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定义减数分裂前期 I 的三个关键且相互依赖的过程是:同源染色体必须配对,一种称为联会复合体的蛋白质结构形成以将同源染色体连接在一起(联会),以及同源染色体发生重组,通过相互交换遗传物质形成交叉(COs)。这些过程中的错误可能导致卵巢早衰、非整倍体,最终导致妊娠丢失和不育。减数分裂重组在卵母细胞中尤其容易出错,超过 7% 的人类卵母细胞至少含有一对没有交叉的染色体,而卵子中 20%–80% 存在非整倍体,相比之下精子中仅为 2.5%–7%。然而,目前尚不清楚为何染色体错误表现出如此显著的性别差异。本实验方案描述了分别从小鼠胎儿和幼年小鼠制备和分析卵母细胞减数分裂前期 I 和中期 I 染色体铺片的方法。为追踪减数分裂前期 I 过程中的关键染色体动态,本方案采用免疫荧光染色技术,检测减数分裂重组的常用标志物(RAD51 标记双链断裂,MSH4 标记交叉中间产物,MLH1/MLH3 用于鉴定大多数交叉事件)以及联会相关标志物(SYCP3 标记染色体轴,SYCP1 标记已联会区域,HORMAD1 标记未联会区域)。此外,本方案使用 体外 收集卵母细胞并使其成熟,以评估中期I配对染色体(二价体)的数量以及交叉互换(交叉)的总数。这些技术共同提供了一个全面且定量的框架,用于研究调控雌性减数分裂早期染色体动态的机制。
减数分裂是一种特殊的细胞分裂过程,对于单倍体配子的产生至关重要。在减数第一次分裂前期,同源染色体(每条由黏连蛋白连接的姐妹染色单体组成)必须完成三个关键任务:1)相互识别并配对;2)通过在各自的侧向轴之间形成联会复合体(synaptonemal complex, SC)而紧密配对;3)通过同源重组交换DNA,导致非姐妹染色单体之间形成交叉(crossovers, COs)1,2。交叉形成所产生的物理连接由黏连蛋白维持,可确保在减数第一次分裂中期染色体的正确双极取向和分离3,4,5。
减数分裂前期Ⅰ包含五个阶段,每个阶段由联会的状态定义6。在细线期(leptonema,希腊语意为“细线”),染色体发生凝缩,沿染色体轴形成轴线结构(由SYCP3标记)。在偶线期(zygonema,意为“连接的线”),同源染色体开始联会,联会复合体(SC)的横向元件(SYCP1)在染色体轴之间形成7。在粗线期(pachynema,意为“粗线”),染色体在其全长范围内完成联会。随后在双线期(diplonema,意为“两条线”)联会复合体解聚,同源染色体仅在交换位点(交叉结构,chiasmata)处保持连接。交叉结构是同源重组的产物,该过程始于程序性诱导的DNA双链断裂(DSBs)。在数百个DSB中,仅有约10%最终形成交换(COs)。在小鼠中,大多数(90%–95%)交换通过由MutLγ(MLH1-MLH3)介导的Ⅰ类CO途径形成,其余的CO则由MUS81-EME1通过Ⅱ类CO途径产生8,9,10,11。
配对、联会和重组是高度受调控且相互依赖的过程。错误通常会触发检查点机制,导致细胞死亡。在雌性中,减数分裂前期 I 早期发生的错误引起的生殖细胞丢失可能导致早发性 卵巢功能不全12,13,而晚期错误(例如同源染色体未能形成交叉互换、交叉互换位置异常或黏连蛋白过早丢失)则可能导致染色体错误分离和非整倍性。在人类中,减数分裂错误是导致妊娠丢失和不孕的主要原因。女性减数分裂尤其容易出错。大约20%–80%的人类卵子(相比之下精子为2.5%–7%)携带异常的染色体数目,其中大多数源于第一次减数分裂过程中的错误14,15,16,17。尽管年龄已被确认为母源性非整倍体最主要的诱因,但卵母细胞为何如此易受错误影响的原因仍不明确。
