여기에서는 초파리 청소년 뇌에서 더듬이엽 시냅스 사구체의 후각 경험 의존적 리모델링을 유도하고 분석하는 방법을 설명합니다.
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방법 논문
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여기에서는 초파리 청소년 뇌에서 더듬이엽 시냅스 사구체의 후각 경험 의존적 리모델링을 유도하고 분석하는 방법을 설명합니다.
초기의 후각 감각 경험은 초파리 청소년 뇌에서 극적인 시냅스 사구체 리모델링을 유도하며, 이는 경험적으로 용량 의존적이고, 시간적으로 제한되며, 짧고 잘 정의된 결정적 기간에만 일시적으로 가역적입니다. 뇌 회로 시냅스 연결성 리모델링의 방향성은 후각 감각 뉴런의 반응 수용체 부류에 작용하는 특정 냄새 물질에 의해 결정됩니다. 일반적으로 각 뉴런 클래스는 단일 냄새 수용체만 발현하고 단일 후각 시냅스 사구체를 자극합니다. 초파리(Drosophila ) 유전자 모델에서, 후각 사구체의 전체 배열은 냄새 반응성과 행동 출력에 의해 정확하게 매핑되었습니다. 에틸 부티레이트(EB) 냄새 물질은 VM7 사구체를 자극하는 Or42a 수용체 뉴런을 활성화합니다. 생애 초기의 임계 기간 동안, EB 경험은 Or42a 후각 감각 뉴런에서 용량 의존적 시냅스 제거를 주도합니다. 투여된 EB 냄새 물질에 노출된 일정 기간을 통해 청소년 뇌의 경험 의존적 회로 연결성 가지치기를 조사할 수 있습니다. 더듬이엽 시냅스 사구체의 공초점 현미경 이미징은 시냅스 수와 신경 분포 부피의 정량화를 제공하는 Or42a 수용체 기반 형질전환 마커로 수행됩니다. 정교한 Drosophila genetic toolkit은 뇌 회로 리모델링을 매개하는 세포 및 분자 메커니즘의 체계적인 해부를 가능하게 합니다.
어린 시절 동안 유년기의 뇌 회로를 개조하는 것은 동물이 태어나는 매우 가변적이고 예측할 수 없는 환경에 맞게 대규모 시냅스 연결성 변화를 일으킬 수 있는 마지막 기회를 나타냅니다. 가장 풍부한 동물 그룹인 곤충은 진화적으로 보존된 근본적인 임계시기 리모델링 메커니즘1을 공유합니다. 임계 기간은 감각 입력의 시작과 함께 시작되고, 연결성을 최적화하기 위해 가역적인 회로 변화를 보이고, 안정화 힘이 추가 리모델링에 저항할 때 닫힙니다2. 곤충은 특히 후각 감각 정보에 의존하며 잘 정의된 후각 임계 기간을 보여줍니다. 초파리(Drosophila)는 청소년 뇌에서 이러한 경험 의존적 임계 기간을 조사하기 위한 우수한 유전 모델을 제공합니다. 에클로젼 후 처음 몇 일 동안의 냄새 경험은 개별적으로 식별된 시냅스 사구체에서 현저한 회로 연결성 변화를 주도합니다 3,4. 리모델링의 방향은 특정 투입 냄새 경험에 따라 다릅니다. 일부 냄새 유발 물질은 폐색 (dpe) 후 몇 일 동안 시냅스 사구체 부피를 증가시키는 반면,3,5,6,7 다른 냄새 물질은 0-2 dpe 임계 기간 동안 시냅스를 빠르게 제거하여 신경 분포 부피 8,9,10을 감소시킵니다. 특히, 에틸 부티레이트(ethyl butyrate, EB) 냄새 경험은 이 생애 초기의 임계 기간 동안에만 Or42a 후각 수용체 뉴런의 용량 의존적 시냅스 가지치기를 촉진한다8. 시냅스 제거는 임계 기간 내에 EB 냄새 주입을 조절함으로써 완전히 되돌릴 수 있지만 임계 기간이 끝나면 영구적이 됩니다. 이 후각 경험에 의존하는 시냅스 가지치기는 청소년 뇌 회로 리모델링의 기저에 있는 시간적으로 제한된 메커니즘을 설명할 수 있는 귀중한 실험 시스템을 제공합니다.
