Apresenta-se um protocolo otimizado que permite a depleção de centros organizadores de microtúbulos citoplasmáticos em ovócitos de camundongos durante a metáfase I utilizando um laser de femtossegundos no infravermelho próximo.
Artigo de método
Apresenta-se um protocolo otimizado que permite a depleção de centros organizadores de microtúbulos citoplasmáticos em ovócitos de camundongos durante a metáfase I utilizando um laser de femtossegundos no infravermelho próximo.
A fidelidade da meiose de ovócitos é fundamental para a geração de ovos euploides competentes em termos de desenvolvimento. Nos mamíferos, o ovócito sofre uma longa prisão na prófase I da primeira divisão meiótica. Após a puberdade e após a retomada meiótica, a membrana nuclear se desmonta (quebra do envelope nuclear), e o fuso é montado principalmente no centro do ovócito. O posicionamento inicial do fuso central é essencial para proteger contra ligações anormais de cinetocócoro-microtúbulo (MT) e aneuploidia. O fuso posicionado centralmente migra de maneira sensível ao tempo em direção ao córtex, e esse é um processo necessário para extrudar um minúsculo corpo polar. Nas células mitóticas, o posicionamento do fuso depende da interação entre os MTs astrais mediados pelo centrossomo e o córtex celular. Pelo contrário, os ovócitos de camundongos não possuem centrossomos clássicos e, em vez disso, contêm numerosos centros organizadores de MT acentriolares (MTOCs). No estágio de metáfase I, os oócitos de camundongos têm dois conjuntos diferentes de MTOCs: (1) MTOCs que são agrupados e classificados para montar polos fusiformes (MTOCs polares) e (2) MTOCs citoplasmáticos de metáfase (mcMTOCs) que permanecem no citoplasma e não contribuem diretamente para a formação do fuso, mas desempenham um papel crucial na regulação do posicionamento do fuso e na migração oportuna do fuso. Aqui, um método de ablação a laser multifóton é descrito para esgotar seletivamente mcMTOCs endogenamente marcados em oócitos coletados de camundongos repórteres Cep192-eGfp . Este método contribui para a compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes ao posicionamento e migração do fuso em ovócitos de mamíferos.
Os gametas haploides (espermatozoides e ovócitos) são produzidos através da meiose, o que implica uma rodada de replicação do DNA seguida por duas divisões consecutivas que são necessárias para a redução do número cromossômico antes da fertilização. Em mamíferos, durante o início da vida fetal, o ovócito sofre uma longa parada (até a puberdade) no estágio diploteno da prófase I da primeira divisão meiótica, um estágio chamado estágio vesícula germinal (GV). Após a retomada meiótica, o ovócito GV sofre quebra do envelope nuclear (NEBD), e o fuso é montado principalmente no centro do ovócito 1,2,3. Posteriormente, impulsionado pela F-actina, o fuso migra em tempo hábil do centro do ovócito para o córtex para garantir uma divisão altamente assimétrica, resultando em um ovo com um minúsculo corpo polar (PB)4,5,6.
Nas células mitóticas, os centrossomos consistem em um par de centríolos circundados por componentes de material pericentríolo (PMC), como pericentrina, γ-tubulina, Cep152 e Cep1927. Esses centrossomos contendo centríolos contribuem para a fidelidade da formação do fuso bipolar8. No entanto, os centríolos são perdidos durante a oogênese precoce em várias espécies, incluindo roedores9. Portanto, os ovócitos de camundongos adotam uma via de montagem de fuso independente de centríolo utilizando numerosos centros organizadores de microtúbulos acentriolares (MTOCs)9,10. Após a retomada meiótica, os MTOCs perinucleares passam por três etapas distintas de recondensação, alongamento e fragmentação em um grande número de MTOCs menores11,12. Os MTOCs fragmentados são então agrupados e classificados para organizar um fuso bipolar10,13,14. Outro pool de MTOCs está localizado no citoplasma durante o NEBD. Alguns desses MTOCs citoplasmáticos migram e formam polos fusiformes (MTOCs polares, pMTOCs)10,11. Recentemente, outro subconjunto de MTOCs citoplasmáticos foi descoberto, denominado MTOCs citoplasmáticos de metáfase (mcMTOCs), que não contribuem para a formação de polos fusiformes, mas permanecem no citoplasma de ovócitos durante a metáfase I (Met I)15. O esgotamento dos mcMTOCs pela ablação a laser multifótons ou o aumento anormal de seu número pela inibição da autofagia perturba o posicionamento e a migração do fuso e aumenta a incidência de aneuploidia em ovócitos da metáfase II15.