尽管了解卵母细胞高错误率背后的影响因素至关重要,但我们对减数分裂前期 I 事件调控的大部分认识仍主要来自对雄性减数分裂的研究。由于少量成年睾丸组织即可提供足以评估减数分裂及减数分裂后各阶段生殖细胞的材料,雄性减数分裂长期以来更易于被研究人员获取。相比之下,雌性减数分裂以不连续的方式进行。在小鼠中,减数分裂前期 I 在胎儿卵巢中以半同步方式进展,始于交配后约 14 天(dpc; 图1A),性腺性别决定后不久18,19,20出生前后,卵母细胞进入核网期停滞,直至数月(小鼠)或数十年(人类)后排卵时才恢复发育21,22,23因此,减数分裂前期 I 的特定阶段仅在有限的发育时间窗口内可观察到(图1A),在幼年和成年个体中,每次仅有少数卵母细胞发生前期I之后的事件。尽管技术进步已改善了哺乳动物卵母细胞减数分裂的研究,但与男性生殖研究中相应的技术相比,这些方法仍然具有挑战性且耗时较长。
雌性减数分裂分析因粗线期卵母细胞的亚分期受限而更加复杂——这对研究交叉互换的指定和成熟过程至关重要。雄性研究则得益于特征明确的性染色体配对动态,以及组蛋白变体H1t的存在,后者可作为早期、中期和晚期粗线期的标志物24,25,26。然而,目前尚未建立可靠的粗线期卵母细胞亚分期方法。
本文所述方案可对从小鼠减数分裂I前期早期至中期I的卵母细胞中突触形成和重组进行系统分析。本研究在Peters等人27和Tarkowski28建立的经典染色体铺展技术基础上,结合Hunt29以及Sun和Cohen30对该方法的先前改进而发展而来。本方案着重强调以下三个方面:1)富集并鉴定减数分裂I前期特定亚阶段的细胞;2)最大化每对胎鼠卵巢所获取样本的应用数量;3)提供从重组焦点到交叉结构评估突触缺陷和重组事件的全面且易于操作的量化指标。
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所有动物操作和实验程序均经康奈尔大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准,并遵循第2004-0063号协议进行。
1. 卵母细胞第一次减数分裂前期染色体铺片的制备
2. 前期 I 染色体铺片的免疫荧光染色
3. 用于观察交叉的终变期/前中期制片
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评估类似粗线期细胞中的联会缺陷
本实验旨在评估粗线期卵母细胞中的联会缺陷,并监测减数第一次分裂前期的进程(图3A)。通过免疫染色检测SYCP3(轴向/侧向联会复合体组分)、SYCP1(中央联会复合体组分)和HORMAD1(未联会/去联会的染色体轴),可实现细胞阶段的判定及联会状态的评估。HORMAD1在偶线期和双线期与SYCP3共定位(分别发生在联会前和去联会后)37,38。在卵母细胞中,区分这两个阶段可能较为困难。偶线期的特征是具有长而细的染色体轴以及分叉状的未联会区域,而双线期则表现为短而粗的联会复合体,并因去联会出现特征性的圆形泡状结构,位于同源染色体轴之间(图3A)。
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与精母细胞相比,哺乳动物卵母细胞尤其容易发生错误。尽管卵母细胞中较弱的纺锤体组装检查点(SAC)效率是导致这种易感性的原因之一14,52,53,Hassold 和 Hunt 提出,非整倍体的产生是由多种因素共同作用所致,其中重组缺陷是主要因素54。人类研究已将非整倍体与交叉互换保障不足以及交叉互换位置欠佳联系起来55,56。一种主流模型认为,交叉互换成熟在卵母细胞中效率特别低下,导致既出现交叉互换缺失,也形成诱发非整倍体的模式57。因此,对卵母细胞减数分裂重组进行详细研究,对于理解卵子减数分裂出错的原因和机制至关重要。
本方案整合了多种经典染色体铺展技术的改进方法,针对重组事件的深入分析...
