Präsentiert hier ist ein Protokoll zur Anreicherung von Pachyten-Spermatozyten, runden Spermaatien und lästigen Spermaatiden aus erwachsenen Maushoden mit einem diskontinuierlichen Rinderserum-Albumin-Dichtegradienten mit Standard-Laborgeräten.
Um jeden Schritt der Spermatogenese zu charakterisieren, müssen die Forscher verschiedene Subpopulationen von Keimzellen von Hoden trennen. Die Isolierung diskreter Populationen ist jedoch eine Herausforderung, da der adulte Hoden eine komplexe Mischung von Keimzellen aus allen Stufen der Spermatogenese zusammen mit bestimmten Populationen somatischer Zellen enthält. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Techniken wie Zentrifugalelutriation, Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS) und STA-PUT erfolgreich auf die Isolierung von Keimzellen angewendet. Ein Nachteil ist, dass sie alle spezielle Geräte und spezielle Schulungen benötigen. Nach den Prinzipien, die der STA-PUT-Methode zugrunde liegen, wurde ein einfaches Protokoll für die Isolierung von Pachyten-Spermatozyten, runden Spermaatiden und länden Spermaatiden aus Maushoden entwickelt. Nach der Vorbereitung einer einzelzelligen Suspension von Hodenzellen werden bestimmte Zellpopulationen durch Gravitationssedimentation durch einen diskontinuierlichen Rinderserumalbumin (BSA) Dichtegradienten angereichert. Die Zellfraktionen werden dann manuell gesammelt und mikroskopisch analysiert. Dieser modifizierte Dichtegradient für runde Spermatien (MDR) Sedimentationsprotokoll kann weit verbreitet werden, da es nur Standard-Laborausrüstung erfordert. Darüber hinaus erfordert das Protokoll minimale Ausgangsmaterialien, wodurch die Kosten und der Einsatz von Labortieren reduziert werden.
Vieles ist noch unbekannt über die molekularen und biologischen Ereignisse, die während der Spermatogenese von Säugetieren stattfinden, einem komplexen Prozess, bei dem sich Spermatogonialstammzellen in hochspezialisierte Spermatozoen1,2verwandeln. Die Spermatogenese findet in den seminiferen Tubuli der Hoden statt. Die Tubuli enthalten eine Mischung von Keimzellen aus jedem Schritt der Differenzierung, einschließlich spermatogonialer Stammzellen, mitotisch geteilter Spermatogonie, meiotischer Spermatozyten und postmeiotischer Spermatoide (die sich einer haploiden Differenzierung von runden Spermien zu länglichen Spermaatien und schließlich zu reifen Spermatozoen). Zu den somatischen Zellen der Hoden gehören Sertoli-Zellen, die sich mit Keimzellen in den seminiferen Tubuli vermischt, peritubululäre Myoidzellen, die Wände der Tubuli bilden, und Testosteron produzierende Leydig-Zellen im interstitiellen Raum zwischen Tubuli.
Die Untersuchung molekularer und biochemischer Prozesse während der Spermatogenese erfordert oft die Trennung von unterschiedlichen Keimzellpopulationen von einer komplexen Mischung von Hodenzellen. Für die Zellanreicherung wurden viele verschiedene Strategien entwickelt. Die erfolgreichsten Methoden sind STA-PUT-Geschwindigkeitssedimentation durch Einheitsgravitation3,4,5,6, Zentrifugalelutriation auf Basis der Gegenflusszentrifugation7,8, fluoreszenzaktivierte Zellsortierung (FACS), die Zellen nach DNA-Gehalt und/oder spezifischen Markern trennt. Diese Methoden werden häufig unter Spermatogenese-Forschern verwendet und ermöglichen eine effiziente Anreicherung bestimmter Keimzelltypen. Eine Einschränkung dieser Techniken besteht jedoch darin, dass sie spezialisierte, teure Hardware benötigen, die Fachwissen erfordert.
Präsentiert hier ist ein einfaches und kostengünstiges Protokoll, um angereicherte Populationen der drei am häufigsten vorkommenden Zellpopulationen von Maushoden zu isolieren: runde Spermatoide, Pachyten-Spermatozyten und längliche Spermatoide. Dieses Protokoll wird als modifizierter Dichtegradient für runde Spermaatien (MDR) bezeichnet, da es besonders gut zur Anreicherung von runden Spermaatiden geeignet ist. Die MDR-Methode basiert auf den gleichen Prinzipien wie die STA-PUT-Geschwindigkeitssedimentation, benötigt aber nur Standard-Laborgeräte. Lebende Zellen dürfen sich durch einen manuell vorbereiteten diskontinuierlichen Rinderserumalbumin (BSA) Dichtegradienten innerhalb eines Standard-50-ml-Rohrs unter dem Gravitationsfeld der Erde sedimentieren. Größere Zellen bewegen sich schneller durch den Gradienten, der verschiedene Populationen von Keimzellen trennt. Nach der Sedimentation werden angereicherte Fraktionen der drei Zelltypen manuell gesammelt. Die Reinheit dieser angereicherten Zellpopulationen ist vergleichbar mit denen, die durch STA-PUT und Zentrifugalelutriation erreicht werden.
