Opisujemy zastosowanie analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego do monitorowania zmian w czasie rzeczywistym w glikolizie i fosforylacji oksydacyjnej podczas kapacytacji nasienia myszy.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy zastosowanie analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego do monitorowania zmian w czasie rzeczywistym w glikolizie i fosforylacji oksydacyjnej podczas kapacytacji nasienia myszy.
Plemniki ssaków nabywają zdolność do zapłodnienia w żeńskim układzie rozrodczym w procesie znanym jako capacitation. Procesy związane z pojemnością wymagają energii. Trwa debata na temat źródeł generujących ATP, który napędza ruchliwość postępową plemników, kapacytację, hiperaktywację i reakcję akrosomalną. W tym miejscu opisujemy zastosowanie analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego jako narzędzia do analizy zmian w metabolizmie energetycznym podczas kapacytacji plemników myszy. Wykorzystując fluorofory wrażliwe na H+ iO2-, metoda ta umożliwia monitorowanie glikolizy i fosforylacji oksydacyjnej w czasie rzeczywistym w plemnikach niepojemnościowych i pojemnościowych. Zastosowanie tego testu w obecności różnych substratów energetycznych i/lub aktywatorów farmakologicznych i/lub inhibitorów może dostarczyć ważnych informacji na temat udziału różnych szlaków metabolicznych i przecięcia między kaskadami sygnałowymi a metabolizmem podczas kapacytacji plemników.
Zastosowanie spektrometrii mas zrewolucjonizowało badania nad metabolizmem. Ukierunkowane profilowanie metaboliczne i śledzenie metabolomiczne umożliwiają precyzyjne monitorowanie zmian w metabolizmie energetycznym. Jednak skuteczne przeprowadzanie metabolomiki wymaga intensywnego szkolenia, doświadczonego personelu oraz drogich, bardzo czułych spektrometrów masowych, które nie są łatwo dostępne w każdym laboratorium. W ostatnich latach korzystanie z analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego, takiego jak Seahorse XFe96, stało się popularne jako zastępcza metoda pomiaru zmian w metabolizmie energetycznym w różnych typach komórek1,2,3,4,5.
Plemniki to wysoce wyspecjalizowane komórki ruchliwe, których zadaniem jest dostarczenie ojcowskiego genomu do oocytu. Plemniki opuszczające męski układ rozrodczy po wytrysku są nadal funkcjonalnie niedojrzałe i nie mogą zapłodnić oocytu, ponieważ nie są w stanie przeniknąć przez szaty oocytów. Plemniki nabywają zdolność zapłodnienia, gdy przechodzą przez żeński układ rozrodczy w procesie dojrzewania znanym jako capacitation6,7. Świeżo wytryskujące plemniki lub plemniki wypreparowane z najądrza ogona mogą być kapacystowane in vitro przez inkubację w określonych pożywkach pojemnościowych zawierających Ca2+, wodorowęglan (HCO3-) lub przepuszczalny dla komórek analog cAMP (np. dibutyryl-cAMP), akceptor cholesterolu (np. albumina surowicy bydlęcej, BSA) i źródło energii (np. glukoza). Podczas kapacytacji plemniki modyfikują swój wzorzec ruchliwości w asymetryczne uderzenie wici, reprezentujące tryb pływania zwany hiperaktywacją8,9, i stają się kompetentne do przejścia reakcji akrosomowej7, w której uwalniane są enzymy proteolityczne, które trawią szaty oocytów. Procesy te wymagają energii i podobnie jak komórki somatyczne, plemniki wytwarzają ATP i inne związki wysokoenergetyczne poprzez glikolizę, a także mitochondrialny cykl TCA i fosforylację oksydacyjną (oxphos)10. Podczas gdy liczne badania wykazują, że glikoliza jest konieczna i wystarczająca do wspierania kapacytacji plemników11,12,13,14, wkład oxphos jest mniej oczywisty. W przeciwieństwie do innych typów komórek, w których glikoliza jest fizycznie sprzężona z cyklem TCA, plemniki są wysoce podzielone na przedziały i uważa się, że utrzymują te procesy w oddzielnych przedziałach wiciowych: część środkowa koncentruje maszynerię mitochondrialną, podczas gdy kluczowe enzymy glikolizy wydają się być ograniczone do głównej części15,16. To podział na przedziały powoduje ciągłą debatę na temat tego, czy pirogronian wytwarzany w głównej części przez glikolizę może wspierać mitochondrialny okfos w części środkowej i czy ATP wytwarzany przez oksfos w części środkowej byłby w stanie dyfundować wystarczająco szybko wzdłuż wici, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię w dystalnych częściach części głównej17, 18,19. Istnieje również poparcie dla roli oxphos w kapacytacji plemników. Oksfos jest nie tylko bardziej korzystny energetycznie niż glikoliza, generując 16 razy więcej ATP niż glikoliza, ale objętość części środkowej i zawartość mitochondriów są bezpośrednio skorelowane ze sprawnością reprodukcyjną u gatunków ssaków, które wykazują większy stopień konkurencji między samcami o partnerów20. Odpowiedź na te pytania wymaga metod badania względnego udziału glikolizy i oksfosu podczas kapacytacji plemników.
