本文描述了一种可调节的 离体 Ca成像的实验方案2+ 卵子激活过程中 果蝇.
本文描述了一种可调节的 离体 Ca成像的实验方案2+ 卵子激活过程中 果蝇.
卵子激活是一个普遍存在的过程,包含一系列事件,使受精卵能够完成减数分裂并启动胚胎发育。在所有已研究的生物中都保守存在的一种卵子激活特征是细胞内钙离子(Ca2+)浓度的变化,通常称为“Ca2+ 波”。尽管不同物种之间Ca2+波的传播速度和振荡次数有所不同,但细胞内Ca2+的变化对于触发胚胎发育所必需的关键事件至关重要。这些变化包括细胞周期的恢复、mRNA调控、皮质颗粒的胞吐作用以及细胞骨架的重排。
在成熟的Drosophila卵中,激活过程发生在雌性输卵管内,早于受精,启动一系列依赖Ca2+的事件。本文介绍了一种用于成像Drosophila中Ca2+波的实验方案。该方法提供了一个可操控的模型系统,用于探究Ca2+波的机制及其相关的下游变化。
卵母细胞激活时细胞内 Ca2+ 浓度的变化是所有已研究生物体中保守的组成部分1,2。这一事件启动了多种 Ca2+ 依赖性过程,包括细胞周期的恢复以及储存的 mRNA 的翻译。由于 Ca2+ 的这一关键作用,可视化细胞内 Ca2+ 浓度的瞬时变化一直是研究的重点。
历史上,卵子激活研究中模式生物的选择主要基于其卵子的大小和可获得性。在这些系统中,已采用多种可视化方法来追踪和量化细胞内 Ca2+ 浓度的变化,包括:使用光蛋白水母素(aequorin)研究青鳉鱼3;使用对 Ca2+ 敏感的荧光染料 Fura-2 研究海胆和仓鼠4,5;以及使用钙绿-1-葡聚糖(calcium green-1-dextran)研究Xenopus6。
遗传编码钙指示剂(GECIs)的开发与优化极大地提升了对Ca²⁺动态的可视化观测能力2+ 动力学 体内 7这些遗传构建体在特定组织中表达,从而减少了对侵入性组织制备的需求 8.
GCaMP 是一类基于绿色荧光蛋白(GFP)的基因编码钙离子指示剂(GECI),因其对钙离子具有高灵敏度而被广泛应用2+ 亲和力、信噪比和可定制性 9-11。在 Ca 存在的情况下2+,GCaMP复合物会经历一系列构象变化,首先始于Ca²⁺的结合2+ 与钙调蛋白结合,导致GFP组分的荧光强度增加 9.
GCaMP 已被广泛用于研究 果蝇 神经元以可视化细胞内钙的变化12. 近期将GCaMP技术应用于可视化Ca2+ 在成熟阶段 果蝇 卵子的研究揭示了一种单一的瞬时Ca2+ 卵子激活时的波动 13,14. 钙2+ 排卵期间可在低倍镜下观察到波动现象 体内 13 或使用更高放大倍数的 离体 活化检测 13,14. 在 离体 检测时,从卵巢中分离单个成熟卵母细胞,并使用低渗溶液(称为激活缓冲液)进行激活,该溶液已被证明可重现受精过程中的事件 体内 激活 15-17.
该ex vivo检测方法可在不同实验条件下(包括药物干扰、物理操作和基因突变体)实现对Ca2+波的高分辨率便捷观察。本文展示了成熟Drosophila卵的制备过程,用于ex vivo激活,以及随后利用GCaMP进行显微观察以可视化Ca2+波的方法。该方法可用于研究Ca2+波的起始与调控机制,并探究其下游效应。
注意:除非另有说明,所有步骤均在室温下进行。
1. 解剖前准备
注意:此处所述步骤遵循普林斯顿大学 E. Gavis 的方法 & Weil 等 18在成像前两天执行以下步骤。
2. 解剖 Drosophila 卵巢
注意:此处描述的步骤遵循 Weil et. al. 18 的方法。
3. 分离单个成熟卵细胞
4. 成像前准备
5. 成像 离体 卵子激活
6. 采集后图像处理
在此,我们展示了如何制备成熟的 果蝇 卵 用于离体实验 激活。表达GECI的卵子可用于成像Ca2+ 卵子激活及胚胎发育起始阶段的动力学图1)。需要注意的是,根据所使用的GCaMP类型,特别是是否存在肉豆蔻酰基团,结果可能会有轻微的定性差异。13 14我们还通过向激活缓冲液中添加肌动蛋白聚合抑制剂细胞松弛素D,证明了功能性肌动蛋白在卵子激活过程中的作用。图2) 14.
细胞骨架在卵子激活过程中的必要性是保守的。在 秀丽隐杆线虫, 受精后,细胞骨架组分发生重组,以使单细胞胚胎为第一次不对称分裂做好准备 21,22在海胆中,激活后细胞骨架重排受阻已被证明会因抑制收缩环的形成而影响细胞周期 23肌动蛋白在介导钙离子2+ 卵子激活过程中波及其下游功能 果蝇 仍有待完全阐明。
在 果蝇,钙信号的共可视化2+ 利用此方法可实现对波和肌动蛋白细胞骨架的观察与分析 离体 活化检测。可获取多通道的时间序列,并分析细胞内 Ca2+ 可与卵母细胞中肌动蛋白组织结构的变化相对应(图3).

