Summary
Qui descriviamo due saggi che sono stati stabiliti per studiare neurodegenerazione età-dipendente di dopaminergici (DA) neuroni in
Abstract
Drosophila melanogaster è un modello valido organismo per studiare invecchiamento e processi degenerativi patologici nel sistema nervoso. I vantaggi del volo come un sistema sperimentale comprendono la sua trattabilità genetica, vita breve e la possibilità di osservare ed analizzare quantitativamente comportamenti complessi. L'espressione dei geni delle malattie legate a specifiche popolazioni neuronali del cervello Drosophila, può essere usato per modellare le malattie neurodegenerative come il Parkinson e l'Alzheimer 5.
Dopaminergici (DA) i neuroni sono tra le popolazioni più vulnerabili neuronali nel cervello umano di invecchiamento. Nella malattia di Parkinson (PD), il disturbo più comune movimento neurodegenerativa, la perdita accelerata di DA neuroni porta ad un declino progressivo e irreversibile nella funzione locomotoria. Oltre all'età e l'esposizione a tossine ambientali, perdita di neuroni DA è esacerbata da mutazioni specifiche nella codificao regioni promotrici di diversi geni. L'identificazione di tali alleli PD-associati fornisce la base sperimentale per l'utilizzo di Drosophila come modello per studiare neurodegenerazione dei neuroni DA in vivo. Ad esempio, l'espressione del gene umano α-sinucleina PD-linked in Drosophila neuroni DA ricapitola alcune caratteristiche della malattia umana, come ad esempio la perdita progressiva di neuroni DA e declino della funzione locomotoria 2. Di conseguenza, questo modello è stato utilizzato con successo per identificare potenziali target terapeutici nel PD 8.
Qui descriviamo due saggi che sono stati comunemente usati per studiare neurodegenerazione età-dipendente dei neuroni DA in Drosophila: un saggio di scalata in base alla risposta di trasalimento indotta geotassi negativo e tirosina idrossilasi immunoistochimica di tutto il cervello adulto monta per monitorare il numero di neuroni DA in età diverse. In entrambi i casi, l'espressione in vivo di UAS transgenes specificamente in neuroni DA possono essere ottenuti utilizzando una tirosina idrossilasi (TH) promotore-GAL4 driver di linea 3, 10.
Introduction
La specificità dei saggi descritti qui si basa sull'utilizzo di una linea di volo GAL4 che sfrutta le sequenze regolatorie del gene della tirosina idrossilasi raggiungere espressione specifica in neuroni dopaminergici 3. Tirosina idrossilasi catalizza la prima e fattore limitante nella sintesi della dopamina. Immunoreattività TH Nell'adulto mosca sovrappone cervello con quello della dopamina, rendendo TH un buon candidato per identificare neuroni DA in vivo (vedi per esempio 6). Inoltre, il modello di espressione di THGal4 è più specifico di quella di altri GAL4 linee come DdcGal4, che contiene sequenze regolatrici dal gene della dopa decarbossilasi e pilota l'espressione transgenica non solo nei neuroni DA, ma anche nei neuroni serotoninergici e sottoinsiemi di cellule gliali 3 .
Feany e Bender (2000) in primo luogo osservato che l'espressione di pan-neuronale del gene PD-linked α-sinucleina umana accelera la perdita progressiva di startle indotta comportamento geotassi negativo in Drosophila. abbiamo osservato risultati simili utilizzando la specifica linea di DA-neurone THGal4 per guidare il expressionof un α-sinucleina transgene 10 e utilizzato questa funzionalità read-out per studiare il ruolo neuroprotettivo del percorso Nrf2 in questo Drosophila modello di PD 14. Il dosaggio specifico qui descritto è adattato da 2 e 3.
