감수 분열 전기 동안의 염색체 이동은 포자 형성의 기본이 되는 잘 이해되지 않는 현상입니다. 이 프로토콜은 애기장대 탈리아나 수컷 감수 모수세포에서 감수 분열 전기 동안 중심체 움직임을 획득, 분석 및 정량화하는 방법을 설명합니다.
방법 논문
감수 분열 전기 동안의 염색체 이동은 포자 형성의 기본이 되는 잘 이해되지 않는 현상입니다. 이 프로토콜은 애기장대 탈리아나 수컷 감수 모수세포에서 감수 분열 전기 동안 중심체 움직임을 획득, 분석 및 정량화하는 방법을 설명합니다.
감수분열은 유성 생식에 필수적인 세포 분열입니다. 감수분열 전기 동안 모계 및 부계 기원의 상동 염색체는 서로를 인식하고 연관시키며, 이는 핵질에서의 빠른 움직임에 의해 촉진되는 과정입니다. 감수 분열 전기 운동은 염색체가 핵막에 부착되는 것과 핵막을 통해 염색체로 전달되는 세포질 힘에 의존합니다. 식물에서는 꽃밥 내부의 수컷 감수세포의 제한된 접근성과 취약성으로 인해 실시간 이미징 접근 방식과 염색체 이동 분석이 기술적으로 어렵습니다. 실제로 이러한 움직임은 매우 빠르며 이를 분석하려면 최적의 획득 조건을 찾아야 합니다. 여기에서, 애기장대 에서 수컷 감수 분열 전기 동안 빠른 염색체 이동을 포착하는 효율적인 방법은 형광 태그가 붙은 중심체의 움직임을 따라가면서 타임랩스 동영상에서 설명 됩니다. 이는 공초점 레이저 스캐닝 현미경(CLSM)을 사용하여 3D 및 시간 경과에 따른 꽃밥 해부 및 이미지 획득을 기반으로 합니다. 7초마다 감수분열 z-스택을 획득하면 태그가 지정된 중심체의 궤적을 재구성하고 분석할 수 있는 충분한 해상도가 가능합니다. 추출된 데이터는 이후에 처리되어 이러한 염색체 이동의 정량적 분석이 가능합니다. 이 데이터를 기반으로 모델을 개발하는 것은 이 과정을 주도하는 힘의 특성과 강도를 포함하여 빠른 염색체 이동의 메커니즘을 이해하는 데 필수적입니다.
감수분열은 한 세대에서 다음 세대로 유전 물질을 충실하게 전달하는 근본적인 생물학적 과정입니다. 감수 분열의 과정은 감수 분열 I과 감수 분열 II의 두 가지 연속적인 세포 분열로 나뉩니다. 감수분열 I은 상동 염색체가 서로를 인식하고 짝을 이루는 긴 전기가 선행됩니다. 이 확장된 전단계 동안 수많은 생물학적 과정이 발생합니다. 상동 염색체의 쌍 외에도 이러한 염색체는 시냅스라는 과정을 거칩니다. 시냅스는 시냅토네마 복합체로 알려진 단백질 복합체의 형성을 포함하며, 이는 길이를 따라 상동 염색체를 연결합니다. 시냅토네마 복합체는 상동 재조합을 촉진하고, 상동 염색체 사이의 유전 물질 교환과 교차 형성을 촉진합니다. 이들은 상동 염색체 사이에 물리적 연결을 설정하여 적절한 정렬과 균형 잡힌 분리를 촉진합니다 1,2.
상동 염색체 인식 중에 RPM(Rapid Prophase Chromosome Movement)이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 여러 모델 종에서 수행된 연구에 따르면 렙토텐 동안 염색체가 핵막(NE)에 부착되는 것으로 나타났습니다. 이들은 LINC(Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton) 단백질 복합체3을 통해 NE를 통해 세포질 세포골격에 연결됩니다. 세포질에서 생성된 힘은 LINC 복합체를 통해 염색체로 전달되어 염색체 이동이 가능해집니다.
RPM에 대한 연구는 감수 분열의 기본 메커니즘, 특히 상동 염색체 인식과 관련된 메커니즘을 이해하는 데 필수적입니다. 그러나 이러한 움직임을 연구하려면 특정 라이브 이미징 실험이 필요합니다. A. thaliana에 대한 대부분의 라이브 이미징 연구는 체세포 조직과 영양 기관에 초점을 맞춥니다. 이러한 연구는 세포가 장기를 생성하는 방법을 결정하기 위해 수행되었습니다4. 이러한 연구는 분열조직5및 뿌리6에 대해 수행되었습니다. 최근 몇몇 팀은 며칠 동안 A. thaliana에서 감수 분열을 포함한 꽃 발달을 실시간으로 관찰하는 기술을 개발했습니다 7,8. 그러나 이러한 프로토콜은 까다롭고 많은 수의 샘플에 대해 설정하기 어려울 수도 있습니다.
