Drosophila的前足和喙部含有丰富的味觉感觉神经元。本文介绍一种利用钙成像技术检测活体果蝇前足和喙部感觉神经元在施加外源性味觉信息素后生理反应的方法。
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Drosophila的前足和喙部含有丰富的味觉感觉神经元。本文介绍一种利用钙成像技术检测活体果蝇前足和喙部感觉神经元在施加外源性味觉信息素后生理反应的方法。
与哺乳动物不同,昆虫如 果蝇 具有多个味觉器官。位于腿部、喙、翅膀和产卵器上的化学感受神经元 果蝇 表达味觉受体1,2离子通道3-6和离子型受体7 参与挥发性和非挥发性感觉线索检测的神经元。这些神经元直接接触味觉物质,如食物、有害物质和信息素,从而影响多种复杂行为,例如摄食、产卵和交配。电极记录和钙成像技术已广泛应用于昆虫中,以量化这些味觉物质引发的神经元反应。然而,电生理学技术需要专用设备,且由于细胞类型、大小和位置的不同,从单个味觉感受器获取测量数据在技术上具有挑战性。此外,单神经元分辨率在 果蝇 由于味觉感受器中含有不止一种类型的化学感受神经元,因此实现这一目标可能较为困难。本文所述的活体钙成像方法可用于测量活体果蝇中单个味觉神经元的反应。该方法特别适用于对脂类信息素及其他在水基溶剂中溶解度较低的配体类型的神经元反应进行成像。
动物依赖嗅觉和味觉信息来做出对生存和繁殖至关重要的决策。要理解化学感觉信号如何被神经系统检测和处理,就需要鉴定出相应的感受器及其配体分子。Drosophila能够感知种类繁多的挥发性和非挥发性化合物,是研究化学感受生理机制的优良模型。嗅觉器官负责感知挥发性分子,而味觉器官则特化用于检测低挥发性化合物。本文介绍一种直接测量黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)味觉器官对低挥发性、亲脂性配体产生神经元反应的方法。
果蝇的味觉器官包括前足、喙和翅膀。在味觉器官表面分布着被称为感器的毛发状结构,这些感器可对糖类、苦味物质、盐类、水和信息素产生反应8。根据形态学特征,感器被分为味觉刚毛和味觉钉状突起两类9。唇瓣上约有31个味觉刚毛,根据形态可分为长型(l型)、短型(s型)和中间型(i型)。‘l’型和‘s’型感器内含有4个感觉神经元,分别对糖类(S细胞)、低浓度盐(L1细胞)、高浓度盐和苦味化合物(L2细胞)以及水(W细胞)产生生理反应10,11。‘i’型感器内含有2个感觉神经元,其中一个对低浓度盐和糖类均有反应,另一个则对高浓度盐产生反应12。雄性果蝇每条前足上约有41个味觉感器,雌性则有26个。无论雌雄,每条中足上有21个感器,后足上约有22个感器13。腿部味觉感器所包裹的味觉神经元同样被分为L1、L2、W和S四种类型。
一种记录单个神经元电活动的标准方法是使用细胞外或细胞内电极来测量离子流动。电极记录技术使得非模式生物中的神经元功能研究成为可能,例如 果蝇 物种、蛾类和蜜蜂,这些生物缺乏用于神经标记的完善遗传工具。然而,尽管电生理学方法已常规用于记录神经活动 果蝇 味觉感受器4,13,14,采用这一方法会面临多项技术挑战。首先,需要根据形态学特征和空间位置来识别味觉刚毛。在识别之后,由于感受器体积微小、所处位置难以接近,以及难以向味觉刚毛施加可控体积的化学刺激物,电生理学测量可能受到阻碍。此外,对感受器的刺激可能引发来自多种神经元类型的信号15其次,电信号的检测可能受到机械振动以及电子设备噪声所引起的背景干扰的影响。第三,若使用不当,尖锐电极可能会损坏果蝇样本。14最后,组装一套电生理记录系统需要用于刺激传递、信号记录和数据分析的专用电子元件,成本较高。
在D. melanogaster中,可遗传编码工具的可用性促进了成像技术的发展,使得能够研究少量神经元群体的反应。其中一种方法是使用CaLexA报告系统16。该方法将编码LexA-VP16转录因子和钙敏感蛋白NFAT的基因序列融合在一起。钙激活蛋白磷酸酶calcineurin,催化NFAT去磷酸化,进而促进其转入细胞核。在细胞核内,LexA结构域结合LexAop-DNA结合基序,驱动绿色荧光蛋白(GFP)报告基因的表达,从而实现对功能激活神经元的持续识别。该方法已成功用于测量活体果蝇暴露于气味物质后,触角叶中特定嗅觉小球的反应16。最近,研究人员利用CaLexA测量了活体果蝇中IR52c味觉受体神经元的生理反应7。然而,在该研究中,需要将果蝇饲养长达6周以增强GFP的转录。尽管可通过抗GFP抗体进行免疫染色以增强CaLexA信号,但该方法需要组织固定,因而无法实现活细胞成像。
基因编码的钙离子指示蛋白 GCaMP 已被广泛用于研究多种物种中的神经元反应17。在神经元未受刺激时,GCaMP 蛋白的荧光强度较低。施加刺激后,神经元产生动作电位,导致 Ca2+ 内流。GCaMP 与 Ca2+ 结合后发生构象变化,从而增强荧光强度(图 1)。最近开发的一种单神经元钙成像方法被用于鉴定葡萄糖为前足特异性 Gr61a 味觉神经元的配体18。在该研究中,将表达 GCaMP 的转基因 Drosophila 的前足解剖后,在成像前覆盖一层琼脂糖。然而,使用解剖组织可能导致 GCaMP 表达逐渐减弱,从而限制测量时间和检测灵敏度。此外,琼脂糖可能因其较高的荧光背景和光散射特性而降低检测灵敏度。
