서골비기관(VNO)은 사회적 및 생식 정보를 전달하는 종내 화학 신호를 감지합니다. 본 연구진은 VNO 조직에서 G-CaMP2를 발현하는 형질전환 생쥐를 사용하여 Ca2+ 이미징 실험을 수행하였습니다. 이러한 접근 방식을 통해 수많은 페로몬 자극에 대한 서골비 뉴런의 복잡한 반응 패턴을 분석할 수 있습니다.
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서골비기관(VNO)은 사회적 및 생식 정보를 전달하는 종내 화학 신호를 감지합니다. 본 연구진은 VNO 조직에서 G-CaMP2를 발현하는 형질전환 생쥐를 사용하여 Ca2+ 이미징 실험을 수행하였습니다. 이러한 접근 방식을 통해 수많은 페로몬 자극에 대한 서골비 뉴런의 복잡한 반응 패턴을 분석할 수 있습니다.
서골비기관(vomeronasal organ, VNO)은 동일 종 내 개체들의 사회적, 성적 및 생식 상태에 대한 정보를 담고 있는 화학 감각 신호를 감지합니다 1,2. 페로몬이라고 하는 이러한 종 내 신호와 일부 포식자로부터 오는 신호는 3 매우 높은 특이성과 민감도로 서골비 감각 신경세포(vomeronasal sensory neurons, VSNs)를 활성화합니다 4. 화학 감각 단서를 감지하는 과정을 매개하기 위해 V1R, V2R 및 FPR 5-14의 최소 세 가지 서로 다른 G-단백질 결합 수용체 가족이 VNO 신경세포에서 발현됩니다. VNO가 페로몬 정보를 어떻게 인코딩하는지 이해하기 위해서는, 다양한 자극에 대한 개별 VSN의 반응 프로필을 분석하고 이러한 반응을 매개하는 특정 수용체를 식별하는 것이 매우 중요합니다.
VNO의 신경상피는 한 쌍의 서골(vomer bones)에 둘러싸여 있습니다. VNO의 반맹관 구조는 비강과 연결되는 하나의 개구부(서비관, vomeronasal duct)를 가지고 있습니다. VSN은 수지상 돌기를 VNO의 내강 부분까지 뻗으며, 이곳에서 페로몬 신호가 수지상 돌기 노브(dendritic knobs)에 발현된 수용체와 접촉하게 됩니다. VSN의 세포체는 가층층 구조를 형성하며, V1R과 V2R이 각각 정단층과 기저층에 발현됩니다 6-8. 감각 자극에 대한 VSN의 반응을 모니터링하기 위해 여러 기술이 활용되어 왔습니다 4,12,15-19. 이러한 기술들 중에서 급성 절편 제작법(acute slice preparation)은 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 분리된 VSN 3,17과 비교하여 절편 제작법은 뉴런을 본래의 형태대로 유지하며 세포의 수지상 돌기가 상대적으로 온전하게 보존됩니다. 둘째, 상피 전체나 전체 마운트(whole-mount) 제작법에 비해 12,20 VNO의 관상 절편(coronal slice)에서는 VSN의 세포체에 쉽게 접근할 수 있어 전기생리학적 연구와 이미징 실험이 가능합니다. 셋째, 이 방법은 분자 클로닝 기술과 결합하여 수용체 식별을 가능하게 할 수 있습니다.
감각 자극은 VSN에서 수용체 활성화를 나타내는 강력한 Ca2+ 유입을 유도합니다 4,21. 이에 따라 우리는 VSN을 포함한 후각 sensory neuron에서 G-CaMP2를 발현하는 형질전환 마우스를 개발하였습니다 15,22. 이 프로브의 민감도와 유전적 특성은 Ca2+ 이미징 실험을 크게 용이하게 합니다. 이 방법은 이전 연구들 4,21에서 사용된 염료 로딩 과정을 제거하였습니다. 또한 우리는 VNO 절편에 다양한 자극을 가할 수 있는 리간드 전달 시스템을 채택하였습니다. 이 두 가지 기술의 결합을 통해 수많은 자극에 반응하는 여러 뉴런을 동시에 모니터링할 수 있습니다. 마지막으로, 이미지 프로세싱을 돕기 위한 반자동 분석 파이프라인을 구축하였습니다.
1. 용액 준비
| 화학 물질 | MW(g/mol) | mM (1X) | 10X 스탁 (g/L) |
| NaCl | 58.44 | 125 | 73.05 |
| KCl | 74.55 | 2.5 | 1.86 |
| MgCl2 | 1 M 스탁 | 1 | 10 ml |
| CaCl2·2H2O | 147.02 | 2 | 2.94 |
| NaH2PO4·H2O | 137.99 | 1.25 | 1.72 |
| 화학 물질 | MW(g/mol) | mM (1X) | 10X 스탁 (g/L) |
| NaHCO3 | 84.01 | 25 | 21 |
| 화학 물질 | MW(g/mol) | mM (1X) | 10X 스탁 (g/L) |
| NaCl | 58.44 | 125 | 73.05 |
| KCl | 74.55 | 2.5 | 1.86 |
| MgCl2 | 1 M 스탁 | 2 | 20 ml |
| CaCl2·2H2O | 147.02 | 2 | 2.94 |
| HEPES | 1 M 스탁 | 5 | 50 ml |
2. VNO 슬라이스 준비
3. 이미징 챔버 설정
4. 타임랩스 이미징
5. 데이터 분석
6. 대표 결과
네 마리의 개별 마우스로부터 수집한 소변 샘플을 이용한 VNO 이미징 실험의 예가 그림 5에 제시되어 있습니다. 슬라이스는 다양한 활성화 패턴을 보이며 소변 자극에 반응합니다. 최소 하나 이상의 소변 자극에 반응을 보이는 약 80개의 세포가 식별되었으며, 이들의 반응 ΔF/F 값이 히트맵(그림 5A)에 표시되었습니다. 세포 1, 2, 3의 반응 추적 곡선은 그림 5B에 표시되어 소변 자극에 의한 시간 경과별 활성화를 보여줍니다. 세포 1은 암컷 소변 샘플 모두에 반응하지만 수컷 샘플에는 반응하지 않는 반면, 세포 2는 이와 반대되는 활성화 패턴을 보이며 수컷 샘플 모두에만 반응합니다. 세포 3은 개별 수컷 및 암컷 샘플 모두에 의해 활성화됩니다. 세포 1과 2는 소변 내의 성별 특이적 신호에 대해 특징적인 반응을 보입니다 15.