Tourmente et al. zastosowali 24-dołkowy analizator strumienia zewnątrzkomórkowego do porównania metabolizmu energetycznego blisko spokrewnionych gatunków myszy o znacząco różniących się parametrach wydajności plemników21. Zamiast raportować podstawowe wartości ECAR i OCR plemników nieuzdolnionych, tutaj dostosowujemy ich metodę za pomocą 96-dołkowego analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego do monitorowania zmian w metabolizmie energetycznym podczas kapacytacji plemników myszy w czasie rzeczywistym. Opracowaliśmy metodę, która pozwala na jednoczesne monitorowanie glikolizy i oksfosu w czasie rzeczywistym w plemnikach z biciem wici w maksymalnie dwunastu różnych warunkach eksperymentalnych poprzez pomiar strumienia tlenu (O2) i protonów (H+) (ryc. 1A). Ze względu na rozkład pirogronianu do mleczanu podczas glikolizy i wytwarzanie CO2 w cyklu TCA, nieusprawiedliwione i pojemnościowe plemniki wytłaczają H+ do pożywki testowej, która jest wykrywana przez zewnątrzkomórkowy analizator strumienia za pomocą wrażliwych na H+ fluoroforów unieruchomionych na końcówce sondy wkładu czujnika. Równolegle zużycieO2 przez fosforylację oksydacyjną jest wykrywane za pomocą wrażliwych na O2 fluoroforów unieruchomionych na tej samej końcówce sondy (rysunek 1B). Skuteczne wykrywanie uwolnionego H+ i zużytegoO2 wymaga zmodyfikowanego bufora plemników o niskiej zdolności buforowej bez wodorowęglanu lub czerwieni fenolowej. Tak więc, aby wywołać kapacytację przy braku wodorowęglanu, przyjęliśmy użycie przepuszczalnego dla komórek analogu cAMP wstrzykniętego razem z inhibitorem PDE o szerokim zakresie IBMX22. Trzy dodatkowe niezależne porty iniekcyjne umożliwiają wstrzykiwanie aktywatorów farmakologicznych i/lub inhibitorów, co ułatwia wykrywanie w czasie rzeczywistym zmian w oddychaniu komórkowym i szybkości glikolizy spowodowanych manipulacją eksperymentalną.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Plemniki pobierane są od 8-16-tygodniowych samców myszy CD-1. Eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami i Użytkowania (IACUC) Weill Cornell Medicine.
