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幼虫和成体中增强子捕获型Flippase表达的定位与应用 果蝇 中枢神经系统

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10.3791/2649

2011年6月3日

本文内容

摘要

我们描述了一种由翻转酶诱导的交叉Gal80/Gal4抑制(FINGR)方法,该方法利用组织特异性的FLP来决定Gal80的表达模式。在Gal4与FLP表达重叠的区域,Gal4的表达将被开启(Gal80被翻出)或关闭(Gal80被翻入)。FINGR方法在克隆分析和神经环路图谱绘制中具有广泛的适用性。

摘要

Gal4/UAS 双元系统在 Drosophila 的基因与神经环路操控中具有强大功能。然而,在大多数神经生物学研究中,Gal4 的表达通常难以达到足够的组织特异性,从而限制了神经环路与行为读数之间的精确关联。为克服这一主要障碍,我们近期开发了 FINGR 方法,以实现目标组织中更为严格的 Gal4 表达。FINGR 方法包含三个组成部分:1)传统的 Gal4/UAS 系统;2)一组由 FLP/FRT 介导的 Gal80 转换工具;3)增强子捕获型 FLP(ET-FLP)。Gal4 用于定义目标初级神经环路。将 Gal4 与 UAS 效应子(如 UAS-MJD78Q 或 UAS-Shits)配对,可调控神经元活性,进而表现为果蝇行为的改变。通过额外引入 UAS 报告基因(如 UAS-GFP),可同时对参与特定行为的神经环路进行形态学分析的定位。对于表达范围较广的 Gal4 品系,可利用两种互补的 Gal80 转换工具来限制 Gal4 的表达:tubP>Gal80>(“翻出”)和 tubP>stop>Gal80(“翻入”)。最后,研究人员可借助组织特异性的 ET-FLP 分别开启或关闭 Gal80。在“翻入”模式中,Gal80 将在 Gal4 与 ET-FLP 表达重叠的区域抑制 Gal4 的表达;在“翻出”模式中,Gal80 将在 Gal4 与 FLP 表达重叠的细胞中解除对 Gal4 的抑制。这两种策略均可限制 Gal4 定义的神经环路中的细胞数量,但作用模式相反。FINGR 方法可兼容果蝇研究领域中已有的大量 Gal4 品系,适用于传统克隆分析及神经环路定位,具有高度通用性。在本方案中,我们展示了在选定的 ET-FLPx2 品系中 FLP 表达模式的定位,以及 FINGR 方法在光感受器细胞中的有效性。FINGR 方法的原理也应适用于其他使用 Gal4/UAS、Gal80 和 FLP/FRT 系统的遗传模式生物。

方案

1. Drosophila 品系

  1. Gal4 驱动系:
    GMR-Gal4,可在感光细胞中表达 Gal4。
  2. UAS 系
    UAS-MJD78Q(或 UAS-polyQ),可在表达 Gal4 的细胞中引发神经退行性变。
    UAS-GFP,可在表达 Gal4 的细胞中表达 GFP。
  3. FLP 系
    ey-FLP,可在感光细胞及部分脑区中表达 FLP。
    ET-FLPx2 系,为包含两份 FLP 拷贝的增强子捕获系(FLP-IRES-FLP)。我们已构建约 1,000 个 ET-FLP 系(Bohm 等,2010),其表达模式尚未完全鉴定。本文描述了部分 ET-FLPx2 系在幼虫及成体果蝇中枢神经系统(CNS)中的表达模式鉴定。
  4. FLP 报告系
    yw, actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP(Pignoni & Zipursky, 1997),通过 FLP 介导的重组切除 >CD2,利用 actinP>Gal4; UAS-GFP 报告 ET-FLPx2 的表达模式。
  5. 两种互补的 Gal80 转换工具
    TubP>Gal80>(Gordon & Scott, 2009),为翻出型构建体,由强微管蛋白启动子驱动,在所有组织中组成型表达 Gal80。经 FLP 介导的重组后,>Gal80 被翻出,仅在表达 ET-FLPx2 的组织中终止 Gal80 表达。
    TubP>stop>Gal80(Bohm 等,2010),为翻入型构建体,正常情况下不表达 Gal80。仅在表达 ET-FLPx2 的组织中,FLP 将 >stop 翻出并将 Gal80 翻入,从而启动微管蛋白启动子驱动的 Gal80 表达。
  6. 用于检测复眼 FLP 活性的果蝇品系
    GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Gal80(Bohm 等,2010),其复眼退化且脱色素。在表达 FLP 的感光细胞中,随着 Gal80 的翻入,polyQ 表达被关闭。
    GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Gal80>(Bohm 等,2010),其复眼正常。在表达 FLP 的感光细胞中,随着 Gal80 的翻出,polyQ 表达被开启。

