本文总结了利用 H2B-RFP 标记染色质和 SiR-微管蛋白标记纺锤体,对小鼠卵母细胞中染色体分离过程进行活细胞成像的技术。我们详细介绍了样本制备、显微注射、培养、成像设置及数据分析等步骤,为实现高分辨率且光毒性最小化的减数分裂染色体动态成像提供实用指南。
本文总结了利用 H2B-RFP 标记染色质和 SiR-微管蛋白标记纺锤体,对小鼠卵母细胞中染色体分离过程进行活细胞成像的技术。我们详细介绍了样本制备、显微注射、培养、成像设置及数据分析等步骤,为实现高分辨率且光毒性最小化的减数分裂染色体动态成像提供实用指南。
卵母细胞减数分裂过程中染色体的准确分离对于确保胚胎正常发育以及预防非整倍体相关疾病至关重要。活细胞成像结合荧光标记技术已成为以高时空分辨率研究减数分裂染色体动态的有力手段。本实验方案总结了在活体小鼠卵母细胞中可视化染色体分离的关键方法,重点介绍使用组蛋白H2B-RFP标记染色质以及SiR-微管蛋白追踪纺锤体的技术。我们详细描述了样本制备、mRNA显微注射、卵母细胞培养、活细胞成像腔室搭建以及共聚焦显微镜参数设置等操作步骤,所有条件均经过优化,以实现高分辨率成像的同时最大限度降低光毒性。此外,我们还强调了若干关键实验考量因素,包括光毒性控制、图像处理以及减数分裂事件的定量分析。通过系统评估现有方法,本方案为致力于研究活体卵母细胞中染色体动态的研究人员提供了实用指南,有助于提升减数分裂研究的准确性与可重复性。
在卵母细胞减数分裂过程中,对染色体和纺锤体动态进行准确的可视化观察,对于理解调控雌性配子成熟及非整倍体风险的机制至关重要1,2,3,4,5。哺乳动物的卵母细胞经历一系列高度协调的减数分裂事件,包括生发泡破裂(GVBD)、染色体凝集、纺锤体组装以及不对称分裂6。尽管固定时间点的成像技术为这些过程提供了有价值的静态图像,但其时间分辨率有限,无法捕捉采样间隔之间发生的瞬时或快速事件。相比之下,对荧光标记的染色体和微管进行活细胞成像,为实时监测这些动态过程提供了一种强有力的方法2,3,7。该方法可直接观察单个卵母细胞中减数分裂事件的时间、持续时长和顺序,并能够识别在固定样本中可能被遗漏的瞬时事件。然而,在显微注射和成像过程中维持卵母细胞的活力和生理完整性,需要精细的操作和优化的条件8。
本方案描述了一种对小鼠生发泡(GV)期卵母细胞进行H2B-RFP cRNA显微注射的完整操作流程,可实现染色质的荧光标记,并随后通过共聚焦显微镜对减数分裂全过程中的染色体和纺锤体行为进行延时成像4。该方法整合了多个关键步骤,包括激素预处理、卵母细胞分离、在温度可控条件下进行显微注射,以及利用具备环境控制功能的共聚焦显微镜进行活细胞成像4,9。本文的总体目标是提供一种稳健且可重复的操作流程,用于实时观察活体小鼠卵母细胞中染色体和纺锤体的动态变化,为研究减数分裂调控及非整倍体风险相关的分子与细胞机制提供技术平台。
尽管该方案具有较高的时间和空间分辨率,但它依赖于外源报告基因的表达,这可能无法完全模拟内源性蛋白质的动态变化,并且如果过表达,还可能干扰天然的减数分裂过程。研究人员应考虑这些局限性,并在可能的情况下,采用互补的方法对研究结果进行验证。
本方案旨在支持对减数分裂机制、染色体分离错误以及遗传或环境干扰对卵母细胞质量影响的研究。它为生殖生物学领域的基础研究和转化应用提供了可靠的实验平台。
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所有实验必须根据当地动物伦理委员会批准的方案进行。实验操作应严格遵守“3R”原则——替代、减少和优化。小鼠必须饲养在经认证的动物设施中,环境条件标准化(22 °C,60%湿度),并可自由获取食物和水。
1. 卵母细胞的收集与制备
注意:所有仪器和试剂必须无菌。所有卵母细胞操作均需在体视显微镜下使用口控移液管进行(参见材料表)。所有培养液滴均需用矿物油覆盖(图1A-E)。
2. H2B-RFP cRNA 的制备
注意:所有步骤均需佩戴手套,在洁净且无RNase的环境中进行。仅使用无RNase的水和试剂,最好在存在RNase抑制剂的条件下操作。
3. 卵母细胞的准备与显微注射
注意:整个操作过程中,使用预热的培养基和温度可控的显微镜载物台,将卵母细胞保持在 37 °C,以维持卵母细胞质量。
4. 减数分裂期间对 H2B-RFP 标记的染色体进行延时成像
5. 成像后处理
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如图4A、B所示,本方案可实现对卵母细胞中染色体(H2B-RFP)和纺锤体微管(SiR-微管蛋白)的高质量活细胞成像,从而在整个减数分裂成熟过程中提供全面的时空信息。
H2B-RFP 通道中的 图4A 揭示了生发泡破裂(GVBD)后染色体运动的各个阶段,从初始排列开始图 4A,03:00 - 08:00)直至第一次减数分裂后期的分离(图4A,09:00 黄色箭头)直至染色体在减数第二次分裂中期排列完成(图 4A,13:30)。高分辨率图像使研究人员能够观察纺锤体微管重排和染色体精细定位等细微结构,有助于对减数分裂进程、纺锤体定位及极体排出的研究。
此外,本方案支持在活细胞条件下进行功能研究,以探究小...
