自閉症スペクトラム障害(ASD)は、社会的およびコミュニケーション的行動の障害と反復行動の出現に関連しています。 ショウジョウバエ モデルにおけるASD遺伝子と行動障害との相互関係を研究するために、この論文では、社会的間隔、攻撃性、求愛、グルーミング、および慣れ行動を分析するための5つの行動パラダイムについて説明します。
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自閉症スペクトラム障害(ASD)は、社会的およびコミュニケーション的行動の障害と反復行動の出現に関連しています。 ショウジョウバエ モデルにおけるASD遺伝子と行動障害との相互関係を研究するために、この論文では、社会的間隔、攻撃性、求愛、グルーミング、および慣れ行動を分析するための5つの行動パラダイムについて説明します。
自閉症スペクトラム障害(ASD)は、社会的相互作用やコミュニケーション能力の欠損、制限された行動や反復的な行動の強化、場合によっては学習障害や運動障害などの一般的な行動症状を伴う神経発達障害の異質なグループを包含しています。 ショウジョウバエ は、多くのヒトの疾患をモデル化するための比類のないモデル生物としての役割を果たしてきました。ASDには多くの遺伝子が関与しているため、ショウジョウバエは、障害に関与していると推定される遺伝子をテストする強力で効率的な方法として浮上しています。ASDには、さまざまな機能的役割を持つ何百もの遺伝子が関与しているため、ASDの単一の遺伝的ハエモデルは実現不可能です。代わりに、個々の遺伝子変異体、遺伝子ノックダウン、またはASD関連遺伝子のハエホモログの過剰発現ベースの研究が、これらの遺伝子産物の根底にある分子経路に関する洞察を得るための一般的な手段です。 ショウジョウバエ では、特定の行動要素の欠損を簡単に読み取ることができる多くの行動手法が利用可能です。ソーシャルスペースアッセイ、およびハエの攻撃性および求愛アッセイは、社会的相互作用またはコミュニケーションの欠陥を評価するのに有用であることが示されています。ハエのグルーミング行動は、反復行動の優れた読み出しです。ハエのアハエでは、一部のASD患者で影響を受けることがわかっているアハエの学習能力を推定するために使用されます。これらの行動パラダイムの組み合わせを利用して、ハエのヒトASD様疾患状態を徹底的に評価することができます。 Fmr1 変異型ハエ、ヒトにおけるFragile-X症候群の再現、およびハエニューロンにおけるPOGZ-ホモログ 行 ノックダウンを用いて、社会的間隔、攻撃性、求愛行動、グルーミング行動、および慣れにおける定量化可能な欠損を示しました。これらの行動パラダイムは、ハエモデルにおけるASDやその他の神経発達障害の研究に広く使用されることを前提として、ここでは最も単純でわかりやすい形で示されています。
自閉症スペクトラム障害(ASD)は、神経障害の異質なグループを包含しています。これには、社会的コミュニケーションと社会的相互作用における多文脈的で持続的な欠損、および制限された反復的な行動および活動パターンと関心の存在を特徴とする、さまざまな複雑な神経発達障害が含まれます1。世界保健機関(WHO)によると、世界中で100人に1人の子供がASDと診断されており、男女比は4.22です。この病気は生後2年目または3年目に明らかになります。ASDの子供は、社会的感情的な互恵性、非言語的コミュニケーション、および関係スキルに関心がないことを示しています。彼らは、型にはまった運動、柔軟性に欠ける儀式化されたルーチンのフォロー、制限された興味への集中など、反復的な行動を示します。ASDの子供は、触覚、嗅覚、音、味覚に対して高い反応を示しますが、痛みと温度の反応は比較的低いです1。この障害の浸透度は、ASDに苦しむ患者によっても異なるため、変動性が増加します。
