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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Mantenere l'integrità del genoma dell'ovocita è necessario per garantire la fedeltà genetica nell'embrione risultante. Qui, presentiamo un protocollo accurato per rilevare le rotture del doppio filamento del DNA nelle cellule germinali femminili dei mammiferi.
Gli ovociti sono tra le cellule più grandi e longeve del corpo femminile. Si formano nelle ovaie durante lo sviluppo embrionale e rimangono arrestate alla profase della meiosi I. Lo stato di quiescenza può durare per anni fino a quando gli ovociti ricevono uno stimolo per crescere e ottenere la competenza per riprendere la meiosi. Questo stato di arresto prolungato le rende estremamente suscettibili all'accumulo di insulti dannosi per il DNA, che colpiscono l'integrità genetica dei gameti femminili e, quindi, l'integrità genetica del futuro embrione.
Di conseguenza, lo sviluppo di un metodo accurato per rilevare il danno al DNA, che è il primo passo per stabilire meccanismi di risposta al danno al DNA, è di vitale importanza. Questo articolo descrive un protocollo comune per testare la presenza e l'andamento del danno al DNA in ovociti arrestati dalla profase durante un periodo di 20 ore. In particolare, sezioniamo le ovaie di topo, recuperiamo i complessi cumulo-ovocita (COC), rimuoviamo le cellule del cumulo dai COC e coltiviamo gli ovociti in un terreno Μ2 contenente 3-isobutil-1-metilxantina per mantenere lo stato di arresto. Successivamente, gli ovociti vengono trattati con il farmaco antineoplastico citotossico, l'etoposide, per generare rotture a doppio filamento (DSB).
Utilizzando l'immunofluorescenza e la microscopia confocale, rileviamo e quantifichiamo i livelli della proteina core γH2AX, che è la forma fosforilata dell'istone H2AX. H2AX diventa fosforilato nei siti dei DSB dopo un danno al DNA. L'incapacità di ripristinare l'integrità del DNA in seguito a danni al DNA negli ovociti può portare a infertilità, difetti alla nascita e aumento dei tassi di aborti spontanei. Pertanto, la comprensione dei meccanismi di risposta al danno del DNA e, allo stesso tempo, la creazione di un metodo intatto per lo studio di questi meccanismi sono essenziali per la ricerca in biologia riproduttiva.
Il processo di meiosi nelle cellule germinali femminili dei mammiferi inizia nelle ovaie prima della nascita. Il numero totale di ovociti si stabilisce nelle ovaie principalmente durante l'embriogenesi. Gli ovociti entrano in meiosi e rimangono arrestati alla profase I1. Dopo l'inizio della pubertà e la produzione e l'azione endocrina dell'ormone follicolo-stimolante (FSH) e dell'ormone luteinizzante (LH), gli ovociti possono ricominciare e completare la meiosi2. Nell'uomo, l'arresto della profase può durare fino a 50 anni3. Le divisioni cellulari che seguono l'ingresso nella meiosi I sono asimmetriche, con conseguente produzione di un piccolo corpo polare e di un ovocita che mantiene le sue dimensioni. Pertanto, la maggior parte dei componenti citoplasmatici sono immagazzinati nell'ooplasma durante l'embriogenesi precoce4. Successivamente, gli ovociti entrano nella meiosi II, senza riformare il nucleo o decondensare i cromosomi, e rimangono arrestati alla metafase II fino alla fecondazione5.
Una caratteristica unica che distingue gli ovociti dalle cellule somatiche è lo stato di arresto nella profase I, quando l'ovocita possiede un nucleo intatto (arresto della vescicola germinale [GV]), indicato come stadioGV 6. In base all'organizzazione della cromatina, gli ovociti allo stadio GV sono classificati in due categorie: nucleolo non circondato (NSN) e nucleolo circondato (SN)7,8. Negli ovociti in stadio NSN GV, la cromatina si diffonde in tutta la regione nucleare e la trascrizione è attiva, mentre negli ovociti SN, la cromatina forma un anello compatto che circonda il nucleolo e la trascrizione è silente9. Entrambi i tipi di ovociti allo stadio GV mostrano competenza meiotica; entrano in meiosi alla stessa velocità, ma gli ovociti NSN presentano una bassa capacità di sviluppo e non possono svilupparsi oltre lo stadio embrionale10 a due cellule.