그림 1 VNO 박리 과정의 모식도. A. 마우스 머리 내 VNO의 해부학적 위치. G-CaMP2 마우스의 머리를 해부하여 구개부의 연조직을 제거해 VNO가 드러나도록 뒤집어 놓은 상태이다. 삽입도는 동일한 부위의 형광 이미지이다. VNO의 신경상피가 밝은 녹색으로 나타난다. B. 보메르뼈(vomer bone)에 둘러싸인 격리된 VNO의 측면 모습(위)과 동일한 VNO의 형광 이미지(아래). C. VNO의 관상면 뷰 및 해부 과정. 하나의 VNO를 비중격에서 분리하고, 이후 서골(vomer bone)을 제거하여 신경상피를 추출할 수 있다. D. VNO는 LMA 내에 매립되어 있습니다. E. 포매 블록을 절편 제작을 위한 조직 홀더에 접착합니다. 조직 홀더를 180도 각도로 전진시킵니다.200 μm 절편 제작을 위해 금속 배럴 밖으로 아가로스 블록을 밀어냅니다. 절단 칼날은 금속 배럴에 가깝게 배치합니다. F. VF300 조직 절편기 시스템의 측면도. B.V., 혈관. N.E., 신경상피.

그림 2 VNO 절편. A. VNO 절편은 상온의 산소 공급 mACSF 내에서 유지된다. B. VNO 절편의 DIC 이미지. C. G-CaMP2 마우스 VNO의 2-광자 이미지. 스케일 바, 50 μm.

그림 3 관류 시스템 설정 모식도. A. 입구와 출구가 있는 전형적인 관류 챔버. VNO 슬라이스는 챔버 중앙에 위치하며 조직 앵커로 눌려 있다. VNO 조직이 압박되지 않도록 조직 앵커에서 중간 나사들을 제거한다. B. 관류 챔버를 침수 렌즈(dipping objective) 아래의 현미경 스테이지 위에 배치합니다. mACSF 유입구, 흡입 배출구 및 관류 팁이 표시되어 있습니다. C. 단일 배럴 시린지 펌프를 통해 링거액을 관류 팁으로 지속적으로 주입합니다. D. 자극 샘플의 편리한 로딩 및 주입을 위해 HPLC 인젝션 루프 시스템을 채택하였습니다. E. 로딩 및 주입 위치에서의 흐름 방향을 나타낸 모식도. 링거액, 녹색. 자극 시료, 마젠타색. 화살표는 흐름 방향을 나타냄. F. 관류 시스템의 지연 및 세척 시간 측정. Rhodamine 6G 형광 염료를 샘플 루프에 로딩하고, 화살표로 표시된 5초 시점에 밸브를 주입 위치로 전환한다. 형광 신호의 변화가 10-30초 사이에 검출되며 이후 감소한다.