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本文所述方案介绍了一种对小鼠卵母细胞进行显微注射和活细胞成像的可靠方法,可实现减数分裂过程中染色体动态的高时空分辨率可视化。该方法成功的关键在于从卵母细胞的收集、显微注射到成像的各个步骤中均需进行精细的操作。卵母细胞对环境波动极为敏感,温度、pH值或渗透压的任何偏离均可能损害其生理完整性和发育潜能3,4,5,16,17。因此,在长时间操作和成像过程中,维持最佳条件——例如持续在37 °C下孵育、使用预热培养基以及温度可控的显微镜载物台——对于保持卵母细胞的活力至关重要3,4。
本方案的一个关键优势在于将荧光标记物(H2B-RFP用于染色体,Si...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由 Christopher Chen 教授捐赠基金、昆士兰大学医学院启动资金以及澳大利亚国家卫生与医学研究委员会项目资助(项目编号:APP1078134 和 APP1103689)支持,资助对象为 H.A.H.。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-ml 注射器 | Terumo | SS+01T Tuberculin | 用于精确注射PMSG。 |
| 琼脂糖凝胶 | Invitrogen | 16500500 | 用于DNA和RNA凝胶电泳,按大小分离核酸,以验证H2B-RFP序列。 |
| 酒精灯 | LabTek | LW15557-01 | 用于灭菌和口吸管制备。 |
| 细菌培养基(LB肉汤) | Sigma-Aldrich | L3022 | 用于培养大肠杆菌(E. coli)及其他细菌的标准培养基。 |
| 细胞培养皿(35 × 10 mm 和 60 × 15 mm) | Sigma-Aldrich | CLS430165, CLS430166 | 用于卵母细胞培养;提供多种规格。 |
| 台式离心机 | Eppendorf | 5424R | 适用于小体积样品的紧凑型离心机,常用于科研实验室。 |
| 离心管(15-ml 和 50-ml) | Corning | 352096, 352070 | 较大容量离心管,常用于细胞和蛋白质处理。 |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | C2432 | 分子生物学实验中常用的溶剂,尤其用于DNA/RNA提取。 |
| CO₂培养箱 | Sanyo | (型号: MCO-18AIC) | 设计用于维持受控CO₂环境,以支持卵母细胞培养。 |
| 一次性超细针头(27 G × 1/2”) | Hanke Sass Wolf | 4710004012 | 用于卵母细胞采集的精细针头。 |
| DNase I(无RNase) | Thermo Fisher Scientific | EN0521 | 用于去除RNA样品中污染性DNA的酶。 |
| 干式加热块 | Grant Instruments | (型号: QBD4) | 用于在无需水浴条件下精确控温加热样品或反应。 |
| 乙醇(分子生物学级) | Sigma-Aldrich | E7023 | 用于DNA和RNA沉淀,以及灭菌操作。 |
| 精细解剖剪刀 | Met-App Scientific and Surgical Instruments | 2235 | 用于小鼠卵母细胞的精细解剖。 |
| 精细镊子 | Met-App Scientific and Surgical Instruments | 2127 | 用于小鼠卵母细胞的精细解剖。 |
| 凝胶电泳系统 | Bio-Rad | 1645050 | 用于在凝胶中进行核酸或蛋白质电泳的系统。 |
| 硫酸庆大霉素 | Sigma-Aldrich | G1264 | 用于防止细胞培养中细菌污染的抗生素。 |
| 巴斯德玻璃移液管(230 mm) | VWR | 6121702 | 用于卵母细胞口吸管制备的玻璃移液管 |
| IBMX | Sigma-Aldrich | I5879 | 磷酸二酯酶抑制剂,用于防止生发泡破裂(GVBD)。 |
| 倒置显微镜 | Nikon | 专为从培养皿下方观察活细胞或生物体而设计的显微镜。 | |
| 适用于小鼠胚胎培养的轻质矿物油 | Sigma-Aldrich | M5310 | 用于覆盖培养中的卵母细胞,防止蒸发并维持温度。 |
| 氯化锂 | Sigma-Aldrich | L9650 | 用于RNA沉淀方法。 |
