Zwierzęta polegają na informacjach węchowych i smakowych, aby pośredniczyć w podejmowaniu decyzji niezbędnych do przetrwania i reprodukcji. Zrozumienie, w jaki sposób sygnały chemosensoryczne są wykrywane i przetwarzane przez układ nerwowy, wymaga identyfikacji receptora (receptorów) czuciowego i odpowiadających im ligandów chemicznych. Drosophila wykrywają oszałamiającą różnorodność lotnych i nielotnych związków i są doskonałym modelem do badania mechanizmów fizjologicznych leżących u podstaw chemosensacji. Podczas gdy narządy węchowe postrzegają lotne cząsteczki, narządy smakowe są wyspecjalizowane w wykrywaniu związków o niskiej lotności. W tym miejscu przedstawiamy metodę bezpośredniego pomiaru odpowiedzi neuronalnych z narządów smakowych Drosophila melanogaster na lipofilowe ligandy o niskiej lotności.
Narządy smakowe muchy obejmują przednie nogi, trąbkę i skrzydła. Na powierzchni narządów smakowych rozmieszczone są struktury przypominające włosy, znane jako sensilla, które reagują na cukry, gorycze, sole, wodę i feromony8. Sensilla została podzielona morfologicznie na włosie smakowe i kołki smakowe9. Na etykiecie znajduje się około 31 szczecinek smakowych, które są podzielone na morfologie długie (typ l), krótkie (typ s) i pośrednie (typ i). W sensylach "l" i "s" znajdują się 4 neurony czuciowe, które fizjologicznie reagują na cukier (komórka S), niską zawartość soli (komórka L1), wysoką zawartość soli i związki goryczkowe (komórka L2) oraz wodę (komórka W)10,11. W sensilli "i" znajdują się 2 neurony czuciowe, z których jeden reaguje zarówno na niską zawartość soli, jak i cukier, podczas gdy drugi reaguje na wysoką zawartość soli12. Na każdej z przednich kończyn znajduje się około 41 sensilli smakowych u samców i 26 sensilli u samic. Zarówno u samców, jak i samic na środkowej nodze znajduje się 21 sensilli, a na tylnej nodze około 22 sensilli13. Neurony smakowe zamknięte w czubku smakowym na nogach są również klasyfikowane jako typy L1, L2, W i S.
Jedna standardowa metoda pomiaru aktywności elektrycznej pojedynczych neuronów wykorzystuje elektrody zewnątrzkomórkowe lub wewnątrzkomórkowe do rejestrowania przepływu jonów. Pomiary elektrod pozwalają na badanie funkcji neuronów w organizmach niemodelowych, takich jak gatunki Drosophila, i pszczoły, które nie mają rozbudowanych narzędzi genetycznych do znakowania neuronów. Jednakże, podczas gdy metody elektrofizjologiczne są rutynowo stosowane do pomiaru aktywności Drosophila taste sensilla4,13,14, zastosowanie tego podejścia wiąże się z kilkoma wyzwaniami technicznymi. Po pierwsze, włosie smakowe musi zostać zidentyfikowane na podstawie morfologii i lokalizacji przestrzennej. Po zidentyfikowaniu pomiary elektrofizjologiczne mogą być utrudnione ze względu na mały rozmiar czujnika, ograniczoną dostępność ze względu na położenie oraz trudności w zastosowaniu kontrolowanych objętości bodźca chemicznego do włosia smakowego. Ponadto stymulacja sensilli może generować sygnały z więcej niż jednego typu neuronu15. Po drugie, wykrywanie sygnałów elektrycznych może być zakłócone przez szum tła wynikający z wibracji mechanicznych i szumów pochodzących ze sprzętu elektronicznego. Po trzecie, użycie zaostrzonej elektrody może uszkodzić preparat na muchy, jeśli zostanie użyty nieprawidłowo14. Wreszcie, montaż stanowiska do elektrofizjologii wymaga specjalistycznych komponentów elektronicznych do dostarczania bodźców, rejestracji sygnału i analizy danych i może być kosztowny.