Curiosamente, os mcMTOCs diferem dos pMTOCs em muitos aspectos15. Por exemplo, em contraste com os pMTOCs, que se originam principalmente de MTOCs perinucleares, os mcMTOCs se originam do córtex de ovócitos. Quando o fuso ainda está no centro do ovócito, os mcMTOCs estão localizados assimetricamente opostos ao lado para o qual o fuso migra para extrusão PB15. Os MTs semelhantes a astrais não podem alcançar o córtex na célula de ovócitos relativamente grande. Portanto, esses mcMTOCs nucleam MTs para ancorar o fuso (via MTOCs astrais) ao córtex. Essas descobertas sugerem um modelo no qual a força MT nucleada por mcMTOC neutraliza a força mediada por F-actina que impulsiona a migração do fuso em direção ao córtex. O equilíbrio entre essas duas forças opostas é essencial para regular o posicionamento do fuso central e a migração oportuna dofuso 15.
Até o momento, todas as proteínas PMC examinadas (pericentrina, g-tubulina, Cep192 e Aurora quinase A) localizam-se em ambos os pools MTOC: mcMTOCs e pMTOCs15. Portanto, não há abordagem química ou genética para perturbar seletivamente os mcMTOCs sem perturbar os pMTOCs. Essas limitações podem ser contornadas visando seletivamente os mcMTOCs com ablação a laser. Dentre as tecnologias baseadas em laser desenvolvidas para microablação, os lasers de femtossegundos multifótons pulsados apresentam grande potencial devido ao seu impacto de precisão limitado ao plano focal, à alta profundidade de penetração da luz infravermelha próxima e à fototoxicidade e danos térmicos reduzidos à célula16,17,18. Este trabalho descreve uma abordagem seletiva para ablar mcMTOCs em ovócitos de camundongos usando um laser multifóton acoplado a um microscópio invertido.
Todos os métodos aqui descritos foram aprovados pela Universidade do Missouri (Animal Care Quality Assurance Ref. Number 9695). Camundongos repórteres Cep192-eGFP fêmeas com idades entre 6-8 semanas de idade foram utilizados no presente estudo. Para gerar camundongos repórteres Cep192-eGFP , o reparo dirigido por homologia mediado por CRISPR/Cas9 foi usado para integrar o gene repórter EGFP no genoma do camundongo CF-1. O repórter do EGFP foi fundido no terminal C do Cep192 (componente integrante dos MTOCs)15. Para manter a colônia de camundongos, foram utilizados camundongos repórteres homozigotos Cep192-eGfp . Todos os animais foram mantidos em gaiolas (até quatro animais/gaiola) a 21 °C e 55% de umidade, com ciclo claro/escuro de 12 h e acesso ad libitum a alimentos e água.
1. Coleção de ovócitos do rato
2. Microinjeção de ovócitos
3. Maturação dos ovócitos
4. Preparação de ovócitos para ablação e imagem
5. Preparação do microscópio para ablação
6. Ablação de mcMTOCs
A ablação a laser multifóton fornece um método eficiente para ablar seletivamente estruturas intracelulares. O presente estudo empregou a ablação a laser multifóton para esgotar mcMTOCs em oócitos de camundongos seletivamente. A ablação a laser esgotou os mcMTOCs de forma eficiente, como demonstrado pela redução da fluorescência endógena de GFP nos mcMTOCs alvo para um nível comparável ao fundo. O mCh-Cep192 exógeno nos mcMTOCs alvo também foi abolido após a ablação a laser. A ablação a laser de mcMTOCs deve ser realizada em diferentes planos focais dentro do ovócito (onde os mcMTOCs estão localizados, Figura 2) para garantir que todos os mcMTOCs dentro do ovócito estejam esgotados (Figura 3).