Il cervello Drosophila contiene più di 100 neuroni DA, disposte in almeno cinque diversi cluster (PPL1, PPL2, PAL, PPM1 / 2, PPM3) che può essere visualizzato in supporti interi cerebrali mediante microscopia confocale (vedi per esempio 11 e 7). E 'ancora controverso se il numero di neuroni DA nel Drosophila cervello diminuisce con l'età 9, 11, tuttavia, neurodegenerazione età-dipendente si osserva in linea in cui sono stati mutati geni PD-linked / overexpressed per modellare malattie umane5. L'espressione di α-sinucleina umana in DA neuroni ha un tale effetto e, quindi, è stata usata come modello per PD. Qui si descrive un saggio di neuroni DA contano in tutto il cervello monta utilizzando TH come marker delle cellule. Questo test è stato adattato da 13 e 10.
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Protocol
1. Trasalimento indotta Negativo geotassi Assay
- Selezionare mosche del genotipo desiderato, separarli per sesso, in modo casuale raggrupparli in coorti di 20-30 animali e li lanciano in nuovi flaconi cibo ogni 2-3 giorni; test di ogni set di mosche (cioè coorti di pari età, una coorte / genotipo) almeno una volta alla settimana.
- Trenta minuti prima della prova geotassi negativo, anestetizzare le mosche con la CO 2 e metterli in tubi di plastica trasparente pre-etichettati fatti con due fiale di cibo vuote (vedi Materiali Tavolo) unite alle loro aperture con nastro adesivo trasparente (Dimensioni camera: 19 cm x 2,85 cm). Nei nostri test Usiamo tipicamente 25 mosche / tubo.
Nota. Il tempo di recupero dall'anestesia può variare da pochi minuti a diverse ore (ad esempio O / N) e dovrebbe essere ottimizzato per i genotipi specifici testati. - Segna diverse altezze (1-20 cm) su un pezzo di carta assorbente e nastro di carta su un surfac verticalee, perpendicolare al banco.
- Posizionare i tubi davanti alla carta: i tubi devono essere tutti allineati e il più vicino possibile alla carta per consentire la misurazione dell'altezza precisa.
- Posizionare la fotocamera digitale (vedi il "Veicoli speciali" Table) di fronte ai tubi, ad una distanza di 20-30 cm dalla carta, su un supporto (ad esempio una scatola di punta della pipetta), selezionare l'opzione "film" e iniziare a registrazione, in questo momento si dovrebbe anche avviare un timer per tenere traccia del tempo tra prove consecutive.
- Lasciare le mosche per raccogliere sul fondo della provetta toccando il tubo per alcuni secondi (es. 10 sec). Questo passaggio deve essere eseguito in modo coerente (cioè stessa durata, stessa forza, lo stesso operatore) durante l'intero esperimento.
- Movimenti record mosche con la fotocamera digitale per 10 sec.
- Ripetere i passaggi 1,5-1,7 quattordici volte a intervalli di un minuto.
- Analizzare i dati:
- Contare il numero di mosche che si trovano al di sopra della2 cm segno dopo 10 secondi con l'ispezione visiva dei filmati registrati.
Nota: Nelle nostre condizioni di saggio comportamento geotassi negativo delle mosche non durò oltre il primo 10 secondi dopo il sorprendente (cioè mosche hanno cominciato a muoversi in tutte le direzioni 10 sec dopo il sorprendente di loro). La distanza minima è salito da mosche di controllo (cioè 1 settimana fa mosche che esprimono il conducente THGal4, vedi legenda della Figura 1) in questa finestra di tempo era 2 cm. Così, abbiamo usato il segno di due centimetri come riferimento per analizzare le attività di arrampicata di mosche di diverse età e genotipi 10 secondi dopo l'inizio del comportamento. Questi parametri possono richiedere la regolazione per tenere conto di differenze di comportamento delle mosche testati (dovuto ad esempio a diversi background genetici o condizioni di laboratorio). Si noti che nelle nostre condizioni di analisi, tutti i genotipi testati eseguita peggio o in modo simile alle mosche del genotipo di controllo. - Prendere la media dei risultati del quindiciprove.
