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方法論記事

からの電気生理学的記録

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DOI:

10.3791/56147

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2017年7月27日

この記事について

サマリー

このプロトコールの全体的な目標は、長鎖クチクラフェロモンに応答するショウジョウバエの嗅覚受容体ニューロンからの単一感覚記録のための低揮発性の付臭剤を提示する方法を示すことである。

要約

昆虫は、食物探索、捕食者回避、産卵、交尾など、生存に不可欠な幅広い行動を導くために、嗅覚に頼っています。変化する揮発性の無数の化学物質は、昆虫の嗅覚受容器ニューロン(ORN)を活性化する天然臭気物質として同定されている。しかしながら、低揮発性臭気物質に対する嗅覚応答の研究は、従来の臭気伝達方法を用いてそのような刺激を効果的に提示することができないことによって妨げられてきた。ここでは、インビボ Single-Sensillum Recording(SSR)の低揮発性臭気物質の効果的な提示を可能にする手順を説明します。臭気源と標的組織との間の距離を最小にすることによって、この方法は、生物学的に顕著なのアプリケーションが、パルミトレイン酸、求愛と交尾行動1に関与ORN類で実証効果を有する刺激性フェロモンを含むこれまでアクセスできない着臭剤、を可能にします。従って、我々の手順は、昆虫嗅覚およびフェロモン通信の研究のための低揮発性臭気物質の宿主をアッセイする新しい手段を提供する。

概要

ショウジョウバエ ORNは、エステル、アルコール、ケトン、ラクトン、アルデヒド、テルペン、有機酸、アミン、硫黄化合物、複素環および芳香族化合物を含む広範な炭素鎖長および様々な官能基を有する膨大な数の匂い物質に反応する2 、 3 。それらの物理化学的特徴が異なる匂い物質は、化合物の蒸気圧によって示される顕著に異なる揮発性を有することができる。特に、 ショウジョウバエのメラノガスターの生物学的に関連する臭気物質は、そのボラティリティにおいて著しく異なる。例えば、Ir92a ORNは、20℃で6322Hgの蒸気圧で、非常に揮発性の高いアンモニア4に反応します。対照的に、Or67d ORN類は男性フェロモン、 シス -vaccenyl酢酸(C VA)5、6、20°Cで43 mmHgであるの蒸気圧に応答します。

低揮発性の匂い物質に対する嗅覚応答の研究は、匂い物質が比較的長い距離( すなわち、数センチメートル)にわたって担体空気流を介して送達される従来の匂い送達方法では特に困難である。所定の低揮発性臭気物質に臭気デリバリーシステムの設計に依存して、大きく変化することができ、例えば、C VAの高用量にOr67d ORN類の報告された応答は、約40 7の範囲である- > 200スパイク/秒6さらに、従来の送達方法とCの VAの無効送達がそうVA C単独ではOr67d ORN類8を活性化するのに十分ではないという解釈につながる、偽陰性の結果に起因する。この解釈は、後で使用する別の研究によりチャレンジしました近距離匂い送達方法9それゆえ、それはイペラ低揮発性の臭気物質を効果的に提示するための強力な臭気供給システムを開発しています。

最近、我々は、Or47b ORNのリガンドとしていくつかの長鎖クチクラ脂肪酸を同定した。彼らはタイプ4 Antennal Trichoid Sensillum(at4)に収容されています。長鎖脂肪酸臭気物質の中で、我々はOr47bのORN類1を活性化することにより、男性の求愛を促進媚薬フェロモンとしてそのパルミトレイン酸機能を発見しました。しかし、従来の臭気送達法を用いた別の研究では、ラウリン酸メチルはOr47b ORNからの応答を誘発することが示されたが、パルミトレイン酸は同じ距離から提示された場合に応答を示さなかった10 。 VA Cと比較して、長鎖脂肪酸は、25°C 11未満で0.001 mmHgの蒸気圧であっても低揮発性です。長鎖脂肪酸臭気物質の本質的に低い揮発性は、経由するアンテナへの効率的な提示を妨げる​​。従来の匂いデリバリーシステムは、偽陰性の結果である可能性が高い10 。この不一致は、低揮発性臭気物質を提示する際の従来の匂い供給システムの不備を強調する。フライクチクラの臭いの効果的な送達には、臭気源と標的組織との間の近接性が必要であることが以前に示された6 。このように、完全に彼らはおそらく、自然12、13でショウジョウバエが遭遇され、そこから距離を模倣しながら、生物学的に活性なフェロモンの効果を特徴づけるために、我々は、最小距離が私たちの手順に高い優先順位を与えられる必要があることに同意しました。