为解决其中一些局限性,我们描述了使用GCaMP介导的钙成像技术记录完整动物前足和喙器味觉神经元生理反应的方法。我们展示了表达基因编码钙探针GCaMP5G的Gr68a和ppk23神经元的生理反应19 到一个 黑腹果蝇 脂质信息素,(3R, 11Z, 19Z)-3-乙酰氧基-11,19-二十八碳二烯-1-醇(CH503)20,21通过量化信息素刺激期间GCaMP5G信号荧光强度的增加来测量神经元反应。在本方案中,神经元成像总时长为120秒,足以区分单个细胞的神经元激活模式。
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1. 样品制备
2. 刺激溶液的制备
3. 味觉神经元的刺激与图像采集
4. 图像处理与分析:反应的定量
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使用Gr68a-Gal4或ppk23-Gal4驱动子在遗传上表达了GCaMP钙指示剂。每种驱动子分别标记了前腿神经元和非神经支持细胞的不同细胞群(图3A-C)。在表达GCaMP的Gr68a-Gal4和ppk23-Gal4细胞中,观察到对亲脂性信息素CH503的配体特异性响应(图3D)。GCaMP5G信号的荧光强度相对变化(ΔF/F)随CH503浓度升高而增加(图3E)。有趣的是,5 ng剂量的CH503可能抑制神经响应。
Gr68a神经元和ppk23神经元表现出不同的反应模式。Gr68a神经元呈现持续性神经反应模式(图3F),而ppk23神经元则表现出时相性、振荡性反应(图3G)。利用该制备方法还测量了喙部ppk23神经元的反应,结果显示其反应为时相性和振荡性反应的组合(图3H)。
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本文介绍了一种对 Drosophila 两种不同感觉器官中的外周神经元进行活体钙成像的方法。信息素配体CH503诱导的Gr68a神经元中Ca2+引发的GCaMP荧光反应呈剂量依赖性和可定量性。此外,还可区分不同的神经反应模式,如时相性和紧张性反应。
表现出时相性反应的神经元被认为能够实现对持续刺激的快速适应。这种反应类型与气味检测25以及节律性运动活动模式的产生相关26。相比之下,已在多种感觉系统中描述的神经振荡被认为可将多个输入同步到单个突触后位点,并传递有关刺激的特定特征信息27。据我们所知,目前尚未有报道揭示与ppk23神经元相关的振荡反应的分子基础。在其他表现出振荡反应的可兴奋细胞中,振荡频率已被证明受到一种称为钙诱导钙释放的过程调控28。在此过程中,钙离子在第二信使三磷酸肌醇的调控下从细胞内储存库中释放,其释放频率依赖于外部刺激的强度。关于紧张性神经元反应的分子基础,已有研究通过对秀丽隐杆线虫(C. elegans)的氧气感应受...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作由新加坡国家研究基金会资助(项目编号 NRF-RF2010-06,授予 J.Y.Y.)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Gr68a-Gal4 | 由美国德克萨斯州A&M健康科学中心H. Amrein和美国康涅狄格州耶鲁大学J. Carlson惠赠 | ||
| ppk23-Gal4 | 由美国加利福尼亚州伯克利加州大学K. Scott惠赠 | ||
| UAS-GCaMP5 | 42037 | 布卢明顿果蝇 资源中心 | |
| 0.17 mm 盖玻片(Gold-Seal盖玻片) | 电子显微镜服务公司 | 63790-10 | |
| 指甲油,"Hard as Nails Clear" | Sally Hansen | ||
| PAP笔 | 西格玛-奥德里奇 | Z377821 | |
| 画笔 | 细头刷 | ||
| 胶带 | Scotch品牌 | ||
| 吐温X-100 | 西格玛-奥德里奇 | 13021 | |
| 乙醇,实验级 | 默克公司 | 10094 | |
| 正己烷,HPLC级 | 西格玛-奥德里奇 | H303SK-4 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | 西格玛-奥德里奇 | 472301 | |
| PBST | 见实验方案部分中的配方描述 | ||
| CH503 | Mori et al., 2010中所述合成方法 | ||
| sCMOS相机(ORCA Flash4.0) | 滨松光子学公司 | C11578-22U | |
| 显微镜(Ti-Eclipse) | 尼康公司 | Ni-E | |
| 转盘扫描头 | 横河电机公司 | CSU-X1-A1 | |
| 采集软件(MetaMorph Premier) | 分子器件公司 | 40002 | |
| Fiji软件 | 开源软件 | http://fiji.sc/Fiji |
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