- Media espressa come percentuale del numero totale di mosche nel tubo (=% dell'attività climbing), il numero di ripetizioni (N) è data dal numero di coorti indipendenti testate per ciascun genotipo
- Valutare la significatività statistica tra i diversi genotipi nel tempo. Questo può essere realizzato con il test t di Student (confrontando le due genotipi) o un 2 vie ANOVA seguita dal test di Bonferroni post-hoc (quando si eseguono confronti multipli) usando software commerciali quali GraphPad (GraphPad Software, Inc.La Jolla, CA, USA).
- Contare il numero di mosche che si trovano al di sopra della2 cm segno dopo 10 secondi con l'ispezione visiva dei filmati registrati.
Nota
Eseguiamo tutti i nostri saggi allo stesso tempo del giorno, a RT e alle stesse condizioni di luce. Mantenere le mosche in una luce / buio dell'ambiente ciclo di 12 ore si consiglia di controllare l'effetto dei ritmi circadiani sul comportamento motorio delle mosche.
2. Tirosina idrossilasi immunofluorescenzaSaggio dei Monti intero cervello
Soluzioni e tamponi
Soluzione fissativa: 4% paraformaldeide (PFA) in tampone fosfato (PBS)
Lavaggio buffer: 0.1% Triton X-100 in PBS
Tampone bloccante: 0.1 M Tris-HCl, pH 7,5, 0,15 M NaCl, 0,1% Triton X-100 e 0,5% di BSA
Supporti di montaggio: Mowiol-DABCO (vedi protocollo descritto in Harlow E, Lane D., Anticorpi-Un manuale di laboratorio, Cold Spring Harbor Laboratories Press, Cold Spring Harbor, NY, USA, 10:418 (1988))
Procedura
- Mettere mosche in un piatto dissezione riempito con 70% EtOH per circa 1 minuto per eliminare la cera cuticola.
- Trasferimento vola a un altro piatto dissezione pieno di ghiaccio-freddo PBS.
- Sezionare il cervello:
- Posizionare la mosca con l'up lato ventrale (opzionale: ali Rimuovere e gambe).
- Tirare la testa dal corpo: utilizzare un set di pinze permantenere il corpo ed un altro per trattenere la cuticola sotto l'occhio per evitare di danneggiare il cervello
- Rimuovere la proboscide.
- Trattenere la cuticola testa su lati opposti della fessura lasciata aperta dopo aver rimosso la proboscide e tirare in direzioni opposte fino a quando il cervello viene rimosso dalla capsula testa.
- Rimuovere tutta la cuticola dal cervello.
- Rimuovere tutto il tessuto tracheale piena d'aria, per evitare che il cervello da variabile durante le seguenti fasi di incubazione.
- Tagliare alcuni millimetri largo della punta di una punta di pipetta P-200 ed equilibrare con una soluzione 0,1% Triton X-100/PBS
- Usando la punta P-200 pipetta preparati, trasferire il cervello per una provetta Eppendorf da 0,5 ml riempita con 0,5 ml di 4% PFA / PBS e mantenere in ghiaccio fino alla dissezione è completa.
- Fissare il cervello a temperatura ambiente per 20 min: applicare una rotazione dolce mettendo le provette Eppendorf su una griglia e l'immissione del rack su un nutator.
- Togliere il fissativoutilizzando un P-1000 micro pipette, aggiungere 0,5 ml di 0,1% X-100/PBS Triton, mescolare per inversione e lasciare incubare per 1 min; ripetere questa fase di lavaggio una volta.
- Rimuovere il tampone dal secondo lavaggio, aggiungere 0,5 ml di 0,1% X-100/PBS Triton e lasciare incubare a temperatura ambiente per 20 min; ripetere questo passaggio due volte.
- Rimuovere il tampone di lavaggio e lasciare che i cervelli incubate in tampone di bloccaggio (0.1 M Tris-HCl, pH 7,5, 0,15 M NaCl, 0,1% Triton X-100 e 0,5% BSA) per 1 ora a RT.
- Incubare il cervello con una diluizione 1:100 di anticorpi anti-TH (vedi la "Tabella di reagenti specifici") in soluzione di bloccaggio, per due giorni, a 4 ° C, con rotazione delicata (vedi punto 2.6.).