我々の方法は、標準的な電気生理学リグおよび技術との互換性を含むさらなる利点を保持する。既存のリグセットアップでは、このプロトコルに対応するために最小限の変更が必要です。ほとんどのSSR手順では、わずかな調整しか必要ありません。この我々の技術はSSRで経験された研究者に容易にアクセス可能にする。さらに、我々の技術は、神経応答と刺激伝達を相関させる、鋭い発症およびオフセットを伴う低揮発性臭気物質の提示を可能にする。最後に、ハードウェアレイアウトは、ニオイのカートリッジ間の迅速な交換を容易にし、所望の用量範囲にわたってデータ収集を迅速化する。

我々は、参照電極および記録電極、成人ヘムリンパ様(AHL)溶液、付臭剤送達カートリッジ、および対応する嗅覚器の調製を検討することから始める。次に、パルミトレイン酸臭気物質溶液の調製、その後の記録用フライの調製について議論する。我々は、この方法を使用して得られた代表的なデータを提示する前に、トリコイド感知物質を選択し、付臭剤カートリッジの位置をより詳細に記録するための基準を検討することに進む。最後に、このtechniqの有用なアプリケーションを調べることで結論づけますue、いくつかの遭遇した問題、およびその解決策。

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プロトコル

1. at4記録用ハードウェアの準備

  1. ピペットプラー装置を使用して、アルミノシリケートガラスキャピラリー(OD 1.0mm、ID 0.64mm)で電極を調製する。ハエの頭蓋内への挿入を容易にするために、一対の細かい鉗子で参照電極の先端をわずかに鈍らせる( すなわち 、ハエ頭の前部、口部の上の丸いプレート)。
    注:7日齢のWT男性(ベルリン)をこの研究で使用した。両方の電極の電解質としてAHL生理食塩水14を使用する。
  2. NaCl 6.312グラム、塩化カリウムの0.373グラム、NaHCO 3を0.337グラム、のNaH 2 PO 4、トレハロースּ2 H 2 O、スクロース3.423グラムの1.892グラムの0.1120グラムを用いて、蒸留水900mlを混合することによってAHLの1 Lを調製1.192gのHEPES、および8.2mLの1M MgCl 2を入れた 。蒸留水を使用して、全容量を1 Lにする。1 N NaOHを使用してpHを7.4にし、溶液を滅菌する。真空駆動フィルターシステム。長期間保存するには、AHLアリコートを4℃に保ちます。
    注:パルミトレイン酸の一貫したデリバリーは、カートリッジ間の均一性に左右されます。各カートリッジが再現可能な方法で組み立てられることが重要です。
  3. カミソリの刃を使用して、200μLのピペットチップの先端から0.9cmを取り除いて、4.1cmの第1のカートリッジセクションを作成する。 図1Aに詳述されている寸法を参照してください。別の200μLピペットチップを使用し、チップとベースからそれぞれ1.7cmと1.5cmを取り除いて、1.8cmの第2カートリッジセクションを作成します( 図1A )。再現性を保証するためにルーラーを使用してください。
  4. 濾紙からディスクを切断するには、1/8 "穴パンチャーを使用してください。
  5. 鉗子を使用して、第2カートリッジセクションの先端に濾紙ディスクを置きます。空気が通過できる開口部がカートリッジの先端にあることを視覚的に確認する。
  6. 図1Aに示すように、第1と第2のカートリッジセクションを一緒に取り付けます 。第2のカートリッジ部分を下方に傾けて、準備を正方形にすることを容易にする( 図1B )。
  7. カートリッジをマイクロマニピュレーターに取り付けられた臭気送達チューブに接続します。
    注記:この設計により、交換を容易にするためにカートリッジを外側に旋回させることができます( 図1C )。
  8. 1つの質量コントローラで一定の加湿空気流量を2 L /分に設定し、別の質量コントローラで付臭剤フローを500 mL /分に設定します。
  9. ソフトウェア( 表の表を参照)を使用して、500 msの臭気パフを管理する手順をプログラムします。

