تقدم هذه الدراسة استراتيجيات تعتمد على الكيميائي الوراثي والضوء البنفسجي لتمكين تغيير الطور اليومي بشكل موثوق خلال النهار.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
تقدم هذه الدراسة استراتيجيات تعتمد على الكيميائي الوراثي والضوء البنفسجي لتمكين تغيير الطور اليومي بشكل موثوق خلال النهار.
في الثدييات، يحد تغير الطور اليومي خلال النهار بسبب انخفاض الاستجابة الضوئية للنواة فوق التشكيازمية (SCN)، مما يحد من القدرة على التلاعب التجريبي بالساعة اليومية خلال هذه المرحلة. لذا فإن الطرق الموثوقة لتحفيز تحولات الطور خلال النهار ضرورية لدراسة آليات اللدونة اليومية وتزامن الفوتيك. توصف استراتيجيات جينية والطيفة مكملة لتمكين التلاعب القوي والدقيق زمنيا بالساعة البيولوجية خلال النهار. النهج الأول، الذي يقتصر حاليا على الفئران، يستخدم استراتيجية كيميائية وراثية تتضمن توصيل مستقبلات مصممة مفعلة حصريا بواسطة أدوية مصممة (DREADDs) عبر الجسم الزجاجي لتنشيط خلايا عقدة الشبكية الحساسة للضوء (ipRGCs) بشكل انتقائي. يسمح هذا النهج بتنشيط متحكم فيه لمسار شبك الوطاء ويحث تحولات طورية قابلة للتكرار خلال النهار بشكل مستقل عن ظروف الإضاءة المحيطة. الطريقة الثانية تستخدم التحفيز البصري الخاص بالطول الموجي كبديل غير جراحي. يستغل التعرض للضوء البنفسجي الحساسية الطيفية لعناصر ipRGC لتقليل كتلة إزالة الاستقطاب وتعزيز التنشيط المستمر، مما يمكن من إعادة ضبط الطور بشكل موثوق خلال اليوم الذاتي. هذه الطريقة قابلة للتطبيق على نطاق واسع عبر أنظمة الثدييات ولا تتطلب تلاعبا جينيا أو تدخلا دوائيا. تم توفير بروتوكولات مفصلة للتحضير التجريبي، وتوقيت التحفيز، والتحقق من تحولات الطور باستخدام النشاط الحركي، وتقييم تنشيط الخلايا العصبية عبر الكيمياء المناعية النسبية c-Fos. تم توضيح الاعتبارات الرئيسية، بما في ذلك توقيت الساعة البيولوجية، ومعايير التحفيز، وضوابط تجريبية، لتسهيل قابلية التكرار. معا، توفر هذه الأساليب أدوات متعددة الاستخدامات وقابلة للتنفيذ تجريبيا لتحفيز تحولات الطور اليومي النهاري وتمكن من التحقيق المباشر في الآليات الكامنة وراء الاستجابة اليومية اليومية خلال النهار.
تنسق النواة فوق التشكيازمية (SCN)، وهي الساعة اليومية الرئيسية لدماغ الثدييات، الإيقاعات اليومية الأساسية في الفسيولوجيا والسلوك، بما في ذلك دورات النوم والاستيقاظ وأنماط التغذية. للحفاظ على التوافق مع البيئة الخارجية، يتلقى SCN مدخلات ضوئية مباشرة من خلايا عقدة الشبكية ذات الحساسية الجوهرية للضوء (ipRGCs)، التي تنقل معلومات ضوء الشبكية لمزامنة الإيقاعات البيولوجية الداخلية مع اليومالشمسي 1,2.
السمة المميزة للأنظمة اليومية عبر الكائنات هي الاستجابة المعتمدة على الطور: فنفس المنبه الذي يرسل في أوقات يومية مختلفة يمكن أن ينتج تأثيرات مختلفة بشكل ملحوظ. في الثدييات، يحفز الضوء الليلي تحولات طور ساعة SCN بشكل موثوق، بينما يؤدي التعرض خلال اليوم الذاتي إلى القليل أو عدم إعادة الضبط 3,4. لقد لوحظ هذا عدم الحساسية الظاهرة خلال النهار باستمرار في كل من التحضيرات في الجسم الحي والمختبري، حيث تفشل محاولات تقليد المدخلات الضوئية في تحقيق تحولات طورية كبيرة 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 .