- Ripetere le fasi di lavaggio 2.7. e 2.8 ..
- Equilibrare il cervello con una diluizione 1:200 di soluzione di blocco antibodyin secondario, per due giorni, a 4 ° C, con lieve rotazione.
- Ripetere le fasi di lavaggio 2.7. e 2.8 ..
- Preparare i vetrini di montaggio come illustrato nella Figura 2A:
- Agg 2 x 25 gocce microlitri di supporti di montaggio per un vetro di copertura (24 x 60 mm, n. 1.5).
- Posto due bicchieri di copertura (dimensioni 18 x 18 mm, n. 2) sul supporto di montaggio lasciando un vuoto al centro della diapositiva e lasciare asciugare.
- Rimuovere il tampone di lavaggio, aggiungere 50 ml di mezzi di montaggio e consentono il cervello per equilibrare con esso pipettando su e giù.
- Utilizzando un taglio P-200 punta di pipetta (vedi passo 2.4) trasferire i cervelli alla slitta nello spazio tra i due coprioggetto e coprire con coprioggetto no. 1.5 (vedere la Figura 2A; orientare i cervelli sul vetrino vedi 7).
Nota: i campioni sono montate tra due vetri di copertura per permettere la visualizzazione sia del anteriore e posterior lato del cervello. - Riempire l'intero spazio tra i vetri di copertura con mezzi di montaggio; pipetta da un angolo per rimuovere tutta l'aria, lasciare asciugare e sigillare con smalto.
- Per valutare il numero di neuroni dopaminergici in uno specifico cluster acquisire una serie di sezioni ottiche lungo l'asse z con un 1,0 micron step-size utilizzando un microscopio confocale (per l'identificazione di cluster anatomica dopaminergici nel cervello adulto Drosophila vedi 7).
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Representative Results
Abbiamo utilizzato i saggi descritti qui per studiare il ruolo della sollecitazione protettiva Nrf2 percorso in un modello di Drosophila PD 14. Questo modello si basa sull'espressione del gene α-sinucleina umana in neuroni DA utilizzando un TH GAL4 pilotaggio 2, 10.
La figura 1 mostra un risultato rappresentativo di un geotassi negativi trasalimento indotte (climbing) del saggio in mosche maschio che esprimono diversi transgeni sotto il controllo del guidatore TH Gal4. Tutti i genotipi testati mostrano una diminuzione dell'attività locomotoria nel corso del tempo, tuttavia, vola esprimendo il PD-linked, umano α-sinucleina transgene mostrano un declino accelerato rispetto alle mosche di controllo di pari età (TH Gal4 solo conducente) o vola co-esprimono il Nrf2 DNA partner di legame Maf-S. Risultati simili sono stati osservati in mosche di sesso femminile.
La figura 2 illustra un risultato rappresentativo per un TH immunofluorescenza basata DAneurone conta. L'effetto di differenti background genetici sul numero di PPL1 neuroni nel cervello da 4 settimane di età mosche maschio è quantificato come descritto nella legenda della figura. Si noti la piccola ma significativa perdita di neuroni nel cervello PPL1 dalle mosche che esprimono α-sinucleina.
Figura 1. Mosche trasalimento indotta saggio geotassi negativo. Coorti di età corrispondenza dei genotipi indicati, sono stati testati per l'attività locomotoria a intervalli di una settimana. Attività arrampicata stata calcolata contando il numero di mosche sopra il 2 cm tacca 10 sec dopo aver premuto il flaconcino ed esprimendo tale valore come percentuale del numero totale di mosche contenuti nel flaconcino. I dati mostrano significa ± SEM di cinque coorti indipendenti di 20-30 mosche. La significatività è stata valutata con una ANOVA a due vie con Bonferroni post-hoc test di (P <0,05). La differenzatra TH, α-Synflies e mosche degli altri tre genotipi testati è stato significativo a 4 e 5 settimane.