2.送達のためのパルミトレイン酸匂い溶液の調製

注:Or47b ORNは、 シス及びトランスパルミトレイン酸の両方に応答する。パルミトレイン酸はRで不安定であるのでTは-20℃で貯蔵し、開封後1ヶ月以内に使用する。エタノールは、パルミトレイン酸のために選択される溶媒である。

  1. ボルテックスミキサーを使用して、10μLのシスまたはトランス -パルミトレイン酸のストックまたは希釈液を、1.7mLのマイクロチューブで10倍連続希釈するために100μLのエタノール90μLと完全に混合する。実験前に毎日新鮮なパルミトレイン酸希釈液を調製し、1日以内に使用する。
    注:エタノールに溶けないにおい物質の場合、他の種類の有機溶媒で臭い希釈液を調製するには、ガラスバイアルの使用を推奨します。
  2. P10マイクロピペットを用いて、所望の希釈液のシス -パルミトレイン酸溶液5μLを対応するカートリッジの濾紙に塗布する。
    注:最高用量(10 -1 )には450μgの化合物が含まれています。 トランス -パルミトール酸溶液の場合、最高用量(10 -1 )に450μLのt彼は化合物。
  3. 溶媒を完全に蒸発させるために、パルミトレイン酸カートリッジを真空デシケーター中に室温および圧力7.59mmHgで1時間置く。
    注記:カートリッジはRTで4時間まで使用できます。

インビボ電気生理学的記録のためのat4センシラへの容易なアクセスのためのショウジョウバエの調製

注:WTハエ(ベルリン)は、12:12の明暗サイクルで25℃で標準的なコナミール培地で飼育される。勃起すると、ハエは性別によって10のグループに分けられ、それによって7歳までグループに収容されます。オスとメスの両方でor47b ORNがパルミトレイン酸に応答する。簡単にするために、現在の研究では雄ハエのみを調べる。

