Сперматозоиды приобретают способность к оплодотворению во время процесса, называемого капациацией1. Одной из конечных точек этого процесса является то, что сперматозоиды приобретают способность подвергаться НЯ. Данные, собранные за два десятилетия, подтверждают наличие сложной, многоступенчатой модели НЯ в сперматозоидах млекопитающих (обобщенная в 2,3). Однако изучение НЯ в живых сперматозоидах является сложной задачей, а имеющиеся в настоящее время методы мониторинга этого процесса с адекватным разрешением громоздки и требуют нескольких подготовительных этапов4, ограничиваются выявлением конечной стадии АЭ (например, с помощью ПНА5), ограничиваются измерениями изменений цитозольного кальция (в отличие от акросомальной динамики кальция), или ограничиваются измерениями цитозольной динамики кальция или АЭ6.
Чтобы преодолеть некоторые из ключевых ограничений исследований АЭ в реальном времени в физиологических условиях и исследовать взаимодействие между динамикой кальция и АЭ, была создана уникальная модель мышей. В этой мышиной модели гибридный белок, состоящий из генетически кодируемого сенсора Ca2+ (GCaMP3) и mCherry, экспрессируется и нацелен на акросому с помощью промотора акрозина и сигнального пептида2. Прицельный двойной датчик GCaMP3-mCherry позволяет в режиме реального времени одновременно измерять концентрацию кальция и состояние акросомального содержимого в живых сперматозоидах в физиологических условиях с помощью микроскопии и одноклеточной системы доставки стимулятора (рис. 1). Как компонент акросомального матрикса, слияние мембран и АЭ приводят к потере фотостабильной и pH-нечувствительной флуоресценции mCherry из сперматозоидов, поскольку этот белок диффундирует из везикулы акросомы. В этом отношении способность модели отражать время и возникновение АЭ сродни преимуществам акросомно-ориентированной линии GFP 7,8,9.
Вариант GCaMP3, используемый в этой линейке трансгенных мышей, имеет приблизительный KD 400 мкМ и динамический диапазон для Ca2+ 10-4-10-3 M10, что подходит для этого везикулы. Мы показали, что эта комбинация признаков GCaMP3 может выявить образование пор слияния между плазматической мембраной и наружной акросомальной мембраной (ОАМ)2. Обнаружение слияния пор является результатом того, что размер пор слишком мал, чтобы позволить белку AcroSensE диспергироваться из акросомы (за счет потери содержимого акросомы), обеспечивая при этом мембранный «канал», который обеспечивает приток ионов Ca2+ в просвет акросомы, что приводит к увеличению интенсивности флуоресценции GCaMP3.
Яркий, мономерный, не чувствительный к кальцию флуоресцентный белок mCherry поддерживает визуализацию акросомы при слабом сигнале GCaMP3 (например, до связыванияCa2+ , рис. 2), и, что важно, он также позволяет идентифицировать акросомные интактные сперматозоиды, пригодные для визуализации.
В следующем протоколе описывается использование уникальной модели мыши AcroSensE и методов микроскопии, используемых экспериментально для изучения динамики НЯ и кальция сперматозоидов с высоким пространственным и временным разрешением.