| 活细胞成像系统 | Leica | LAS X | 采用先进显微技术设计的系统,用于活细胞的实时观察。 |
| M16培养基(用于体外培养) | Sigma-Aldrich | M7292 | 专为小鼠卵母细胞、胚胎及其他体外应用设计的培养基。 |
| 微量离心管(0.6-ml 和 1.6-ml) | Neptune | 3735.X, 3745.X | 小体积离心管,常用于分子生物学和生物化学实验。 |
| 无RNase微量离心管 | Eppendorf / Neptune | 022431081 (Eppendorf) | 用于RNA操作的无RNase管,防止RNA降解。 |
| 显微注射针头 | Sutter Instruments | P-30 Pipette Puller | 用于向卵母细胞进行精确显微注射的针头。 |
| 显微注射系统 | Harvard Apparatus | FemtoJet, PicoPump | 用于将cRNA高精度注射入小鼠卵母细胞的系统。 |
| 质粒小提试剂盒 | Qiagen | 27106 (QIAprep Spin Miniprep Kit) | 用于从细菌培养物中分离质粒DNA,适用于分子生物学应用。 |
| 口吸管组件 | Sigma-Aldrich | A5177 | 用于卵母细胞吸取。 |
| Pellet Paint | Merck Millipore | 69049-3 | 用于在离心过程中可视化沉淀物形成的试剂。 |
| 苯酚:氯仿:异戊醇 | Thermo Fisher Scientific | 15593031 | 用于H2B-RFP提取过程中的相分离溶液。 |
| 编码H2B-RFP的质粒 | Addgene | 质粒 #20972 | 用于以红色荧光蛋白(RFP)标记染色体的质粒 |
| PMSG | Prospec | HOR-272 | 用于小鼠超数排卵 |
| 蛋白酶K | Thermo Fisher Scientific | EO0491 | 用于消化蛋白质的酶,常用于DNA/RNA提取过程。 |
| 限制性内切酶NotI | New England Biolabs (NEB) | R3189S | 用于DNA克隆和分子生物学应用的限制性内切酶,用于线性化H2B-RFP质粒。 |
| RNase抑制剂(可选) | New England Biolabs (NEB) | M0314S | 用于防止RNA相关实验中RNA降解的酶。 |
| 无RNase手套 | VWR / Fisher Scientific | 根据尺寸不同而异 | 经处理以防止RNase污染的手套,用于RNA操作实验。 |
| 无RNase移液器吸头 | Axygen / Thermo Fisher | T-300-R-S | 专为RNA相关应用设计的无RNase污染移液吸头。 |
| 无RNase水 | Thermo Fisher Scientific | AM9932 | 经纯化去除RNase酶的水,是RNA实验中防止降解的必需品。 |
| SDS(10%) | Sigma-Aldrich | L3771 | 十二烷基硫酸钠,用于电泳及其他实验中蛋白质的变性。 |
| SiR-微管蛋白 | Spirochrome | SC002 | 一种特异性结合微管蛋白的荧光染料,用于活细胞中纺锤体的成像。 |
| 乙酸钠(3 M) | Sigma-Aldrich | S7899 | 用作缓冲液及在分子生物学操作中用于DNA沉淀。 |
| 分光光度计 | Thermo Fisher (NanoDrop) | ND-ONE-W | 通过测量吸光度来定量核酸、蛋白质及其他物质的仪器。 |
| 体视显微镜 | Leica Microsystems | M165C | 用于在低倍率下三维观察样本的显微镜,适用于解剖操作。 |
| 注射器滤器单元(0.22-µm) | Merck | SLGP033RS | 用于液体的无菌过滤,尤其适用于微生物学和分子生物学应用。 |
| 注射器与针头组件 | Terumo | SS+01T Tuberculin Syringes | 用于精确递送PMSG。 |
| T7 mMESSAGE mMACHINE 试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | AM1344 | 用于从T7启动子体外转录RNA,以制备H2B-RFP cRNA的试剂盒。 |
| 水浴/加热块 | Grant Instruments | QBD4 | 用于需要加热的实验中维持精确温度。 |
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