Neben dem Aufbau und der Verwendung des BSA-Gradienten für die Geschwindigkeitssedimentation beschreibt das Protokoll auch ein Verdauungsverfahren zur Freisetzung von Hodenzellen aus seminiferen Tubuli. Das Protokoll wurde von dem von Romrell et al.9 entwickelt modifiziert und enthält sequentielle Verdauungen mit Kollagenase IV und Trypsin. Sequenzielle Verdauungen in Kombination mit einem Bicarbonatpuffer (d.h. der Krebs-Lösung) haben gezeigt, dass sie die Trennung und Lebensfähigkeit der Keimzellen erheblich verbessern9.
Während der MDR-Anreicherung verbringen Zellen rund 4 h zusammen außerhalb der Umgebung der seminiferen Tubuli und sind keinen belastenden mechanischen Kräften ausgesetzt, was die Sammlung hochlebensfähiger Zellfraktionen für die nachgelagerte Analyse ermöglicht. Darüber hinaus erfordert das MDR-Protokoll, ähnlich wie die Zentrifugalelutriation und STA-PUT, keine chemische Behandlung oder Kennzeichnung von Zellen, was auch dazu beiträgt, ihre Lebensfähigkeit zu erhalten. Wichtig ist, dass nur zwei erwachsene Maushoden für die MDR-Isolierung ausreichen und daher eine erwachsene Maus genügend angereicherte Zellen für die RNA- und Proteinanalyse bietet. Standard STA-PUT Protokoll empfiehlt die Verwendung von so viel wie 12 erwachsene Mäuse für die Zellisolation6; obwohl aufgrund früherer Erfahrungen bekannt ist, dass eine erfolgreiche Isolierung von drei bis vier erwachsenen Mäusen durchgeführt werden kann. Die niedrigste Menge an Ausgangsmaterial, die für die Zentrifugalelutriation ausreichend ist, sind sechs Maushogen (drei Mäuse)8. Das MDR-Protokoll reduziert daher nicht nur den Bedarf an teuren Spezialgeräten, sondern reduziert auch die Anzahl der benötigten Labortiere.
Hier wird ein einfaches und kostengünstiges Protokoll zur Isolierung angereicherter Populationen von runden Spermaatiden, Pachyten-Spermatozyten und länglichen Spermaatiden mit Standard-Laborgeräten vorgestellt (Übersicht über das Protokoll in Abbildung 4). Obwohl keine Fachkenntnisse oder teure Maschinen erforderlich sind, gibt es einige kritische Schritte, die bei der Gewebeverdauung, der Konstruktion des Gradienten und der Belastung der Zellsuspension auf den Gradienten berücksichtigt werden müssen.
Keimzellen werden durch zwei aufeinander folgende enzymatische Verdauungen aus seminiferen Tubuli freigesetzt. Die erste Verdauung mit Kollagenase IV trennt seminiferöse Tubuli durch Entfernung von interstitiellen Zellen. Längere Verdauungszeit kann die Tubuli schädigen und zum Verlust von Spermaatiden führen, da (wenn sie während dieses Schritts aus den Tubuli entlassen werden) sie in den folgenden Schritten verworfen werden. Der zweite Verdauungsschritt mit Trypsin setzt Keimzellen aus seminiferen Tubuli frei. Es kann gelegentliche Zelllyse und in der Regel einige Klumpen bilden sich aufgrund der freigesetzten genomischen DNA. Eine Überschreitung der vorgeschlagenen Dauer oder Temperatur der Verdauung wird nicht empfohlen, da dies zu einer schlechteren Lebensfähigkeit, erhöhter Zelllyse und Klumpenbildung führen kann. Wenn leichte Klumpen auftreten, können die Klumpen ignoriert werden. Jedoch, in Fällen von signifikanten Klumpen und Verlust von Zellen, Trypsin Verdauungszeit oder Konzentration sollte reduziert werden. Es sollte auch beachtet werden, dass die enzymatische Aktivität von Trypsin zwischen Chargen und während längerer Lagerzeiten variieren kann. Die Menge an DNase I während der Trypsin-Verdauung kann auch erhöht werden, um überschüssige Klumpen zu entfernen, aber dies sollte als sekundäre Lösung betrachtet werden. Es ist wichtig, am Ende der Vorbehandlung eine homogene einzellige Suspension zu erhalten, da verklumpte Zellen schneller sedimentieren, die Fraktionen kontaminieren und den Gradienten stören.
