已知哺乳动物的卵子发生过程容易出错,尤其是由于染色体错误分离所致。本文描述了小鼠减数分裂前期、中期I和中期II阶段卵母细胞的染色质铺展制备方法。这些基础技术可用于研究哺乳动物卵子发生过程中染色质结合蛋白及染色体形态的变化。
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已知哺乳动物的卵子发生过程容易出错,尤其是由于染色体错误分离所致。本文描述了小鼠减数分裂前期、中期I和中期II阶段卵母细胞的染色质铺展制备方法。这些基础技术可用于研究哺乳动物卵子发生过程中染色质结合蛋白及染色体形态的变化。
染色质铺展技术已广泛用于评估配子发生过程中各种蛋白质的动态定位,特别是在精子发生过程中的应用。这些技术能够可视化蛋白质和DNA在减数分裂事件(如同源染色体配对、联会和DNA修复)中的定位模式。尽管文献中已有少数相关方案报道,但利用哺乳动物前期卵母细胞进行染色质铺展的通用技术仍较为有限且操作困难,主要原因在于胎儿卵巢中减数分裂启动的时间难以把握。相比之下,前期精母细胞可从幼年雄性小鼠中获得,产量较高,且无需显微解剖。然而,由于幼年和成年睾丸中减数分裂及减数分裂后生殖细胞群体具有异质性,因此很难获得处于特定阶段的纯合且同步的细胞群体。对于减数分裂的后期阶段,研究经历减数分裂I期(MI)或减数分裂II期(MII)的卵母细胞更具优势,因为可从成年雌性小鼠中收集到成批的成熟卵母细胞,并通过体外培养诱导其恢复减数分裂。本文描述了利用从胎儿、新生期及成年卵巢中分离的卵母细胞进行减数分裂染色质铺展制备的方法,并配有视频演示。哺乳动物卵母细胞中染色体错误分离现象较为频繁,尤其在MI期更为显著。这些技术可用于评估和表征不同基因突变或环境暴露在卵子发生各个阶段所产生的影响。鉴于卵子发生与精子发生在生物学过程上存在明显差异,本文所述技术对于深入理解哺乳动物卵子发生机制以及减数分裂过程中染色体和蛋白质动态的性别二态性特征具有重要价值。
在精子发生过程中,自青春期开始并持续至成年期,睾丸中会快速且持续地补充大量半同步的减数分裂生殖细胞波1。与雄性不同,雌性中的减数分裂仅在胎儿发育期间启动。出生后,卵母细胞停滞在前期I的长期网状期(dictyate期),生发泡(GV;核膜)保持完整,直至青春期。青春期开始后,部分卵母细胞被周期性地选择进入生长和成熟阶段,标志着减数分裂恢复的启动。在充分生长的卵母细胞中,减数分裂的恢复表现为生发泡的消失,该过程称为生发泡破裂(GVBD)。随后,卵母细胞发生染色体凝集和分离,并伴随极体排出。卵母细胞在进入MII期后再次停滞,只有在受精后才被刺激完成第二次也是最后一次减数分裂。
女性生育能力高度依赖于减数分裂前期 I 的顺利进行。这一过程的关键在于同源染色体之间形成一种称为交叉结(chiasmata)的物理连接,该连接通过DNA双链断裂(DSBs)的修复经由交叉重组实现2。这一过程发生在一个富含蛋白质的动态支架结构——联会复合体(synaptonemal complex, SC)的背景下,该结构在同源染色体之间形成,以促进其联会3。联会复合体是一种类似拉链的三部分结构,由两个平行的侧向元件通过中心区域蛋白连接而成,这些蛋白在整个DNA修复过程中将同源染色体保持在一起。在联会之前,侧向元件的前体——轴向元件——在姐妹染色单体之间形成。联会复合体蛋白如SYCP2和SYCP3构成轴向元件,并在前期I早期与姐妹染色单体的黏连轴共定位。这些轴向元件随后作为横向纤维蛋白SYCP1的结合位点,促进中心元件的组装以及配对同源染色体之间的联会4。在小鼠卵母细胞中,完全联会的标志是出现20对完全重叠的SYCP3与SYCP1信号条带,可通过染色质铺展制片技术进行观察。联会过程在进入粗线期亚阶段时完成,此时注定形成同源染色体间交叉结的成熟交叉位点会被mutL同源物(MLH1/3)二聚体标记,以促进其精确加工5,6,7。染色体结构维持(SMC)复合物,包括黏连蛋白(cohesin)、凝缩蛋白(condensin)以及SMC5/6复合物,在整个减数分裂过程中对染色体动态行为和结构调控具有重要作用8,9,10,11,12。这些事件共同确保在联会复合体解聚后,同源染色体能够正确地定向至纺锤体的相对两极。