여기에서는 생애 초기 결정적 기간 동안 Or42a 수용체 후각 감각 뉴런의 EB 경험 의존적 시냅스 가지치기를 유도하고 분석하는 데 사용되는 자세한 프로토콜을 제시합니다. 우리는 더듬이엽 VM7 사구체의 Or42a 시냅스 말단이 Or42a 프로모터(Or42a-mCD8::GFP)11에 직접 융합되거나 Gal4/UAS 이진 발현 시스템(Or42a-Gal4가 UAS-mCD8::GFP를 구동)12을 사용하여 막 테더링된 mCD8::GFP 마커를 형질전환으로 구동함으로써 특이적으로 표지될 수 있음을 보여줍니다. 개별 Or42a 뉴런 시냅스는 형광 태그 어레이(예: Bruchpilot::RFP)8 또는 초구조적 시냅스 분석을 위한 전자 밀도 신호(예: miniSOG-mCherry)8에 융합된 시냅스전 활성 영역 마커의 표적 형질전환 발현을 사용하여 유사하게 표지할 수 있습니다. Or42a 시냅스 말단은 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경과 투과 전자 현미경의 조합으로 이미징할 수 있습니다. 우리는 Or42a 시냅스 사구체 가지치기가 EB 용량에 따라 달라지며 시간 지정된 냄새 경험의 농도에 따라 확장됨을 보여줍니다. 매개체로 사용되는 미네랄 오일에 용해된 EB 냄새 물질의 비율은 다양할 수 있으며, 발달 단계에 있는 동물에서 냄새 물질에 노출되는 시간도 다양할 수 있습니다. 마지막으로, VM7 신경 분포 형광 강도 및 부피를 측정하여 시냅스 사구체 가지치기 정도를 분석하는 데 사용되는 방법을 보여줍니다. 시냅스 수는 또한 표지된 시냅스 반점을 계산하고 투과 전자 현미경8을 사용하여 시냅스 초구조 매개변수를 측정함으로써 정량화할 수 있습니다. 전반적으로, 여기에 표시된 프로토콜은 청소년 임계 기간 동안 초파리 후각 회로 시냅스 연결성 가지치기를 매개하는 세포 및 분자 메커니즘의 체계적인 해부를 가능하게 하는 강력한 접근 방식입니다. 이 연구에서 설명한 일반적인 냄새 노출 설정은 이전 연구에서 다른 냄새를 사용하고 다른 사구체를 분석하는 데 사용되었습니다 3,7.
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1. 냄새 노출
2. 뇌 해부
3. 뇌 면역세포화학(Brain immunocytochemistry)
4. 공초점 이미징
5. 시냅스 측정
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그림 1 은 후각 경험에 따른 임계 기간 냄새 노출 및 뇌 영상 방법에 대한 워크플로우를 보여줍니다. 이 프로토콜은 에클로젼 직전에 pharate dark pupae의 연령 일치로 시작합니다(그림 1A). 번데기를 4시간 동안 냄새 챔버에 넣은 다음 새로 닫힌 성체를 차량 제어 또는 투여된 EB 냄새 챔버에서 새 바이알로 뒤집습니다(그림 1B). 우리는 일반적으로 24시간 동안 냄새 물질에 노출되지만 어떤 기간이든 가능합니다. 냄새에 노출된 후 뇌 절개는 흉부에서 머리를 제거한 다음 미세한 집게로 큐티클 외골격을 제거하는 것으로 시작됩니다(그림 1C). 분리된 뇌는 이미징을 방해할 수 있는 관련 조직을 청소한 다음 즉시 PBS에서 4% 파라포름알데히드와 4% 자당으로 고정합니다. 30분의 짧은 고정은 뇌 조직의 좋은 ...
