Summary

用小鼠模型对精子发生细胞学分析的精管壁球技术

Published: February 06, 2018
doi:

Summary

这个小管壁技术的目的是快速评估发育中鼠精的细胞学特征, 同时保持细胞完整性。这种方法允许研究精子发生的所有阶段, 并可以很容易地实现与其他生物化学和分子生物学方法的研究小鼠减数分裂。

Abstract

雄性的减数分裂是一个过程, 需要一些高度调控的细胞事件的协同作用。减数分裂过程中发生的错误会导致不孕、流产或遗传缺陷。从青春期开始到成年, 持续的半同步波精经历精子发生, 最终形成单倍体精子。第一波的小鼠精进行减数分裂开始出现在10天产后 (10 民进党), 并被释放到管腔的精管作为成熟精子35民进党。因此, 利用小鼠在这个发展的时间窗口, 以获得高度丰富的利益群体是有利的。在老年小鼠中, 由于连续生精波的作用, 对稀有细胞阶段的分析比较困难, 从而增加了微管内细胞数量的多样性。本文所描述的方法是一种易于实现的技术, 用于细胞学评价小鼠的精管中发现的细胞, 包括精, 精, 和精子。小管壁技术保持了孤立的雄性生殖细胞的完整性, 并允许检查不容易与其他技术可视化的细胞结构。为了证明这种小管壁技术的可能应用, 在精过程中, 通过前期到中期 I 过渡 (G2/MI 过渡), 对主轴总成进行了监测。此外, 中心复制, 减数分裂性染色体失活 (MSCI) 和染色体花束形成被评估为例子的细胞学结构, 可以观察使用这种小管壁法。这种技术可以用来精确地确定精子发生过程中的特定缺陷, 这是由突变或外源性扰动引起的, 从而有助于我们对精子生成的分子理解。

Introduction

减数分裂是一个复杂的细胞事件, 其中一个单一的一轮 DNA 复制后, 连续两轮细胞分裂。在减数分裂的初始阶段, 必须协调几个减数分裂的特定事件, 以确保准确的染色体分离。这些事件包括完成同源重组, 在第一次减数分裂的姐妹 kinetochores 的共同取向, 和逐步失去内聚力配合, 以解决交叉之间的同系物。对这些过程进行精确的调控是保持生育力和防止染色体 missegregation 事件的必要条件, 这可能导致遗传发育障碍和自发性流产1

虽然减数分裂的关键事件发生在男性和女性, 重要的时间和机械差异之间存在精子生成和卵子2。例如, 在女性减数分裂期间, 我发生在胚胎发育和 dictyate 阶段的逮捕, 直到青春期。相比之下, 精子发生在青春期就开始了, 在成年生活中也没有被逮捕。男性和女性减数分裂的区别强调需要制定方法, 专门用于评估这些过程在精和卵母细胞。目前, 评估减数分裂的进展主要依赖于使用染色质传播3,4,5。虽然染色质传播是有用的研究减数分裂染色体, 他们不能保持细胞完整性, 防止评估细胞结构, 如纺锤微管, 体, 核包络, 和端粒附着。活体成像和长期培养技术大大提高了我们对女性减数分裂的认识;然而, 类似的方法来可视化整个完整的细胞, 不太经常实施的研究的精子发生6,7。为了在整个雄性减数分裂中可视化动态事件, 我们已经适应了已建立的小管壁技术, 以快速评估开发鼠标精8,9的细胞学特征。这里描述的方法保持细胞的完整性, 使研究多细胞结构在不同阶段的精子发生。

这种小管壁技术是一种完整的细胞方法, 可以通过免疫荧光显微镜对细胞结构进行评估。常见的组织学方法, 以可视化的雄性小鼠减数分裂进展, 如苏木和曙红染色石蜡嵌入睾丸, 和荧光标记 cryosections 允许广泛的概述减数分裂进展。但是, 这些技术无法将单个单元格解析为对整个减数分裂1011中发生的事件进行详细分析所必需的程度。可视化减数分裂过程的替代技术依赖于对精的重大 chemiosmotic 中断来隔离和修复核材料3,4,5。这些化学处理阻碍了除原精以外的细胞类型的观察。Namekawa 最近描述的一种方法使研究界能够保护孤立精的核结构, 但需要使用一些实验室4可能不容易获得的 cytospin 和附件。相比之下, 小管壁技术只需要在大多数细胞生物学实验室中通常是标准的设备。