ASDの現在の臨床診断は、ASDのすべての形態をカバーする確認的なバイオマーカーベースまたは一般的な遺伝子検査がないため、個人の行動評価に基づいています3。遺伝的および神経生理学的基盤を解読することは、治療戦略を標的にするのに役立ちます。過去10年間で、大規模な研究により、ASD患者で欠失または変異した、または発現レベルが変化する数百の遺伝子が特定されました。現在進行中の研究では、マウスやショウジョウバエなどのモデル生物を用いて、これらの候補遺伝子の寄与を検証することを強調しており、これらの遺伝子をノックアウトまたはノックダウンした後、ASD様の行動障害の検査を行い、異常を引き起こす根本的な遺伝的および分子的経路を解明しています。ヒト染色体遺伝子座16p11.2でコピー数多型(CNV)を再現したマウスモデルは、ASDの行動上の欠陥4,5,6の一部を示しています。催奇形性薬物バルプロ酸(VPA)への出生前曝露は、ヒトASD7,8に似た形質を示す別のマウスモデルです。さらに、遺伝的症候群に関連する自閉症を示すマウスモデル、例えば、Fmr1、Pten、Mecp2、Cacna1cの突然変異によって引き起こされる単一遺伝子症候群モデル、およびCntnap2、Shank、Neurexin、またはNeuroligin遺伝子5のような遺伝子の突然変異によって引き起こされる単一遺伝子非症候群モデルが存在する。
ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)は、ASDを含む多数のヒト疾患の細胞、分子、および遺伝的基盤を研究するためのもう1つの著名なモデル生物です9。ショウジョウバエとヒトは、分子レベル、細胞レベル、シナプスレベルで高度に保存された生物学的プロセスを共有しています。ショウジョウバエは、ASDに関連する遺伝子を特徴付け、シナプス形成、シナプス機能と可塑性、神経回路の組み立て、および成熟におけるそれらの正確な役割を解読するために、ASD研究10,11,12で成功裏に使用されています。ASD関連遺伝子のハエ相同体は、社会的および/または反復行動の調節に役割を果たしていることがわかった11,13,14,15,16,17,18,19,20,21。ショウジョウバエは、ASD遺伝子とその変異体15,22,23のスクリーニングのモデルとしても機能しています。ハエのASD研究における最大の課題は、他の疾患モデルとは異なり、単一のASDハエモデルがないことです。特定のASD遺伝子の突然変異やノックダウンの影響を理解するためには、研究者は行動表現型がASD患者の症状を十分に模倣しているかどうかを検証し、表現型の分子的または生理学的基盤の理解に進む必要があります。
したがって、ASD様表現型の検出は、ハエモデルでのASD研究に不可欠です。社会的行動/相互作用、コミュニケーション、反復行動、刺激に対する反応性の欠損などの異常を検出することを可能にする、いくつかの行動技術が長年にわたって登場してきました。さらに、これらの行動手法のいくつかの修正とアップグレードは、アップスケーリング、アッセイの自動化、読み出し、定量、比較方法などの特定の要件に合わせて、さまざまなラボで行われています。このビデオ記事では、5つの行動パラダイムの最も基本的なバージョンが示されており、それらを組み合わせることで、ASDのような行動結果を最も簡単な方法で検出できます。
攻撃性は、生存と生殖に影響を与える進化的に保存された生来の行動です24。同種に対する攻撃的な行動は、「社会化の動機」25,26および「コミュニケーション」27の影響を受け、どちらもASDの影響を受けた個人では損なわれます。攻撃的な行動はショウジョウバエによく記載されており、堅牢な攻撃性アッセイ28,29,30およびよく理解された遺伝的および神経生物学的基礎31を通じてその定量化可能性は、ハエモデルにおけるASD表現型を評価するための適切な行動パラダイム32となる。攻撃性は、社会環境から離れた社会的孤立の影響を受け、それが攻撃性の強化につながります。オスのハエが数日間隔離されて飼育されている場合も同じことが観察されています33,34。ハエの社会性を定量化する別の行動アッセイは、ハエの小グループにおける最も近い隣人とハエ間の距離を測定するソーシャルスペースアッセイ35であり、ハエ12,21,36,37および環境的に誘発されたASDハエモデル38におけるASD遺伝子オルソログの役割をテストするのに最適である。39.