图1:单个Ca2+ 挥手 果蝇 卵子激活 时间序列的 离体 成熟 果蝇 表达UASt-的卵myrGCaMP5 加入活化缓冲液后 (A-H). 胞质 Ca²⁺ 浓度的升高2+ 起源于后极 (B) 并传播 (B-F) 平均速度约为 1.5 µm/sec波的起始通常在加入激活缓冲液后3分钟内被观察到。激活后,成熟卵细胞内的钙离子水平恢复至激活前水平。 (G,H)。参见补充视频1(总时长33分钟)。比例尺 = 50 µm最大投影 = 40 µm. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:在激活缓冲液中添加细胞松弛素D会干扰Ca2+ 波传播 时间序列的 离体 成熟 果蝇 表达UASt的卵myrGCaMP5 加入含有激活缓冲液后 10 µg/ml 细胞松弛素D终浓度 (A-H). 尽管 Ca2+ 波从前极启动 (A),其功能受损,无法到达卵的前部 (F) (白色箭头指示波前位置)。无进一步的 Ca2+ 30分钟内未观察到变化)。参见补充视频2(总时长30分钟)。比例尺 = 50 µm最大投影 = 40 µm. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:肌动蛋白与钙离子的共可视化2+ 卵子激活过程中 果蝇 时间序列的 离体 成熟 果蝇 表达UASt-的卵myrGCaMP5 (青色)和 UASp-F-肌动蛋白.tdTomato (品红)加入活化缓冲液后 (A-H). 钙2+ 波从后极开始并恢复,如同 图1肌动蛋白随时间发生变化,白色箭头所示 (A 与 H) 。缺乏Ca2+ 成熟卵细胞中心的信号检测是由于成像过程中样品移动所致。比例尺 = 50 µm最大投影 = 40 µm. 请点击此处以查看此图的放大版本。
本方案中的第一个关键步骤是在不损伤卵细胞的情况下分离成熟卵子。这可以通过解剖探针轻柔地操作卵子来实现。经过练习,即可熟练完成该操作而不会对卵子造成损伤。第二个关键步骤是在油中向成熟卵子加入激活缓冲液时避免样品丢失。加入激活缓冲液时应缓慢进行,并避免与盖玻片接触。如果显微镜的配置不利于对样品进行便捷操作,该步骤可能会具有挑战性。此时建议移动显微镜的附属部件,例如温度培养箱,以获得更好的操作空间。
为了观察其他荧光标记因子(而非卵子激活过程中的 Ca2+),可对本实验方案进行相应修改。更广泛而言,也可利用该方案分析果蝇(Drosophila)发育的不同阶段,或添加不同缓冲液后的实验结果。
如果显微镜的设置未针对样本信号的观察进行优化,则可能需要进行故障排除。可通过增加或减少激光功率、调整采集范围以及调节Z轴层扫参数来实现优化。另一个问题可能是加入激活缓冲液后,卵子持续移出视野。如果这种情况频繁发生,可让成熟卵子在盖玻片上沉降更长时间,约15至20分钟。需注意,使用黏度更高的油会改变激活缓冲液对油的置换效果。
该技术受限于物镜的工作距离、成熟卵子的脱水以及在不损伤的情况下解剖成熟卵子的能力。然而,与之相比 体内 成像方法,其中成熟卵细胞通过成年雌性并被排出 13我们的方法能够提供更高的空间分辨率,可在激活前对成熟卵细胞进行物理操作,并能够在不经过受精的情况下检测卵细胞激活的作用。
该技术具有多种潜在的未来应用,包括在卵细胞激活时检测细胞组分的报告基因构建体,以及在突变背景下可视化Ca2+波14,24。结合实验与遗传工具,本文所展示的体外(ex vivo)卵细胞激活检测方法可用于研究普遍保守的Ca2+波的触发机制、传播过程及其下游效应。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Laura Bampton、Alex Davidson、Richard Parton 和 Arita Acharya 在本手稿准备过程中提供的帮助;感谢 Mariana Wolfner 就卵子激活问题进行的讨论;感谢 Matt Wayland 提供的成像技术支持;以及感谢 Nan Hu 在实验室中的各项常规支持。
本工作由剑桥大学向 T.T.W. 提供的 ISSF 基金资助 [资助编号 097814]。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 干性活性酵母 | Fleischman’s | #2192 | |
| 解剖显微镜 | Leica | MZ6 | 其他型号亦可使用 |
| 光源灯 | Mircotec Fibre optic | MF0-90 | 其他型号亦可使用 |
| 医用擦拭巾 | Kimberly-Clark Corporation | KLEW3020 | |
| 标记笔 | Stabilo | 841/46 | OHPen 通用型,黑色——大多数文具店有售;超细笔尖,宽度 0.4 mm |
| CO2 培养垫 | Genesee Scientific | 59-114 (789060 Dutscher) | |
| 盖玻片 No. 1.5,22 × 50 mm | International- No1-VWR 目录号=631-0137-22-50mm | Menzel-Glaser-22-50mm-MNJ 400-070T | |
| 卤代烃油,95 系列 | Halocarbon Products Corp. | 欧洲经销商: | |
| Solvadis (GMBH) | |||
| Oil 10 S | VWR Chemicals | 24627.188 | 可替代 95 系列卤代烃油使用 |
| 镊子 | Fine Science Tools | 11252-00 | 工具应保持清洁,但无需高压灭菌,使用乙醇处理即可。 |
| 探针 | Fine Science Tools | 10140-01 | |
| 玻璃移液管 | Fisherbrand, | FB50251 | 巴斯德移液管,玻璃材质,未封口,长度 150 mm |
| 小瓶 | Regina Industries | P1014 | GPPS 80 mm × 25 mm |