وقد عزى عدم الحساسية خلال النهار، على الأقل جزئيا، إلى نقص دفع الشبكية لتفعيل آليات إعادة ضبط الطور، إلى جانب آليات البوابة اليومية داخل SCN. تماشيا مع هذه الفكرة، فإن ipRGCs ليست مستجيبة بشكل موحد تحت ظروف فوتوبية؛ تدخل مجموعة فرعية في كتلة إزالة الاستقطاب، مما يحد من إمكانية الإطلاق المستدام 17,18,19. قد يقلل هذا القيد الفسيولوجي من فعالية التحفيز الضوئي التقليدي خلال النهار. تجاوز هذا القيد سيمكن من الاستجواب المباشر لمرونة الساعة النهارية، وهي مرحلة تعتبر تقليديا مقاومة لإعادة ضبط التركيز.
يتم وصف منهجيتين تكميليتين لتمكين تحول الطور القوي للساعة البيولوجية خلال اليوم الذاتي. يستخدم النهج الأول استراتيجية كيميائية لتنشيط ipRGCs بشكل انتقائي مستقل عن ظروف الإضاءة المحيطة. على وجه التحديد، تتلقى فئرانOpn4 Cre/+ حقن داخل الجسم الزجاجي لفيروس مرتبط بالأدينوس (AAV) يشفر المستقبل المصمم المحفز المنشط حصريا بواسطة الأدوية المصممة (DREADD)، hM3Dq، بطريقة تعتمد على ال Cre. إعطاء كلوزابين-إن-أكسيد (CNO) في الوقت اليومي 4 (CT4) يحفز إطلاق متفجرات لمركبات ipRGCs، مما يوفر تنشيط مستمرا لمسار الشبكية تحت المهاد. يتم قياس تحولات الطور باستخدام تسجيلات النشاط الحركي، ويتم تقييم التنشيط الجزيئي داخل SCN بواسطة الكيمياء المناعية النمطية c-Fos.
النهج الثاني يستخدم التحفيز البصري الخاص بالطول الموجي كاستراتيجية غير جراحية لتطبيق أوسع. تتعرض فئران النوع البري للضوء البنفسجي (385 نانومتر) عند الزمن اليومي 6 (CT6)، خلال منتصف اليوم الذاتي. ينتج الضوء البنفسجي حجزا أقل في إزالة الاستقطاب ويدعم تنشيط ipRGC بشكل مستدام مقارنة بالضوء الأزرق أو الأبيض19. يتم قياس إزاحات الطور كما هو موضح أعلاه.
يهدف كلا النهجين إلى تعزيز الإشارات المدفوعة ب ipRGC إلى SCN، وبالتالي التغلب على انخفاض الاستجابة الضوئية المميز لليوم الذاتي. معا، توفر هذه المنهجيات استراتيجيات قوية وقابلة للتنفيذ تجريبيا للتلاعب بالساعة البيولوجية خلال مرحلة تقليديا مقاومة لإعادة ضبط الضربات.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تمت الموافقة على جميع إجراءات الحيوانات وأجريتها وفقا لإرشادات لجنة رعاية واستخدام الحيوانات التابعة للمعهد الوطني للصحة النفسية (NIMH) (ASP-SLCR-01). تم بذل كل الجهود لتقليل الألم وتقليل عدد الحيوانات المستخدمة. الأدوات البحثية المستخدمة مدرجة في جدول المواد.
