減数分裂前期の染色体移動は、胞子形成の基本であるあまり理解されていない現象です。このプロトコルは、 シロイヌナズナ の男性減数分裂前期におけるセントロメアの動きを取得、分析、および定量化する方法を説明しています。
方法論記事
減数分裂前期の染色体移動は、胞子形成の基本であるあまり理解されていない現象です。このプロトコルは、 シロイヌナズナ の男性減数分裂前期におけるセントロメアの動きを取得、分析、および定量化する方法を説明しています。
減数分裂は、有性生殖に不可欠な細胞分裂です。減数分裂前期には、母方と父方の相同染色体が互いに認識して結合し、核質内の急速な動きによって促進されるプロセスです。減数分裂前期の動きは、核膜への染色体の付着と、核膜を介して染色体に伝達される細胞質力に依存しています。植物では、葯内の雄の減数分裂細胞へのアクセスが限られており、脆弱性があるため、ライブイメージングアプローチと染色体運動分析が技術的に困難になります。実際、これらの動きは非常に速く、それらを分析するには最適な取得条件を見つける必要があります。ここでは、シ ロイヌナズナの 男性の減数分裂前期の急速な染色体運動を捕捉する効率的な方法が、蛍光タグ付きセントロメアの動きを追跡することにより、タイムラプスムービーで説明 されています。これは、共焦点レーザー走査顕微鏡(CLSM)を使用した葯の解剖と画像取得を3Dおよび経時的に行うことに基づいています。減数分裂Zスタックを7秒ごとに取得することで、タグ付けされたセントロメアの軌跡を再構築および分析するのに十分な解像度が得られます。抽出されたデータはその後処理され、これらの染色体移動の定量分析が可能になります。このデータからのモデルの開発は、このプロセスを駆動する力の性質や強度など、染色体の急速な移動のメカニズムを理解するために不可欠です。
減数分裂は、遺伝物質をある世代から次の世代に忠実に伝達することを保証する基本的な生物学的プロセスです。減数分裂のプロセスは、減数分裂Iと減数分裂IIの2つの連続した細胞分裂ラウンドに分けられます。減数分裂Iの前には、相同染色体が互いに認識してペアになる長い前期があります。この延長された前期の間に、多くの生物学的プロセスが発生します。相同染色体のペアリングに加えて、これらの染色体はシナプシスと呼ばれるプロセスも受けます。シナプスは、相同染色体をその長さに沿って接続するシナプトネム複合体として知られるタンパク質複合体の形成を伴います。シナプトネマ複合体は相同組換えを促進し、続いて相同染色体間の遺伝物質の交換とクロスオーバーの形成を促進します。これらは相同染色体間の物理的接続を確立し、それらの適切な整列とバランスの取れた分離を促進します1,2。
相同染色体認識中、急速前期染色体移動 (RPM) が重要な役割を果たすことが知られています。いくつかのモデル種で実施された研究では、レプトテン中に染色体が核膜(NE)に付着することが示されています。それらは、LINC(Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton)タンパク質複合体を介して、NEを介して細胞質細胞骨格に接続されています3。細胞質で発生した力は、LINC複合体を介して染色体に伝達され、染色体の移動が可能になります。
RPM の研究は、減数分裂の基本的なメカニズム、特に相同染色体の認識に関与するメカニズムを理解するために不可欠です。ただし、これらの動きを研究するには、特定のライブ画像実験が必要です。A. thalianaのほとんどのライブイメージング研究は、体細胞組織と栄養器官に焦点を当てています。これらの研究は、細胞がどのように臓器を生じさせるかを決定するために実施されました4。このような研究は分裂組織5と根6で行われています。最近、いくつかのチームが減数分裂を含む花の発達をリアルタイムで観察する技術を開発しました A. thaliana 数日間にわたって7,8。ただし、これらのプロトコルは要求が厳しく、多数のサンプルに対してセットアップするのが難しい場合もあります。
この記事では、 A.thalianaの減数分裂中の染色体動態の生細胞イメージングと分析のための詳細なプロトコルを紹介します。サンプル調製のための簡単な技術である共焦点顕微鏡法と染色体の蛍光標識を併用することで、染色体の動きを短時間にわたって高い空間的および時間的分解能で捉えました。このプロトコルは、イメージング用の植物組織の準備、光毒性を最小限に抑え、画質を最大化するためのイメージングパラメータの最適化、ならびに画像処理とデータ分析の概要を示しています。この方法により、減数分裂中のセントロメアダイナミクスの正確な定量化が可能になり、配偶子形成の成功の根底にある染色体の挙動を理解するために重要です。この知識は、特に生殖能力と遺伝的多様性に影響を与える染色体ペアリングと組換えプロセスの研究を促進することにより、作物育種プログラムの改善において、農業に直接的な影響を及ぼします。
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このプロトコルは、GFP-CENH3およびNUP54-RFP導入遺伝子9,10を発現するトランスジェニックA.タリアナ植物を使用します。CENH3マーカーは、セントロメアの動きを追跡することができます。NUP54マーカーは核孔にラベルを付け、核を区別するのに役立ちます。他のマーカーを使用することもできますが、サンプルが継続的に照射されるため、これらは光退色に耐性がなければなりません。マーカーが光退色を受けないようにするには、同じレーザー条件と取得パラメータで実験を実行し、画像取得期間中信号が安定していることを確認します。使用する試薬と機器は、材料表に記載されています。
1. 植物の成長と培養
2.葯の解剖とスライドの準備
3. 共焦点顕微鏡によるタイムラプス観察 – イメージングセットアップ
注:イメージングパラメータを設定する方法は、使用する共焦点システムによって異なります。イメージング パラメーターの詳細については、「 ディスカッション」 セクションを参照してください。画像は、CLSMと20倍の水浸レンズを使用して取得されました。水浸対物レンズを使用すると、生体サンプルが水中に取り付けられるため、屈折率の一致が向上します。
4. 画像解析 – セントロメアの動きの追跡
注:セントロメアの動きを再構築するには、3Dの動きを追跡できる画像解析ソフトウェアが必要です。ソフトウェアは、各取得時に、定義されたパラメータに基づいて、オブジェクトを蛍光信号に割り当てます。次に、追跡ツールが移動するオブジェクトを自動的に分析し、リネージュプロットを作成します。