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作者声明无利益冲突。
本项目获得了尤妮斯·肯尼迪·施莱弗国家儿童健康与人类发展研究所(HD112986,授予 TH)K99 奖项的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.45 μm 注射器滤器 | Millipore Sigma | SLHAR33SB | 用于制作口吸移液管 |
| 0.5 M EDTA,pH 8.0 | Corning | 46-034-CI | 用于 HEB |
| 1 mL 无菌注射器,带 25 号、16 mm 针头 | Fisher Scientific | 14-817-125 | 用于破裂卵巢 |
| 100 x 15 mm 培养皿 | VWR | 25384-302 | |
| 14.6 cm 一次性硼硅酸盐玻璃巴斯德移液管 | Fisher Scientific | 13-678-20B | 用于制作口吸移液管 |
| 35 x 10 mm 培养皿 | Corning | 351008 | |
| 40 mm x 0.45 mm #3 不锈钢昆虫学用针 | Amazon | B0CSSPW5S7 | 用于固定胎鼠以进行解剖 |
| 冰乙酸 | Fisher Scientific | A38-212 | 用于卡诺氏固定液 |
| 校准毛细移液管用吸管管组件 | Millipore Sigma | A5177-5EA | 用于制作口吸移液管 |
| B.P.I. 表面皿 | NDS Technologies | 1580-00 | 也可使用 30 mm 直径 × 12 mm 深的胚胎皿(Electron Microscopy Sciences 货号:70543-30) |
| 硼酸 | Fisher Scientific | BP168-1 | 用于调节 HEB 和 PFA 的 pH |
| 牛血清白蛋白 | Millipore Sigma | A7906-100G | 用于 ADB |
| CO2 气罐 | 用于培养箱 | ||
| Corning 显微镜载玻片 | Millipore Sigma | CLS294875X25 | 长 × 宽 75 mm × 25 mm,单面磨砂 |
| Corning 显微镜载玻片,单面磨砂,一端磨砂 | VWR | 294875X25 | |
| 矩形盖玻片,60 x 24 mm,#1.5 | VWR | 48393-251 | |
| 解剖皿 | Electron Microscopy Sciences | 70540 | |
| 解剖显微镜 | 任意标准型号 | ||
| 解剖剪刀,尖头,4.5" | VWR | 82027-578 | |
| 超细尖头镊子 | VWR | 76548-836 | |
| 吉姆萨染液 | Millipore Sigma | GS500-500 | 用于染色交叉分布标本 |
| ImmEdge 疏水屏障 PAP 笔 | Vector Laboratories | H-4000 | |
| 培养箱 | 任何配备 CO2 和水套技术的标准型号 | ||
| 体外受精工作站 | K-Systems | 任何带加热台面的型号 | |
| Kodak Photo-Flo 200 溶液 | BH Photo & Video | 1464510 | 用于载玻片清洗 |
| 甲醇 | Fisher Scientific | A412-4 | 用于卡诺氏固定液 |
| MP Biomedicals Coplin 染色缸 | Fisher Scientific | ICN17006201 | |
| 正常山羊血清 | Gibco | 16210-072 | 用于 ADB |
| 甲醛,电镜级,纯化颗粒 | Electron Microscopy Sciences | 19200 | |
| Permount 中性树胶 | Fisher Scientific | SP15-100 | 用于交叉分布标本的封片 |
| 含 NucBlue 染料的 ProLong Glass 抗荧光淬灭封片剂 | Thermo Scientific | P36985 | 用于免疫荧光染色载玻片的封片 |
| 硅胶管,内径:0.125",外径:0.25" | VWR | 89068-474 | 用于制作口吸移液管 |
| 二水合柠檬酸钠 | Fisher Scientific | S279-500 | 用于 HEB 和低渗溶液 |
| StainTray 载玻片染色系统 | Electron Microscopy Sciences | 71396-B | 用作加湿孵育盒。免疫荧光染色时必须使用黑色盖子。也可用不透明载玻片盒或密封盒底部铺上湿润的纸巾作为加湿孵育环境 |
| 移液头剥离器 - 100 | Cooper Surgical | MXL3-100 | 用于口吸移液管 |