2. 试剂

磷酸盐缓冲液(PBS,1X),pH 7.4。
4% 多聚甲醛(PFA),用 PBS 将 16% PFA(电子显微镜科学公司,Hatfield,PA,货号#15710)稀释而成
PBT,含 0.1% Triton-X 100(Sigma)的 1X PBS
抗 Elav 抗体(单克隆抗体,9F8A9;爱荷华大学发育研究杂交瘤库),标记果蝇中的所有神经元。
抗 Repo 抗体(单克隆抗体 8D12;爱荷华大学发育研究杂交瘤库),标记果蝇中的胶质细胞。
Alexa 594 标记的山羊抗小鼠二抗(Invitrogen)

3. 绘制增强子捕获FLPx2品系的表达模式(* 关键步骤)

  1. 从 yw、actin 品系中收集处女雌蝇P>CD2>Gal4; UAS-GFP 品系与各个 ET-FLPx2 品系的雄性个体杂交。前者作为 ET-FLP 组织表达的 GFP 报告系统。
  2. 解剖游走的3期幼虫rd F1 龄幼虫,保留中枢神经系统(即脑和腹神经索,VNC)及体壁,置于冰上用 4% PFA 固定 1 小时,用预冷的 PBS 洗涤 3 次,再用 PBT 洗涤 3 次。
    解剖
    1. 去除游离的3rd 一龄F1幼虫放入洁净的Sylgard培养皿中(35 mm × 10 mm培养皿,内含2克按说明书配制的Sylgard)。
      1. 用画笔清除食物残渣
    2. 用预冷的1×PBS填充培养皿,并将培养皿置于冰上以麻醉幼虫
    3. 用一对镊子夹住幼虫的口钩,用另一对镊子夹住靠近伸出的前气门处的表皮,向后端方向剥离表皮。中枢神经系统将与口钩、唾液腺、肠道及成虫盘一同被剥离出来。
    4. 去除中枢神经系统(CNS)周围多余的组织和成虫盘。
    5. 将中枢神经系统(CNS)转移至盛有PBS的3孔Pyrex培养皿中。
      1. 可使用硅化处理的P200移液器吸头以避免组织干燥。
    6. 固定1小时 200 μl 4% PFA 冰上固定
      1. 确保中枢神经系统完全浸没在PFA中。
        1. 如果中枢神经系统(CNS)漂浮,通常表明其周围组织未被彻底清除。
    7. 用预冷的 PBS 洗涤 3 次,随后用 PBT 洗涤 3 次。
  3. 解剖成年F1代果蝇的中枢神经系统。
    1. 用CO₂麻醉果蝇2 或将装在空试管中的果蝇置于冰上10分钟。
    2. 将成年果蝇放入盛有95% EtOH的玻璃培养皿中,置于冰上处理30秒。
    3. 将成年果蝇转移至盛有冰上预冷的1×PBS的玻璃培养皿中。
      1. 用预冷的1×PBS洗涤3次,以去除残留的乙醇
    4. 将一只果蝇放入盛有冰冻 1X PBS 的 35 mm Sylgard 培养皿中
    5. 将腹面朝上放置,并将一枚小型昆虫针(minutiens pins 0.1 mm)插入腹部中段。
      1. 用一对镊子夹住腿部基部,用另一对镊子去除腿部。
    6. 去除头部角质层
      1. 用一对镊子夹住喙的同时,将另一对镊子置于复眼下方,向头部背侧中线方向剥离头壳。
      2. 抓住另一只眼睛,去除另一侧剩余的角质层。
      3. 使用尖头镊子和/或 sharpened tungsten 针去除脑周围气管组织
        1. 气管清洗不当会导致强烈的自发荧光,干扰GFP表达,并使脑组织在固定过程中漂浮
    7. 延髓-颈髓解剖
      1. 去除胸部角质层
        1. 从胸部后端开始,在两侧各放置两把镊子rd 前胸腹板(即抓住后腿基部)。
        2. 轻轻将表皮从腹侧中线分离,重复此操作直至到达颈部基部。
        3. 轻轻分开胸部表皮的两半,暴露腹神经索(VNC)
      2. 接下来,将腹部从胸部移除。用一对镊子夹住胸部的第二对足基部以固定胸部,同时用另一对镊子夹住腹部第一节腹胸板附近,将腹部拉下。
      3. 用一对镊子夹住肱部区域,再用另一对镊子轻轻撕除大部分胸部组织,以去除VNC周围的胸腔组织。
      4. 此时,颈连接处周围应有一圈结缔组织。使用两把镊子将该环状组织撕开。
      5. 去除围绕腹神经索(VNC)的多余胸部组织
    8. 将脑和腹神经索转移至含有冰上预冷的1X PBS的9孔Pyrex培养皿中
      1. 可使用硅化P200移液枪头以避免组织干燥
  4. 在冰上用4% PFA固定成年中枢神经系统1小时,用预冷的PBS洗涤3次,再用PBT洗涤3次。
  5. 孵育成年中枢神经系统标本或幼虫中枢神经系统与体壁 4°C 过夜孵育一抗,抗体选择神经元标记(抗-Elav,1:10)或胶质细胞标记(抗-Repo,1:10)。用PBT洗涤样本5次。
  6. 将成体或幼虫样本与Alexa 594标记的鸡抗小鼠二抗(1:100)在室温下孵育2小时,随后用PBS洗涤样本。
  7. 将幼虫或成虫的中枢神经系统(CNS)置于载玻片上。为保持CNS的自然形态,可在载玻片上使用O形塑料环(Clear Reinforcement Label,Avery Dennison,Office Products,Brea,CA)作为微型支架,以悬空方式支撑盖玻片。
  8. 在荧光显微镜下观察GFP和Elav(或Repo)表达模式的制备情况。