5. データ分析
注: このパートでは、RStudio12 で実行される R11 スクリプトを使用したデータ分析ワークフローについて説明します。これらは、Data INRAE リポジトリ (10.57745/V1NNFI) から取得できます。すべての数値は、計算されたメトリックを視覚化するために ggplot213 を使用して生成されます。スクリプトは、次の手順を順番に実行します。meiomove-sub-config.R スクリプトは、最初に実行され、R 環境を初期化し、必要なライブラリをロードし、グローバル変数を定義します。スクリプトへのリンクは次のとおりです https://doi.org/10.57745/V1NNFI
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シ ロイヌナズナの減数分裂の前期における染色体の動きを視覚化するための迅速なプロトコルが開発され、複数のタイムラプス取得が可能になり、大規模なデータセットの分析が可能になりました。セントロメアの可視化を可能にするGFPマーカーを発現する減数分裂細胞、および核の可視化を可能にするRFPマーカーを、記載されたプロトコルに従って4分間画像化する。
ここで説明するプロトコルで使用される取得パラメータは、セントロメアの十分な空間的および時間的分解能を達成するように最適化されており、したがって、それらの動きの正確な追跡を可能にします。これらのパラメータは、光退色を最小限に抑えるように最適化されており、取得全体を通じて安定した信号強度を保証します。接合子/パキテン段階の葯からの3つの減数分裂細胞の分析により、22個のセントロメアの動きの分析が可能になりました。この数は、細胞のセント...
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現在のプロトコルは、シロイヌナズナの減数分裂前期におけるセントロメア運動の in vivo イメージングと分析を可能にします。このプロトコルは、正立顕微鏡または倒立共焦点顕微鏡のいずれかで実装できるため、共焦点技術を備えたほとんどの研究室で利用できるようになります。共焦点システムは、スキャン速度、感度、検出器、および波長を分離する機能が異なりますが、取得パラメータを調整して、良好な時間的および空間的分解能の画像を取得することができます。蛍光タンパク質の選択も10様々ですが、これらは強力で連続的なレーザー照明に耐える必要があります。染色体(この場合はセントロメア)を追跡するために使用されるマーカーは、光退色に対してより耐性がある必要があります。しかし、マウスに示されているように、ゲノムの他の領域に特異的な蛍光マーカーも使用でき、セントロメア周囲領域に対応するテロメアが追跡される15。他のマーカーは、たとえばシナプスマーカー(ZYP1タンパク質...
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著者は利益相反を宣言しません。
この研究は、ジャン・ピエール・ブルジャン研究所の植物観測所技術プラットフォームであるPO-PlantsとPO-Cytoの支援の恩恵を受けています。この研究は、ANR (MeioMove ANR-21CE12-0042 : M.G., P.A., L.C., S.L., および DYSCORD ANR-23-CE20-0036-02, M.G., L.C.) によって資金提供されました。ジャン・ピエール・ブルジャン研究所は、サクレー植物科学(ANR-17-EUR0007)の支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 繁殖地 | TREF(ジフィー) | 101820/02227861 | |
| 共焦点顕微鏡 | ライカ | TCS SP8 AOBS(音響光学ビームスプリッター) | |
| コンフォーカルソフトウェア | ライカ | LAS X 3.5.0.18371ソフトウェア | |
| カバースリップ | ポール・マリエンフェルト有限会社 | 107052 | 22x22 No1,5H |
| 鉗子 | アイデアルテック | 4.SA.0 | 高精度ピンセット |
| GFP:CENH3 | Ravi ら 2010年 | ここで使われるシロイナドプシス・タリアナの種子 | |
| ggplot2 | ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis Reference13 | https://ggplot2.tidyverse.org | |
| 針用の取っ手 | ハマッハー | ループ用ハンドル、長さ170mm | |
| イマリス | オックスフォードの楽器 | イマリス 9.7.2 | 画像解析 - 「スポット」モジュール |
| レンズ | ライカ | HC PL APO CS2 20×/0.75 IMM | |
| ライトニング | ライカ | 適応型デコンボリューション | 共焦点データからの自動インテリジェント情報抽出 |
| 照明 | ヴェーゲレド | アポロ LL252-Gen2 | |
| 針 | ワトキンス&ドンカスター | E3ピン 0.0124インチ(0.31mm)×25mm | |
| NUP54:RFP | Cromerら 2024年 | ここで使われるシロイナドプシス・タリアナの種子 | |
| 壺 | テク(ポッペルマン) | VDF 7x7x6.5 cm | |
| R | RCoreチーム | R: 統計のための言語と環境 コンピューティング。R Foundation for Statistical Computing(オーストリア・ウィーン) Reference11 | https://www.R-project.org/ |
| Rstudio | ポジットチーム | RStudio:R. Posit Software向け統合開発環境、PBC、ボストン、マサチューセッツ州。Reference12 | http://www.posit.co/ |
| スライド | ニッテル・グラス | 100003 | 26×76×1.0mm |
| スペーサー | サーモフィッシャー | セキュアシールスペーサー、8井戸、直径9mm、深さ0.12mm。 | 各スペーサーを個別にカットしてください |
| 立体顕微鏡 | ニコン | SMZ800 |
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