Das Erstellen des Farbverlaufs kann einige Übung erfordern. Wenn es Beschwerden mit einer 5 ml Pipettenspitze mit einem Pipettenregler gibt, wird empfohlen, eine normale 1 ml mechanische Pipette mit einem glatten Kolben zu verwenden und dann die Pipettenspitzen auf eine Öffnung von 3 mm Durchmesser zu schneiden (Abbildung 1B). Eine breitere Blende und eine gleichmäßige Beladung der BSA-Lösungen verringern das Risiko, den Gradienten zu mischen. Bei sachgemäßer Vorbereitung ist es aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes möglich, die Grenzen zwischen benachbarten BSA-Lösungen zu sehen. Der Farbverlauf sollte direkt vor der Verwendung erstellt werden. Es sollte auch beachtet werden, dass jedes kleine Schütteln oder Vibrationen den Gradienten stören kann, so dass der Gradient in einer Umgebung eingestellt werden sollte, in der er nicht gestört wird.
Die Beladung der Zellsuspension auf den Farbverlauf muss sehr sorgfältig erfolgen. Nach dem Beladen sollte die Zellsuspension auf dem Gradienten bleiben, von dem aus die Zellen langsam beginnen, sich durch die erste Schicht zu sedimentieren. Wenn große Gruppen von Zellen gesehen werden, die sich schnell durch den Gradienten bewegen, wurden die Zellen wahrscheinlich nicht sorgfältig resuspendiert oder es gibt übermäßige Verklumpungen. Wenn die Zellen beim Laden nicht oben im diskontinuierlichen BSA-Gradienten bleiben, sondern sofort zwischen den 1% und 2% BSA-Schichten (Schritt 3.6) sinken, ist die Zellsuspension wahrscheinlich zu dicht. Dieses Protokoll wurde mit zwei Hoden einer erwachsenen Maus (80-120 mg/Testis) als Ausgangsmaterial optimiert; obwohl erfolgreiche Isolierungen mit reduzierten Mengen an Ausgangsmaterial durchgeführt wurden. Um das Protokoll zu erweitern und mehr angereicherte Keimzellen aus höheren Hodenzahlen zu erhalten, sollten mehr 50 ml-Rohre mit dem Gradienten eingeführt werden.
Das Protokoll wurde ursprünglich entwickelt und optimiert, um haploide runde Spermaatien aus erwachsenen Maushoden zu bereichern, und die Reinheit der runden Spermadosen wird voraussichtlich mehr als 90% betragen. Neben hochreinen runden Spermienfraktionen wurden zufriedenstellende Ergebnisse für die Anreicherung von Pachyten-Spermatozyten und lästigen Spermaatiden erzielt. Es sollte beachtet werden, dass Erythrozyten die länglichen Spermafraktionen kontaminieren können, und es sollten weitere Schritte unternommen werden, um sie zu beseitigen, wenn erwartet wird, dass ihre Anwesenheit die nachgelagerten Analysen beeinträchtigt. Wir waren nicht in der Lage, andere Zelltypen wie prämeiotische oder frühe meiotische Zellen (vor der Pachytenphase) von erwachsenen Mäusen mit dem MDR-Protokoll anzureichern.
Zusätzlich, STA-PUT Sedimentation wurde erfolgreich verwendet, um angereicherte Fraktionen von Spermatogonie oder Preleptoten, Leptotene, und Zygoten Spermatozyten mit juvenilen Hoden zu bestimmten Zeitpunkten nach der Geburtgesammelt 13zu erhalten. Dieser Ansatz nutzt das Auftreten dieser Zelltypen während der ersten Welle der Spermatogenese. Derselbe Ansatz kann wahrscheinlich auf die MDR-Anreicherung angewendet werden, aber er wurde noch nicht in der Praxis getestet. Eine weitere Methode, die eine gute Option für die Reinigung von prämetiotischen und meiotischen Zellen in bestimmten Stadien der Differenzierung ist FACS, die den wichtigen Vorteil hat, die Isolierung bestimmter Zelltypen auf der Grundlage der anwesenheitsspezifischen Marker zu ermöglichen14 ,15,16,17.
