1. Szczepy Drosophila
- Driver Gal4:
GMR-Gal4, który wykazuje ekspresję Gal4 w komórkach fotoreceptorów.
- Linie UAS
UAS-MJD78Q (lub UAS-polyQ), która wywołuje degenerację neuronów w komórkach wykazujących ekspresję Gal4.
UAS-GFP, która wykazuje ekspresję GFP w komórkach wykazujących ekspresję Gal4.
- Linie FLP
ey-FLP, która wykazuje ekspresję FLP w fotoreceptorach oraz w podzbiorach obszarów mózgu.
Linie ET-FLPx2, będące liniami typu enhancer-trap zawierającymi dwie kopie FLP (FLP-IRES-FLP). Wygenerowano ok. 1 0 linii ET-FLP (Bohm et al., 2010), których wzorce ekspresji nie zostały jeszcze scharakteryzowane. W niniejszej pracy opisujemy charakterystykę wzorca ekspresji wybranych linii ET-FLPx2 w ośrodkowym układzie nerwowym (CNS) larwalnych i dorosłych much.
- Reporter FLP
yw, actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP (Pignoni & Zipursky, 1997), który raportuje wzorzec ekspresji ET-FLPx2 poprzez actinP>Gal4; UAS-GFP po wycięciu sekwencji >CD2 w wyniku rekombinacji zależnej od FLP.
- Dwa komplementarne narzędzia konwertujące Gal80
TubP>Gal80> (Gordon & Scott, 209), konstrukt typu flip-out, który konstytutywnie wykazuje ekspresję Gal80 we wszystkich tkankach pod kontrolą silnego promotora tubuliny. Po rekombinacji zależnej od FLP sekwencja >Gal80 zostaje usunięta (flipped out), a ekspresja Gal80 zostaje przerwana wyłącznie w tkankach wykazujących ekspresję ET-FLPx2.
TubP>stop>Gal80 (Bohm et al., 2010), konstrukt typu flip-in, który w normalnych warunkach nie wykazuje ekspresji Gal80. Ekspresja Gal80 jest uruchamiana przez promotor tubuliny tylko w tkankach wykazujących ekspresję ET-FLPx2, w których FLP usuwa sekwencję >stop i wprowadza (flips in) Gal80.
- Muchy do badania aktywności FLP w oku złożonym
GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Gal80 (Bohm et al., 2010), które posiadają zdegenerowane i odbarwione oczy. W komórkach fotoreceptorów wykazujących ekspresję FLP ekspresja polyQ zostaje wyłączona po wprowadzeniu (flip-in) Gal80.
GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Gal80> (Bohm et al., 2010), które posiadają prawidłowe oczy. W komórkach fotoreceptorów wykazujących ekspresję FLP ekspresja polyQ zostaje uruchomiona po usunięciu (flip-out) Gal80.
2. Odczynniki
Bufor fosforanowy (PBS, 1X), pH 7,4.
4% paraformaldehyd (PFA), rozcieńczony w PBS z 16% PFA, stopień EM (Cat#15710, Electronic Microscopy Sciences, Hatfield, PA)
PBT, 1XPBS zawierający 0,1% Triton-X 10 (Sigma)
Przeciwciało anty-Elav (mAb, 9F8A9; Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa), barwi wszystkie neurony u Drosophila.
Przeciwciało anty-Repo (mAb 8D12; Developmental Studies Hybridoma Bank, University of Iowa) barwi komórki glejowe u Drosophila.
Wtórne przeciwciało anty-mysie z kurczaka Alexa 594 (Invitrogen)
3. Mapowanie wzorca ekspresji linii FLPx2 z pułapką enhancera (* kroki krytyczne)
- Zebrać dziewicze samice z linii yw, actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP i skrzyżować je z samcami poszczególnych linii ET-FLPx2. Pierwsza z nich służy jako reporter GFP dla ekspresji tkankowej ET-FLP.