이 기사에서는 A. thaliana의 감수 분열 동안 염색체 역학의 살아있는 세포 이미징 및 분석을 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다. 염색체의 형광 표지와 함께 샘플 준비를 위한 간단한 기술인 공초점 현미경을 사용하여 짧은 시간 동안 높은 공간적, 시간적 해상도로 염색체 이동을 포착했습니다. 이 프로토콜은 이미징을 위한 식물 조직의 준비, 광독성을 최소화하고 이미지 품질을 최대화하기 위한 이미징 매개변수의 최적화, 이미지 처리 및 데이터 분석을 간략하게 설명합니다. 이 방법을 사용하면 감수 분열 동안 중심체 역학을 정확하게 정량화할 수 있으며, 이는 성공적인 배우자 형성의 기초가 되는 염색체 거동을 이해하는 데 중요합니다. 이 지식은 농업, 특히 번식력과 유전적 다양성에 영향을 미치는 염색체 짝짓기 및 재조합 과정에 대한 연구를 촉진함으로써 작물 육종 프로그램을 개선하는 데 직접적인 영향을 미칩니다.
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이 프로토콜은 GFP-CENH3 및 NUP54-RFP 이식유전자 9,10을 발현하는 형질전환 A. thaliana 식물을 사용합니다. CENH3 마커를 사용하면 중심체의 움직임을 추적할 수 있습니다. NUP54 마커는 핵 기공을 표시하여 핵을 구별하는 데 도움이 됩니다. 다른 마커를 사용할 수 있지만 샘플이 지속적으로 조명되기 때문에 광표백에 강해야 합니다. 마커가 광표백을 겪지 않도록 하려면 동일한 레이저 조건과 획득 매개변수에서 실험을 수행하고 이미지 획득 기간 동안 신호가 안정적으로 유지되는지 확인하십시오. 사용된 시약과 장비는 재료표에 나와 있습니다.
1. 식물 성장 및 배양
2. 꽃밥 해부 및 슬라이드 준비
3. 공초점 현미경 타임랩스 관찰 – 이미징 설정
참고: 이미징 매개변수를 설정하는 방법은 사용되는 공초점 시스템에 따라 다릅니다. 이미징 매개변수에 대한 자세한 내용은 토론 섹션을 참조하십시오. 이미지는 CLSM과 20x 수침 렌즈를 사용하여 획득되었습니다. 수침 대물렌즈를 사용하면 생물학적 샘플이 물에 장착되기 때문에 더 나은 굴절률 일치를 제공합니다.
4. 이미지 분석 – 중심체 움직임 추적
참고: 중심체 움직임을 재구성하려면 3D 움직임을 추적할 수 있는 이미지 분석 소프트웨어가 필요합니다. 소프트웨어는 각 획득 시간에 정의된 매개변수를 기반으로 형광 신호에 개체를 할당합니다. 그런 다음 추적 도구는 움직이는 물체를 자동으로 분석하고 계보 플롯을 생성합니다.
5. 데이터 분석
참고: 이 부분에서는 RStudio12에서 실행되는 R11 스크립트를 사용하는 데이터 분석 워크플로에 대해 설명합니다. Data INRAE 저장소(10.57745/V1NNFI)에서 검색할 수 있습니다. 모든 수치는 계산된 메트릭을 시각화하기 위해 ggplot213을 사용하여 생성됩니다. 스크립트는 다음 단계를 순차적으로 수행합니다. meiomove-sub-config. R 스크립트는 먼저 R 환경을 초기화하고, 필요한 라이브러리를 로드하고, 전역 변수를 정의하기 위해 실행됩니다. 스크립트에 대한 링크는 다음과 같습니다 https://doi.org/10.57745/V1NNFI
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애기장대에서 감수분열의 전기 동안 염색체 움직임을 시각화하기 위한 신속한 프로토콜이 개발되어 여러 타임랩스 획득이 가능하여 대규모 데이터 세트를 분석할 수 있습니다. 중심체의 시각화를 허용하는 GFP 마커를 발현하는 감수세포와 핵의 시각화를 허용하는 RFP 마커는 설명된 프로토콜에 따라 4분 동안 영상화됩니다.