  1. フライ・プレップ・スライドを組み立てる:ガラス・スライド上にガラス・カバースリップ(18×18mm 2 )を少量のモデリング・クレー上に置き、スライドガラスと約3°の角度をなす。内部Eに両面テープを置きますカバースリップとすぐ下のスライドの領域に表示されます。記録の毎日のために新鮮なテープで交換してください( 図2A )。
  2. フライアスピレーター15を使用してチュービングのフライを集め、チューブの端に200μLのピペットチップを取り付けます。同時にチューブを前方に軽く叩きながらチューブに空気を吹き込み、ピペットチップの端にフライを押します。かみそりの刃を使って、フライの身体のすぐ下と、フライの上の2頭の長さを切断します。
  3. アンテナとクライスが両方露出するまで、飛行を上に押して、モデリング粘土でピペットチップの底を塞ぎます( 図2B )。フライの腹部が潰れないように、飛行機を殺すのを避けるために、アンテナとアルスターを暴露するのに十分な粘土だけを加えてください。さらに、粘土をゆっくりと穏やかに加えて突然の狭窄を防ぐ。ハエが生きていることを確認するには、または頸動脈の動き。
  4. フライを収容するピペットチップを操作するために鉗子を使用してください。頭頂部が観察者の右を向くように頭を向ける。アンテナの側面がテーピングされたカバースリップの表面( 図2B )に当たるまで、細かいピンセットを使用してカバースリップに沿って準備を調整します。
  5. アンテナを両面テープに固定して動きを防止するために、支柱に支柱を置きます ( 図2B )。
    注記:保持ロッドはピペットプラーでホウケイ酸ガラスキャピラリーから引き出され、モデリング粘土で定位置に保持されます ( 図2A )。
  6. リグのステージ上にプレパラートを置く( 図2C )。顕微鏡を使用して、トリコイドがアンテナの3番目のセグメントの遠位端に沿って見えることを確認します。
    注:理想的には、sensillaはバックグラウンドに対して明確なシルエットを持つ必要があります。記録を容易にします( 図3 )。この調製では、アクセス可能なトリコイド感受性物質の大部分はat4型である。
  7. 先に図2 に 示す ように、15のように、分取から約2cmの距離( 図4)からの別個の空気送達チューブを介して送達定数加湿空気流(2L /分)下で分取を保ちます。

4.パルミトレイン酸に反応したat4トリコイド中のOr47b ORNからのat4感覚活性の記録

  1. 参照電極を鞘に挿入する( 図3A )。組織の損傷を避けるために、電極が表面のすぐ下に挿入されていることを確認してください。電極がキューティクルの下の血リンパと接触できるようにしてください。
  2. ターゲット電極と同じ平面に入るまで記録電極をゆっくりと下げてください(= "xfig">図3B)。 50倍の対物レンズで記録します。
    注記:タフタコイダルキューティクルは、記録電極を感知器ベースに挿入する必要があり、その広い領域は、電極が偏向される可能性を低減する大きなターゲットを提供する( 図3B 、挿入図)。
  3. 感覚刺激に匂い刺激を加える前に、以下の選択基準を守ってください。これらの基準を満たしていないトリコイドは拒絶され、もう一つの感覚は選択されるべきである。
    1. 高い信号対雑音比(例として図3Cを参照)を観察してください。
    2. at4Aおよびat4Cニューロンからの同定可能なスパイクを観察する( 図3C )。
      注意:注目すべきは、at4Bスパイク振幅はat4A 10と非常によく似ており、臭い刺激なしでは容易に同定できないことです。
    3. at4Aニューロンの基礎発火率は、約20Hz以下である。
      注:この基準は、ニューロンの基礎発火率が基底ORNs 2のそれよりも高いため、at4Aに特有である。はるかに高い基礎発火は、ニューロンが電極挿入中に損傷を受けた可能性があることを示す。
  4. カートリッジを付臭剤供給チューブに接続します。溶媒制御装置で始め、次に臭い物質を低濃度から高濃度にします。マイクロマニピュレーターを使用してカートリッジを準備の方向に動かし、カートリッジを準備の頭に正対して向ける。数ミリメートル離れたところからカートリッジがアンテナに直接向いていることを目視で確認します ( 図4 )。
    注:目的は、カートリッジの開口部をアンテナに直接向け、標的組織に近接して配置することです。
  5. 付臭剤カートリッジが記録電極から右に1〜2 mm離れていることを確認してください。pを約1 mm下にスライドさせます。
    注記:ここで説明する設定では、付臭剤カートリッジは、記録電極、参照電極、フライ・プレップ・スライド( 図4 )と密接に接しています。
    注記:カートリッジと記録/参照電極間の距離に注意してください。約4 mmの距離をお勧めします1 。意図しない接触は、信号を終了させ、記録電極の先端を壊し、現在のニューロンに損傷を与え、さらなる記録を複雑にする可能性がある。
    注記:カートリッジとフライ・プレップ・スライドとの距離を考慮してください。カバースリップに触れても記録電極がはずれて記録が中断されることがあります。
  6. 記録を開始するには、データ収集ソフトウェアの "Record"を押します。
    注:10秒ごとの録音ごとに、ステップ1.9で説明したように、500 msの単一臭いパルスがアンテナに直接送られます。
  7. ニオイ剤塗布後、次の濃度のカートリッジに交換する前にカートリッジを注意深く引き出してください。投与量の全範囲が得られるまで続ける。
    注:適応の影響を避けるために、各フライから1つのOr47b ORNしか記録されないことが推奨される。
  8. 記録電極を蒸留水で徹底的にすすいでください。
  9. 市販のオフライン解析ソフトウェアを使用してデータを分析およびプロットする。