Figura 2. Rilevamento e conteggio dei neuroni DA da TH immunofluorescenza. A. Diagramma di flusso che illustra il protocollo per la preparazione di vetrini cerebrali. Per una descrizione più dettagliata di ogni passo vedi testo. B. Rappresentante micrografia di un monte intero cervello (hemibrain destra, vista posteriore) immunostained per TH. Una serie di immagini Serie Z confocale è stata acquisita con una Leica SP2 microscopio confocale, obiettivo olio 40X (N / A 1,25), telaio media 2, step-size 1 micron, in un formato di 1.024 x 1.024 e compilato come proiezione massima ( mostrato). La posizione del DA neurone grappolo PPL1 è evidenziato. C. Rappresentante resuLTS per DA neurone conteggi ottenuti utilizzando TH immunoistochimica. Il numero di neuroni nel cluster PPL1 stata valutata esaminando le singole immagini di ogni confocale z-serie. N rappresenta il numero di campioni indipendenti analizzati per ogni genotipo. I dati sono medie ± SEM significatività è stata valutata con il test t di Student (* P <0,05). Clicca qui per ingrandire la figura .
Genotipi: 'Con', THGal4 / +; THGal4 / +; 'UAS-Syn', THGal4, UAS
-ΑSynuclein / +; THGal4, UAS-αSynuclein / +; 'UAS-Maf-S', THGal4/UASMaf-S; THGal4 / +; 'UAS-α Syn / UAS-Maf-S', THGal4, UAS-αSynuclein / UASMaf-S; THGal4, UAS-αSynuclein / +; 'KEAP1 EY5', THGal4 / +; THGal4/keap1 EY5; 'UAS-α Syn/keap1 EY5', THGal4, UAS-αSynuclein / +; THGal4, UAS -αSynuclein/keap1 EY5.
[Tratto da Barone et al. 2011), in accordo con l '"open access" politica dei "modelli di malattia e meccanismi".]
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Discussion
I saggi qui descritti forniscono un approccio utile per studiare il ruolo di specifici geni, vie di segnalazione o piccoli composti nella manutenzione di neuroni DA nell'invecchiamento e in diversi contesti genetici malattie collegate (recensione in 5).
Il comportamento trasalimento indotta geotassi negativo di Drosophila è stato ampiamente utilizzato come funzionale read-out per la funzionalità dei neuroni DA in diversi contesti genetici, in particolare in presenza di mutazioni PD-linked. Sono state osservate alcune discrepanze tra i diversi studi (vedi 12 per una discussione più dettagliata). Questi sono stati attribuiti almeno in parte a diversi dosaggi set-up e condizioni, tra il numero di mosche testati in ogni tubo (singolo vola contro coorte mosche '), il tempo di recupero dopo l'anestesia CO 2-mediata e il numero dei consecutivo prove (vedi 4 e 11 come esempi di disaggio fferent set-up). Potrebbe quindi essere opportuno controllare per tali parametri e, se necessario, li ottimizzare per i requisiti di dosaggio specifici.
La quantificazione dei neuroni DA da TH immunoistochimica / microscopia confocale è stato utilizzato in modo intercambiabile con il metodo basato sulla espressione GFP THGal4-driven e identificazione dei neuroni DA di fluorescenza GFP / microscopia confocale. I due metodi danno risultati simili nella maggior parte dei casi, tuttavia, in generale, la tecnica immunoistochimica TH è preferito da noi ed altri ricercatori, poiché è sensibile allo stato funzionale dei neuroni DA. Per un confronto più dettagliato vedi 11 e 10. Questo test potrebbe essere completato attraverso la misurazione dei livelli di dopamina nel capi mosca omogenati [vedere 1 come esempio].
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Disclosures
Sottolineamo che non abbiamo interessi finanziari concorrenti.