ショウジョウバエの求愛アッセイは、自閉症関連遺伝子18,19,21,40を含む、回路または遺伝子操作による社会的およびコミュニケーションスキルの変化をアッセイするために頻繁に使用される別の行動パラダイムです。ASD患者には反復的な行動パターンが一般的であり、ハエではグルーミング行動(清掃やその他の目的で行われる一連の明確なステレオタイプな行動)によって再現されます。これは、ハエ21,41のASD遺伝子変異の影響、および化学物質38,39への曝露の影響をアッセイするために成功裏に使用されています。アッセイの複数の進歩と自動化は、16,41,42,43以前に説明されています。ここでは、最も基本的なアッセイパターンを示しており、これは採用と定量が容易です。
ASDは、一部の患者44,45,46,47,48,49,50、ASDモデル生物51,52の慣れ、学習、および記憶の能力に影響を与えることが知られており、また、さまざまな嗅覚行動50の欠損を引き起こします。ショウジョウバエのライトオフジャンプ慣れは、ASD遺伝子のスクリーニングに以前に使用されてきました23。馴化は、嗅覚馴化アッセイ53,54,55の簡単な方法によってアッセイすることができる。我々は、嗅覚の慣れを誘導する方法を説明し、ASD遺伝子変異体または遺伝子ノックダウン状態における馴化の欠陥を検出するために使用できる古典的なY迷路ベースのバイナリ匂い選択アッセイ56を使用して結果をアッセイする。突然変異(または遺伝子ノックダウン)または薬理学的治療がハエの行動に及ぼす影響がASD様表現型に相当するかどうかを評価するために、ここで説明するこれらの5つのアッセイを組み合わせて使用できます。
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このプロトコルで使用されるすべての材料および試薬に関連する詳細については、 材料の表 を参照してください。
1. アグレッションアッセイ
2. ソーシャルスペースアッセイ
注:ここで述べるアッセイプロトコル、アリーナ、および分析は、以前に説明されている60,61。
3.求愛アッセイ
4. グルーミング行動アッセイ
5. 嗅覚馴染のアッセイ
注:図5に示すように、最終的な組み立てはY-迷路アッセイ54,56の日に行う必要があります。
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アグレッションアッセイ
ハエASDモデルとして、Fmr1変異型ハエが用いられている63,64。w1118匹の雄を対照として用い、Fmr1トランスヘテロ接合体Fmr1Δ113M/Fmr1Δ50M57匹の雄を実験用ハエとして使用した。成人男性は、隔離チューブに5日間収容されました。同型男性(同じ遺伝子型、同じ住居条件)が攻撃性アリーナに導入され、彼らの行動が20分間記録されました。20分間の攻撃的な発作の総数を遺伝子型ごとにカウントしました。20分間の攻撃的な発作の数は、変異した雄の場合、対照雄よりも有意に減少することがわかりました(図1E)。Fmr1のハエにおけるこの攻撃性の低下は、他のハエとの社会的相互作用への関心の低下によるものかもしれない。対照的に、グループ/社...
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ショウジョウバエ は、ハエとヒトの疾患遺伝子との間の遺伝子配列の高度な保存により、ヒトの神経障害の研究のための優れたモデル生物として使用されています9。数多くの堅牢な行動パラダイムにより、ヒトの疾患を再現する突然変異体に現れる表現型を研究するための魅力的なモデルとなっています。自閉症スペクトラム障害(ASD)には何百もの遺伝子が関与しているため、どのモデル生物にも共通のASDモデルは存在しません。したがって、各変異体について、研究者はまずハエのASD様表現型を確立する必要があります。この論文では、そのような評価のために5つのハエ行動パラダイムを協調して使用することを提案することにより、プロセスを合理化することを試みました。これらのパラダイムは、ヒトASD患者の主要かつ一般的に発生する行動障害(社会的およびコミュニケーション障害、反復行動の強化、および慣れ障害)を評価するためにハエで採用されています。ハエの遺伝子変異がこれら5つのパラダイムのすべてまたはほとんどに欠陥を示している場合、それはASDのようなシナリオを強く示している可能性があります。
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著者には、開示すべき利益相反はありません。
慣れと匂い選択アッセイのセットアップを提供してくれたMani Ramaswami氏(NCBS、バンガロール)とBaskar Bakthavachalu氏(IIT Mandi)、アグレッションアッセイに関する貴重な提案をしてくれたPavan Agrawal氏(MAHE)、求愛アッセイチャンバーのプロトタイプとFmr1変異フライラインを共有してくれたAmitava Majumdar氏(NCCS、プネー)、MB247-GAL4ラインを共有してくれたGaurav Das氏(NCCS、プネー)に大変感謝しています。ショウジョウバエ株については、Bloomington Drosophila Stock Center(BDSC、米国インディアナ州)、国立遺伝学研究所(国立遺伝研、京都)、バナーラスヒンドゥー大学(BHU、バラナシ、インド)、国立生物科学センター(NCBS、バンガロール、インド)に感謝します。研究室での研究は、SERB-DST(ECR/2017/002963)からADへの助成金、ADに授与されたDBT Ramalingaswamiフェローシップ(BT/RLF/Re-entry/2016年11月)、およびインドのIITカラグプルからの機関支援によって支援されました。SDとSMは博士号を受け取りますCSIR-Senior Research Fellowshipからフェローシップ。PMは、インドのMHRDから博士号を取得しました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アグレッションアリーナ: | |||
