本实验方案的目的是建立 离体果蝇 优化了用于通过长期荧光延时成像监测昼夜分子节律的幼虫脑组织培养方法,并探讨了该方法在药理学检测中的应用。
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本实验方案的目的是建立 离体果蝇 优化了用于通过长期荧光延时成像监测昼夜分子节律的幼虫脑组织培养方法,并探讨了该方法在药理学检测中的应用。
昼夜节律起搏器回路协调着与环境线索(如昼夜周期)同步的节律性行为和生理输出。每个起搏神经元内的分子钟可产生基因表达的昼夜节律,进而支撑起搏器回路运作所必需的节律性神经功能。研究不同亚类起搏神经元中单个分子振荡器的特性及其与神经信号传导的相互作用,有助于深入理解昼夜节律起搏器回路的机制。本文介绍了一种延时荧光显微镜技术,用于监测培养条件下生物钟神经元中的分子钟运转情况 果蝇 幼虫大脑。该方法可实现对遗传编码的荧光昼夜节律报告分子在单细胞分辨率下的多日连续记录。该装置可结合药理学干预手段,以深入分析分子钟对各种化合物的实时响应。除昼夜节律研究外,该多功能方法还可与强大的 果蝇 基因技术为在活体脑组织中研究多种神经元或分子过程提供了可能。
昼夜节律钟帮助生物体适应由地球24小时自转所产生的周期性环境变化。跨物种的昼夜节律钟分子机制通常由相互关联的转录-翻译反馈环路构成1。由含有时钟基因的神经元组成的昼夜节律起搏器回路,整合来自环境线索(如光暗周期和温度周期)传递的时间信息,从而协调多种日常生理和行为过程的节律2,3。分子节律与神经元输入和输出之间的协调对于昼夜节律回路的功能至关重要,但目前对此机制的理解仍不充分。
在黑腹果蝇(Drosophila)中,分子钟的核心是 CLOCK/CYCLE(CLK/CYC)异源二聚体,它能够激活period(per)和timeless(tim)基因的转录。PER 和 TIM 蛋白形成复合物并进入细胞核,抑制 CLK/CYC 的转录活性,从而抑制其自身基因的转录。转录后及翻译后调控机制导致了 CLK/CYC 介导的转录与 PER/TIM 介导的抑制之间存在时间延迟,由此产生约 24 小时的分子振荡1,3,4。大约 150 个含有此类分子钟的神经元构成神经环路,调控成年果蝇的昼夜节律行为5。在幼虫脑中存在一个更为简单但功能完整的昼夜节律环路,由三组钟控神经元组成:5 个腹侧侧神经元(LNvs;包括 4 个 PDF 阳性的 LNvs 和 1 个 PDF 阴性的 LNv,见下文)、2 个背侧神经元 1(DN1s)以及 2 个背侧神经元 2(DN2s)6,7。
简单的幼虫昼夜节律神经回路为研究神经元间通讯与分子生物钟机制之间的相互作用提供了一个极佳的模型。利用我们新开发的荧光报告基因PER-TDT(其表达水平和亚细胞定位可模拟PER蛋白),我们旨在表征幼虫昼夜节律神经回路中不同时钟神经元亚群内分子生物钟的动态变化8。此外,鉴于由4个LNvs神经元产生的神经肽色素扩散因子(PDF)在神经元水平上调控昼夜节律具有关键作用9,10,11,我们希望进一步探究PDF对分子生物钟的直接效应。为此,我们建立了一种方法,通过延时共聚焦显微镜连续多天监测幼虫离体脑组织中的昼夜基因表达节律。该方案还被优化用于药理学实验,以检测PDF或其他化合物对PER-TDT水平的影响。因此,该优化方案包括使离体脑组织培养体系能够接受药物处理,并提高时间分辨率,同时缩短成像持续时间。
已有研究建立了不同发育阶段的黑腹果蝇(Drosophila)脑组织的离体(ex vivo)培养方法12,13,14,15,16,17,18。尽管这些实验方案已被用于成像多种生物学现象,但其中一些方法无法兼容单细胞分辨率的成像,或无法支持超过数小时的长期培养。对果蝇(Drosophila)昼夜节律神经元进行长期活体成像的替代方法包括:利用生物发光成像技术检测分子节律19,20,21,以及结合光片显微镜进行钙离子指示剂的荧光成像22,23。虽然生物发光成像可实现更高的时间分辨率,光片显微镜也可适用于活体(in vivo)成像,但这些方法在空间分辨率方面存在局限,且需要专用的显微镜系统。
本文所述方法专为在单细胞分辨率下对全脑培养物进行多日荧光信号成像而设计。该方法简便且具有高度适应性,可应用于成年果蝇脑组织培养的成像,以及药理学实验,以研究多种不同的科学问题。 果蝇 神经生物学
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1. 在细胞培养罩内制备储备溶液
2. 时间推移显微镜设置
注意:以下设置适用于配备谐振扫描器(8,000 Hz)的串联扫描倒置共聚焦显微镜(见材料表)。该系统包含高灵敏度的光电倍增检测器,结合谐振扫描器可有效避免光毒性和光漂白。显微镜环境舱(见材料表)覆盖显微镜大部分区域,可精确控制温度和湿度。
3. 幼虫脑外植体培养的建立
注意:从解剖到脑组织外植体包埋的整个过程大约需要 30 分钟。
4. 时间序列图像采集
5. 脑组织外植体的药理学处理与短期活体成像
注意:以下操作步骤与长期成像基本相同,但无需使用聚四氟乙烯(PTFE)膜。为避免在向培养物中添加化学物质时使脑组织暴露于蓝光下,应将显微镜置于红光暗室中。
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此处展示了利用昼夜荧光报告系统对生物节律进行长期记录的代表性结果 离体 幼虫脑组织培养,以及PDF灌流处理对报告基因表达的活体成像结果。
在光暗循环(LD)条件下同步化后,选取表达分子钟报告基因 PER-TDT 以及由钟控神经元驱动子 Clk(856)-gal4 驱动的 UAS-mCD8::YFP 的非游走性 L3 期幼虫(图 1C)。在 LD 周期最后一个光照阶段即将转入黑暗阶段前,解剖其脑组织并建立长期培养体系(图 1A 和 2B)。随后在恒定黑暗(DD)条件下进行延时成像,每 2 小时对脑组织外植块成像一次,持续 64 小时。创建包含目标神经元的 SUM 投影图像,并在扣除背景信号后,测定对应神经元区域的平均荧光强度8