- *Przeprowadzić mikrodissekcję larw F1 w 3rd stadium poczwarki (etap wędrowania), wyizolować OUN (t.j. mózg i brzuszny sznur nerwowy, VNC) oraz ścianę ciała, utrwalić przez 1 godzinę w 4% PFA w lodzie, przemyć 3X lodowatym PBS, a następnie 3X PBT.
Mikrodissekcja
- Wyjąć wędrujące larwy F1 w 3rd stadium poczwarki i umieścić je w czystym naczyniu z Sylgardem (szalka Petriego 35 mm x 10 mm wypełniona 2 gramami Sylgardu – zmieszanego zgodnie z instrukcją producenta).
- Usunąć resztki pożywki za pomocą pędzelka
- Wypełnić naczynie lodowatym 1XPBS i umieścić na lodzie, aby znieczulić larwy
- Przytrzymać haki gębowe larwy jedną pęsetą, chwycić kutykulę w pobliżu wysuniętego przedniego przetchawika drugą pęsetą i oddzielić kutykulę w kierunku końca tylnego. OUN zostanie oddzielony wraz z hakami gębowymi, gruczołami ślinowymi, jelitem i krążkami wyobraźnymi.
- Usunąć nadmiar tkanek i krążki wyobraźne otaczające OUN.
- Przenieść OUN do 3-dołkowego naczynia Pyrex wypełnionego PBS.
- Można użyć silikonizowanej końcówki pipety P200, aby zapobiec wysuszeniu tkanek.
- Utrwalić przez 1 godzinę w 20 μl 4% PFA w lodzie.
- Upewnić się, że OUN jest całkowicie zanurzony w PFA.
- Jeśli OUN pływa, zwykle sugeruje to, że nie został on prawidłowo oczyszczony z tkanek otaczających.
- Przemyć 3X lodowatym PBS, a następnie 3X PBT.
- *Przeprowadzić mikrodissekcję OUN dorosłych much F1.
- Znieczulić muchy CO2 lub umieścić muchy w pustej fiolce na lodzie przez 10 minut.
- Umieścić dorosłe muchy w szklanym naczyniu wypełnionym 95% EtOH na lodzie na 30 s.
- Przenieść dorosłe muchy do szklanego naczynia wypełnionego 1XPBS na lodzie.
- Przemyć 3X lodowatym 1X PBS, aby usunąć pozostałości EtOH
- Umieścić muchę w 35-milimetrowym naczyniu z Sylgardem wypełnionym lodowatym 1X PBS
- Ułożyć muchę stroną brzuszną do góry i wbić małą szpilkę entomologiczną (szpilki minutiens 0,1 mm) w połowie odwłoka.
- Przytrzymać podstawy nóg jedną pęsetą i usunąć nogi drugą pęsetą.
- Usunąć kutykulę głowy
- Chwytając trąbkę jedną pęsetą, umieścić drugą pod okiem i oddzielić kutykulę w kierunku grzbietowej linii środkowej głowy muchy.
- Chwycić drugie oko i usunąć pozostałą kutykulę z drugiej strony.
- Za pomocą ostrych pęset i/lub zaostrzonej igły wolframowej usunąć tkankę tchawkową otaczającą mózg
- Niewłaściwe oczyszczenie tchawki spowoduje silną autofluorescencję, która przesłoni ekspresję GFP, oraz sprawi, że mózg będzie pływał podczas utrwalania
- Mikrodissekcja VNC
- Usunąć kutykulę klatki piersiowej
- Zaczynając od tylnego końca klatki piersiowej, umieścić dwie pęsety po każdej stronie 3rd preepisternum (t.j. chwytając podstawy tylnych nóg).
- Delikatnie oddzielić kutykulę od brzusznej linii środkowej; powtarzać tę czynność, aż dotrzeć do podstawy szyi.
- Delikatnie rozsunąć dwie połowy kutykuli klatki piersiowej, odsłaniając VNC
- Następnie oddzielić odwłok od klatki piersiowej. Trzymając klatkę piersiową jedną pęsetą u podstawy drugiej pary nóg, użyć drugiej pęsety, aby chwycić odwłok w pobliżu 1. sternitu odwłoka i odciągnąć odwłok.
