シナプスと組換えの減数分裂エラーは、哺乳類の卵母細胞に共通しています。これらのプロセスに関与するタンパク質の厳密な分析は、卵子形成がどのように、そしてなぜしばしばうまくいかないのかを理解するために不可欠です。ここで紹介する技術により、組換えとシナプスを包括的にモニタリングし、マウスの卵子の質を評価することができます。
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シナプスと組換えの減数分裂エラーは、哺乳類の卵母細胞に共通しています。これらのプロセスに関与するタンパク質の厳密な分析は、卵子形成がどのように、そしてなぜしばしばうまくいかないのかを理解するために不可欠です。ここで紹介する技術により、組換えとシナプスを包括的にモニタリングし、マウスの卵子の質を評価することができます。
3つの重要で相互依存的なプロセスが減数分裂前期Iを定義します:相同染色体は互いに対になる必要があり、シナプトネマ複合体と呼ばれるタンパク質性構造は相同体をつなぎ合わせるために形成され(シナプス)、相同体は組換えを受け、遺伝物質を相互に交換してクロスオーバー(CO)を形成します。これらのプロセスのエラーは、早期卵巣機能不全、異数性、そして最終的には流産や不妊につながる可能性があります。減数分裂組換えは卵子で特にエラーが発生しやすく、ヒト卵子の7%以上がクロスオーバーなしで少なくとも1つの染色体ペアを含み、卵子の20%〜80%に対して精子の2.5%〜7%が異数性です。しかし、染色体異常がなぜこれほど顕著な性差を示すのかは、いまだにわかっていません。本プロトコルは、胎児マウスおよび若年マウスからの卵母細胞前期I染色体および中期I染色体スプレッドの調製および分析の方法をそれぞれ説明する。減数分裂前期I全体の重要な染色体動態を追跡するために、このプロトコルは、減数分裂組換えの一般的なマーカー(二本鎖切断のためのRAD51、CO中間体のMSH4、およびほとんどのCOを識別するためのMLH1 / MLH3)およびシナプス(染色体軸のためのSYCP3、シナプス領域のためのSYCP1、および非シナプス領域のためのHORMAD1)の免疫蛍光染色を採用しています。さらに、このプロトコルは、中期Iにおける対になった染色体(二価)およびクロスオーバー(キアズマ)の総数を評価するために収集された卵母細胞の in vitro 成熟を使用します。これらの技術は、女性の減数分裂における初期の染色体動態を調節するメカニズムを調べるための包括的かつ定量的なフレームワークを提供します。
減数分裂は、一倍体配偶子の産生に不可欠な特殊な細胞分裂です。前期Iでは、相同染色体(それぞれがコヒーシンによって結合された姉妹染色分体からなる)は、3つの重要なタスクを達成する必要があります:1)互いに認識してペアになる、2)それらの側軸間にシナプトネマ複合体(SC)を形成することによって一緒にジッパーを合わせる、および3)相同組換えを介してDNAを交換し、非姉妹染色分体間のクロスオーバー(CO)をもたらす1,2.コヒーシンによって維持されるクロスオーバー形成に起因する物理的結合は、中期I3,4,5中の適切な染色体の二配位と分離を保証します。
減数分裂前期Iは5つの段階からなり、各段階はシナプシス6の状態によって定義される。レプトネマ(ギリシャ語で細い糸)では、軸要素(SYCP3でマーク)が染色体軸に沿って形成されるときに染色体が凝縮します。ザイゴネマ(結合された糸)の間、SCの横要素(SYCP1)が軸7の間に形成されるにつれて、相同体がシナプスを形成し始める。パキネマ(太い糸)では、染色体はその全長に沿ってシナプスされています。その後、SCはディプロネーマ(2つの糸)の間に分解され、交差部位(chiasmata)でのみホモログが接続されます。キアズマタは、DNA二本鎖切断(DSB)のプログラムされた誘導によって開始されるプロセスである相同組換えの産物です。数百のDSBのうち、COになるのは~10%だけです。マウスでは、ほとんど(90%-95%)がMutLγによって促進されるクラスI CO経路(MLH1-MLH3)を介して形成され、残りのCOはMUS81-EME1によって産生され、クラスII CO経路8,9,10,11を介して形成されます。
ペアリング、シナプス、および組換えは、高度に制御され、相互依存的なプロセスです。通常、エラーはチェックポイントメカニズムを引き起こし、細胞死につながります。女性では、初期の前期Iエラーによる生殖細胞の喪失は、早期卵巣機能不全を引き起こす可能性があり12,13、一方、晩期エラー(例えば、COの形成に失敗するホモログ、COの不適切な配置、または早期のコヒーシン喪失)は、染色体のミスグレッションおよび異数性につながる可能性があります。人間では、減数分裂エラーは流産と不妊の主な原因です。女性の減数分裂は特にエラーが発生しやすいです。ヒトの卵子の約20%〜80%(精子の2.5%〜7%)は異常な染色体数を持っており、そのほとんどは最初の減数分裂のエラーに起因します14,15,16,17。年齢は母性異数性の最大の原因として特定されていますが、卵子がエラーを起こしやすい理由は不明のままです。
