gebruikt. Echter, natrium azide is zeer giftig en de voorwaarden moeten worden gestandaardiseerd. Immobilisatie technieken met behulp van microkralen, agarose, en microfluidics kamers worden niet aanbevolen als ze interfereren met de paring.
Mannelijke kleuring
De Mito-Dye gebruikt in dit manuscript, MitoTrackerCMXRos, is op grote schaal gebruikt voor het etiketteren van sperma, evenals andere mitochondriën, in C.. Het sperma gelabeld met deze Mito-Dye is volledig functioneel, behoud van haar vermogen om te worden geactiveerd, migreren, bemesten oöcyten, en produceren levensvatbare nakomelingen26,27. Andere mitochondrial kleurstoffen, zoals Rhodamine 6G en DiOC6 zijn gebruikt om vlek C. de mitochondria van de van de voorstanders28,29. Echter, de voorwaarden voor deze kleurstoffen moeten worden gestandaardiseerd voor het etiketteren van sperma in deze test. Naast mitochrondrial etiketterings mechanismen, kunnen de vlekken van DNA, zoals Syto17, ook worden gebruikt om sperma voor migratie analyses30te etiketteren. Hoewel deze etikettering technieken zijn relatief eenvoudig en snel uit te voeren, transgene strategieën kunnen ook worden gebruikt om het genereren van sperma dat fluorescerende Tags uit te drukken onder sperma-specifieke promotors31,32.
Paring
Paring punten die te dik zijn kan verminderen paring efficiëntie. Zorg moet worden genomen om de overdracht zo weinig mogelijk bacteriën bij de overdracht van mannetjes en verdoofd hermafrodieten op de paring dot.
Het maken van agarose pads en het plaatsen van de cover slip
De luchtbellen kunnen in de agarose stootkussens worden geproduceerd. Ze kunnen breken licht tijdens de beeldvorming of, wanneer groot genoeg, veroorzaken wormen door te vallen, waardoor het onmogelijk is om het beeld (s) te verwerven. Zo ook, kunnen de luchtbellen langs worden gecreërd hermafrodieten wanneer de dekkingsstrook over hen op het agarose stootkussen wordt geplaatst. Deze bubbels breking licht en leiden tot een verminderde beeldkwaliteit. De praktijk zal helpen verminderen het optreden van luchtbellen.
Kwantificering
Wanneer het kwantificeren van sperma distributie, kunnen de verschillende z-vliegtuigen door de baarmoeder van een worm lichte verschillen in sperma distributie hebben. We vinden dat het nemen van een enkel beeld gericht op de Spermatheca geeft ons reproduceerbare resultaten die vergelijkbaar zijn met de resultaten verkregen door het gemiddelde van meerdere z-secties. We raden u aan het beeld te concentreren op het midden van de Spermatheca, maar de focale vlakken kunnen enigszins worden aangepast op basis van de behoeften van de experimenter. Het is echter van cruciaal belang dat alle beelden op dezelfde manier worden genomen. Bovendien is het belangrijk dat alleen sperma die in focus zijn geteld. Het is de teller de discretie bij het bepalen van de criteria voor in-focus sperma. Het is echter van cruciaal belang dat de criteria systematisch worden toegepast op elke worm die wordt gekwantificeerd. Voor het bijhouden van sperma, veel software bieden automatische tracking mogelijkheden. Echter, vinden we dat handmatige tracking beter presteert dan de software automatische tracking-algoritme voor twee belangrijke redenen: 1) de overvloed van vergelijkbare grootte kernen binnen de beperkte ruimte maakt het moeilijk voor de software om onderscheid te maken tussen individuele sperma en creëer gedefinieerde ROI voor elk sperma. 2) als sperma gaan in en uit focus, hun intensiteiten Shift, waardoor het moeilijk voor de software om bij te houden van het sperma over langere perioden.
The authors have nothing to disclose.
Wij oprecht danken onze overleden mentor, Dr Michael Miller, voor zijn inspirerende en onbaatzuchtige mentorschap en de oprichting van deze methode als een instrument om beter te begrijpen sperma en eicel communicatie. Zijn plotselinge passeren is een enorm verlies voor zijn familie, zijn lab, en de wetenschappelijke gemeenschap. Deze studie werd gesteund door NIH (R01GM085105 aan MAM en F30HD094446 aan MH). De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de nationale instituten van de gezondheid.
Reagents and Material | |||
60mm x 15mm Petri Dish | Fisher | FB0875713A | |
Agar | Fisher | BP1423-500 | |
Sodium Chloride | Fisher | S671-3 | |
Peptone | Fisher | BP1420-500 | |
Cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667 | |
LB broth, Miller | Fisher | 1426-2 | |
Escherichia coli strain NA22 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | NA22 | Either this or OP50 E. coli can be used for C. elegans maintenance and assay. Both may be purchased at the CGC |
N2 | CGC | N2 | |
fog-2(q71) | CGC | CB4108 | |
Platinum wire 0.25mm dia | Alfa Aesar | 10288 | |
5 3/4" Disposable Pasteur pipet | Fisher | 13-678-20A | |
Watch glass | Fisher | 02-612A | |
5mm Dia. Glass rod | Fisher | 50-121-5269 | |
MitoTracker CMXRos (Mito-dye) | Fisher | M7512 | Shield from light, store at -20°C |
Monopostassium phosphate | Fisher | P285-500 | |
Disodium phosphate | Fisher | S374-1 | |
Magnesium sulfate | Fisher | M63-500 | |
Dimethyl sulfoxide | Fisher | BP231-1 | DMSO |
Aluminum foil | Fisher | 01-213-102 | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Sigma | E10521-10G | Tricaine is the common name. Store in aliquotes at -20°C. |
Tetramisole hydrochloride | Sigma | L9756-5G | Store in aliquotes at -20°C |
Agarose | Fisher | BP1356-100 | |
Coverslips | Fisher | 12-548-A | 18 x 18-1 |
Frosted microscope slides | Fisher | 12-552-3 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
16°C and 20°C incubators | Fisher | 97-990E | Same model, set at different temperatures. |
Upright Microscope with epi-fluorescence illuminator, camera, and 10x and 60x objectives | Nikon | ||
Software with image acquisition and tracking capabilities | Nikon | NIS-elements AR | |
Stereo-microscope | Nikon | SMZ800N | Any stereo-microscope that can be used to visualize C. elegans may be used with this protocol |