Lo stato prolungato di arresto della profase I aumenta l'incidenza dell'accumulo di danni al DNA11. Pertanto, i meccanismi di risposta al danno al DNA negli ovociti sono essenziali per consentire la produzione di gameti con integrità genetica e per garantire che l'embrione risultante abbia un contenuto cromosomico fisiologico.
Un aspetto centrale della risposta al danno del DNA è la riparazione del DNA. Le principali vie per la riparazione del DSB nelle cellule eucariotiche includono l'unione delle estremità non omologhe (NHEJ), la ricombinazione omologa (HR) e l'NHEJ alternativo12,13,14,15. NHEJ è un meccanismo più veloce ma più soggetto a errori, mentre HR richiede più tempo per essere completato, ma ha un'alta fedeltà16.
Non ci sono abbastanza conoscenze sui meccanismi che gli ovociti utilizzano per riparare i danni al DNA. Gli studi hanno dimostrato che il danno al DNA indotto negli ovociti di mammiferi adulti dall'uso di agenti genotossici, come l'etoposide, la doxorubicina o le radiazioni UVB o ionizzanti, non influisce sui tempi e sui tassi di uscita dall'arresto della profase I17. Gli ovociti possono andare incontro a rottura del GV (GVBD) anche in presenza di livelli elevati di danno. Questo danno può essere determinato dall'osservazione di γH2AX. Questa forma fosforilata di H2AX (γΗ2ΑΧ) è un marcatore DSB, che si trova nel sito delle rotture e funziona come un'impalcatura per aiutare i fattori di riparazione e le proteine ad accumularsi alle estremità rotte18.
L'assenza di arresto del ciclo cellulare a seguito di un danno al DNA è dovuta a un insufficiente checkpoint del danno al DNA che consente agli ovociti con DNA non riparato di rientrare in meiosi. A seguito di alti livelli di danno al DNA, un checkpoint può mantenere l'arresto della profase attraverso l'attivazione di una via dipendente da ATM/Chk1. La limitata risposta dei punti di controllo ai DSB è dovuta all'attivazione limitata di ATM17,19. Nella fase M della meiosi I, la ricerca ha dimostrato che il danno al DNA può attivare un checkpoint della meiosi I indotto dal checkpoint dell'assemblaggio del fuso (SAC), che impedisce l'attivazione del complesso/ciclosoma promotore dell'anafase dell'ubiquitina ligasi E3 (APC/C) e, quindi, l'uscita dalla fase M. Inoltre, l'ablazione delle proteine SAC supera lo stato di arresto della fase M, sottolineando così l'importanza della SAC nello stabilire il puntodi controllo 20 della meiosi I.
Come dimostrano chiaramente ricerche precedenti, i DSB non possono indurre un robusto checkpoint profasico negli ovociti di topo. Se tale danno non viene riparato, potrebbe portare a embrioni portatori di anomalie cromosomiche. Pertanto, è importante studiare la risposta al danno del DNA nelle diverse fasi della gametogenesi femminile per comprendere meglio i percorsi unici che gli ovociti utilizzano per far fronte a potenziali insulti genetici.
Tutti gli esperimenti sui topi sono stati approvati dalle autorità locali (Regione di Ioannina, Grecia) e condotti in conformità con le Direttive del Consiglio delle Comunità Europee 2010/63/UE. Gli esperimenti sono stati condotti nel rispetto dei principi delle 3R. Tutti i topi CD-1 utilizzati per gli esperimenti sono stati tenuti nella struttura della casa degli animali dell'Università di Ioannina, in Grecia, in una stanza a temperatura controllata (22 °C) e umidità (60%) e sono stati nutriti ad libitum. La casa per animali ha una licenza per gestire una struttura per l'allevamento (EL33-BIObr01), la fornitura (EL33-BIOsup01) e gli esperimenti (EL33BIO-exp01).
1. Preparazione dei reagenti
2. Prelievo di ovociti GV da ovaie dissecate e induzione di DSB
NOTA: Tutti gli strumenti e le soluzioni devono essere sterili. La manipolazione degli ovociti viene effettuata utilizzando una pipetta a bocca sotto uno stereomicroscopio (vedere la Tabella dei materiali) e tutte le gocce sono ricoperte di olio minerale (vedere la Tabella dei materiali e la Figura 1E).