Acknowledgments
Ringraziamo Leo Pallanck per gli stock mosca, Christine Sommers per l'assistenza tecnica e Gerasimos P. Sykiotis per le discussioni utili. Questo lavoro è stato finanziato dal NIH formazione concessione T32CA009363 di MCB
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rabbit anti-tyrosine hydroxylase antibody | Millipore | AB152 | |
| Donkey TRITC-labeled anti rabbit IgG antibody | Jackson ImmunoResearch | 711-026-152 | |
| Mowiol | Calbiochem | 475904 | |
| DABCO | Sigma | D2522 | |
| Equipment | |||
| Polystyrene vials | VWR | 89092-734 | 28.5 x 95 mm |
| Digital camera | Canon | PowerShot A3100IS (model) | 12.1 Megapixels 4X Optical Zoom |
| Glass coverslips no. 1.5 | VWR | 48366 205 48393 252 | Sizes: 18 x 18 mm, 24 x 60 mm |
| Glass coverslips no. 2 | VWR | 48368-040 | Size: 18 x 18 mm |
| Dissection dishes | Electron Microscopy Sciences | 70543-01 | Size: 30 mm O.D. |
| Dumostar No. 5 tweezers | Electron Microscopy Sciences | 72705-01 | |
| Stereomicroscope | Carl Zeiss | Stemi 2000 (model) | |
| Confocal microscope | Leica | SP2 or SP5 (model) | |
Materials Table. |
|||
References
- Bayersdorfer, F., Voigt, A., Schneuwly,, Botella, J. Dopamine-dependent neurodegeneration in Drosophila models of familial and sporadic Parkinson's disease. Neurobiol. Dis. 40, 113-119 (2010).
- Feany, M. B., Bender, W. W. A Drosophila model of Parkinson's disease. Nature. 404, 394-398 (2000).
- Friggi-Grelin, F., Coulom, H., Meller, M., Gomez, D., Hirsh, J., Birman, S. Targeted gene expression in Drosophila dopaminergic cells using regulatory sequences from tyrosine hydroxylase. J. Neurobiol. 54, 618-627 (2003).
- Gargano, J. W., Martin, I., Bandari, P., Grotewiel, M. S. Rapid iterative negative geotaxis (RING): a new method for assessing age-related locomotor decline in Drosophila. Exp. Gerontol. 40, 386-395 (2005).
- Hirth, F. Drosophila melanogaster in the study of human neurodegeneration. CNS Neurol. Disord. Drug Targets. 9, 504-523 (2010).
- Lundell, M., Hirsh, J. Temporal and spacial development of serotonin and dopamine neurons in the Drosophila CNS. Dev. Biol. 165, 385-396 (1994).
- Mao, Z., Davis, R. L. Eight different types of dopaminergic neurons innervate the Drosophila mushroom body neuropil: anatomical and physiological heterogeneity. Front Neural Circuits. 3, 5 (2009).
- Mizuno, H., Fujikake, N., Wada, K., Nagai, Y. Alpha-Synuclein Transgenic Drosophila As a Model of Parkinson's Disease and Related Synucleinopathies. Parkinsons Dis. 2011, 212706 (2011).
- Neckameyer, W. S., Woodrome, S., Holt, B., Mayer, A. Dopamine and senescence in Drosophila melanogaster. Neurobiol. Aging. 21, 145-152 (2000).
- Trinh, K., Moore, K., et al. Induction of the phase II detoxification pathway suppresses neuron loss in Drosophila models of Parkinson's disease. J. Neurosci. 28, 465-472 (2008).
- White, K. E., Humphrey, D. M., Hirth, F. The dopaminergic system in the aging brain of Drosophila. Front Neurosci. 4, 205 (2010).
- Whitworth, A. J., Wes, P. D., Pallanck, L. J. Drosophila models pioneer a new approach to drug discovery for Parkinson's disease. Drug Discov. Today. 11, 119-126 (2006).
- Wu, J. S., Luo, L. A protocol for dissecting Drosophila melanogaster brains for live imaging or immunostaining. Nat. Protoc. 1, 2110-2115 (2006).
- Barone, M. C., Sykiotis, G. P., Bohmann, D. Genetic activation of Nrf2 signaling is sufficient to ameliorate neurodegenerative phenotypes in a Drosophila model of Parkinson's disease. Dis. Model Mech. 4 (5), 701-707 (2011).