4. 两种互补的Gal80转换工具在光感受器中抑制Gal4的应用

  1. 通过 tubP>Gal80> 系统将 Gal80 翻转出去(图 5A)。
    1. 收集 GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Gal80> 品系的雄蝇。注意,这些果蝇的复眼表型正常。
    2. 与 ey-FLP 处女蝇杂交。
    3. 收集 F1 代果蝇并观察其眼部表型。
  2. 通过 tubP>stop>Gal80 系统将 Gal80 翻转进入(图 5B)。
    1. 收集 GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Gal80 雄性果蝇,并观察其眼部表型。注意,与野生型品系(Canton-S)相比,这些果蝇的眼部出现退化和脱色素现象。
    2. 与 ey-FLP 处女蝇杂交;
    3. 收集 F1 代果蝇并观察其眼部表型。
  3. 筛选在感光细胞中具有表达的 ET-FLPx2 品系

可使用在部分感光细胞中表达FLP的ET-FLPx2品系重复步骤4.1和4.2。或者,可将GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Gal80果蝇或GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Gal80>果蝇分别与各个ET-FLPx2品系杂交,以筛选在感光细胞中表达FLP的品系。有价值的ET-FLPx2品系是在部分或单个感光细胞中特异性表达FLP的品系(图6)。

5. 代表性结果

通过将 yw, actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP 处女蝇与 ET-FLPx2 雄蝇杂交,可方便地观察并记录特定 ET-FLPx2 品系在 F1 代幼虫或成虫中的表达模式(图1)。通常需解剖并检测3至5个重复的F1代个体,以确定FLP表达模式的可重复性(Bohm 等,2010)。图2展示了ET-FLPx2品系173A在幼虫和成体中枢神经系统(CNS)中FLP的表达模式。可进一步利用神经元或胶质细胞标记物对FLP表达模式进行分析(图3和图4)。

所示结果 图7 说明Gal80翻入和翻出系统在FLP介导的重组后对Gal4进行交叉抑制的有效性。tubP>停止>Gal80 构建体似乎未表现出任何Gal80的泄漏表达(基于感光细胞均匀的退化和脱色素现象),但在eyFLP的辅助下,其翻转Gal80的效率可达100%,从而有效抑制GMR-Gal4并使眼睛恢复至正常外观图 7A)。相反,管P>Gal80> 完全抑制 GMR-Gal4,直至引入 eyFLP。在 Gal80 翻转切除后,GMR-Gal4 驱动 UAS-polyQ 表达,导致眼睛退化和脱色素图 7B)。在此示例中,我们使用了一种泛光感受器FLP来绘制光感受器的“神经回路”,但未研究其行为学后果。通过采用类似方法并结合与行为相关的Gal4品系,我们绘制了部分调控成年果蝇翅膀展开的CCAP-Gal4神经回路(Bohm et al., 2010)。我们认为,FINGR方法将有助于深入理解行为的神经基础。