Figura 1: Processo di isolamento degli ovociti . (A) Rimozione del tessuto adiposo periovarico e dei segmenti residui delle tube di Falloppio dalle ovaie in mezzo M2 con IBMX. Fotografia ottenuta attraverso gli oculari dello stereomicroscopio. Barra della scala = 1 mm. (B) Ovaie isolate in terreno M2 con IBMX. Immagine ottenuta attraverso gli oculari dello stereomicroscopio. Barra della scala = 1 mm. (C) Perforazione meccanica delle ovaie utilizzando un ago da 27 G in terreno M2 con IBMX. Immagine ottenuta attraverso gli oculari dello stereomicroscopio. Barra della scala = 1 mm. (D) COC rilasciati dalle ovaie dopo la perforazione in terreno M2 con IBMX. Immagine ottenuta attraverso gli oculari dello stereomicroscopio. Barra graduata = 100 μm. (E) Prelievo di ovociti con pipetta a bocca. (F) Ovociti denudati, dopo la rimozione delle cellule del cumulo circostanti, in terreno M2 con IBMX. Immagine ottenuta attraverso gli oculari dello stereomicroscopio. Barra della scala = 100 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Fissazione degli ovociti e immunofluorescenza
NOTA: La manipolazione degli ovociti viene condotta utilizzando una pipetta orale al microscopio stereoscopico e tutte le gocce sono ricoperte di olio minerale.
4. Microscopia confocale
NOTA: La microscopia confocale deve essere eseguita immediatamente per evitare la riduzione dell'intensità della fluorescenza dopo il posizionamento degli ovociti in piastre con fondo di vetro. È necessario l'accesso a un microscopio confocale (vedi Tabella dei materiali) con tavolino motorizzato.

Figura 2: Microscopia confocale. (A) Ovociti fissati dopo l'esecuzione del protocollo di immunofluorescenza e della colorazione del DNA, che si trovano in gocce separate di tampone di lavaggio, ricoperti di olio minerale, posti in un piatto con fondo di vetro e preparati per l'imaging al microscopio confocale. Ogni goccia contiene una diversa categoria sperimentale. Immagine ottenuta attraverso gli oculari dello stereomicroscopio. Barra della scala = 1 mm/100 μm per la parte ingrandita. (B) Lastra con fondo di vetro posta sul tavolino del microscopio confocale. (C) Immagine in campo chiaro di ovociti ottenuta mediante microscopia confocale. Barra della scala = 100 μm. (D) Il sistema di microscopia confocale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
5. Analisi di imaging
Utilizzando la procedura qui dimostrata, le ovaie di topo sono state sezionate, il grasso è stato rimosso e sono stati raccolti ovociti allo stadio GV completamente cresciuti. Quindi, le cellule del cumulo sono state rimosse mediante pipettaggio ripetitivo utilizzando una pipetta stretta e sono state poste in gocce fresche di terreno M2-IBMX e ricoperte di olio minerale su un blocco caldo (37 °C) (Figura 1A-F). Sono state preparate tre diverse concentrazioni di etoposide (5 μg/mL, 20 μg/mL e 50 μg/mL) utilizzando una concentrazione di etoposide di 20 mg/mL. Gli ovociti allo stadio GV sono stati posti in tre distinte concentrazioni di etoposide per 1 ora in gocce ricoperte di olio minerale e protette dalla luce a 37 °C. È stato quindi seguito il protocollo di immunofluorescenza, come descritto in dettaglio nella sezione del protocollo, e gli ovociti sono stati posti in piastre con fondo di vetro e osservati mediante microscopia confocale (Figura 2).
Negli ovociti in stadio SN GV, immediatamente dopo il danno al DNA, la presenza di γH2AX è aumentata a tutte le concentrazioni di etoposide (5 μg/mL, 20 μg/mL e 50 μg/mL) e il γH2AX è stato distribuito in tutta la regione del DNA (Figura 3). La quantificazione e la stima del DSB sono state eseguite osservando l'intensità della fluorescenza γH2AX nei siti del DNA. La fluorescenza γH2AX si è intensificata proporzionalmente all'aumentare delle concentrazioni di etoposide. Inoltre, dopo un arresto protraniato della profase (20 ore dopo il trattamento con etoposide), gli ovociti allo stadio GV hanno mostrato la capacità di ridurre il numero e l'intensità dei focolai γH2AX, il che implica la presenza di processi di riparazione attivi negli ovociti con arresto dello stadio GV (Figura 3E).