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여기에 제시된 냄새 노출 및 뇌 영상 프로토콜은 생애 초기의 중요한 기간 동안 경험 의존적 후각 감각 뉴런 시냅스 사구체 가지치기를 안정적으로 유도하고 정량화하는 데 사용할 수 있습니다. 후각 회로 리모델링을 탐구하기 위해 이 치료 패러다임을 활용한 초기 연구는 폐막 후 2일째에 냄새 노출을 시작했습니다 3,4,5. 대조적으로, 우리는 성체 폐쇄 이전에 pharate 번데기에서 냄새 노출을 시작하고 대부분의 리모델링이 폐쇄 후 처음 24시간 이내에 발생한다는 것을 발견했습니다 8,9. 따라서 이 냄새 유발 물질 노출 프로토콜의 필수 단계는 에클로젼 전에 단계적 어두운 번데기를 냄새...
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저자는 상충되는 이해관계가 없음을 선언합니다.
소중한 의견을 주신 다른 Broadie Lab 회원들에게 감사드립니다. 피규어는 BioRender.com 를 사용하여 만들었습니다. 이 연구는 미국 국립보건원(National Institute of Health)의 보조금 MH084989와 K.B.에 대한 NS131557의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 냄새 노출용 | |||
| Drosophila vials | Genesee Scientific | 32-110 | |
| 에틸 부티레이트 | Sigma Aldrich | E15701 | |
| 마이크로 원심분리기 튜브 | 피셔 사이언티픽 | 05-408-129 | |
| 미네랄 오일 | 시그마 Aldrich | M3516 | |
| 냄새 챔버 | Glasslock | ||
| 페인트 브러쉬 | Winsor & Newton | Series 233 | |
| Parafilm | Thermofisher | S37440 | |
| 와이어 메쉬 | Scienceware | 378460000 | |
| Brain Dissection | |||
| Ethanol, 190 proof | Decon Labs | 2801 | 70% |
| Forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | Dumont #5 |
| 파라포름알데히드 | 전자 현미경 과학 | 157-8 | 4% |
| 페트리 접시 | Fisher Scientific | 08-757-100B | |
| 인산염 완충 식염수 | Thermo Fisher Scientific | 70011-044 | |
| 1x 설탕으로 | Fisher Scientific | BP220-1 | |
| 실가드 | 전자 현미경 과학 | 24236-10 | |
| 트리톤-X 100 | 피셔 사이언티픽; | BP151-100 | |
| Brain Immunocytochemistry | |||
| 488 염소 항닭 | Invitrogen | A11039 | |
| 546 염소 항쥐 | Invitrogen | A11081 | |
| 소 혈청 알부민 | Sigma Aldrich | A9647 | |
| 치킨 안티-GFP | Abcam | 13970 | |
| 커버슬립 | Avantor | 48366-067 | 25 x 25 mm |
| 양면 테이프 | Scotch | 34-8724-5228-8 | |
| Fluoromount-G | 전자 현미경 과학 | 17984-25 | |
| 현미경 슬라이드 | Fisher Scientific | 12-544-2 | 75 x 25 mm |
| 매니큐어 | Sally Hansen | 109 | Xtreme Wear, Invisible |
| Normal goat serum | Sigma Aldrich | G9023 | |
| Rat anti-CadN | Developmental Studies Hybridoma Bank | AB_528121 | |
| 컨포칼/분석 | |||
| 어떤 컴퓨터/노트북 | |||
| 컨포칼 현미경 | Carl Zeiss | Zeiss 510 META | |
| 피지 소프트웨어 | 피지 | 버전 2.14.0/1.54f |
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