RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
tr_TR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Burada açıklanan AcroSensE fare modeli ve canlı hücre görüntüleme yöntemleri, sperm akrozomunun hücre altı bölmesindeki kalsiyum dinamiklerini ve bunların membran füzyonu ve akrozom ekzositozuna yol açan ara adımları nasıl düzenlediğini incelemek için yeni bir yaklaşım sağlar.
Spermin tek ekzositik vezikülünün plazma zarı ile birleştiği akrozom ekzositozu (AE), döllenme için gerekli olan karmaşık, kalsiyuma bağımlı bir süreçtir. Bununla birlikte, kalsiyum sinyalinin AE'yi nasıl düzenlediğine dair anlayışımız hala eksiktir. Özellikle, intraakrozomal kalsiyum dinamikleri ile AE'ye giden ara adımlar arasındaki etkileşim iyi tanımlanmamıştır. Burada, akrozomal kalsiyum dinamikleri ve bunların membran füzyonu ve ardından akrozom vezikülünün ekzositozu ile ilişkisi hakkında uzamsal ve zamansal bilgiler sağlayan bir yöntemi açıklıyoruz. Yöntem, Ekzositoz için Akrozom hedefli bir Sensörü (AcroSensE) eksprese eden yeni bir transgenik fare kullanır. Sensör, mCherry ile kaynaşmış genetik olarak kodlanmış bir kalsiyum göstergesini (GCaMP) birleştirir. Bu füzyon proteini, akrozomal kalsiyum dinamiği ve membran füzyon olaylarının eşzamanlı gözlemini sağlamak için özel olarak tasarlanmıştır. Canlı AcroSensE sperminde akrozomal kalsiyum dinamiklerinin ve AE'nin gerçek zamanlı izlenmesi, yüksek kare hızlı görüntüleme ve tek spermi hedefleyebilen bir uyarıcı dağıtım sisteminin bir kombinasyonu kullanılarak elde edilir. Bu protokol ayrıca ham verileri ölçmek ve analiz etmek için birkaç temel yöntem örneği sağlar. AcroSensE modeli genetik olarak kodlandığından, diğer fare genetik modelleriyle melezleme veya gen düzenleme (CRISPR) tabanlı yöntemler gibi hazır genetik araçlar kullanılarak bilimsel önemi artırılabilir. Bu strateji ile ek sinyal yolaklarının sperm kapasitasyonu ve döllenmedeki rolleri çözülebilir. Özetle, burada açıklanan yöntem, belirli bir hücre altı bölmedeki (sperm akrozomunda) kalsiyum dinamiklerini ve bu dinamiklerin membran füzyonu ve akrozom ekzositozuna yol açan ara adımları nasıl düzenlediğini incelemek için uygun ve etkili bir araç sağlar.
Sperm, kapasitasyon1 adı verilen bir işlem sırasında döllenme yeteneği kazanır. Bu sürecin bir son noktası, spermin AE'ye girme yeteneğini kazanmasıdır. Yirmi yılı aşkın veriler, memeli sperminde karmaşık, çok adımlı bir AE modelinin varlığını desteklemektedir (2,3'te özetlenmiştir). Bununla birlikte, AE'yi canlı spermde incelemek zordur ve bu süreci yeterli çözünürlükle izlemek için şu anda mevcut olan yöntemler zahmetlidir ve birden fazla hazırlık adımı gerektirir4, AE'nin son adımının tespiti ile sınırlıdır (ör., PNA5 kullanılarak), sitozolik kalsiyumdaki değişikliklerin ölçümleri ile sınırlıdır (akrozomal kalsiyum dinamiklerinin aksine), veya sitozolik kalsiyum dinamiği veya AE6 ölçümleriyle sınırlıdır.
Fizyolojik koşullar altında gerçek zamanlı AE çalışmalarının bazı temel sınırlamalarının üstesinden gelmek ve kalsiyum dinamiği ile AE arasındaki etkileşimin araştırılmasını sağlamak için benzersiz bir fare modeli oluşturuldu. Bu fare modelinde, genetik olarak kodlanmış Ca2 + sensörü (GCaMP3) ve mCherry'den oluşan bir füzyon proteini eksprese edilir ve bir akrosin promotörü ve sinyal peptidi2 kullanılarak akrozoma hedeflenir. Hedeflenen çift GCaMP3-mCherry sensörü, mikroskopi ve tek hücreli uyarıcı dağıtım sistemi kullanılarak fizyolojik koşullar altında canlı spermdeki kalsiyum konsantrasyonlarının ve akrozomal içeriğin durumunun eş zamanlı gerçek zamanlı ölçümlerini sağlar (Şekil 1). Akrozomal matrisin bir bileşeni olarak, membran füzyonu ve AE, bu protein akrozom vezikülünden dışarı yayıldığından, spermden fototable ve pH'a duyarsız mCherry floresansının kaybına neden olur. Bu bağlamda, modelin AE'nin zamanlamasını ve oluşumunu yansıtma yeteneği, akrozom hedefli GFP fare serisi 7,8,9'un faydalarına benzer.