- Aby oddzielić VNC od otaczających tkanek klatki piersiowej, przytrzymać obszar humeralny jedną pęsetą, a drugą pęsetą delikatnie oderwać większość szkieletu klatki piersiowej.
- Na tym etapie powinien pozostać pierścień tkanki łącznej otaczający połączenie szyjne (szyję). Za pomocą dwóch pęset rozerwać ten pierścień.
- Usunąć wszelkie nadmiarowe tkanki klatki piersiowej otaczające VNC
- Przenieść mózg i VNC do 9-dołkowego naczynia Pyrex zawierającego 1X PBS na lodzie
- Można użyć silikonizowanej końcówki pipety P20, aby zapobiec wysuszeniu tkanek
- *Utrwalić dorosły OUN przez 1 godzinę w 4% PFA na lodzie, a następnie przemyć 3X lodowatym PBS i 3X PBT.
- Inkubować preparat dorosłego OUN lub larwalnego OUN i ściany ciała w temperaturze 4°C przez noc z przeciwciałami przeciwko neuronom (anti-Elav, 1:10) lub glii (anti-Repo, 1:10). Przemyć preparat 5X PBT.
- Inkubować preparat dorosły lub larwalny z wtórnym przeciwciałem Alexa 594 przeciwko myszy produkowanym w kurach (1:10) w temperaturze pokojowej przez 2 h, a następnie przemyć preparat PBS.
- Zamontować larwalny lub dorosły OUN na szkiełku. Aby zachować naturalny kształt OUN, użyć na szkiełku plastikowego pierścienia w kształcie litery O (Clear Reinforcement Label, Avery Dennison, Office Products, Brea, CA) jako mini-mostka do podtrzymania szkiełka nakrywki.
- Zbadać preparat pod kątem wzorców ekspresji GFP i Elav (lub Repo) pod mikroskopem fluorescencyjnym.
4. Zastosowanie dwóch komplementarnych narzędzi konwertujących Gal80 w celu represji Gal4 w fotoreceptorach
- Usunięcie Gal80 za pomocą tubP>Gal80> (Rysunek 5A).
- Wyselekcjonuj samce z linii GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Gal80>. Zauważ, że oczy złożone u tych much są prawidłowe.
- Skrzyżuj je z dziewiczymi samicami ey-FLP.
- Wyselekcjonuj muchy F1 i zbadaj fenotyp oka.
- Wprowadzenie Gal80 za pomocą tubP>stop>Gal80 (Rysunek 5B).
- Wyselekcjonuj samce much GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Gal80 i zbadaj fenotyp oka. Zwróć uwagę na zdegenerowane i odbarwione oczy u tych much w porównaniu do szczepów typu dzikiego (Canton-S).
- Skrzyżuj je z dziewiczymi samicami ey-FLP;
- Wyselekcjonuj muchy F1 i zbadaj fenotyp oka.
- Wybierz linie ET-FLPx2 z ekspresją w komórkach fotoreceptorowych
Kroki 4.1 i 4.2 można powtórzyć, używając linii ET-FLPx2, które wykazują ekspresję FLP w podzbiorze komórek fotoreceptorowych. Alternatywnie, muchy GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Gal80 lub GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Gal80> można krzyżować z poszczególnymi liniami ET-FLPx2 w celu przesiewania linii wykazujących ekspresję FLP w komórkach fotoreceptorowych. Wartościowe linie ET-FLPx2 to te, które wykazują ekspresję FLP jedynie w podzbiorze lub pojedynczych komórkach fotoreceptorowych (Rysunek 6).