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結果

我々の技術は、パルミトレイン酸のシス ( 図5B )異性体対トランス ( 図5A )の相対的有効性を決定するために首尾よく適用された。本発明者らの代表的なデータは、 トランス -パルミトレイン酸が、 シスアイソフォームと比較した場合、Or47b ORNのより有効なリガンドであることを実証する( 図5C )。単一のニューロンを各フライから記録し、投与曲線ごとに12個のハエを記録し、合計24個のハエを記録した。集団データは、実験の3回の独立した反復から得られ、それぞれ8枚のハエが記録された。エラーバーは、

注目すべきは、匂いカートリッジの開口部とフライの頭部との間の距離は、記録の結果に重要な影響を及ぼすことで...

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ディスカッション

ここでは、Or47b ORNのパルミトレイン酸に対する応答を強く誘発し、記録することができる手順を記載した。我々は不十分フェロモン臭気物質の送達の問題を解決するために、従来の長距離臭気配信方法2、7、10を修正しました。臭気物質カートリッジを介して化合物を送達することにより、低い臭気物質の揮発性の問題に対処した。その開口部は、調製のミリメートル以内に配置されている。各匂いカートリッジの一貫した構築および配置を考慮すると、このプロトコルは、アクセスできない匂い物質を再現可能な方法で提示する有効な方法として現れる。

ここに記載された近距離匂い提示手順は、既存の匂い配送方法に関して重要である。それは、他のlのスクリーニングトリコイド感覚器1に収容されたORNだけでなく、任意の感覚器タイプに見られるORNにおける応答のための低変動性臭気物質である。この手順は...

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開示事項

著者は何も開示することはない。

謝辞

私たちはサンプルの痕跡とTin Ki Tsangの助けを借りて、絵の助けを借りてYe Zhangに感謝します。この研究は、レイ・トーマス・エドワーズの早期キャリア賞とC.-YSおよびNIHグラント(R01DC009597およびR01DK092640)のNIHグラント(R01DC015519)がJWW