卵子の高いエラー率の根底にある要因を理解することの重要性にもかかわらず、前期Iイベントの調節に関する私たちの知識のほとんどは、男性の減数分裂の研究から来ています。成体の精巣材料の小さな断片は、減数分裂および減数分裂後の生殖細胞のすべての段階を評価するのに十分な材料を提供するため、男性の減数分裂は長い間研究者にとってより容易にアクセスできてきました。対照的に、女性の減数分裂は不連続な方法で発生します。マウスでは、前期Iは胎児の卵巣で半同期的に進行し、性交後約14日から始まります(dpc;図1A)、性腺の性決定18,19,20の直後。出生の頃、卵母細胞は排卵月(マウス)または数十年(ヒト)まで口述停止に入ります21,22,23。その結果、特定の前期I期は限られた発達期にのみアクセス可能であり(図1A)、前期I後のイベントは、若年および成人の一度に数個の卵子でのみ発生します。技術の進歩により、哺乳類の卵子減数分裂研究は改善されましたが、これらの方法は、男性の研究で使用される同等の技術と比較して、依然として困難で時間がかかります。
雌減数分裂解析は、サブステージのパキテン卵子の制限によってさらに複雑になります - クロスオーバーの指定と成熟を研究するために重要です。男性の研究は、十分に特徴付けられた性染色体対形成のダイナミクスと、初期、中期、および後期のパキネマ24,25,26のマーカーとして機能するヒストン変異体H1tの存在から恩恵を受けています。しかし、パキテン卵母細胞のサブステージに対する信頼できる方法は定式化されていません。
ここで紹介するプロトコルは、初期前期Iから中期Iまでのマウス卵子のシナプスと組換えの包括的な分析を容易にします。この研究は、Peters et al.27 と Tarkowski28 によって開発された古典的な染色体拡散技術と、Hunt29 と Sun and Cohen30 によるこれらの方法の以前の改良に基づいています。このプロトコルは、1)特定の前期Iサブステージの濃縮と同定、2)胎児卵巣のペアごとに実行されるアプリケーションの数を最大化すること、および3)シナプス欠損の評価と病巣からキアズマへの組換えのための徹底的でアクセス可能な指標を強調するために開発されました。
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すべての動物の取り扱いと手順は、プロトコル2004-0063に基づくコーネル大学動物管理および使用委員会(IACUC)の承認後に実施されました。
1. 卵母細胞前期I染色体スプレッドスライドの作製
2. 前期I染色体スプレッドの免疫蛍光染色
3. キアズマの観察のためのジアキネシス/前中期調製
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パキテン様細胞におけるシナプス欠損の評価
この実験では、パキテン卵子のシナプス欠損を評価し、前期Iの進行をモニターします(図3A)。SYCP3(軸方向/外側SC要素)、SYCP1(中央SC要素)、およびHORMAD1(非シナプス/非シナプス染色体軸)の免疫染色により、病期分類とシナプス評価が可能になります。HORMAD1、ザイゴネマおよびディプロネーマ中(シナプス前および脱シナプス後)にSYCP3と共局在する37,38。これらの段階を区別することは、卵子では困難な場合があります。ザイゴネマは、二股に分かれた非シナプス領域を持つ長くて細い軸を特徴とし、ディプロネマは脱シナプスを伴う短くて厚いSCを示し、相同軸間に特徴的な丸みを帯びた気泡を引き起こします(
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哺乳類の卵子は、精母細胞に比べて特にエラーが発生しやすいです。卵子の効率の悪い紡錘体アセンブリチェックポイント(SAC)がこの脆弱性の一因となっています14,52,53、ハッセルドとハントは、複数のヒットが異数性を引き起こし、組換えの欠陥が主要な要因であると提案しています54。人間の研究では、異数性を不十分なクロスオーバー保証と最適でないクロスオーバーポジショニングに関連付けています55,56。主要なモデルは、交叉成熟が卵母細胞では特に非効率的であり、その結果、交叉欠落と異数性誘発パターンの両方が生じることを示唆している57。したがって、卵子の減数分裂組換えの詳細な調査は、卵...