Bu transgenik fare serisinde kullanılan GCaMP3 varyantı, yaklaşık 400 μM'lik bir KD'ye ve bu vezikül için uygun olan 10-4-10-3 M 10'luk Ca2+ için dinamik bir aralığa sahiptir. GCaMP3'ün bu özellik kombinasyonunun, plazma membranı ile dış akrozomal membran (OAM)2 arasında füzyon gözenek oluşumunu ortaya çıkarabileceğini gösterdik. Füzyon gözenek tespiti, gözenek boyutunun AcroSensE proteininin akrozomdan dağılmasına izin vermeyecek kadar küçük olmasının bir sonucudur (akrozom içeriğinin kaybı yoluyla) ve Ca2+ iyonlarının akrozom lümenine akışını sağlayan bir membran "kanalı" sağlar, GCaMP3'ün floresan yoğunluğunda bir artışa yol açar.
Parlak, monomerik, kalsiyuma duyarlı olmayan floresan protein mCherry, GCaMP3 sinyali zayıfken (örneğin, Ca2+ bağlanmadan önce, Şekil 2) akrozomun görselleştirilmesini destekler ve daha da önemlisi, görüntüleme için uygun akrozom-bozulmamış sperm hücrelerinin tanımlanmasına da izin verir.
Aşağıdaki protokol, benzersiz AcroSensE fare modelinin kullanımını ve AE ve sperm kalsiyum dinamiklerini yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlükle incelemek için deneysel olarak kullanılan mikroskopi yöntemlerini açıklamaktadır.
Tüm hayvan prosedürleri yönergelere göre gerçekleştirildi ve Cornell Üniversitesi'ndeki Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi tarafından onaylandı (#2002-0095). Bu çalışma için 8-10 haftalık AcroSensE fareleri2 kullanıldı. AcroSensE farelerin kullanılabilirliği hakkında bilgi talepleri ilgili yazara gönderilebilir.
1. Sperm toplama ve yıkama
2. Görüntüleme için lamel tabakların poli-D-lizin kaplaması
NOT: Poli-D-lizin (PDL) kapları her deneyden önce taze olarak hazırlanmalıdır.
3. Kılcal çekme, şişirme için yükleme
4. Şişirme için stimülasyon verilmesinin hazırlanması
NOT: Kullanıcının yaralanma riskini en aza indirmek için, şişirme prosedürünün çalışması sırasında koruyucu gözlük takılmalıdır.
5. Mikroskopi ve görüntü elde etme
NOT: Birden fazla mikroskop markası mevcuttur ve kullanılabilir; Bununla birlikte, minimum 3 kare/sn kare hızı arzu edilir. Sıcaklık ve çevre kontrolü ile ilgili olarak, çanaktaki ortamın gerçek sıcaklığının, örneğin temassız bir kızılötesi termometre kullanılarak doğrulanması gerektiğini lütfen unutmayın.
6. Görüntü ve veri analizi
NOT: Çevrimdışı görüntü analizi ImageJ kullanılarak gerçekleştirilir (bkz. Daha önce, AE'ye yol açan süreçte akrozomal kalsiyum artışı (ACR) ve tam membran füzyonu dahil olmak üzere birkaç ara adım bildirilmişti. İkincisi, mCherry floresan kaybına yol açar ve bu nedenle tam AE'yi temsil eder. Bazı hücrelerde, ekzositoz çalışmalarında amperometrik yaklaşımlar kullanılırken başak öncesi ayak olaylarına (PSF) benzer sinyaller gözlenir (daha fazla ayrıntı için lütfenbkz. 2). ACR, AE ve ara adımlarını ölçmek için AcroSensE ham verilerini analiz etmek için çeşitli isteğe bağlı yöntemler mevcuttur. Aşağıda bazı temel analitik yöntemler açıklanmaktadır.
