Sperma verwerft het vermogen om te bevruchten tijdens een proces dat capacitatie1 wordt genoemd. Een eindpunt van dit proces is dat het sperma het vermogen verwerft om AE te ondergaan. Meer dan twee decennia aan gegevens ondersteunen de aanwezigheid van een complex, meerstapsmodel van AE in sperma van zoogdieren (samengevat in 2,3). Het bestuderen van AE in levend sperma is echter een uitdaging, en de momenteel beschikbare methoden om dit proces met voldoende resolutie te volgen, zijn omslachtig en vereisen meerdere voorbereidingsstappen4, zijn beperkt tot de detectie van de laatste stap van AE (bijv. met behulp van PNA5), zijn beperkt tot metingen van veranderingen in cytosolisch calcium (in tegenstelling tot de acrosomale calciumdynamiek), of zijn beperkt tot metingen van cytosolische calciumdynamiek of AE6.
Om enkele van de belangrijkste beperkingen van real-time AE-studies onder fysiologische omstandigheden te overwinnen en om onderzoek naar de wisselwerking tussen calciumdynamiek en AE mogelijk te maken, werd een uniek muismodel gegenereerd. In dit muismodel wordt een fusie-eiwit bestaande uit de genetisch gecodeerde Ca2+-sensor (GCaMP3) en mCherry tot expressie gebracht en gericht op het acrosoom met behulp van een acrosinepromotor en signaalpeptide2. De gerichte dubbele GCaMP3-mCherry-sensor maakt gelijktijdige real-time metingen van calciumconcentraties en de status van de acrosomale inhoud in levend sperma onder fysiologische omstandigheden mogelijk met behulp van microscopie en een eencellig afgiftesysteem voor stimulerende middelen (Figuur 1). Als onderdeel van de acrosomale matrix zouden membraanfusie en AE resulteren in het verlies van de fotostabiele en pH-ongevoelige mCherry-fluorescentie uit het sperma, aangezien dit eiwit uit het acrosoomblaasje diffundeert. In dit opzicht is het vermogen van het model om de timing en het optreden van AE weer te geven vergelijkbaar met de voordelen van de acrosoomgerichte GFP-muislijn 7,8,9.
De GCaMP3-variant die in deze transgene muizenlijn wordt gebruikt, heeft een geschatte KD van 400 μM en een dynamisch bereik voor Ca2+ van 10-4-10-3 M10, wat geschikt is voor dit blaasje. We toonden aan dat deze combinatie van kenmerken van GCaMP3 de vorming van fusieporiën tussen het plasmamembraan en het buitenste acrosomale membraan (OAM)2 kon onthullen. De detectie van fusieporiën is het gevolg van het feit dat de poriegrootte te klein is om het AcroSensE-eiwit uit het acrosoom te laten dispergeren (via verlies van acrosoomgehalte) en tegelijkertijd een membraankanaal te bieden dat de instroom van Ca2+-ionen in het acrosoomlumen mogelijk maakt, wat leidt tot een toename van de fluorescentie-intensiteit van het GCaMP3.
Het heldere, monomeer, niet-calciumgevoelige fluorescerende eiwit mCherry ondersteunt de visualisatie van het acrosoom terwijl het GCaMP3-signaal zwak is (bijv. voorafgaand aan Ca2+ -binding, Figuur 2), en belangrijker nog, het maakt ook de identificatie mogelijk van acrosoom-intacte zaadcellen die geschikt zijn voor beeldvorming.
Het volgende protocol beschrijft het gebruik van het unieke AcroSensE-muismodel en de methoden voor microscopie die experimenteel worden gebruikt om de dynamiek van AE en spermacalcium met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie te bestuderen.