这里描述的小管壁方法可以用来可视化在精曲管内发现的各种细胞类型, 包括支持细胞, 精, 初级和次级精, 和精子。通过将这一技术与幼鼠精子发生的近同步第一波结合起来, 在通过减数分裂12的过程中, 可以获得生精细胞的富集种群。这一过程允许详细分析整个精子发生过程, 如早期前期事件, G2/MI 和中期到后期过渡, 和精子。此外, 小管壁的准备可用于可视化的细胞学特征的染色体 (如 interchromatid 域 (服务) 和 kinetochores) 和体 (中心和 pericentriolar 材料/矩阵)。壁球法可以很容易地与其他实验方法, 如染色质传播和蛋白质提取并行执行。此外, 该技术已成功地修改, 以存放活体生精细胞的幻灯片直接可视化13

本文所述方法涉及一种全细胞精管壁球技术, 用于分析野生型 C57BL/6J 小鼠的 G2/MI 转变。用免疫荧光显微镜观察了初级精进入第一减数分裂的细胞学特征, 以观测减数分裂纺锤体。这种多才多艺的技术可以很容易地修改, 以可视化其他减数分裂阶段和不同的细胞类型。该技术还可用于替代的可视化策略, 如 DNA 和 RNA 鱼的方法。

Protocol

约翰·霍普金斯大学机构动物保育和使用委员会批准了对老鼠的使用。利用半同步第一波精子发生的方法, 对小鼠 (20-26 天产后、民进党) C57BL/6J 进行了实验。然而, 这种技术也可以使用成年小鼠进行。 1. 小鼠输精管解剖和分离 准备表 1和表 2中描述的修复/溶解解决方案和抗体稀释缓冲 (ADB)。 准备一个35毫米的培养皿, 3 毫升的1x 磷酸缓冲…

Representative Results

在这里, 我们使用小管壁的方法, 以可视化的过渡细胞人口经历前期到中期 I (G2/MI) 转变, 这是丰富的收获睾丸从幼鼠的第一波精子发生 (24民进党)。图 1描述了可以使用小管壁方法可视化的各种细胞阶段的代表性图像。中期 I 精的富集种群是使用抗α-蛋白 (图 1A) 的抗体可视化的。我们利用标记的早期和晚期减数分裂 I 阶段减数分…

Discussion

小鼠已被证明是一个有用的模型有机体研究的细胞事件, 控制减数分裂进程的精子发生。此外, 有必要开发用于研究精子发生的工具, 因为许多事件, 如减数分裂前期 I 的退出, 都是性二。本协议描述了一种用于小鼠精子发生不同阶段可视化和研究的精曲管壁法。这种方法保留细胞完整性, 从而允许详细分析核和细胞质结构。本研究的代表性结果表明该协议在评估初级精减数分裂进程中的效用。此外,…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了研究院 (R01GM11755) 对 P.W.J. 的支持, 以及由国家癌症研究所 (NIH) (CA009110) 向 S.R.W. 和 j.h 提供的培训补助金奖学金。
 

Materials

16% Paraformaldehyde Aqueous Electron Microscopy Sciences (EMS) 15710
10x PBS Quality Biological 119-069-161
Triton X-100 Sigma T8787
BSA Sigma A1470
Horse Serum Sigma H-1270
35mm x 10mm Petri Dish, Sterile, non-treated CellTreat P886-229638
Poly-L-lysine coated glass slides Sigma P0425-72EA
Liquid Blocker Pen Electron Microscopy Sciences (EMS) 71310
Humid Box Evergreen 240-9020-Z10
Wheaton Coplin Glass Staining Dish for 5 or 10 Slides Fisher 08-813E
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium with DAPI Vector Labs H-1200
Microscope Cover Slides (22mmx60mm) Fisher 12-544-G
Clear Nail Polish Amazon N/A
Microsopes
Name Company Catalog Number Comments
SteREO Discovery.V8 Zeiss 495015-0001-000 
Observer Z1 Zeiss 4109431007994000
Zeiss ZEN 2012 blue edition image software Zeiss
ORCA-Flash 4.0 CMOS camera Hamamatsu
Primary Antibodies
Name Company Catalog Number Comments
Mouse anti-SYCP3 Santa Cruz sc-74569 1 in 50
Rabbit anti-SYCP3 Fisher (Novus) NB300-231 1 in 1000
Goat anti-SCP3 Santa Cruz sc-20845 1 in 50
Human anti-Centromere Protein Antibodies Incorporated 15-235 1 in 100
Mouse anti-alpha tubulin Sigma T9026 1 in 1000
Mouse anti-AIM1 BD Biosciences 611082 1 in 200
Mouse anti-γH2AX Thermo Fisher MA1-2022 1 in 500
Mouse anti-CENT3 Abnova H00001070-M01 1 in 200
Rabbit anti-pericentrin Abcam ab4448 1 in 200
Rabbit anti-REC8 Courtesy of  Dr. Karen Schindler N/A 1 in 1000

