Ludzie polegają na zdolności do przekształcania bodźców mechanicznych z otoczenia, takich jak dotyk, nacisk, wibracje czy fale dźwiękowe, w informacje sensoryczne, które mogą być przetwarzane przez układ nerwowy, w procesie zwanym mechanotransdukcją. Wiele ogólnych cech mechanistycznych mechanotransdukcji między ludźmi a bezkręgowcami jest takich samych1, co czyni Drosophila użytecznym modelem do badania molekularnych mechanizmów mechanotransdukcji. Drosophila melanogaster zawiera dwa zestawy wyspecjalizowanych narządów zmysłów (typ I i II), które są zdolne do przekształcania bodźców mechanicznych w potencjały czynnościowe. Mechanoreceptory typu I mają neuron z pojedynczym dendrytem lub wyrostkiem czuciowym, otoczony trzema komórkami podporowymi2. Mechanoreceptory typu I obejmują mechanoreceptory szczeciniaste, wrażliwe na słuch narządy strunowe (narząd Johnstona) i czuprynę dzwonkową, które przekazują informacje o uderzeniach skrzydeł3. Szczecinka pokrywająca grzbietową stronę muchy jest najliczniejsza i najłatwiej dostępna z narządów typu I. Podobnie jak środowisko zewnątrzkomórkowe komórek rzęsatych związanych ze słuchem i równowagą u kręgowców, komórki podporowe otaczające neurony mechanowrażliwe much wydzielają endolimfę o wysokiej zawartości potasu, która tworzy niezwykły gradient stężenia potasu1. Neurony mechanowrażliwe, zarówno ssaków, jak i much, wykorzystują ten wysoki poziom pozakomórkowego potasu do depolaryzacji komórki. W odpowiedzi na mechaniczną stymulację szczeciny makroszczetów w kierunku ściany ciała, neurony czuciowe reagują wybuchem potencjałów czynnościowych napędzanych przez tę depolaryzację potasu błony komórkowej4. Neurony czuciowe Drosophila, które unerwiają szczecinę, przypominają mechanowrażliwe komórki innych organizmów, w tym komórek rzęsatych kręgowców, zarówno pod względem struktury, jak i funkcji1,5. Dostępność zewnętrznych narządów zmysłów Drosophila do eksperymentalnych manipulacji oraz obfitość technik genetycznych dostępnych dla badaczy sprawiają, że Drosophila jest doskonałym systemem modelowym do badania molekularnych podstaw mechanosensacji.
W locie, stymulacja pojedynczego neuronu czuciowego, który unerwia szczecinę, prowadzi do obserwowalnej reakcji behawioralnej. Stymulacja różnych szczecinek wywołuje określone, powtarzalne reakcje behawioralne, w zależności od stymulowanego włosia. Po stymulacji dotykowej, zdekapitowane muchy typu dzikiego wykazują złożony odruch pielęgnacyjny, w którym oczyszczają obszar w pobliżu stymulowanego włosia za pomocą wzorzystego zestawu ruchów nóg5-7. Gdy muchy są homozygotyczne pod względem znanych mutacji jednogenowych, które zakłócają uczenie się7 lub koordynację i aktywność lokomotoryczną5, reagują nieprawidłowo na stymulację mechaniczną. Ten odruch uwodzenia jest zatem użytecznym narzędziem do badania wpływu mutacji pojedynczych genów na określone, powtarzalne zachowanie.
Silna reakcja behawioralna na stymulację pojedynczego szczeciny makroszczetów może pomóc w identyfikacji nowych genów zaangażowanych w mechanotransdukcję. Protokół ten jest używany do testowania kolekcji zmutowanych much pod kątem braku reakcji behawioralnej, aby wskazać, że mutacja zakłóca mechanosensację. W kolekcji mutantów wybranych do badań przesiewowych mutacje powodują śmiertelność przed osiągnięciem dorosłości, a zatem niemożliwe byłoby przetestowanie ich przy użyciu tradycyjnych badań przesiewowych zachowań dorosłych. Pierwotnie, ten zbiór śmiercionośnych p-pierwiastków został połączony z miejscami rekombinacji FRT w celu zbadania defektów wzrostu komórek w klonach. Klony zostały stworzone specjalnie w oku, ponieważ dorosłe muchy mogą przetrwać w warunkach laboratoryjnych bez funkcjonalnegowidzenia. Jednak usunięcie całej mechanosensacji może spowodować, że dorośli będą poważnie nieskoordynowani lub umrą przed zaklozją5. Protokół ten wykorzystuje podejście mozaikowe, aby obejść śmiertelność mutacji i umożliwić testowanie w stadium dorosłym. Technika genetyczna zwana analizą mozaikową z represyjnym markerem komórkowym (MARCM)9 jest stosowana do generowania homozygotycznych zmutowanych komórek w ograniczonej liczbie narządów zmysłów dorosłych much, podczas gdy reszta organizmu pozostaje heterozygotyczna. Te muchy MARCM z łatwością przeżywają do dorosłości, ale szczecina jest homozygotyczne pod względem interesujących ich śmiertelnych genów.