果蝇遗传杂交图解;ET-FLPx2 表达;UAS-GFP 标记研究;性别二态性。
图 1. 检测 ET-FLPx2 品系的表达模式。 通过将 ET-FLPx2 雄性(左上)与 actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP 雌性(右上)杂交,可确定 ET-FLPx2 品系中 FLP 的表达模式(蓝色椭圆)。在母本雌性中,由于两侧由 FRT(灰色三角形)包围的 CD2 序列插入,泛在的 ActinP>Gal4 表达受到阻断。在 F1 后代中,FLP 会切除 CD2 序列,从而允许 ActinP>Gal4 驱动 UAS-GFP 的表达。

果蝇发育显微观察,ET-FLP 173A 幼虫与成虫,荧光分析比较。
图 2. ET-FLPx2 品系在幼虫和成虫中枢神经系统中的表达模式。这些图像显示的是将 yw, actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP 亲本与 ET-FLPx2 173A 品系杂交后,其后代的中枢神经系统(脑和腹神经索,VNC)解剖样本。通过 FLP 介导的重组去除 >CD2> 插入片段,从而激活 actinP>GAL4 的表达(进而驱动 UAS-GFP 的表达)。因此,GFP 的表达模式反映了 FLP 表达细胞的分布。图版 A 显示了幼虫期的 FLP 表达模式,而图版 B 显示了 173A 品系成虫期的表达模式。

神经组织的荧光显微镜图像,GFP 标记显示基因表达,比例尺 200 μm。
图3. ET-FLPx2 #688A品系中表达翻转酶的细胞类型表征。 A,固定F1 3的复合图像rd ET-FLPx2 品系 #688A 与 GFP Flippase 报告品系杂交所得的龄期幼虫,经抗-REPO 染色。 B-D,从3龄幼虫腹神经索(VNC)后端获取的高倍放大图像(蔡司Plan-Apochromat 63倍油镜)rd 龄幼虫

显示基因表达模式的荧光显微镜图像;神经细胞中的GFP、REPO标记物。
图4. ET-FLPx2 品系 #150 蘑菇体中细胞类型的表征。 A-C,来自固定后的F1三代幼虫蘑菇体的高倍放大图像(63倍油镜),经抗REPO染色。

基因翻入与翻出策略示意图;GMR-Gal4、polyQ+GFP 通路、Flippase 作用
图 5. Gal80 基因翻入与翻出策略示意图。A. 在翻出策略中,由微管蛋白启动子驱动的 Gal80(TubP>Gal80>)持续表达,导致 GMR-Gal4 被抑制,从而呈现野生型眼表型(红眼)。通过引入 FLP(紫色),可将 Gal80 翻出(中间,红色),解除对 GMR-Gal4 的抑制,使其驱动 UAS-polyQ 的表达,进而引起感光细胞退化(以眼内白点表示)。B. 在相反的策略中,微管蛋白启动子驱动的 Gal80 表达被两侧带有 FRT(灰色三角形)的“终止”密码子所阻断。在 Gal80 缺失的情况下,GMR-Gal4 结合 UAS-polyQ,导致感光细胞发生神经退行性变(以眼内白点表示)。通过将 GMR-Gal4、UAS-polyQ;tubP>stop>GAL80 雄性果蝇与在感光细胞中表达 FLP 的处女雌蝇杂交,FLP(紫色)将在 FRT 位点催化重组,切除“终止”密码子(中间,红色),从而允许 Gal80 表达并抑制 GMR-Gal4 活性,挽救感光细胞的神经退行性变(以眼内无白点表示)。

果蝇复眼表型;遗传杂交结果;显微镜图像;UAS-GFP, GMR-Gal4。
图6. 使用ET-FLPx2品系#688A通过FINGR方法实现Gal80的翻转切除。 ET-FLPx2品系#688A virgin雌蝇与GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>GAL80雄蝇杂交所得F1代子代。复眼小眼中间区域缺乏色素表明在#688A品系中FLP有表达。在此区域,Gal80对GMR-Gal4的抑制作用被解除,从而允许Gal4驱动UAS-polyQ的表达。

