本文介绍一种通过固定、封片、成像及成像后处理等步骤,在成年黑腹果蝇(Drosophila)腿部中利用荧光蛋白可视化轴突投射的实验方案。
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本文介绍一种通过固定、封片、成像及成像后处理等步骤,在成年黑腹果蝇(Drosophila)腿部中利用荧光蛋白可视化轴突投射的实验方案。
关于神经元特化的大多数研究都是在遗传和生理上易于操作的模型中进行的,例如 C. elegans、Drosophila 幼虫和鱼类,这些生物均以波动式运动(如爬行或游泳)作为其主要的运动方式。然而,要更深入地理解单个运动神经元(MN)的特化过程——至少在为疾病治疗提供依据方面——则需要一个同样易于操作且能更好地模拟脊椎动物复杂附肢运动模式的系统。成年 Drosophila 的行走运动系统轻松满足了所有这些标准,因为在该模型中,不仅可以利用大量强大的遗传工具,还能在附肢运动的生理背景下,研究数量较少且易于区分的腿部运动神经元(每条腿约50个运动神经元)的特化过程。本文中,我们描述了一种在成年果蝇中可视化腿部肌肉神经支配的实验方案。
与脊椎动物的肢体类似,Drosophila 成虫腿部也具有分节结构。每只果蝇的腿部包含14块肌肉,每块肌肉由多个肌纤维组成1,2。成虫腿部运动神经元(MNs)的细胞体位于腹神经索(VNC)每侧的T1(前胸)、T2(中胸)和T3(后胸)神经节中,腹神经索在结构上类似于脊椎动物的脊髓(图1)。每个神经节中约有50个运动神经元,它们投射至同侧腿部四个节段(基节、转节、股节和胫节)的肌肉(图1)3。重要的是,每个成虫腿部的运动神经元都具有独特的形态特征,且这种形态在不同个体间高度保守3,4。所有这些独特的运动神经元均起源于11个干细胞,即神经母细胞(NBs),这些细胞在幼虫阶段产生腿部运动神经元3,4。在幼虫阶段结束时,所有未成熟的终末分裂后运动神经元在变态过程中发生分化,形成特定的树突分支结构和轴突终末靶区,从而确立其独特的形态3,4。此前,我们验证了一个假设,即转录因子(TFs)的组合编码决定了每个 Drosophila 成虫腿部运动神经元的独特形态5。作为模型,我们采用了11个神经母细胞谱系之一的B谱系,该谱系可产生7个运动神经元,并证明在终末分裂后的成虫腿部运动神经元中表达的转录因子组合编码决定了各自的形态特征。通过重编程运动神经元中的转录因子编码,我们能够以可预测的方式改变其形态。我们将这些转录因子称为mTFs(形态决定转录因子)5。
成年运动神经元(MNs)形态学分析中最困难的部分之一,是以高分辨率在厚且具有自发荧光的角质层中清晰显示轴突。我们通常使用膜标记的GFP对轴突进行标记,该GFP通过二元表达系统在运动神经元中表达,例如DVglut-Gal4/UAS-mCD8::GFP或DVglut-QF/QUAS mCD8::GFP,其中DVglut是在运动神经元中强表达的驱动子6。将这些工具与其他克隆技术结合使用,例如带有可抑制标记的镶嵌分析(MARCM)7、顺式MARCM(cis-MARCM)8或MARCMbow5,可将GFP的表达限制在特定的MN亚群中,从而更便于进行轴突表型分析。我们已建立了一套实验方案,旨在解决成年黑腹果蝇(Drosophila)腿部特有的若干关键问题,以完整保留腿部运动神经元轴突的形态,便于成像及后续的三维重建,这些问题包括:(1)固定成年腿部内部结构的同时,不破坏轴突形态、内源性荧光表达以及腿部肌肉组织;(2)将腿部以适当的方向安装固定,确保整体结构在盖玻片下保持完整并适合成像;(3)图像处理以同时获得角质层背景信号和轴突的荧光信号。尽管本方案详细描述了运动神经元轴突中荧光表达的检测方法,但其同样适用于节肢动物腿部神经肌肉系统的其他组分的可视化研究。
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1. 腿部解剖与固定
2. 腿部固定
3. 成像
4. 成像后处理
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如图4所示,该方法可实现对成年Drosophila腿部GFP标记的轴突及其终末分支的优异成像。重要的是,可获得干净的GFP信号,且无腿部角质层自身荧光的干扰。角质层的信号可与GFP信号叠加,以确定轴突在腿部的定位(图4E、图1和视频1)。关键在于必须获得固定良好的腿部样本。图5展示了固定良好(图5A)与固定不良(图5B)腿部的示例。在固定良好的样本中,腿部内部结构颜色均匀,可见呈深色的气管。每条腿节中央均有一条主气管(紧邻主神经干),并可见许多较细的分支;而在固定不良的样本中,跗节和胫节内存在深色物质,股节和基节中的气管系统则不清晰。此类情况下,荧光蛋白信号通常会降解,表现为强度极低或完全缺失。其次,...