여기에 설명된 프로토콜에 사용된 획득 매개변수는 중심체의 충분한 공간적, 시간적 분해능을 달성하도록 최적화되어 중심체의 움직임을 정확하게 추적할 수 있습니다. 이러한 매개변수는 또한 광표백을 최소화하도록 최적화되어 획득 전반에 걸쳐 안정적인 신호 강도를 보장합니다. 접합체/파키텐 단계에서 꽃밥에서 3개의 감수세포를 분석한 결과 22개의 중심체의 움직임을 분석할 수 있었습니다. 이 ...
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현재 프로토콜은 애기장대에서 감수분열 전기 동안 중심체 움직임의 생체 내 이미징 및 분석을 가능하게 합니다. 이 프로토콜은 직립 또는 도립 공초점 현미경으로 구현할 수 있으므로 공초점 기술이 장착된 대부분의 실험실에서 액세스할 수 있습니다. 공초점 시스템은 스캐닝 속도, 감도, 검출기 및 파장 분리 기능이 다양하지만 획득 매개변수를 조정하여 우수한 시간 및 공간 해상도의 이미지를 얻을 수 있습니다. 형광 단백질의 선택도 다양할 수 있지만강렬하고 지속적인 레이저 조명을 견뎌야 합니다. 염색체(이 경우 중심체)를 추적하는 데 사용되는 마커는 광표백에 더 강해야 합니다. 그러나 유전체 부위에 특이적인 형광 마커, 예를 들어 텔로미어, 특정 유전자좌 또는 NOR 영역과 같은 마우스에서 볼 수 있으며, 여기서 중심체 주위 영역에 대응하는 텔로미어가 추적된다15....
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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 작업은 Institut Jean-Pierre Bourgin의 식물 관측소 기술 플랫폼인 PO-Plants 및 PO-Cyto의 지원을 받았습니다. 이 연구는 ANR(MeioMove ANR-21CE12-0042 : M.G., P.A., L.C., S.L. 및 DYSCORD ANR-23-CE20-0036-02, M.G., L.C.)의 자금 지원을 받았습니다. Jean-Pierre Bourgin 연구소는 Saclay Plant Sciences(ANR-17-EUR0007)의 지원을 받고 있습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 번식지 | 트레프 (지피) | 101820/02227861 | |
| 공초점 현미경 | 라이카 | TCS SP8 AOBS (음향-광학 빔 스플리터) | |
| 공초점 소프트웨어 | 라이카 | LAS X 3.5.0.18371 소프트웨어 | |
| 커버슬립 | 폴 마리엔펠트 GmbH | 107052 | 22x22 No1,5H |
| 겸자 | 아이디얼-텍 | 4.SA.0 | 고정밀 핀셋 |
| GFP:CENH3 | Ravi 외, 2010 | 여기서 사용되는 애기장대 씨앗 | |
| GGPLOT2 | 그리고 nbsp; ggplot2: 데이터 분석을 위한 우아한 그래픽 Reference13 | https://ggplot2.tidyverse.org | |
| 바늘 손잡이 | 해머 | 루프용 손잡이, 길이 170mm | |
| 이마리스 | 옥스퍼드 악기 | 이마리스 9.7.2 | 이미지 분석 - "스팟" 모듈 |
| 렌즈 | 라이카 | HC PL APO CS2 20×/0.75 IMM | |
| 번개 | 라이카 | 적응형 디컨볼루션 | 공초점 데이터에서 자동화된 지능형 정보 추출 |
| 조명 | 베겔레드 | 아폴로 LL252-Gen2 | |
| 바늘 | 왓킨스 & 돈캐스터 | E3 핀 0.0124"(.31mm) x 25mm | |
| NUP54:RFP | Cromer 외, 2024 | 여기서 사용되는 애기장대 씨앗 | |
| 항아리 | 테쿠 (포펠만) | VDF 7x7x6.5 cm | |
| R | RCore 팀 | R: 통계를 위한 언어와 환경... 그리고 nbsp; 컴퓨팅. R 통계 컴퓨팅 재단, 오스트리아 빈.nbsp; Reference11 | https://www.R-project.org/ |
| Rstudio | 포지트 팀 | 그리고 nbsp; RStudio: R. Posit Software, PBC, 보스턴, 매사추세츠를 위한 통합 개발 환경. Reference12 | http://www.posit.co/ |
| 슬라이드 | 니텔 글래스 | 100003 | 26x76x1.0mm |
| 스페이서 | 열낚시 | Secure-Seal Spacer, 8개의 웰, 직경 9mm, 깊이 0.12mm | 각 스페이서를 개별적으로 잘라내세요 |
| 입체 현미경 | 니콘 | SMZ800 |
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