5. Reprezentatywne wyniki
Wzorzec ekspresji konkretnej linii ET-FLPx2 można łatwo zbadać i udokumentować w larwach F1 lub dorosłych muchach pochodzących z krzyżowania dziewic yw, actinP>CD2>Gal4; UAS-GFP oraz samców ET-FLPx2 (Rysunek 1). Typowo przeprowadza się sekcję i badanie od trzech do pięciu powtórzeń zwierząt F1, aby określić powtarzalność wzorca ekspresji FLP (Bohm et al., 2010). Rysunek 2 przedstawia wzorzec ekspresji FLP w linii ET-FLPx2 173A w ośrodkowym układzie nerwowym (CNS) larw i dorosłych osobników. Wzorzec FLP można dalej analizować przy użyciu markera neuronalnego lub glialnego (Rysunek 3 i 4).
Wyniki przedstawione na Rysunku 7 ilustrują skuteczność systemów Gal80 flip-in i flip-out w interseksjonalnej represji Gal4 po rekombinacji pośredniczonej przez FLP. Konstrukt tubP>stop>Gal80 nie wykazuje żadnej nieszczelnej ekspresji Gal80 (na podstawie jednorodnej degeneracji i depigmentacji fotoreceptorów), a mimo to jest w 100% skuteczny w procesie wstawiania (flip-in) Gal80 przy pomocy eyFLP w celu represji GMR-Gal4 i przywrócenia oczom normalnego wyglądu (Rys. 7A). Przeciwnie, tubP>Gal80> w pełni represuje GMR-Gal4 przed wprowadzeniem eyFLP. Po usunięciu Gal80 (flip-out), GMR-Gal4 napędza ekspresję UAS-polyQ, co prowadzi do degeneracji i depigmentacji oczu (Rys. 7B). W tym przykładzie użyliśmy pan-fotoreceptorowego FLP do mapowania „obwodów” fotoreceptorów, lecz nie badaliśmy konsekwencji behawioralnych. Stosując podobne podejścia z liniami Gal4 istotnymi behawioralnie, zmapowaliśmy część obwodu CCAP-Gal4 regulującego rozprostowanie skrzydeł u dorosłych much (Bohm et al., 2010). Wierzymy, że metoda FINGR będzie cenna w pogłębianiu naszego zrozumienia neuronalnych podstaw zachowania.

Rysunek 1. Analiza wzorca ekspresji linii ET-FLPx2. Wzorzec ekspresji FLP (niebieskie owale) z linii ET-FLPx2 można wyznaczyć poprzez skrzyżowanie samca ET-FLPx2 (lewa góra) z aktynąP>CD2>dziewicze Gal4; UAS-GFP (prawy górny róg). Ubikwitynowa aktynaP>Ekspresja Gal4 u samicy rodzicielskiej jest hamowana przez insercję sekwencji CD2 flankowanej przez miejsca FRT (szare trójkąty). W potomstwie F1 rekombinaza FLP wytnie sekwencję CD2, co umożliwi ekspresję aktynyP>Gal4 do sterowania ekspresją UAS-GFP.

Rysunek 2. Wzór ekspresji linii ET-FLPx2 w centralnym układzie nerwowym larw i osobników dorosłychObrazy te przedstawiają ośrodkowy układ nerwowy (mózg i brzuszny sznur nerwowy, VNC) wypreparowany z potomstwa uzyskanego z krzyżowania yw, actinP>CD2>rodziców Gal4 oraz UAS-GFP do linii ET-FLPx2 173A. Poprzez rekombinacyjne usunięcie >CD2> kaseta, FLP aktywuje aktynęP>ekspresja GAL4 (wtórna ekspresja UAS-GFP). Zatem wzór GFP wskazuje komórki wykazujące ekspresję FLP. Panel A przedstawia wzorzec ekspresji FLP w larwach, natomiast panel B przedstawia wzorzec ekspresji u osobników dorosłych w linii 173A.

Rysunek 3. Charakterystyka typów komórek wykazujących ekspresję flippazy w linii ET-FLPx2 nr 688A. A, obraz kompozytowy utrwalonej F1 3rd larwa w stadium poczwarki zabarwiona przeciwciałem anty-REPO, pochodząca z krzyżówki linii ET-FLPx2 nr 68A i linii raportującej GFP Flippase. B-D, widok przy dużym powiększeniu (Zeiss Plan-Apochromat 63x oil) wykonany z tylnego końca VNC z 3Badania i rozwój stadia larwalne.