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成年果蝇及其他节肢动物的角质层含有大量深色色素,是观察其体内结构的主要障碍。此外,角质层具有强烈的自发荧光,固定后这一现象会更加严重。这两个特性对于观察具有外骨骼动物体内荧光染料或分子的分布极为不利。
我们所描述并常规在实验室中使用的方法,能够获得成年黑腹果蝇(Drosophila)腿部轴突走行及其终末结构清晰而详细的图像。重要的是,该方法可获得干净的GFP信号,完全不受腿部角质层自身荧光的干扰。这一特性对于利用三维成像程序观察和定量分析轴突分支的三维结构至关重要。通过该方法,可对来自多只果蝇腿部的数据进行比较。该技术可轻松适用于其他荧光蛋白信号的观察,并可推广用于成年其他节肢动物中轴突的成像研究。
该实验步骤的两个关键方面是:i)获得强烈的GFP信号,以及ii)对腿部进行适当的固定。对于后者,我们通常能获得良好的固定效果,但仍偶尔会出现个别腿部固定不充分的情况。因此,该步骤尚需改进,或许可通过添加促进试剂渗透的助剂(如二甲基亚砜),或采用其他固定方法(例如微波固定,前提是其能保持GFP荧光),但我们除使用含...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Robert Renard 准备果蝇培养基。本研究得到了美国国立卫生研究院(NIH)基金 NS070644(资助给 R.S.M.)、美国肌萎缩侧索硬化症协会(ALS Association,#256)、法国医学研究基金会(FRM,#AJE20170537445)以及 ATIP-Avenir 计划对 J.E. 的资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 无水乙醇 | Fisher | E/6550DF/17 | 分析纯级 |
| 非离子型表面活性剂去垢剂 | Sigma-Aldrich | T8787 | Triton X-100,分子生物学用 |
| 精细镊子 | Sigma-Aldrich | F6521 | 珠宝匠镊子,Dumont No. 5 |
| 玻璃多孔板 | Electron Microscopy Sciences | 71563-01 | 9孔Pyrex板,100 mm × 85 mm |
| PFA | Thermofisher | 28908 | Pierc 16% 甲醛(w/v),无甲醇 |
| 甘油 | Fisher BioReagents | BP 229-1 | 甘油(分子生物学级) |
| 间隔垫片 | Sun Jin Lab Co | IS006 | iSpacer,四孔,每孔工作体积约12 μL,直径7 mm,深度0.18 mm |
| 22 mm × 22 mm 方形盖玻片 | Fisher Scientific | FIS#12-541-B | No.1.5-厚度0.16 至 0.19 mm |
| 封片介质 | Vector Laboratories | H-1000 | Vectashield 抗荧光淬灭封片介质 |
| 共聚焦显微镜 | Carl Zeiss | LSM780;所用物镜 LD LCI Plan-Apochromat 25X/0.8 Imm Korr DIC M27 (油/ 硅油/甘油/水 浸没) (420852-9871-000) | |
| 成像软件 | Carl Zeiss | ZEN 2011 | |
| 三维图像软件 | ThermoFisher Scientific | Amira 6.4 | |
| ImageJ | National Institutes of Health | https://imagej.nih.gov/ij/ | ImageJ/FIJI |
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