Insgesamt dient die MDR-Geschwindigkeitssedimentation als nützliche Methode zur Keimzellanreicherung. Während diese Methode anderen etablierten Methoden in Bezug auf die Reinheit oder Menge der angereicherten Zellen nicht überlegen ist, sind ihre klaren Vorteile ihre Einfachheit und niedrige Einrichtungskosten. Zusammen mit der geringen Menge an benötigten Ausgangsmaterialien ist dieses Protokoll eine großartige Option für Forscher im Bereich der Spermatogenese und für diejenigen in anderen Bereichen, die möglicherweise nicht in spezialisierte Hardware oder große Gruppen von Tieren investieren möchten.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken allen Kotaja-Labormitgliedern für ihre Beiträge bei der Entwicklung des Protokolls und für die aktive Nutzung und Erprobung des Protokolls in ihren Forschungsprojekten. Besonders schätzen wir den Beitrag von Jan Lindström für die Hilfe bei der Optimierung des Protokolls. Diese Studie wurde von der Akademie Finnlands, der Sigrid Jusélius Foundation und dem Turku Doctoral Programme of Molecular Medicine unterstützt.
4% Paraformaldehyde | Preference of researcher | ||
AlexaFluor488 donkey anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A-21206 | |
AlexaFluor647 donkey anti-mouse IgG | Thermo Fisher Scientific | A-31571 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | A9647 | |
CaCl2·2H2O | Preference of researcher | ||
Collagenase IV | Sigma | C5138 | |
Complete protease inhibitor cocktail | Roche | 11836145001 | |
DDX4 antibody | Abcam | ab13840 | |
Dextrose | Preference of researcher | ||
DNase I | Worthington | LS006355 | |
GAPDH | HyTest | 5G4 | |
HRP-linked anti-mouse IgG | GE Healthcare Life Sciences | NA931 | |
HRP-linked anti-rabbit IgG | GE Healthcare Life Sciences | NA934 | |
KCl | Preference of researcher | ||
KH2PO4 | Preference of researcher | ||
MgSO4·7H2O | Preference of researcher | ||
NaCl | Preference of researcher | ||
NaHCO3 | Preference of researcher | ||
NH4Cl | Preference of researcher | ||
Pierce BCA protein assay kit | Life Technologies | 23227 | |
PIWIL1 | Cell Signaling Technology | G82 | |
PIWIL2, clone 13E-3 | Millipore | MABE363 | |
Prolong Diamond Antidafe Mountant with DAPI | Thermo Fisher Scientific | P36962 | for Alexa Fluor immunostainings |
rabbit IgG | Neomarkers | NC-100-P | |
Rhodamine-labelled Peanut agglutinin (PNA) | Vector Laboratories | RL-1072 | |
RIPA buffer | 50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 1% NP-40, 0.5% w/v sodium deoxycholate, 0.05% w/v SDS, 1 mM EDTA, 150 mM NaCl, 1x protease inhibitor cocktail, 0.2 mM PMSF and 1 mM DTT | ||
TRIsure | Bioline | BIO-38033 | |
Triton X-100 | Preference of researcher | nonionic surfactant | |
Trypsin | Worthington | LS003703 | |
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | for standard DAPI analysis of cell fractions |
γH2AX antibody | Millipore | 05-636 | |
0.22 µm filter | Sartorius | Sartolab BT 180C6 | or equivalent |
1 ml mechanical pipette | Preference of researcher | ||
1.5 mL or 2 ml tubes | Preference of researcher | ||
40 µm cell sieves for 50 mL tubes | Greiner Bio-One | 542040 | or equivalent cell strainer |
5 mL serological pipettes | Sarstedt | 86.1254.001 | or equivalent |
50 mL conical tubes | Preference of researcher | ||
6 cm Petri dishes | Preference of researcher | ||
cell culture incubator | Preference of researcher | ||
centrifuge for 50 mL tubes | Preference of researcher | ||
grease pen for microscopy glass slides | Preference of researcher | ||
HulaMixer Sample Mixer | Thermo Fisher Scientific | 15920D | or equivalent cell rotator |
microdissection forcepts | Preference of researcher | ||
microdissection scissors | Preference of researcher | ||
microscopy glass slides and coverslips | Preference of researcher | ||
Nanodrop 1000 | Thermo Scientific | ||
Pipetboy Acu 2 | Integra | 155 000 | or equivalent pipette controller |
refrigerated centrifuge for 1.5 mL tubes | Preference of researcher | ||
tips for 1 ml mechanical pipette | Preference of researcher | ||
water bath | Preference of researcher | ||
widefield fluorescence microscope | Preference of researcher |