Rycina 4. Charakterystyka typów komórek w obrębie ciała grzybowego linii ET-FLPx2 nr 150. A-C, zdjęcie przy dużym powiększeniu (63x, imersja olejowa) ciał grzybowatych utrwalonej larwy F1 w trzecim stadium rozwojowym, barwionej przeciwciałem anty-REPO.

Rysunek 5. Ilustracja strategii Gal80 Flip-in i Flip-out. A. W strategii flip-out Gal80 pod promotorem tubuliny (TubP>Gal80>) wykazuje aktywność konstytutywną, co prowadzi do represji GMR-Gal4 i fenotypu oka typu dzikiego (czerwone oko). Represja ta jest zniesiona poprzez wprowadzenie FLP (fioletowy), który powoduje odwrócenie orientacji Gal80 (środek, czerwony), umożliwiając GMR-Gal4 stymulację ekspresji UAS-polyQ. Skutkuje to degeneracją komórek fotoreceptorowych (zilustrowaną białymi kropkami w oku). BW odwrotności do poprzedniej strategii, ekspresja Gal80 sterowana promotorem tubuliny jest przerywana przez kodon „stop” flankowany sekwencjami FRT (szary trójkąt). Wobec braku Gal80, GMR-Gal4 wiąże się z UAS-polyQ, co powoduje degenerację neuronalną w fotoreceptorach (zilustrowaną białymi kropkami w oku). Poprzez krzyżowanie GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>Samce GAL80 z dziewiczymi samicami wykazującymi ekspresję FLP w komórkach fotoreceptorów; FLP (fioletowy) katalizuje rekombinację w miejscach FRT, wycinając kodon „stop” (środek, czerwony), co umożliwia ekspresję Gal80 i represję GMR-Gal4. Zapobiega to neurodegeneracji w komórkach fotoreceptorów (zilustrowane brakiem białych kropek w oku).

Rycina 6. Zastosowanie metody FINGR do wyciszenia Gal80 przy użyciu linii ET-FLPx2 nr 68A. Potomstwo F1 z krzyżówki linii ET-FLPx2 nr 68A (dziewice) z GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>Samce GAL80. Brak pigmentu w środkowej części ommatidiów oka reprezentuje ekspresję FLP w linii #68A. W tym obszarze zniesiono supresję GMR-Gal4 przez Gal80, co pozwoliło Gal4 na napędzanie UAS-polyQ.

Rycina 7. Zastosowanie metody FINGR w celu wprowadzenia lub usunięcia Gal80 w celu przecięcia się z Gal4 w fotoreceptorach. A. KuwetaP>zatrzymaj>System flip-in Gal80 ogranicza ekspresję GAL4 w sposób zależny od FLP. W GMR-Gal4, UAS-polyQ; tubP>stop>W przypadku much GAL80 komórki fotoreceptorowe są zdegenerowane i odbarwione (mucha po lewej). Po wprowadzeniu eyFLP białko Gal80 ulega ekspresji w komórkach fotoreceptorowych, co prowadzi do pełnej represji GMR-Gal4, co z kolei wyłącza ekspresję polyQ i daje muchy z prawidłowo rozwiniętymi oczami (mucha po prawej). B. KuwetaP>Gal80> system odchylny działa w sposób przeciwny do wannyP>zatrzymaj>System flip-in Gal80. TubP>Gal80> konstytutywnie represuje GAL4 i tłumi ekspresję polyQ (muszka po lewej, z normalnymi oczami). Po wprowadzeniu eyFLP Gal80 zostaje usunięte z komórek fotoreceptorów, co znosi supresję GMR-Gal4 i uruchamia ekspresję polyQ. Prowadzi to do powstania muszek zdegenerowanymi i odbarwionymi oczami (muszka po prawej).