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著者には開示すべき対立はありません。
このプロジェクトの資金は、ユーニス・ケネディ・シュライバー国立小児保健発達研究所(HD112986からTH)からのK99賞によって提供されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.45 & mu;mシリンジフィルター | ミリポール・シグマ | SLHAR33SB | 口で操作するピペットの製造用 |
| 0.5 M EDTA、pH 8.0 | コーニング | 46-034-CI | HEBのために |
| 1 mL 滅菌注射器、25ゲージ、16mm針 | フィッシャー・サイエンティフィック | 14-817-125 | 卵巣破裂のために |
| 100 x 15 mmペトリ皿 | VWR | 25384-302 | |
| 14.6 cm使い捨てホウケイ酸ガラス パスツール ピペット | フィッシャー・サイエンティフィック | 13-678-20B | 口で操作するピペットの製造用 |
| 35×10mmペトリ皿 | コーニング | 351008 | |
| 40 mm x 0.45 mm #3 昆虫学用ステンレス製ピン | アマゾン | B0CSSPW5S7 | 解剖用の胎児マウスのピン |
| 酢酸、氷河期 | フィッシャー・サイエンティフィック | A38-212 | カルノイ固定剤について |
| 校正済みマイクロキャピラリーピペット用の吸引管アセンブリ | ミリポール・シグマ | A5177-5EA | 口で操作するピペットの製造用 |
| B.P.I.ウォッチグラス | NDSテクノロジーズ | 1580-00 | または、直径30mm×深さ12mmの胚皿(Electron Microscopy Sciences SKU: 70543-30)を使用する方法もあります。 |
| ホウ酸 | フィッシャー・サイエンティフィック | BP168-1 | HEBのpH調整のためにPFAを |
| 牛血清アルブミン | ミリポール・シグマ | A7906-100G | ADBのために |
| CO2タンク | インキュベーターのために | ||
| コーニング顕微鏡スライド | ミリポール・シグマ | CLS294875X25 | L×W、75mm x 25mm、片側にフロス加工 |
| コーニング顕微鏡スライド、片面と片端にフロス加工 | VWR | 294875X25 | |
| ガラスの長方形カバー。60 x 24 mm、#1.5 | VWR | 48393-251 | |
| 解剖皿 | 電子顕微鏡科学 | 70540 | |
| 解剖顕微鏡 | 任意の標準モデル | ||
| 解剖用ハサミ、鋭い先端、4.5インチ | VWR | 82027-578 | |
| 超細かくて鋭い先端の鉗子 | VWR | 76548-836 | |
| ギエムサ・ステイン | ミリポール・シグマ | GS500-500 | キアズマ広げの染色用 |
| ImmEdge 疎水性バリアPAPペン | ベクター研究所 | H-4000 | |
| インキュベーター | CO2およびウォータージャケット技術を搭載した標準モデル | ||
| 体外受精ワークステーション | K-システムズ | 加熱されたベンチトップ付きのモデルならどんなモデルでも | |
| コダック フォトフロー 200 ソリューション | BH写真&ビデオ | 1464510 | スライドウォッシュ用 |
| メタノール | フィッシャー・サイエンティフィック | A412-4 | カルノイ固定剤について |
| MPバイオメディカルズ コプリン染色ジャー | フィッシャー・サイエンティフィック | ICN17006201 | |
| 普通のヤギ血清 | ギブコ | 16210-072 | ADBのために |
| パラホルマルデヒド、EMグレード、精製プリル | 電子顕微鏡科学 | 19200 | |
| パーマウント | フィッシャー・サイエンティフィック | SP15-100 | for キアズマ広げのためのスライド取り付け |
| ProLong ガラスアンチフェードマウント(NucBlueステイン付き) | サーモ・サイエンティフィック | P36985 | 免疫染色スライドの取り付け用 |
| シリコーンチューブ、内径:0.125インチ、外径:0.25インチ | VWR | 89068-474 | 口で操作するピペットの製造用 |
| クエン酸ナトリウム二水和物 | フィッシャー・サイエンティフィック | S279-500 | HEBの場合は低張溶液 |