| 透明なポリスチレン | 12 cm x 8 cm x 2 cm. 1つのウェルの直径= 18 cm. Sigma-aldrich #Z707791; 深さ= 1 cm | ||
| 透明なプラスチック/アクリルシート | 代替:細胞培養プレートの穴あき蓋 | ||
| Social Space Assay: | |||
| バインダークリップ | 19 mm | ||
| カスタマイズされたサイズの | 厚さ= 5 mm | ||
| 求愛アッセイ: | |||
| ナットとボルト、カスタマイズされた | |||
| のねじ切りパースペックスシートi)蓋:カスタムメイドの丸い透明なパースペックスディスク(厚さ2〜3 mm、直径70 mm)で、周辺領域に1つのローディング穴と中央に別のネジ穴(それぞれ直径~3 mm)があります。ii)中心から等距離にある直径15mmの6〜8個のミシン目を持つ、2番目の透明で厚いパースペックスディスク(厚さ3〜4mm、直径70mm)。iii)ベース:ローディングホールなしを除いて蓋と同じです | |||
| グルーミングアッセイ: | |||
| 拡散ガラスで覆われたLEDパネル | 10–15ワットの天井に取り付け可能なLEDパネル | ||
| HabituationおよびY迷路アッセイ | |||
| クライミングチャンバーx2 | |||
| に接続するための | 、カスタムメイド、Figure 5A | ||
| >Clear試薬ボトルBorosil | #1500017 | ||
| ガス洗浄ストッパー | ボロシル #1761021 | ||
| ガラスバイアル | OD= 25 mm x 高さ= 85 mm;ホウケイ酸ガラス | ||
| 臭気物質(酪酸エチル) | メルク #E15701 | ||
| パラフィンワックス(液体)ライト | SRL #18211 | ||
| ローラークランプ | Polymed #14098 | ||
| シリコーンチューブ | OD = 0.6 cm, ID = 0.3 cm; 流量制御用ローラークランプ | ||
| 真空ポンプ | 花 #HN-648 (流れ方向の任意の水槽ポンプ手動で反転) | ||
| Y迷路 | ホウケイ酸ガラス | ||
| Y字型ガラス管(ホウケイ酸ガラス) | カスタムメイド、Figure 5A | ||
| での測定一般的なアイテム: | |||
| ビデオ再生用の任意のソフトウェア(VLCメディアプレーヤーなど) | https://www.videolan.org/vlc/ | ||
| ビデオデータ分析 | |||
| フライボトル | OD= 60 mm x 高さ= 140 mm; ガラス/ポリプロピレン | ||
| フライバイアル | OD= 25 mm x 高さ= 85 mm;ホウケイ酸ガラス | ||
| グラフパッド プリズムソフト | https://www.graphpad.com/scientific-software/prism/www.graphpad.com/scientific-software/prism/ | ||
| ImageJ ソフト | |||
| https://imagej.net/downloads タイマー | |||
| ビデオカメラ ビデオ録画機能 | ビデオカメラ ビデオカメラ または携帯電話のカメラが動作します | ||
| フライアスピレーター用: | |||
| 綿 | 吸収剤、オートクレーブパラ | ||
| フィルム | シグマアルドリッチ #P7793 | ||
| ピペットチップ | 200µLまたは1000µL、シリコンチューブの外径にdepedingを選択します | ||
| シリコン/ゴムチューブ | の長さ= 30-50 cm。チューブは無臭 | ||
| <強くなければなりません>フライフードの組成: | |||
| 成分(食品1Lの量) | |||
| 寒天(8 g) | SRL #19661(CAS:9002-18-0) | ||
| コーンスターチ(80 g) | 有機、地元調達D | ||
| -グルコース(20 g) | SRL#51758(CAS:50-99-7) | ||
| プロピオン酸 (4 g) | SRL # 43883 (CAS: 79-09-4) | ||
| ショ糖 (40 g) | SRL # 90701 (CAS: 57-50-1) | ||
| Tego (メチルパラヒドロキシ安息香酸) (1.25 g) | SRL # 60905 (CAS: 5026-62-0) | ||
| 酵母粉末 (10 g) | HIMEDIA # RM027 | ||
| この研究の実験で使用したフライライン: | |||
| 野生型(カントンSまたはCS) | BDSC #64349 | ||
| w1118 | BDSC #3605 | ||
| w [1118];Fmr1[&デルタ;50M]/TM6B, Tb[+] | BDSC # 6930 | ||
| w[*];Fmr1[&デルタ;113M]/TM6B, Tb[1] | BDSC # 67403 | ||
| MB247-GAL4 (Gaurav Das, NCCS Pune, India) | BDSC # 50742 | ||
| LN1-GAL4 | NP1227, NPコンソーシアム, Japan | ||
| row-shRNA | BDSC # 25971 |
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