U D. melanogaster, dostępność genetycznie kodowanych narzędzi ułatwiła rozwój technik obrazowania, które pozwalają na badanie odpowiedzi małych populacji neuronów. Jednym z takich podejść jest użycie CaLexA reporter16. W tej metodzie sekwencje genów kodujących czynnik transkrypcyjny LexA-VP16 i wrażliwe na wapń białko NFAT są ze sobą połączone. Aktywacja wapniowa fosfatazy białkowej kalcyneuryny katalizuje defosforylację NFAT, a to z kolei ułatwia jego import do jądra. Wewnątrz jądra domena LexA wiąże się z motywem wiążącym LexAop-DNA, który kieruje ekspresją reportera białka zielonej fluorescencji (GFP), umożliwiając w ten sposób trwałą identyfikację funkcjonalnie aktywowanych neuronów. Podejście to zostało z powodzeniem wykorzystane do pomiaru odpowiedzi określonych kłębuszków węchowych w płacie czułkowym po ekspozycji żywych much na działanie środka zapachowego16. Ostatnio zmierzono fizjologiczne odpowiedzi neuronów receptora smakowego IR52c od żywych much przy użyciu CaLexA7. Jednak w tym badaniu konieczne było starzenie much przez okres do 6 tygodni, aby poprawić transkrypcję GFP. Podczas gdy barwienie immunologiczne przeciwciałem anty-GFP może być stosowane w celu wzmocnienia sygnału CaLexA, metoda ta wymagałaby utrwalenia tkanki, co wyklucza możliwość obrazowania żywych komórek.
Genetycznie kodowane białko wskaźnikowe wapnia GCaMP było również szeroko wykorzystywane do badania odpowiedzi neuronalnych u wielu gatunków17. Białko GCaMP fluoryzuje z niską intensywnością przed stymulacją neuronalną. Zastosowanie bodźca wyzwala potencjał czynnościowy w neuronze, co skutkuje napływem Ca2+. GCaMP, związany z Ca2+, ulega zmianie konformacyjnej, powodując fluoryzację z jaśniejszą intensywnością (ryc. 1). Niedawno opracowana metoda obrazowania wapnia z pojedynczym neuronem została wykorzystana do zidentyfikowania glukozy jako liganda dla specyficznych dla kończyny przedniej kończyny neuronów smakowych Gr61a18. W tym badaniu wypreparowane kończyny przednie transgenicznej Drosophila wykazującej ekspresję GCaMP w neuronach smakowych Gr61a zostały pokryte warstwą agarozy przed obrazowaniem. Jednak użycie wypreparowanej tkanki może spowodować ostateczne wyczerpanie ekspresji GCaMP, ograniczając w ten sposób czas pomiaru i czułość wykrywania. Ponadto agaroza może ograniczać wrażliwość ze względu na wysoki poziom fluorescencji tła i jej właściwości rozpraszania światła.
Aby rozwiązać niektóre z tych problemów, opisujemy użycie obrazowania wapnia za pośrednictwem GCaMP do rejestrowania fizjologicznych reakcji neuronów smakowych kończyn przednich i trąbek nienaruszonych zwierząt. Pokazujemy fizjologiczne odpowiedzi neuronów Gr68a i ppk23 wyrażających genetycznie kodowany GCaMP5G19 na feromon lipidowy Drosophila (3R, 11Z, 19Z)-3-acetoksy-11,19-oktakosadien-1-ol (CH503)20,21. Odpowiedzi neuronalne mierzy się poprzez ilościowe określenie wzrostu fluorescencji sygnału GCaMP5G podczas stymulacji feromonami. W tym protokole neurony są obrazowane przez łączny czas 120 sekund, co jest wystarczające do różnicowania wzorców aktywacji neuronów w poszczególnych komórkach.