| ステイントレイスライド染色システム | 電子顕微鏡科学 | 71396-B | 加湿チャンバーとして使用します。免疫蛍光染色には黒い蓋を使う必要があります。または、不透明なスライドボックスやタッパーウェアの底に湿ったペーパータオルを敷いて加湿チャンバーとして使うこともあります。 |
| ストリッパーチップ - 100 | クーパー・サージカル | MXL3-100 | 口で操作するピペット用 |
| ストリッパーチップ - 150 | クーパー・サージカル | MXL3-150 | 口で操作するピペット用 |
| ショ糖 | ミリポール・シグマ | S-8501 | HEBの場合は、スクロース低張液 |
| トリス・ベース | フィッシャー・サイエンティフィック | BP152-5 | HEBのために |
| トライトン X-100 | フィッシャー・サイエンティフィック | BP151-100 | PFA、ADB、Triton-PBSのために |
| ユナイテッド・サイエンティフィック・コープリン染色ジャー | フィッシャー・サイエンティフィック | S17495A | 光過敏性二次抗体を加えた後の洗浄やスライドブロッキング用の不透明な白いプラスチック |
| ユナイテッド・サイエンティフィックガラス凹面スライド | フィッシャー・サイエンティフィック | S139533 | 厚さ1.3mm、ウェルカウント2 |
| ヴァンナス マイクロディスセリー シザーズ 5mmストレート | VWR | 76457-358 | |
| ツァイス アクシオイメージャー.Z2、コリブリ7 | カール・ツァイス | 000000-2624-307 | |
| ゼンブルー 3.11 ソフトウェア | カール・ツァイス | 画像取得・解析ソフトウェア | |
| 抗体 | |||
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')?断片ヤギ抗マウスIgG、Fc断片特異的 | ジャクソン免疫研究所株式会社 | 115-546-071 | 使用済み1:1,000希釈 |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')?断片ヤギ抗ウサギIgG、Fc断片特異的 | ジャクソン免疫研究所株式会社 | 111-546-046 | 使用済み1:1,000希釈 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')?フラグメント・ゴート抗ヒトIgG、Fc&γ;断片特異的 | ジャクソン免疫研究所株式会社 | 109-606-170 | 使用済み1:1,000希釈 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure Goat 抗モルモット IgG、Fc 断片 | ジャクソン免疫研究所株式会社 | 106-605-008 | 使用済み1:1,000希釈 |
| モルモットの反MLH3 pAB | サーモフィッシャー製のカスタムメイドで、1:500の希釈を使用しました | ||
| モルモット抗SYCP1抗体抗体 | クリスター・フームから、&Ooml;g(Kouznetsovaら 2005年)、1:200の希釈を用いました | ||
| ヒト抗セントロメアタンパク質pAb | 抗体社 | 15-234 | 使用済み1:1,000希釈 |
| マウス抗MLH1抗体抗体 | BDバイオサイエンス | 550838 | 使用した1:100希釈 |
| マウス抗SYCP3 mAb | アブカム | AB97672 | 使用済み1:1,000希釈 |
| ラビット抗HORMAD1 pAB | プロテインテック | 13917-1-AP | 使用時1:500希釈 |
| ラビット抗MSH4 pAb | アブクローナル | A8556 | 使用した1:100希釈 |
| ラビット抗RAD51 pB | ミリポール | PC130 | 使用時1:500希釈 |
| ラビット抗SYCP3 pAb | アブカム | AB15093 | 使用済み1:1,000希釈 |
| ローダミン レッドX(RRX)AffiniPure F(ab')?断片ヤギ抗マウスIgG、Fc断片特異的 | ジャクソン免疫研究所株式会社 | 115-296-071 | 使用済み1:1,000希釈 |
| ローダミン レッドX(RRX)AffiniPure F(ab')?断片ヤギ抗ウサギIgG、Fc断片特異的 | ジャクソン免疫研究所株式会社 | 111-296-046 | 使用済み1:1,000希釈 |
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