1. استراتيجية الكيموجينية
2. الاستراتيجية الطيفية
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
لم تظهر فئرانOpn4 Cre/+ التي تعبر عن AAV-DREADD والتي تلقت محلول ملحي عند CT4 تغير طور كبير في نشاط تشغيل العجلات (n = 5؛ الشكل 1B). على النقيض من ذلك، أدى إعطاء CNO عند CT4 إلى تأخير طور كبير في بدء النشاط (متوسط ± SEM: 5.03 ± 0.48 ساعة؛ n = 5؛ الشكل 1C, D)، مما يوضح أن تنشيط DREADD في هذا الزمن اليومي يغير إيقاعات النشاط الحركي. يظهر مخطط التصميم التجريبي في الشكل 2A. ف...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تظهر النتائج أن تنشيط ipRGCs خلال اليوم الذاتي يمكن أن يسبب تحولات في الطور اليومي في الفئران، وهو وقت يتميز عادة بانخفاض الحساسية للتحفيز الضوئي. مكن النهج الكيميائي الوراثي من التنشيط الانتقائي لمصطلحات ipRGCs بشكل مستقل عن الضوء الخارجي، وأنتج تأخيرات طورية قوية في سلوك دوران العجلة. كما أدى هذا التنشيط إلى تعبير حاد في C-Fos في SCN، مما أكد تنشيط منظم ضربات القلب المركزي. تشير هذه النتائج إلى أن التحفيز القوي المدفوع ب ipRGC لمسار شبكية تحت المهاد كاف للتغلب على انخفاض استجابة النظام...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| AAV2-hSyn-DIO-hM3D(Gq)-mCherry | Addgene | 44361 | نواقل فيروسية تعتمد على Cre ترميز DREADD (hM3Dq) المنصهر مع mCherry لتنشيط ipRGC الانتقائي |
| Anti-c-Fos antibody (rabbit monoclonal) | Cell Signaling Technology | 2250S | الجسم المضاد الأساسي المستخدم للكشف عن c-Fos كمؤشر على تفعيل الخلايا العصبية |
| Anti-tdTomato antibody (goat) | LSBio | LS-C340696 | الجسم المضاد الأساسي المستخدم للكشف عن تعبير مراسل mCherry/tdTomato |
| Blue LED driver | Thorlabs | LEDD1B | مورد طاقة للتحكم في شدة ومخرجات LED الأزرق |
| Blue LED light source | Thorlabs | M470L5 | مصدر LED يصدر ضوءًا أزرق (λmax ≈ 470 نانومتر) للتحفيز الضوئي |
| ClockLab software | Actimetrics | الإصدار 6.0.53 | برنامج لاكتساب وتحليل بيانات النشاط الحركي اليومي |
| Clozapine-N-oxide (CNO) | Sigma-Aldrich | C0832-5MG | الرابط المستخدم لتفعيل مستقبلات hM3Dq DREADD في الجسم الحي |
| DAPI | Invitrogen | 62248 | صبغة نووية مضيئة لتسمية نوى الخلايا |
| Donkey anti-goat Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A21432 | الجسم المضاد الثانوي المضيء للكشف عن الأجسام المضادة الأساسية للماعز |
| Donkey anti-rabbit Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A21206 | الجسم المضاد الثانوي المضيء للكشف عن الأجسام المضادة الأساسية للأرانب |
| Fluoromount-G | Invitrogen | 00-4958-02 | وسط التثبيت المستخدم للحفاظ على اللمعان في أقسام الأنسجة |
| ImageJ (Fiji) software | NIH | الإصدار 2.16.0/1.54g | برنامج مفتوح المصدر لمعالجة الصور والتحليل الكمي |
| Opn4cre Mice | The Jackson Laboratry | RRID:IMSR_JAX:035925 | الفئران المستخدمة للتفعيل الكيميائي |
| Violet LED driver | Mightex | SLA-1000-2 | مورد طاقة للتحكم في مخرج LED البنفسجي |
| Violet LED light source | Mightex | BLS-LCS-0385-04-22 | مصدر LED يصدر ضوءًا بنفجي (λmax ≈ 385 نانومتر) للتحفيز المحدد بالطول الموجي |
| Wild-type mice | The Jackson Laboratry | Jackson strain #101043 | الفئران المستخدمة في تجربة الضوء البنفسجي |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.