| 移液头剥离器 - 150 | Cooper Surgical | MXL3-150 | 用于口吸移液管 |
| 蔗糖 | Millipore Sigma | S-8501 | 用于 HEB 和蔗糖低渗溶液 |
| Tris 碱 | Fisher Scientific | BP152-5 | 用于 HEB |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-100 | 用于 PFA、ADB 和 Triton-PBS |
| United Scientific Coplin 染色缸 | Fisher Scientific | S17495A | 不透明白色塑料,用于添加光敏性二抗后的清洗和封闭载玻片 |
| United Scientific 玻璃凹面载玻片 | Fisher Scientific | S139533 | 厚度 1.3 mm,双孔 |
| Vannas 显微解剖剪刀,5 mm 直头 | VWR | 76457-358 | |
| Zeiss Axio Imager.Z2,Colibri 7 | Carl Zeiss | 000000-2624-307 | |
| Zen Blue 3.11 软件 | Carl Zeiss | 图像采集与分析软件 | |
| 抗体 | |||
| Alexa Fluor 488 标记的 F(ab')? 片段山羊抗小鼠 IgG,Fc 片段特异性 | Jackson ImmunoResearch Laboratories Inc. | 115-546-071 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| Alexa Fluor 488 标记的 F(ab')? 片段山羊抗兔 IgG,Fc 片段特异性 | Jackson ImmunoResearch Laboratories Inc. | 111-546-046 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| Alexa Fluor 647 标记的 F(ab')? 片段山羊抗人 IgG,Fcγ 片段特异性 | Jackson ImmunoResearch Laboratories Inc. | 109-606-170 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| Alexa Fluor 647 标记的山羊抗豚鼠 IgG,Fc 片段特异性 | Jackson ImmunoResearch Laboratories Inc. | 106-605-008 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| 豚鼠抗 MLH3 多克隆抗体 | Thermo-Fisher 定制制备,使用 1:500 稀释度 | ||
| 豚鼠抗 SYCP1 多克隆抗体 | 来自 Christer Höög(Kouznetsova 等,2005),使用 1:200 稀释度 | ||
| 人抗着丝粒蛋白多克隆抗体 | Antibodies Inc. | 15-234 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| 小鼠抗 MLH1 单克隆抗体 | BD Biosciences | 550838 | 使用 1:100 稀释度 |
| 小鼠抗 SYCP3 单克隆抗体 | Abcam | ab97672 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| 兔抗 HORMAD1 多克隆抗体 | Proteintech | 13917-1-AP | 使用 1:500 稀释度 |
| 兔抗 MSH4 多克隆抗体 | Abclonal | A8556 | 使用 1:100 稀释度 |
| 兔抗 RAD51 多克隆抗体 | Millipore | PC130 | 使用 1:500 稀释度 |
| 兔抗 SYCP3 多克隆抗体 | Abcam | ab15093 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| Rhodamine Red-X (RRX) 标记的 F(ab')? 片段山羊抗小鼠 IgG,Fc 片段特异性 | Jackson ImmunoResearch Laboratories Inc. | 115-296-071 | 使用 1:1,000 稀释度 |
| Rhodamine Red-X (RRX) 标记的 F(ab')? 片段山羊抗兔 IgG,Fc 片段特异性 | Jackson ImmunoResearch Laboratories Inc. | 111-296-046 | 使用 1:1,000 稀释度 |
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