A differenza degli ovociti SN, in cui la fluorescenza γH2AX è stata distribuita attraverso il DNA, negli ovociti NSN, γH2AX è stato mostrato in focolai immediatamente dopo il trattamento con etoposide a 20 μg/mL. Abbiamo stimato il numero di focolai che coincidevano con l'area del DNA, calcolato la fluorescenza di ogni focolaio e presentato la fluorescenza media di tutti gli ovociti. Sia la fluorescenza che il numero di focolai hanno mostrato differenze statisticamente significative tra le due categorie di ovociti (Figura 4).
La microscopia confocale fornisce informazioni sul numero e l'intensità dei focolai in diverse pile Z, aiutando così a identificare la presenza di danni al DNA e le dinamiche di riparazione in punti temporali distinti. La scansione Galvano fornisce una scansione di precisione con uno sfondo basso e una migliore analisi delle immagini di scansione.

Figura 3: Riduzione di γH2AX in ovociti in stadio SN GV trattati con tre diverse concentrazioni di etoposide dopo arresto prolungato di GV. (A) Fluorescenza γH2AX in ovociti in stadio SN GV 0 h dopo il trattamento con etoposide. Il γH2AX aumenta immediatamente dopo l'esposizione a tutte le concentrazioni di etoposide e l'aumento è dipendente dalla concentrazione (verde: γΗ2ΑΧ, magenta: DNA). Le immagini sono proiezioni Z-stack e la luminosità/contrasto sono stati regolati per ciascun canale utilizzando Fiji / ImageJ. Barra della scala = 10 μm. (B) Grafico della fluorescenza γH2AX in ovociti in stadio SN GV 0 h dopo il trattamento con concentrazioni distinte di etoposidi. I dati rappresentano la media ± SEM. Ogni punto rappresenta un ovocita (il numero di ovociti è mostrato nel grafico), (ns = non significativo, ** p < 0,005, **** p < 0,0001, ANOVA unidirezionale con test di confronto multiplo di Tukey). (C) Fluorescenza γH2AX in ovociti in stadio SN GV 20 ore dopo il trattamento con etoposidi. γH2AX si riduce 20 ore dopo l'esposizione a tutte le concentrazioni di etoposide (verde: γΗ2ΑΧ, magenta: DNA). Le immagini sono proiezioni Z-stack e la luminosità/contrasto sono stati regolati per ciascun canale utilizzando Fiji/ImageJ. Barra della scala = 10 μm. (D) Grafico della fluorescenza γH2AX in ovociti in stadio SN GV 20 ore dopo il trattamento con concentrazioni distinte di etoposide. I dati rappresentano la media ± SEM. Ogni punto rappresenta un ovocita (il numero di ovociti è mostrato nel grafico), (ns = non significativo, * p < 0,05, ** p < 0,005, *** p < 0,0005, **** p < 0,0001, ANOVA unidirezionale con test di confronto multiplo di Tukey). (E) Grafico a barre della riduzione della fluorescenza γH2AX in ovociti in stadio SN GV dopo arresto della profase in ovociti trattati con etoposide. Il numero sopra ogni colonna indica la diminuzione percentuale della fluorescenza γH2AX. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Fosforilazione di Η2ΑΧ in ovociti NSN in stadio GV dopo trattamento con etoposide a 20 μg/mL. (A) Immagini confocali rappresentative di un ovocita di controllo NSN in fase GV (verde: γΗ2ΑΧ, magenta: DNA). Le immagini sono proiezioni Z-stack e la luminosità/contrasto sono stati regolati per ciascun canale utilizzando Fiji/ImageJ. Barra della scala = 10 μm. (B) Immagini confocali rappresentative di un ovocita NSN in stadio GV trattato con etoposide (verde: γΗ2ΑΧ, magenta: DNA). Gli ovociti sono stati fissati 0 ore dopo il trattamento con etoposidi. Le immagini sono proiezioni Z-stack e la luminosità/contrasto sono stati regolati per ciascun canale utilizzando Fiji/ImageJ. Barra della scala = 10 μm. (C) La fluorescenza γΗ2ΑΧ normalizzata negli ovociti in stadio NSN GV dopo 20 μg/mL di trattamento con etoposide. I dati rappresentano la media ± SEM. Ogni punto rappresenta un ovocita (il numero di ovociti è mostrato nel grafico), tratto da due esperimenti indipendenti (**** p < 0,0001, t-test non parametrico spaiato, U-test di Mann-Whitney). (D) Numero di focolai di γΗ2ΑΧ negli ovociti in stadio NSN GV dopo il trattamento con etoposide da 20 μg/mL. I dati rappresentano la media ± SEM. Ogni punto rappresenta un ovocita (il numero di ovociti è mostrato nel grafico), tratto da due esperimenti indipendenti (**** p < 0,0001, t-test non parametrico spaiato, U-test di Mann-Whitney). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno conflitti di interesse.