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本文描述了对培养的幼虫脑组织进行长期荧光延时显微成像的方法。此类实验的成功取决于多种因素,包括培养物的健康状态、脑组织外植体的固定方法、报告基因的荧光强度与信噪比、时间与空间分辨率以及对外植体的可观察性。这些因素之间可能存在相互制约。例如,提高延时成像频率可能影响培养物的健康,而脑组织外植体的固定可能阻碍气体交换。因此,针对所研究的现象找到一个理想的平衡点(此处无意双关)是实验方案成功的关键。本文所述方法已优化,适用于在数小时至数天的时间尺度上监测荧光生物钟报告基因的表达,也可用于研究其他相关生物学过程 果蝇 只要关键步骤未被改变并谨慎操作,神经生物学研究即可顺利进行。
在本实验方案中,脑组织外植体被固定于纤维蛋白凝块中,从而形成一种三维基质。尽管存在其他固定方法,例如使用多聚赖氨酸或层粘连蛋白包被盖玻片,但这些方法会延缓幼虫脑的发育29,因而可能影响其生理稳健性。纤维蛋白本身是一种优良的基质,其结构足够疏松,可允许营养物质到达脑组织外植体,同时又具有足够的黏附性,使脑组织紧贴盖玻片而不被压碎
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Michael Rosbash 在本方法开发初期阶段提供的指导与支持。本工作由 JST PRESTO 项目、瑞士国家科学基金会(31003A_149893 和 31003A_169548)、欧洲研究理事会(ERC-StG-311194)、诺华医学-生物医学研究基金会(13A39)以及日内瓦大学资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | 我不确定它们是否和我们实验室里的完全一样。我选择了 "适用于昆虫细胞培养" 在可行的情况下 |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| MgSO₄4.7H2O | Sigma-Aldrich | 230391 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S5886 | |
| NaHCO₃3 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| D-(+)葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G7021 | |
| 酵母提取物 | Sigma-Aldrich | Y1000 | |
| 胰岛素 | Sigma-Aldrich | I0516-5ML | |
| 青霉素-链霉素 | Sigma-Aldrich | P4333 | |
| BIS-TRIS | Sigma-Aldrich | B4429 | |
| L-(−)-苹果酸 | Sigma-Aldrich | M7397 | |
| D-(+)-海藻糖二水合物 | Sigma-Aldrich | T0167 | |
| 琥珀酸 | Sigma-Aldrich | S9512 | |
| 富马酸 | Sigma-Aldrich | F8509 | |
| αα-酮戊二酸 | Sigma-Aldrich | K1128 | |
| 非热灭活、经支原体和病毒检测的胎牛血清(FCS) | BioConcept Ltd. Amimed | 2-01F30-I | |
| HEPES-KOH,pH 7.4 | E&K Scientific Products | EK-654011 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P5405 | |
| NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S5011 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| 牛血浆纤维蛋白原 | Calbiochem(默克) | 341573-1GM | 警告:吸入、皮肤接触或吞食有害。应在层流罩下操作 |
| 牛血浆凝血酶 | Sigma-Aldrich | T9549 | 警告:危害健康,需佩戴手套 |
| PDF,NH2-NSELINSLLSLPKNMNDA-OH | Chi Scientific | 定制 | |
| 真空润滑脂 | Sigma-Aldrich | 18405 | |
| 35 mm 培养皿,1.5 号盖玻片,玻璃直径 20 mm,未包被 | MatTek | P35G-1.5-20-C | |
| 康宁Falcon易握式组织培养皿 | 赛默飞世尔科技 | 08-772A | |
| 无菌 500 mL Steritop-GP 33 mm 螺口瓶顶滤器,0.22 μm | 默克密理博 | SCGPS05RE | |
| 聚四氟乙烯(PTFE)薄膜 | 杜邦 | 200A 聚四氟乙烯FEP薄膜 | |
| Millex-HV 注射器滤器,0.45 μm µm,PVDF,33 毫米,伽马射线灭菌 | Millipore | SLHV033RS | |
| Millex-GV 注射器滤器,0.22 μm µm,PVDF,33 毫米,γ射线灭菌 | Millipore | SLGV033RS | |
| 三孔玻璃解剖皿 | 任何公司 | ||
| 精细镊子,Dumont 5号 | Fine Science Tools | 11254-20 | |
| 倒置式Tandem扫描器TCS SP5共聚焦显微镜,配备谐振扫描器和HyD光电倍增检测器 | Leica microsystem CMS GmbH | ||
| 温度控制室 | 生命成像服务 | CUBE & BOX 温度控制系统,定制设计 | |
| 载物台湿度控制器 | 生命成像服务 | 定制 | |
| 水浸微分配器:分配器、扩展型微泵MP6系列和Autoimmersion物镜控制器软件 | Leica microsystem CMS GmbH | ||
| SUM-stack 创建与 3D 校正漂移插件 | ImageJ 软件 | ||
| 10x 迭代去卷积 | AutoQuant 和 Imaris 软件 |
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