Referências

  1. Nagaoka, S. I., Hassold, T. J., Hunt, P. A. Human aneuploidy: mechanisms and new insights into an age-old problem. Nature Rev Genet. 13 (7), 493-504 (2012).
  2. Morelli, M. A., Cohen, P. E. Not all germ cells are created equal: Aspects of sexual dimorphism in mammalian meiosis. Reproduction. 130 (6), 761-781 (2005).
  3. Sun, F., Handel, M. A. Regulation of the meiotic prophase I to metaphase I transition in mouse spermatocytes. Chromosoma. 117 (5), 471-485 (2008).
  4. Namekawa, S. H. Slide preparation method to preserve three-dimensional chromatin architecture of testicular germ cells. J Vis Exp. (83), e50819 (2014).
  5. La Salle, S., Sun, F., Handel, M. A. Isolation and short-term culture of mouse spermatocytes for analysis of meiosis. Methods Mol Biol. 558, 279-297 (2009).
  6. Galdon, G., Atala, A., Sadri-Ardekani, H. In vitro spermatogenesis: how far from clinical application?. Curr Urol Rep. 17 (7), (2016).
  7. Staub, C. A century of research on mammalian male germ cell meiotic differentiation in vitro. J Androl. 22 (6), 911-926 (2001).
  8. Page, J., Suja, J. A., Santos, J. L., Rufas, J. S. Squash procedure for protein immunolocalization in meiotic cells. Chromosome Res. 6 (8), 639-642 (1998).
  9. Kotaja, N., et al. Preparation, isolation and characterization of stage-specific spermatogenic cells for cellular and molecular analysis. Nat Methods. 1 (3), 249-254 (2004).
  10. Xu, X., Xu, P. A modified cryosection method for mouse testis tissue. Tissue Cell. 33 (2), 208-210 (2001).
  11. Hess, R., Moore, B. Histological methods for evaluation of the testis. Methods Toxicol. 3 (Pt A), 52-85 (1993).
  12. Bellvé, A. R. Purification, culture, and fractionation of spermatogenic cells. Methods Enzymol. 225, 84-113 (1993).
  13. Ventela, S., Toppari, J., Parvinen, M. Intercellular organelle traffic through cytoplasmic bridges in early spermatids of the rat: mechanisms of haploid gene product sharing. Mol Biol Cell. 14 (July), 2768-2780 (2003).
  14. Bellvé, A. R., et al. Dissociation of the mouse testis and characterization of isolated spermatogenic cells. J Histochem Cytochem. 25 (7), 480-494 (1977).
  15. Burry, R. W. Controls for immunocytochemistry: an update. J Histochem Cytochem. 59 (1), 6-12 (2011).
  16. Zickler, D., Kleckner, N. Recombination, pairing, and synapsis of homologs during meiosis. Cold Spring Harb Perspect Biol. 7 (6), 1-26 (2015).
  17. Hunter, N. Meiotic recombination: the essence of heredity. Cold Spring Harb Perspect Biol. 7 (12), 1-36 (2015).
  18. Scherthan, H., et al. Centromere and telomere movements during early meiotic prophase of mouse and man are associated with the onset of pairing. J Cell Biol. 134 (5), 1109-1125 (1996).
  19. Zickler, D., Kleckner, N. The leptotene-zygotene transition of meiosis. Annu Rev Genet. 32, 619-697 (1998).
  20. Scherthan, H. A bouquet makes ends meet. Nat Rev Mol Cell Biol. 2 (8), 621-627 (2001).
  21. Turner, J. Meiotic sex chromosome inactivation. Development. 134 (10), 1823-1831 (2007).
  22. Royo, H., et al. ATR acts stage specifically to regulate multiple aspects of mammalian meiotic silencing. Genes Dev. 27 (13), 1484-1494 (2013).
  23. Turner, J. M., et al. Silencing of unsynapsed meiotic chromosomes in the mouse. Nat Genet. 37 (1), 41-47 (2005).