그림 4 이미지 처리 파이프라인. A. 한 슬라이스의 모든 이미지 프레임을 참조 프레임에 맞춰 등록합니다. B. 스택의 최소 투영(minimal projection)을 원본 프레임에서 뺍니다. 뺄셈 후에는 응답 세포들이 뚜렷하게 나타납니다. C. ROI를 선택하고 해당 좌표를 마스터 리스트로 작성합니다. D. 원본 스택에서 ROI 마스터 리스트를 사용하여 응답 세포를 측정합니다.

그림 5 대표적인 G-CaMP2 VNO 이미징 실험. A. 개별 수컷 및 암컷 소변으로 자극된 슬라이스의 ΔF/F 응답 히트맵. 소변 샘플은 개별 수컷 및 암컷 마우스로부터 수집되었다. X축은 슬라이스에서 식별된 응답 세포를 나타낸다. Y축은 실험에 사용된 소변 샘플을 나타낸다. 컬러 바는 ΔF/F 값을 나타낸다. B. A에서 표시된 3가지 대표 세포의 응답 시간 경과. 화살표는 자극 적용 시점을 나타낸다. F-FVB, 암컷 FVB; F-CBA, 암컷 CBA; M-FVB, 수컷 FVB; M-BL6, 수컷 C57BL/6.
특정 시약 및 장비 표:
| 시약 및 기기 명칭 | 제조사 | 카탈로그 번호 | 비고 (선택 사항) |
| 관류 챔버 | Siskiyou | PC-H | 수평형 |
| 슬라이스 고정 장치 | Warner Instruments | SHD-22CL | |
| 관류 포트 홀더 | ALA scientific, Inc. | MPIOH-S | |
| 시린지 펌프 | New Era Pump Systems, Inc. | NE-300 | |
| 저압 주입 밸브 | Chromtech | V-451 | |
| PEEK 튜빙 | Chromtech | 1531 | 1/16" OD, 0.25mm ID |
| PEEK 샘플 루프 | Chromtech | 1803 | 20 μL |
| Hamilton 시린지 | Chromtech | 80630 | 100 μL |
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Dulac과 Axel에 의해 발견된 이후 5, 대다수의 서골비강 수용체(vomeronasal receptors, VRs)는 여전히 오판 수용체(orphan receptors)로 남아 있습니다. 이러한 화학감각 수용체의 페로몬 리간드와 동물의 행동을 매개하는 이들의 역할은 아직 명확히 밝혀지지 않았습니다. 지금까지는 단 한 쌍의 리간드/수용체인 ESP1 펩타이드와 그 인지 수용체인 Vmn2r116 (V2Rp5)만이 확인되었으며, 이들이 특정한 사회적 정보를 전달한다는 것이 입증되었습니다 19,23. 또 다른 수용체인 V1rb2는 암컷 생쥐의 소변에 풍부한 것으로 추정되는 2-heptanone에 반응하는 것으로 나타났습니다 24. 그러나 이 리간드에 의해 전달되는 구체적인 정보는 여전히 불분명합니다. 본 연구에서 개발한 방법은 수많은 자극에 대한 VNO 뉴런의 반응 특성화와 활성화 패턴 분석을 가능하게 합니다. 이 방법을 사용하여, 특정 세포들이 수컷 또는 암컷의 소변에 특...
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선언된 이해상충 없음.
동물 사육 및 기술 서비스에 대해 훌륭한 지원을 제공해 주신 Andrea Moran과 Stowers Institute의 실험동물서비스센터(LASF) 구성원들에게 감사드립니다. 본 연구는 Stowers Institute와 NIH(NIDCD 008003)로부터 CRY가 받은 연구비 지원을 통해 수행되었습니다. 본 콘텐츠의 책임은 전적으로 저자들에게 있으며, 국립청각 및 기타 의사소통 장애 연구소 또는 국립 보건원의 공식 견해를 반드시 대변하는 것은 아닙니다. tetO-G-CaMP2 마우스에 대해 Stowers Institute, CRY 및 LM의 미국 특허가 출원 중입니다.
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