减数分裂细胞周期是研究多种蛋白质在基因组维持中作用的有力模型,因为该过程涉及程序性诱导DNA双链断裂(DSBs)及其后续修复。此外,哺乳动物的减数分裂也是研究表观遗传修饰和基因组印记的相关模型13。然而,由于雌性减数分裂发生在哺乳动物的胎儿期和新生期卵巢中(图1),在技术上难以对此过程中的事件进行检测。减数分裂前期I可分为5个亚阶段:细线期、偶线期、粗线期、双线期和网线期。本文描述了如何分离并区分胎儿期和新生期的卵巢与睾丸(图2)。在先前方法的基础上,本论文还提供了一种制备雌性减数分裂前期I染色质铺展样本的实验方案(步骤1),并配有视频演示14,15,16,17。结合步骤6–7所述的免疫标记技术,该方案可实现对卵母细胞中前期I事件的详细显微分析。
卵子发生过程容易出错,减数第一次分裂期间的染色体错误分离是子代遗传性疾病最常见的来源18,19。在本论文(实验步骤2)中,我们描述了一种从成年雌性小鼠经激素预处理的卵巢中提取成熟GV期卵母细胞的实验方案。在适宜的培养条件下,完全成熟的卵母细胞在分离后可不依赖黄体生成素而自发恢复减数分裂20。减数分裂恢复后,卵母细胞完成减数第一次分裂,随后停滞于减数第二次分裂中期(MII期)。卵母细胞将一直维持在MII期停滞状态,直至受精。 在步骤2–5中,我们在已有报道的实验方案基础上,结合视频演示,详细说明如何收集、培养并制备MI期和MII期卵母细胞,以进行染色质铺展制样21。该染色质铺展技术可实现对染色体相关蛋白的清晰免疫标记。此外,本方案还可用于区分二价染色体与单价染色体,并能进一步分辨单条姐妹染色单体,从而便于评估卵母细胞的倍性。因此,该实验方案不仅可用于揭示减数分裂相关蛋白的定位模式,还可作为阐明MI期和MII期染色体错误分离潜在机制的重要工具。
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本文所述所有方法均经约翰斯·霍普金斯大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准。实验在野生型 C57BL/6J 小鼠上进行。
1. 胎儿或新生卵巢的采集及前期染色质铺片的制备
2. 中期I卵母细胞的收集
3. 中期II(MII)卵母细胞的收集
4. 卵母细胞去丘和透明带去除
5. MI 和 MII 期卵母细胞染色质铺展
6. 免疫标记
7. 装片
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我们描述了两种用于可视化和评估卵母细胞减数分裂染色体的技术。第一种技术主要用于评估胚胎期和新生卵巢中减数分裂前期的进程。前期染色质铺展制备法对于观察减数分裂期间的多种动态过程极为有价值,包括染色体配对、联会与去联会、同源重组以及表观遗传水平的染色体重塑。在此,我们展示了该方法在对来自C57BL/6J胚胎的卵母细胞中交叉事件形成进行可靠可视化和定量分析方面的应用(图3B 和 3C)。为了富集处于粗线期亚阶段的细胞,小鼠胚胎在妊娠18.5天(dpc)时取出(图1)。减数第一次分裂前期粗线期的两个主要特征是同源染色体之间联会的完成,以及每对同源染色体上至少形成一个MLH1/3阳性的交叉。同源染色体间完全联会的表现为存在20段重叠的SYCP3与SYCP1信号。为了表征野生型卵母细胞中的交叉形成,我们使用识别SYCP3、SYCP1和MLH1的抗体对前期染色质铺展样本进行免疫荧光标记,并用DAPI染...