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Prepセットアップ&その他の材料
ピペットプーラー機器 Sutter Instruments
Novato CA USA
P97ペットプーラー
ホウケイ酸ガラス毛細血管World Precision Instruments
Sarasota FL USA
1B100F-4to make holding rods
アルミノケイ酸ガラス毛細血管 Sutter Instruments
Novato CA USA
AF100-64-10to make electrodes
Superfrost microscope SlidesFisher Scientific
Pittsburgh PA USA
12-550-143for fly-prep station
Permanent Double Sided TapeScotch
St. Paul MN USA
NA forfly-prep station
Upright microscopeOlympus
Shinjuku Tokyo Japan
BX51レコーディングリグ
Plastalinaモデリング粘土Van Aken
ノースチャールストンSC米国
B0019QZMQQ、準備ステーション用および保持ロッドを安定させるための
SFCAメンブレン付きRapid-Flow滅菌使い捨てフィルターユニット、0.45 mmNalgene
Rochester NY USA#
156-4045AHL溶液を滅菌する
Name>Company   カタログ番号コメント
カートリッジ材料   
200 & マイクロ;Lピペットチップ VWR
Radnor PA USA
53508-810臭気カートリッジを作成し、
準備フィルターペーパーWhatman
Maidstone Kent UK
740-E臭気カートリッジを作るために 
真空デシケーター コールパーマー
バーノンヒルズイリノイ州
VX-06514-30エタノール溶剤を気化させる
名前会社   カタログ番号コメント
臭気材料   
cis-パルミトレイン酸Cayman Chemical
Ann Arbor MI USA
#10009871 (CAS # 373-49-9)Or47b 臭気
剤 トランスパルミトレイン酸Cayman Chemical
Ann Arbor MI USA#
9001798 (CAS # 10030-73-6)Or47b 臭気剤
エタノールSpectrum Chemical MFG. 
New Brunswick NJ USA
E1028-500MLGLto dilute palmitoleic acid 
名前会社   カタログ番号コメント
Rigセットアップ材料   
Odorant Cartridge MicromanipulatorSiskiyou
Grants Pass OR USA
MX130Rは、嗅覚計
のFlow Visionソフトウェアを配置します Alicat
タスコン アリゾナ
米国 FLOWVISIONSC流量を制御するソフトウェア
質量コントローラーAlicat
タスコン アリゾナ州 米国
MC-2SLPM-D加湿空気の流量を制御する
質量コントローラーAlicat
タスコン アリゾナ州 米国
MC-500SCCM-D臭気刺激の流量を制御する
ClampexMolecular Devices
サニーベール CA USA
Ver. 10.4データ収集ソフトウェア
Air delivery tubeAce Glass
Vineland NJ USA
8802-936 加湿された空気を届けるために
50倍対物レンズ Olympus
新宿 日本
LMPLFL50Xレコーディングリグ
Clampfit 10Molecular Devices
Sunnyvale CA USA
Ver. 10.4スパイク解析用ソフトウェア 
Igor Pro 6WaveMetrics
Lake Oswego OR USA
Ver. 6.37データ分析用ソフトウェア 
オーディオモニターALA Scientific Instruments
Farmingdale NY US AA
NPIEXB-AUDIS-08BAurally reports individual spikes
Extracellular AmplifierALA Scientific Instruments
Farmingdale NY
NPIEXT-02Fto increase the amplitude of electrical signals
ControllerWarner Instruments   VC-8気刺激のためのバルブの開度を制御する
記録電極 マイクロマニピュレーターSutter Instruments
Novato CA
USA MP-285記録電極の位置
Headstage AmplifierALA Scientific Instruments
Farmingdale NY US
EQ-16.0008電気信号の振幅を増加させる
シロスコープTektronix
BeavertonOR USA
TDS2000C個々のスパイクのビジュアルレポート
ピ米国州 US Valve 臭 オ

参考文献

  1. Lin, H. -H., et al. Hormonal modulation of pheromone detection enhances male courtship success. Neuron. 90 (6), 1272-1285 (2016).
  2. Hallem, E. A., Carlson, J. R. Coding of odors by a receptor repertoire. Cell. 125 (1), 143-160 (2006).
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  4. Min, S., Ai, M., Shin, S. A., Suh, G. S. B. Dedicated olfactory neurons mediating attraction behavior to ammonia and amines in Drosophila. Proc Nat Acad Sci USA. 110, 1321-1329 (2013).
  5. Kurtovic, A., Widmer, A., Dickson, B. J. A single class of olfactory neurons mediates behavioural responses to a Drosophila sex pheromone. Nature. 446 (7135), 542-546 (2007).
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  12. Kimura, K. -I., Sato, C., Yamamoto, K., Yamamoto, D. From the back or front: the courtship position is a matter of smell and sight in Drosophila melanogaster males. J Neurogenet. 29 (1), 18-22 (2015).
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  15. Pellegrino, M., Nakagawa, T., Vosshall, L. B. Single sensillum recordings in the insects Drosophila melanogaster and Anopheles gambiae. J Vis Exp. (36), e1-e5 (2010).

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