MARCM pozwala na generowanie regionów homozygotycznych zmutowanych komórek i oznaczanie ich przez ekspresję białka zielonej fluorescencji (GFP), podczas gdy reszta organizmu pozostaje heterozygotyczna w tym konkretnym locus i nieoznaczona9. MARCM łączy poszczególne mutacje elementu p z pięcioma wspólnymi elementami genetycznymi: GFP pod kontrolą sekwencji aktywującej (UAS-GFP), białko represorowe Gal80 pod kontrolą ogólnego promotora (tub-Gal80), czynnik transkrypcyjny Gal4 pod kontrolą ogólnego promotora (tub-Gal4), enzym rekombinazy FRT wyrażany przez promotor kontrolowany szokiem cieplnym oraz miejsce rekombinacji FRT10. Kierując rekombinacją mitotyczną poprzez rekombinazę aktywowaną szokiem cieplnym, ograniczona liczba komórek staje się homozygotyczna pod względem mutacji i oznaczana GFP. Ekspresja GFP jest hamowana w komórkach heterozygotycznych przez obecność Gal80 na kopii chromosomu typu dzikiego.
Protokół szoku cieplnego dla MARCM został zoptymalizowany pod kątem wywołania rekombinacji w zewnętrznych narządach zmysłów włosia muchy, podczas gdy większość organizmu pozostaje heterozygotyczna, a więc nieoznaczona GFP. Muchy mozaikowe wygenerowane za pomocą tego protokołu zawierały mutacje homozygotyczne najczęściej w szczecinkach śródzębnych po alarze lub grzbietowej na powierzchni notum.
Przetestowaliśmy użyteczność tej kombinacji MARCM i ekranu zachowań uwodzicielskich ze znanym mechanowrażliwym mutantem, NOMPC. Kanał jonowy, brak potencjału mechanoreceptorowego C (NOMPC), jest istotnym składnikiem szlaku mechanotransdukcji u Drosophila5,11-13. NOMPC należy do nadrodziny przejściowego potencjału receptora (TRP) kanałów kationowych5 i spełnia wszystkie kryteria, aby zakwalifikować się jako kanał mechanowrażliwy u Drosophila14,15: 1) NOMPC ulega ekspresji w końcówkach rzęsek neuronów czuciowych typu 1 Drosophila 13,16-18, 2) Larwy zerowe NOMPC nie mają odpowiedzi elektrycznej na stymulację dotykową13, 3) Ektopowa ekspresja NOMPC w komórkach niewrażliwych na dotyk może indukować wrażliwość na stymulację mechaniczną13, 4) heterologiczna ekspresja NOMPC w komórkach Schneidera 2 daje mechanowrażliwy kanał13, oraz 5) dorosłe mutanty NOMPC wykazują defekty w odpowiedzi na stymulację mechaniczną5. Biorąc pod uwagę te dowody, przewidywaliśmy, że zmutowane klony NOMPC będą wykazywać zmienioną lub zahamowaną reakcję pielęgnacyjną w odpowiedzi na mechaniczną stymulację szczeciny.
A MARCM-stock zawierający mutację NOMPC został opracowany do użycia w eksperymencie potwierdzającym zasadność testu groomingowego. Muchy mozaikowe stymulowano na szczecinie makroszczetów zawierających homozygotyczne zmutowane komórki NOMPC. Spodziewaliśmy się zahamowania reakcji pielęgnacyjnej po stymulacji szczeciny makroszczetowej. Odkryliśmy, że tylko 2 z 14 badanych zmutowanych much szczeciniastych dały pojedynczą odpowiedź na powtarzającą się stymulację; Większość z nich nie reagowała na stymulację homozygotycznego zmutowanego włosia. Po potwierdzeniu, że ten test behawioralny oparty na MARCM wytwarza nieprawidłowy odruch uwodzenia u znanego mechanowrażliwego mutanta mozaiki, technika ta może być stosowana w badaniu przesiewowym dla dodatkowych mutacji mechanowrażliwych.