Şekil 2 , spermin başarılı bir şekilde uyarılmasını takiben beklenen floresan değişikliklerinin sırasını gösteren basitleştirilmiş bir resim sunmaktadır. Şekil 2'nin üst paneli, sinyalin başlangıçta loş olduğu (temel akrozomal kalsiyum konsantrasyonları GCaMP3 KD'den daha düşüktür) ve kalsiyum iyonlarının füzyon gözeneklerinden girmesi üzerine GCaMP3 floresan yoğunluğundaki değişiklikleri göstermektedir. Son olarak, AE üzerine, difüzyon ve sensörün hücre dışı boşluğa kaybı nedeniyle bir sinyal kaybı olur. Şekil 2'nin alt paneli, ilk sinyalin parlak olduğu ve yalnızca AE ve akrozomal matrisin diğer içeriği ile birlikte sensörün difüzyonu üzerine kırmızı sinyalin karartıldığı mCherry floresan yoğunluğundaki değişiklikleri göstermektedir.
Şekil 3 , 125 μM gangliosid GM1 ile uyarılan iki canlı spermde (GM1'in sperm12'de AE'yi nasıl düzenlediği hakkında daha fazla ayrıntı için) yukarıda gösterilen aşamalar için gerçek ölçülen verileri sağlar. Şekil 3A, B ve Şekil 3E, F, 0 zaman noktasında (stimülasyondan önce) iki spermde ölçülen kırmızı ve yeşil sinyalleri gösterir, burada başlangıçta mCherry sinyali parlaktır ve GCaMP3 loştur. Şekil 3C, Şekil 3G ve Şekil 3D, Şekil 3H , deneyin tüm süresi için Z Profiler analizini sağlar (ham veriler veya F/F0, sırasıyla). Ekleme panelleri, ACR ve AE'nin oluştuğu zaman penceresinin yakınlaştırılmış bir görünümünü sağlar.
Sperm hem oldukça heterojen hem de çeşitli kullanım prosedürleri nedeniyle membran hasarına karşı çok hassas olduğundan, Şekil 5 iki tür negatif sonuç örneği sunmaktadır. Şekil 5A,C, bir görüş alanı içinde yakalanan birkaç spermi göstermektedir. Sarı anahat, 0 zaman noktasında (stimülasyondan önce) yüksek GCaMP3 sinyali gösteren iki sperm hücresini vurgular. Mevcut deneylerde, akrozomal vezikülün zaten bir zar füzyon sürecinden geçtiğini veya kalsiyumun sızmasına izin veren bir miktar zar hasarı yaşadıklarını gösterdikleri için bu tür hücrelerden kaçınılmıştır. Şekil 5A'daki sperm, okla gösterilir (Şekil 5A, C'deki daire ROI), 125 μM GM1 ile stimülasyonu takiben bir başlangıç mCherry sinyali gösterir, ancak kırmızı veya yeşil kanallarda yanıt vermez (Şekil 5B, D, sırasıyla, ImageJ tarafından sağlanan Z-Profiler analiz penceresini gösterir). Bu örnekte verilenler gibi bir sperm alt popülasyonu stimülasyona yanıt vermese de, bunlar son analize dahil edilir ve yüzde yanıt veri analizindehesaplanır 2 (Şekil 3).

Şekil 1: Enstrümantasyon ve deney düzeneği. (A) 37 ° C'de bir inkübasyon odasına yerleştirilmiş PDL kaplı bir lamel kabı üzerinde canlı sperm hücreleri. Tek hücreli bir dağıtım sistemine çekilen ve bağlanan bir borosilikat kılcal damarı, doğrudan uyarıcı iletim için görüntüleme alanının merkezindeki sperm hücresinin yanına yerleştirilir. Hem yeşil (GCaMP3) hem de kırmızı (mCherry) kanallar, stimülasyon sırasında sürekli olarak izlenir ve yüksek kare hızında (örn. 10 kare/sn) kaydedilir. (B) Kapak-sürgü çanağı üzerindeki PDL biriktirme modelinin şematik gösterimi. (C) Aynı tabaktaki önceki nefeslerden spesifik olmayan stimülasyonu en aza indirmek için kılcal damar kullanılarak spermin uyarılabileceği çanak üzerindeki belirli alanların şematik gösterimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Floresan sinyali ve yoğunluğundaki değişiklikler. Üst panel: GCaMP3 sinyalindeki bir artış, akrozoma kalsiyum akışını ve ardından AcroSensE füzyon proteininin difüzyonuna bağlı sinyal kaybını gösterir. Alt panel: mCherry sinyali, ilk membran füzyonu sırasında stabil kalır, ardından AcroSensE difüzyonu ve akrozomal ekzositoz (AE) üzerine kararır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Temsili veriler ve floresan