  24. Marjanović, M., et al. CEP63 deficiency promotes p53-dependent microcephaly and reveals a role for the centrosome in meiotic recombination. Nat Commun. 6, 7676 (2016).
  25. Inanç, B., Dodson, H., Morrison, C. G. A Centrosome-autonomous signal that involves centriole disengagement permits centrosome duplication in G2 phase after DNA damage. Mol Biol Cell. 21, 3866-3877 (2010).
  26. Firat-Karalar, E. N., Sante, J., Elliott, S., Stearns, T. Proteomic analysis of mammalian sperm cells identifies new components of the centrosome. J Cell Sci. 127 (Pt 19), 4128-4133 (2014).
  27. Fukuda, N., et al. The transacting factor CBF-A/Hnrnpab binds to the A2RE/RTS element of protamine 2 mRNA and contributes to its translational regulation during mouse spermatogenesis. PLoS Genet. 9 (10), e1003858 (2013).
  28. Lahn, B. T., et al. Previously uncharacterized histone acetyltransferases implicated in mammalian spermatogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 99 (13), 8707-8712 (2002).
  29. Mermoud, J. E., Tassin, A. M., Pehrson, J. R., Brockdorff, N. Centrosomal association of histone macroH2A1.2 in embryonic stem cells and somatic cells. Exp Cell Res. 268 (2), 245-251 (2001).
  30. Shanmugam, M., Hernandez, N. Mitotic functions for SNAP45, a subunit of the small nuclear RNA-activating protein complex SNAPc. J Biol Chem. 283 (21), 14845-14856 (2008).
  31. Ganem, N. J., Godinho, S. A., Pellman, D. A mechanism linking extra centrosomes to chromosomal instability. Nature. 460 (7252), 278-282 (2009).
  32. Kotaja, N., et al. Preparation, isolation and characterization of stage-specific spermatogenic cells for cellular and molecular analysis. Nat Methods. 1 (3), 249-254 (2004).
  33. Amory, J. K., et al. Suppression of spermatogenesis by bisdichloroacetyldiamines is mediated by inhibition of testicular retinoic acid biosynthesis. J Androl. 32 (1), 111-119 (2011).
  34. Hogarth, C. A., et al. Turning a spermatogenic wave into a tsunami: synchronizing murine spermatogenesis using WIN 18,446. Biol Reprod. 88 (2), 40 (2013).
  35. Yoshida, S., et al. The first round of mouse spermatogenesis is a distinctive program that lacks the self-renewing spermatogonia stage. Development. 133 (8), 1495-1505 (2006).
  36. Kluin, P. M., Kramer, M. F., Rooij, D. G. Spermatogenesis in the immature mouse proceeds faster than in the adult. Int J Androl. 5 (3), 282-294 (1982).
  37. Rodriguez, I., Ody, C., Araki, K., Garcia, I., Vassalli, P. An early and massive wave of germinal cell apoptosis is required for the development of functional spermatogenesis. EMBO J. 16 (9), 2262-2270 (1997).
  38. Kangasniemi, M., et al. Modulation of basal and FSH dependent cyclic AMP production in rat seminiferous tubules staged by an improved transillumination technique. Anat Rec. 227 (1), 62-76 (1990).
  39. Martianov, I., et al. Late arrest of spermiogenesis and germ cell apoptosis in mice lacking the TBP-like TLF/TRF2 gene. Mol Cell. 7 (3), 509-515 (2001).
  40. Henriksén, K., Parvinen, M. Stage-specific apoptosis of male germ cells in the rat: Mechanisms of cell death studied by supravital squash preparations. Tissue Cell. 30 (6), 692-701 (1998).
check_url/pt/56453?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Wellard, S. R., Hopkins, J., Jordan, P. W. A Seminiferous Tubule Squash Technique for the Cytological Analysis of Spermatogenesis Using the Mouse Model. J. Vis. Exp. (132), e56453, doi:10.3791/56453 (2018).

View Video