果蝇眼突变比较,GMR-Gal4, UAS-polyQ; tub>P>stop>Gal80,实验结果。
图 7. FINGR 方法在光感受器细胞中通过翻转 Gal80 的插入或切除来与 Gal4 实现交叉表达的应用。A. tubP>stop>Gal80 翻入系统以 FLP 依赖的方式限制 GAL4 的表达。在 GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>GAL80 果蝇中,光感受器细胞发生退化并失去色素(左侧果蝇)。引入 eyFLP 后,Gal80 在光感受器细胞中表达,从而完全抑制 GMR-Gal4,进而关闭 polyQ 的表达,产生具有正常眼睛的果蝇(右侧果蝇)。B. tubP>Gal80> 翻出系统的作用方式与 tubP>stop>Gal80 翻入系统相反。tubP>Gal80> 持续抑制 GAL4,从而抑制 polyQ 的表达(左侧果蝇,具有正常眼睛)。引入 eyFLP 后,Gal80 从光感受器细胞中被翻出,解除对 GMR-Gal4 的抑制,从而启动 polyQ 的表达。这导致果蝇出现退化且无色素的眼睛(右侧果蝇)。

讨论

Gal4/UAS 系统已被果蝇研究者广泛而成功地应用于各种生物学研究(Brand & Perrimon, 1993;Duffy, 2002)。迄今为止,果蝇研究领域已构建了数千个由启动子驱动或增强子捕获的 Gal4 品系。FINGR 方法的一个主要优势在于其与 Gal4/UAS 系统兼容,从而可显著拓展 Gal4 在果蝇研究中的应用能力。

FINGR 方法的一个重要应用是通过 Gal4/Gal80 交集策略精细调控与行为相关的神经环路。这些行为可能包括但不限于学习与记忆、求偶、睡眠以及昼夜节律。FINGR 方法还可用于绘制在模拟人类神经退行性疾病(如阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症(ALS)和帕金森病)中易发生神经退变的关键神经元。类似地,介导可卡因、酒精及其他物质成瘾的关键神经元群或神经环路也可利用 FINGR 方法进行定位。需要注意的是,条件性 Gal4 系统(Osterwalder 等,2001;Roman 等,2001)可与 FINGR 方法结合使用,以实现对神经环路和行为的时间特异性调控。通过使用温度敏感型 Gal80(Gal80ts,McGuire 等,2003)对 Gal80 转换工具进行改造,可构建 tubP>stop>Gal80ts 或 tubP>Gal80ts> 系统,从而在环路操控中提供更高的时间灵活性。除了神经系统外,FINGR 方法同样适用于在特定细胞亚群中限制 Gal4 的表达,无论是在翅还是在腿中。

ET-FLPx2 品系将为所有对基于 FRT/FLP 的克隆分析(Xu & Rubin, 1993)感兴趣的果蝇生物学家提供宝贵的资源,包括 MARCM 技术(Lee & Luo, 1999)。预计某些 ET-FLPx2 品系还可替代热激诱导的 FLP 系统,用于生成可重复的克隆,并进行重复的形态学和行为学分析。与增强子捕获 Gal4 品系类似,大多数 ET-FLPx2 品系不太可能仅在研究者感兴趣的特定细胞中特异性表达。大多数品系不仅会在目标细胞中表达 FLP,同时也会在其他细胞或组织中表达。然而,只要 Gal4 与 ET-FLPx2 的共同表达区域符合特定实验的需求,二者缺乏“组织特异性”就不会对 FINGR 方法构成主要问题。FINGR 的设计目的正是将两种“广泛”表达的系统转化为一种精确的系统。

这些方案中描述的方法较为常规,应具有可重复性。需要特别注意的主要步骤是固定剂的选择和使用。应避免使用除PFA以外的其他固定剂,因为它们会淬灭GFP信号。我们还注意到,不应在解剖皿中使用PFA进行固定,以避免FLP表达无法被GFP可靠报告的可能性。

致谢

感谢俄克拉荷马大学的内部基金(资助人:BZ)以及美国国家科学基金会(NSF)的资助(项目号:IOS-1025556,资助人:BZ 和 RAB),为 TRF、RAB、XP、AAO、MLW、CAS 及本研究提供了支持。美国国立卫生研究院(NIH)的资助(项目号:RO1 NS060878,资助人:BZ)为 RAB 提供了部分支持。RAB 还感谢美国国立卫生研究院 NRSA(T32 NS07292)培训基金授予布兰迪斯大学,以及 NIH 基金(项目号:RO1 GM21473,授予布兰迪斯大学 Jeffrey Hall)对本研究早期阶段的支持。我们感谢 Jeffrey Hall 对本项目持续的鼓励。感谢 Kristin Scott 博士为我们提供 tubP>Gal80> 菌株。

参考文献

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