Figura 1: Microinjeção de ovócitos. Microinjeção de um ovócito de camundongo preso por prófase I com cRNA mCh-Cep192 . Barra de escala: 10 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Depleção de mcMTOCs em ovócitos de ratinhos. Imagens representativas de planos focais únicos. Os quadrados brancos indicam um mcMTOC antes e depois da ablação a laser multifóton. Barra de escala: 40 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Depleção de mcMTOCs em diferentes planos focais em um ovócito de camundongo. Imagens de projeção máxima representativas de um ovócito de rato ablado-mcMTOC. Barra de escala: 20 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo Suplementar 1: Composições de Chatot, Ziomek e Bavister (CZB) e meio essencial mínimo livre de bicarbonato (MEM/PVP). Clique aqui para baixar este arquivo.
Existem diferentes métodos para perturbar as estruturas relacionadas ao citoesqueleto dentro das células22,23,24,25. No entanto, encontrar técnicas eficientes para perturbar seletivamente a estrutura alvo sem comprometer a viabilidade celular é um desafio. O método de ablação a laser multifóton aqui apresentado é uma estratégia eficiente para induzir uma perturbação mecânica seletiva aos mcMTOCs dentro do ovócito sem alterar a viabilidade do ovócito.
A ablação a laser tem sido amplamente utilizada para compreender os mecanismos moleculares que controlam a segregação cromossômica durante a mitose e meiose22,23,26,27. Devido ao tamanho relativamente grande (>80 mm de diâmetro) dos ovócitos de mamíferos em comparação com as células somáticas28, a ablação de suas estruturas intracelulares representa um desafio. Além disso, o volume médio de mcMTOC em ovócitos de metáfase I é de ~20 μm15, representando um desafio adicional. Um método eficiente que ofereça uma penetração tecidual mais profunda deve ser adotado para superar esses desafios. A principal vantagem do uso do laser multifóton para ablação é sua capacidade de penetrar mais profundamente na célula, minimizando os efeitos fora do alvo29.
Para verificar a eficácia e a eficiência do método de ablação a laser para esgotar a estrutura alvo, recomenda-se o uso de uma proteína marcada fluorescentemente para identificar a estrutura alvo ao longo do tempo (antes e após a ablação)23. É importante notar que a ablação a laser esgota todo o mcMTOC como estrutura e, embora mcMTOCs menores exijam apenas uma única exposição ao laser para serem esgotados, mcMTOCs maiores podem exigir mais de uma exposição a laser em diferentes planos focais. Recomenda-se também fixar e imunomarcar um subconjunto de oócitos ablados-mcMTOC e de controle com um marcador MTOC (como γ-tubulina, pericentrina ou Cep192) para confirmar ainda mais a eficiência da ablação mcMTOC. Nos ovócitos de controle, áreas do citoplasma adjacentes, mas não sobrepostas aos mcMTOCs, serão expostas ao laser.
Este experimento requer várias ablações mcMTOC enquanto se move entre diferentes planos focais dentro dos ovócitos. Portanto, é altamente recomendável praticar essa técnica várias vezes antes de executar o experimento para minimizar o tempo de experimento, aumentando assim a viabilidade dos ovócitos. Além disso, é importante usar a potência mínima do laser que seja suficiente para esgotar os mcMTOCs sem afetar a viabilidade dos ovócitos.
Esta técnica tem algumas limitações. Primeiro, os microscópios confocais multifótons são relativamente mais caros do que os microscópios confocais regulares. Em segundo lugar, perturbar todos os mcMTOCs em diferentes planos focais é mais demorado do que perturbações químicas ou genéticas. Em terceiro lugar, este protocolo requer habilidades técnicas para ablar todos os mcMTOCs no menor tempo possível. No entanto, uma vez dominado, o uso do laser multifóton fornece uma excelente estratégia para perturbar várias estruturas intracelulares em ovócitos de camundongos, incluindo mcMTOCs, contribuindo para a compreensão dos mecanismos moleculares que regulam o posicionamento do fuso e sua migração oportuna em ovócitos de mamíferos.
Os autores declaram não haver interesses concorrentes.