1. Dzień przed testem
2. Dzień testu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Metoda ta wykorzystuje analizator przepływu zewnątrzkomórkowego do monitorowania w czasie rzeczywistym zmian szybkości glikolizy i fosforylacji oksydacyjnej (oxphos) podczas kapacytacji plemników myszy. Rysunek 4 przedstawia przykładowy eksperyment, w którym kapacytacja plemników odbywała się w obecności glukozy jako jedynego substratu energetycznego oraz 2-DG, antymycyny i rotenonu jako modulatorów farmakologicznych. Substrat energetyczny w buforze TYH anali...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Utrata kapacytacji plemników przy braku pewnych substratów metabolicznych lub krytycznych enzymów metabolicznych ujawniła, że metabolizm energetyczny jest kluczowym czynnikiem wspierającym udane zapłodnienie. Przełącznik metaboliczny podczas aktywacji komórek jest dobrze ugruntowaną koncepcją w innych typach komórek, jednak dopiero zaczynamy rozumieć, w jaki sposób plemniki dostosowują swój metabolizm do rosnącego zapotrzebowania na energię podczas kapacytacji. Korzystając z analizatora strumienia zewnątrzkomórkowego, op...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy pragną podziękować za wsparcie ze strony dr Lavoisiera Ramosa-Espiritu z Rockefeller High Throughput and Spectroscopy Resource Center.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Reodczynniki | |||
| 2-Deoxy-D-glucose | Sigma-Aldrich | D8375 | 2-DG |
| 3-Isobutyl-1-methylxanthine | Sigma-Aldrich | I7018 | IBMX; przygotować 500 mM roztwór podstawowy w DMSO (111,1 mg/ml) i przechowywać w małych porcjach |
| Antymycyna A | Sigma-Aldrich | A8674 | Anta; przygotować 5 mM roztwór podstawowy w DMSO (2,7 mg/ml) i przechowywać w małych porcjach |
| Albumina surowicy bydlęcej | Sigma-Aldrich | A1470 | BSA |
| Chlorek wapnia | Sigma-Aldrich | C1016 | CaCl2 |
| Konkanakalina A, lektyna z Arachis hypogaea (orzeszki ziemne) | Sigma-Aldrich | L7381 | ConA Glukoza |
| Sigma-Aldrich | G7528 | ||
| Hepes | Sigma-Aldrich | H0887 | |
| Isothesia | Henry Schein Zdrowie zwierząt | 1169567761 | Izofluran |
| Siarczan magnezu | Sigma-Aldrich | M2643 | MgSO4 |
| N6,2'-O-dibutyryloadenozyna 3',5'-cykliczna sól sodowa monofosforanu | Sigma-Aldrich | D0627 | db-cAMP |
| Chlorek potasu | Sigma-Aldrich | P9333 | KCl |
| Diwodorofosforan potasu | Sigma-Aldrich | P5655 | KH2PO4 |
| Rotenone | Cayman Chemical Company | 13995 | Rot; przygotować 5 mM roztwór podstawowy w DMSO (2 mg/ml) i przechowywać w małych podwielokrotnościach |
| Wodorowęglan sodu | Sigma-Aldrich | S5761 | NaHCO3-Chlorek |
| sodu | Sigma-Aldrich | S9888 | NaCl |
| Equipment i materiały< / Strong> | |||
| Pipeta 12-kanałowa 10-100 μ L | eppendorf | ES-12-100 | |
| Pipeta 12-kanałowa 50-300 μ L | vwr | 613-5257 | |
| 37 ° C, inkubator bez CO2 | vwr | 1545 | |
| mL probówki do cetrifuge | eppendorf | 30119380 | |
| 50 mL stożkowe probówki wirówkowe | vwr | 76211-286 | |
| Wirówka z adapterem płytkowym | Thermo Scientific | IEC FL40R | |
| Zestaw preparacyjny | World Precision Instruments | MOUSEKIT | |
| Mikroskop z kontrastem odwróconych faz z obiektywem 40X | Nikon | ||
| OctaPool Solution Reservoirs, 25 ml, dzielone | Thomas Scientific | 1159X93 | |
| OctaPool Solution Reservoirs, 25 mL, dzielone | Thomas Scientific | 1159X95 | |
| Seahorse XFe96 Analizator | Agilent | ||
| Seahorse XFe96 FluxPak | Agilent | 102416-100 | Sprzedawany również jako XFe96 FluxPak mini (102601-100) z 6 zamiast 18 wózków. |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.