izleri. İki sperm hücresi içeren bir alan görüntülendi. Yeşil/kırmızı kanal floresansı, ImageJ kullanılarak çevrimdışı olarak ölçüldü ve Excel'de çizildi (6. adımda açıklandığı gibi). (A-D) Hücre #1 için kırmızı (A) ve yeşil (B) kanal floresan yoğunluğunun zaman içinde ölçülmesi, seçilen ROI'ler için hesaplanması ve ardından ham veri (C) olarak sunulması veya ilk sinyale (D, F/F0) normalleştirilmesi. (D) girişi, 25-125 sn arasındaki zaman diliminin yakınlaştırılmış bir görünümünü sağlar. (EH) Hücre #2 için zaman içinde kırmızı (E) ve yeşil (F) kanal floresan yoğunluğunun ölçülmesi, seçilen ROI'ler için hesaplanır ve ardından ham veri (G) olarak sunulur veya ilk sinyale (H, F/F0) normalleştirilir. (H) içindeki ek, 25-125 s arasındaki zaman diliminin yakınlaştırılmış bir görünümünü sağlar. Ölçek çubuğu = 5 μm. Tüm x eksenleri saniye (s) cinsinden zamanı temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Veri analizi ve niceleme parametreleri. (A) Başlangıç Zamanı (saniye), Genlik (floresan yoğunluğu) ve Süre (saniye) dahil olmak üzere ölçülebilir parametreleri gösteren tipik bir GCaMP3 floresan yoğunluğu izinin gösterimi. (B) Başlangıç Zamanı (saniye), Süre (saniye), Eğim (F/s), R60 (floresan yoğunluğu) ve Genlik (floresan yoğunluğu) dahil olmak üzere ölçülebilir parametreleri gösteren tipik bir mCherry floresan yoğunluğu izinin gösterimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Negatif sonuçlar. (A,C) mCherry (kırmızı) ve GCaMP3 (yeşil) kanalları, tek bir görüş alanında yakalanan birden fazla sperm hücresini gösterir. (A)'daki ok, başlangıçta mCherry floresansı sergileyen, ancak (B) (mCherry) ve (D) (GCaMP3) 'te sağlanan Z-Profiler tarafından üretilen izlerde gözlemlendiği gibi, 125 μM GM1 stimülasyonuna yanıt olarak daha sonra floresan yoğunluğu değişikliği olmayan bir sperm hücresini gösterir. Sarı dikdörtgen içindeki hücreler, stimülasyondan önce 0 zaman noktasında yüksek GCaMP3 floresan yoğunluğu sergiler. Ölçek çubuğu = 5 μm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Hiçbir yazarın bu çalışmayla ilgili rapor vermek için çıkar çatışması yoktur.
Burada açıklanan AcroSensE fare modeli ve canlı hücre görüntüleme yöntemleri, sperm akrozomunun hücre altı bölmesindeki kalsiyum dinamiklerini ve bunların membran füzyonu ve akrozom ekzositozuna yol açan ara adımları nasıl düzenlediğini incelemek için yeni bir yaklaşım sağlar.
Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri hibeleri R01-HD093827 ve R03-HD090304 (AJT) tarafından desteklenmiştir.
| 100x yağ objektifi | Olympus Japonya | UPlanApo, | |
| 2-hidroksipropil-b-siklodekstrin ve nbsp; | Sigma | C0926 | |
| 35 mm lamel çanak, 1.5 kalınlık | MatTek A.Ş. | P35G-1.5-20-C | |
| 5 mL yuvarlak tabanlı tüp | Falcon | 352054 | |
| Borosilikat cam kapilarries | Sutter Instrument Co. CA ABD | B200-156-10 | |
| CaCl2 | Sigma | C4901 | |
| Konfokal mikroskop | Olympus Japonya | Olympus FluoView | |
| Glikoz | Sigma | G7528 | |
| Dereceli uç | TipOne, ABD Bilimsel | ||
| HEPES | Sigma | H7006 | |
| ImageJ | Ulusal Sağlık | Enstitüleri | https://imagej.nih.gov/ij/plugins/index.html |
| KCl | Sigma | P9541 | |
| Laktik asit | Sigma | G5889 | |
| Canlı Hücre Mikroskobu İnkübasyon Sistemleri | TOKAI HIT Shizuoka, Japonya | Modeli STX | |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | |
| Mikropipet Çektirme | Sutter Instrument Co. CA ABD | Modeli P-97 | |
| NaCl | Sigma | S3014 | |
| NaHCO3 | Sigma | S6297 | |
| Plastik transfer pipeti | FisherBrand | 13-711-6M | |
| Poli-D-lizin | Sigma | P7280 | |
| Pirüvik asit | Sigma | 107360 | |
| Tek hücreli dağıtım sistemi | Parker, Hauppauge, NY | Picospritzer III |