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染色质铺展制备技术使研究人员能够按时间顺序研究雌性哺乳动物的减数分裂过程以及相关蛋白的动态定位。胚胎期和新生期的染色质铺展样本可用于对减数分裂前期各个事件进行细致分析。中期I和中期II的染色质铺展可用于区分单条姐妹染色单体与成对的姐妹染色单体,以及成对的同源染色体,同时可用于评估倍性。相比之下,本文所述方案相较于完整的卵母细胞免疫标记技术具有优势,后者常产生较高的背景信号,从而降低染色质结合蛋白的分辨率。此外,染色质铺展技术也是活细胞成像的一种理想替代方法,后者需要投入大量时间并配备专门的仪器设备。
胚胎和新生卵巢可能难以定位和取出。我们建议在寻找卵巢之前,先在含有 PBS 的另一个培养皿中仔细移除除肾脏以外的所有其他器官和组织,并为每只胚胎/仔鼠使用新鲜的 PBS 培养皿(图 2B)。如果胚胎/仔鼠为雄性,可通过曲细精管的形成以及性腺的位置来区分睾丸(图 2D)。随着雄性胚胎的发育,睾丸会向阴茎方向下降,体积增大并呈椭圆形。
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了NIGMS(R01GM11755)向P.W.J.提供的资助,以及美国国家癌症研究所(NIH)(CA009110)向G.H.和J.H.提供的培训项目博士后奖学金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10倍浓度磷酸盐缓冲液(PBS)pH 7.4 | 优质生物材料 | 119-069-161 | |
| 60 mm × 15 mm 培养皿 | 丹维尔 | T1106 | |
| 35 mm × 12 mm 培养皿 | 丹维尔 | T1103 | |
| 精细镊子 | VWR | 300-050 | |
| 显微解剖剪 | Ted Pella | 1340 | |
| 解剖 剪刀,尖头,41/2" | VWR | 82027-578 | |
| 方形表面皿 1 5/8 | 卡罗来纳生物供应公司 | 742300 | 每次使用前进行高压灭菌 |
| 蔗糖 | Sigma | S8501 | |
| 二水合柠檬酸三钠 | Sigma | S1804 | |
| EDTA | Sigma | E6758 | |
| Trizma Base | Sigma | T1503 | |
| 1,4-二硫苏糖醇(DTT) | Sigma | 646563 | 使用前立即加入低渗缓冲液 |
| 50x 蛋白酶抑制剂 | 罗氏 | 11873580001 | 使用前立即加入低渗缓冲液 |
| 结核菌素注射器(带针头,1毫升,27 G × 1/2 英寸) | Becton, Dickinson (BD) | 309623 | |
| 金封超霜玻璃载玻片(25×75 mm,1 mm 厚) | 赛默飞世尔科技 | 3063-002 | |
| 超大号PAP笔(液体阻断笔) | 电子显微镜科学公司(Electron Microscopy Sciences, EMS) | 71310 | |
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| Triton X-100 | Sigma | T8787 | 稿件中的去垢剂 |
| 免疫染色湿盒 | 常绿 | 240-9020-Z10 | |
| 考普林罐 | Fisher | 08-815 | |
| Photo-flo 200 | 电子显微镜科学公司(Electron Microscopy Sciences, EMS) | 74257 | 手稿中的润湿剂 |
| 孕马血清促性腺激素(PMSG) | Sigma | G4877 | 将分装样品于 -20°C 保存 |
| 人绒毛膜促性腺激素(HCG) | Sigma | C0434 | 将分装样品于 -20°C 保存 |
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| α- MEM | Invitrogen | 11415049 | |
| Waymouth's 培养基 | Life Technologies | 11220035 | |
| 胎牛血清 | Fisher | A3160602 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A3311 | 用于卵母细胞培养的培养基 |
| 500 ml 滤器装置,0.22 μm | 丹维尔 | F5227 | |
| 透明质酸酶 | Sigma | H3506 | |
| Tyrode’s 溶液 | Sigma | T1788 | 将分装样品于 -20°C 保存 |
| 马血清 | Sigma | H-1270 | 用于 ADB/洗涤缓冲液 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A1470 | 用于 ADB/洗涤缓冲液 |
| 含DAPI的VECTASHIELD抗荧光淬灭封片剂 | Vector Labs | H-1200 | |
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| <强>名称 | <强>公司 | <强>货号 | <强>评论 |
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| SteREO Discovery.V8 | Zeiss | 495015-0001-000 | |
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| <强>名称 | <强>公司 | <强>目录编号 | <强>评论 |
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| 小鼠抗MLH1 | Life Technologies | MA5-15431 | 稀释倍数 - 1:100 |
| 兔抗 SYCP1 | Life Technologies | PA1-16763 | 稀释倍数 - 1:1000 |
| 山羊抗SCP3 | 圣克鲁斯 | sc-20845 | 稀释倍数 - 1:50 |
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| 驴抗山羊IgG(H+L)Alexa Fluor 568标记物 | 赛默飞世尔科技 | A-11057 | 稀释倍数 - 1:500 |
| 驴抗小鼠IgG(H+L)Alexa Fluor 488偶联物 | 赛默飞世尔科技 | A-21202 | 稀释倍数 - 1:500 |
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| 山羊抗小鼠IgG(H+L)Alexa Fluor 568 标记物 | 赛默飞世尔科技 | A-11004 | 稀释倍数 - 1:500 |
| 山羊抗人IgG(H+L)交叉吸附二抗,Alexa Fluor 488 | 赛默飞世尔科技 | A-11013 | 稀释倍数 - 1:500 |
| 山羊抗兔IgG(H+L)Alexa Fluor 568 标记物 | 赛默飞世尔科技 | A-11011 | 稀释倍数 - 1:500 |
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