Os autores gostariam de agradecer a todos os membros do laboratório Balboula por sua valiosa ajuda e discussões. Os autores agradecem a Melina Schuh por gentilmente compartilhar o construto mCherry-Cep192. Este estudo foi apoiado pelo R35GM142537 (NIGMS, NIH) para AZB.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 4 IN thinwall GL 1.0 OD/.75 ID | Instrumento de precisão mundial | Agulhas de injeção TW100F-4 | |
| Vidro borossilicato | Marca Fisher | Cat# 13-678-20D | |
| Capilaridades de vidro borossilicato | Instrumento de Precisão Mundial | Cat# TW100-6 | Segurando agulhas |
| Albumina de soro bovino | MilliporeSigma | Cat# A4503 | |
| Incubadora de gaiola para microscópio Leica DMI6000 B | Life Imaging Services GmbH | ||
| Cálcio di-hidratado | MilliporeSigma | Cat# C7902 | |
| CO2 controlador | Pecon | # 0506.000 | |
| CO2 Capa HP | Pecon | # 0506.020 | |
| Ácido DL-Láctico | MilliporeSigma | Cat# L7900 | |
| DMi8 | Leica | Microscópio N/A | |
| EDTA | MilliporeSigma | Cat# E5134 | |
| Femtojet 4i | Eppendorf | /A | Microinjetor |
| Microcarregador Femtotips | Fisher scientific | ||
| Gentamicina | MilliporeSigma | Cat# G1272 | |
| Gentamicina | MilliporeSigma | Cat# 1272 | |
| Prato com fundo de vidro | Mat Tek Corporation | Cat# P35G-1.0-20-C | |
| Hepes | MilliporeSigma | Cat# H3784 | |
| Hepes Sal de Sódio | MilliporeSigma | Cat # H3784 | |
| Hera Cell vios 160i | Thermo | N/A | CO2 incubadora |
| Micorscope confocal de varredura a laser espectral Leica TCP SP8 com suporte invertido DMI6000 B | Leica Microsystems, Inc | N/A | |
| L-Glutamina | MilliporeSigma | Cat#G8540 | |
| Sulfato de magnésio dihidratado | MilliporeSigma | Cat# M7774 | |
| MaiTai DeepSee Ti-Safira laser de femtosegundo | Spectra-Physics | N/A | |
| mCH-Cep192 cRNA | N/A | ||
| Médio Essencial Médio Médio Águia - MEM | MilliporeSigma | Cat #M0258 | |
| Milrinone | MilliporeSigma | Cat# M4659 | |
| Óleo mineral | MilliporeSigma | Cat# M5310 | |
| Águia média essencial mínima (MEM) | MilliporeSigma | Cat# M0268 - Mouse 1L | |
| : Cep192-eGFP repórter CF-1 | N/A | ||
| Placa de Petri (100 mm) | Fisherbrand | Placa de Petri Cat# FB0875712 | |
| (35 mm) | Corning | Placa de Petri Cat# 430165 | |
| (60 mm) | Falcon | Cat# 351007 | |
| Fenol Vermelho | MilliporeSigma | Cat# P5530 | |
| Polivinilpirolidone | MilliporeSigma | Cat# P2307 | |
| Polivinilpirolidone (PVP) | MilliporeSigma | Cat# P2307 | |
| Cloreto de potássio | MilliporeSigma | Cat# P5405 | |
| Fosfato de potássio monobásico | MilliporeSigma | Cat# P5655 | |
| Égua grávida&aguda; s gonadotrofina sérica | Lee BioSolutions | Cat# 493-10-10 | |
| Ácido pirúvico | MilliporeSigma | Cat# P4562 | |
| Ácido pirúvico | MilliporeSigma | Cat# P4562 | |
| Agulhas de costura | D.M.C | N/A | N° 5 * 16 Agulhas |
| Bicarbonato de sódio | MilliporeSigma | Cat# S5761 | |
| Cloreto de sódio | MilliporeSigma | Cat# S5886 | |
| Inserção de aquecimento de palco P | Pecon | # 0426.300 | |
| Sterezoom S9i | Leica | Estereomicroscópio N/A | |
| Seringa 1 mL | BD company | Gato# 309597 | |
| Taurina | MilliporeSigma | Cat# T0625 | |
| Controlador de temperatura Tempcontrol 37-2 digital | Pecon | # 0503.000 | |
| O controlador de temperatura Cube para a incubadora de gaiolas | Life Imaging Services GmbH |
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