Mantenere l'integrità del genoma dell'ovocita è necessario per garantire la fedeltà genetica nell'embrione risultante. Qui, presentiamo un protocollo accurato per rilevare le rotture del doppio filamento del DNA nelle cellule germinali femminili dei mammiferi.
Riconosciamo il sostegno a questo lavoro da parte del progetto "Creazione di infrastrutture di 'capacity building' nella ricerca biomedica (BIOMED-20)" (MIS 5047236), che è implementato nell'ambito dell'azione "Rafforzamento dell'infrastruttura di ricerca e innovazione", finanziata dal programma operativo "Competitività, imprenditorialità e innovazione" (NSRF 2014-2020) e cofinanziata dalla Grecia e dall'Unione europea (Fondo europeo di sviluppo regionale).
| Pipette Pasteur da 3 mL in LDPE, graduate | APTACA | 1502 | |
| siringhe da 10 cc | SoftCare | 114.104.21 | |
| Alexa Fluor 488-capra coniugata anti-coniglio Secondario Ab | Biotium | 20012 | |
| Anti-fosfo-H2A.X (Ser139) | Merck Millipore | 07-164 | |
| ARE Agitatore Magnetico Riscaldante | VELP Scientifica | F20500162 | |
| BD FALCON 5 mL Polistirene Provette a Fondo Tondo | BD Biosciences | 352054 | |
| BD Microlance 3 Aghi 27 G - 0,40 x 13 mm | Becton Dickinson | 300635 | |
| Siero Bovino Albumina Frazione V | Roche | 10735078001 | |
| DMSO | Biotio | Anidro90082 | |
| DRAQ7 Colorante DNA | BioStatus | DR71000 | |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E4378-25G | |
| EMSURE MgCl2. 6H2O | Merck Millipore | 1058330250 | |
| Etoposide | CHEMIPHARM | L01CB01 | |
| FALCON 14 mL in polistirene Provette a fondo tondo | Corning Science | 532057 | |
| FALCON Piastre per coltura tissutale, Easy-Grip, 35 x 10 mm Stile | Corning Science | 353001 | |
| Piastre di coltura con fondo in vetro (piastra di Petri da 35 mm/ Microwell da 14 mm, vetro di copertura n. 0) | MatTek Corporation | P35G-0-14-C | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H6147-25G | |
| HERACELL 150i Incubatore a CO2 | ThermoFisher Scientific | 50116048 | |
| Polvere IBMX | Sigma-Aldrich | I5879-100MG | |
| Leica M125 Stereomicroscopio | Leica Microsystems | ||
| M16 Medium | Sigma-Aldrich | M7292 | |
| M2 Medium | Sigma-Aldrich | M7167 | |
| Olio minerale | Sigma-Aldrich | M5310 | |
| NaN3 | Honeywell | 13412H | |
| NaOH | Merck Millipore | 1064981000 | |
| Nikon AX ECLIPSE Ti2 Microscopio confocale | Nikon Corporation | ||
| Nikon SMZ800N Stereomicroscopio | Nikon Corporation | ||
| Paraformaldeide | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| Pasteur pippettes, vetro, forma lunga 230 mm | DURAN WHEATON KIMBLE | ||
| pH/ORP meter | Hanna Instruments Ltd | HI2211 | |
| Compresse saline tamponate con fosfato | Sigma-Aldrich | P4417-100TAB | |
| PIPES | Sigma-Aldrich | P1851 | |
| PMSG Protein Liofilizzato | Genway Biotech (ora AVIVA Systems Biology) | GWB-2AE30A (ora OPPA01037)QBD4 | |
| Riscaldatore a blocchi a secco | Grant Instruments (Cambridge) Ltd | A25218 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Whatman Puradisc 25 mm 0.2 μ m filtri | GE Healthcare | 6780-2502 |