$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mózg, składający się z ogromnej liczby różnorodnych typów neuronów, wyposaża zwierzęta w zdolność postrzegania, przetwarzania i reagowania na wyzwania ze świata zewnętrznego. Neurony dorosłego Drosophila centralnego mózgu pochodzą z ograniczonej liczby nerwowych komórek macierzystych, zwanych neuroblastami (NB), podczas rozwoju1,2. Większość NB biorących udział w neurogenezie mózgu u Drosophila przechodzi asymetryczny podział w celu wytworzenia samoodnawiających się NB i komórek macierzystych zwojów (GMC), a GMC przechodzą następnie przez kolejną rundę podziału, aby wytworzyć dwie komórki potomne, które różnicują się w neurony3 (Figura 1A). Ze względu na złożoność morfologii neuronów i wyzwania związane z identyfikacją konkretnych neuronów, wynaleziono technologię pozytywnego znakowania mozaiki, analizę mozaiki z represyjnym markerem komórkowym (MARCM), aby umożliwić wizualizację pojedynczego neuronu lub małego podzbioru neuronów z populacji otaczających, nieoznakowanych neuronów4.
MARCM wykorzystuje system rozpoznawania flippazy (FLP)/celu rozpoznawania FLP (FRT) do pośredniczenia w specyficznej dla miejsca rekombinacji między homologicznymi chromosomami w obrębie dzielącej się komórki prekursorowej niosącej heterozygotyczny allel genu represorowego, którego ekspresja normalnie hamuje ekspresję genu reporterowego4. Po podziale mitotycznym rekombinowane chromosomy są segregowane na bliźniacze komórki, tak że jedna komórka zawiera homozygotyczne allele genu represorowego, a druga komórka nie ma genu represorowego - ekspresja reportera w tej komórce (i jej potomkach) nie jest już zablokowana4. W eksperymencie MARCM zwykle znajdują się trzy wzorce klonalne, gdy FLP jest indukowany stochastycznie w NB lub GMC: klony jednokomórkowe i dwukomórkowe GMC, które przedstawiają morfologię neuronów w rozdzielczości pojedynczej komórki, oraz wielokomórkowe klony NB, które ujawniają całe wzorce morfologiczne neuronów pochodzących ze wspólnego NB (Figura 1B). Technika MARCM jest szeroko stosowana w badaniach neurobiologicznych Drosophila, w tym w identyfikacji typów neuronów w celu rekonstrukcji sieci przewodowych w całym mózgu, analizach linii neuronalnych w celu ujawnienia historii rozwoju neuronów, charakterystyce fenotypowej funkcji genów zaangażowanych w specyfikację losu komórki oraz badaniach morfogenezy i różnicowania neuronów5,6,7,8,9,10. Ponieważ konwencjonalny MARCM znakuje tylko jedną z dwóch komórek potomnych (i linii) po indukowanym zdarzeniu rekombinacji mitotycznej, potencjalnie użyteczne informacje ze strony nieoznaczonej są tracone. To ograniczenie wyklucza zastosowanie podstawowego systemu MARCM do wysokorozdzielczych analiz wielu linii neuronalnych, które zmieniają losy komórek w szybkim tempie lub do precyzyjnych analiz funkcji genów w identycznych neuronach różnych zwierząt11,12.
Twin-spot MARCM (tsMARCM) to zaawansowany system, który oznacza neurony pochodzące od wspólnego przodka dwoma różnymi kolorami, co umożliwia odzyskanie użytecznych informacji z obu stron bliźniaczych komórek, pokonując w ten sposób ograniczenia oryginalnego systemu MARCM11 (Rysunek 2A-2C). W systemie tsMARCM dwa supresory oparte na interferencji RNA (RNAi) znajdują się w miejscach trans chromosomów homologicznych w komórce prekursorowej, a ekspresja tych supresorów niezależnie hamuje ekspresję ich odpowiednich reporterów (Figura 2B). Po specyficznej dla miejsca rekombinacji mitotycznej za pośrednictwem systemu FLP / FRT, dwa supresory oparte na RNAi ulegają segregacji w komórkach bliźniaczych, aby umożliwić ekspresję odrębnych reporterów (Figura 2B). Dwa wzorce klonalne, pojedyncza komórka związana z klonami pojedynczych komórek i dwukomórkowa GMC związana z wielokomórkowymi klonami NB, są zwykle obserwowane w eksperymencie tsMARCM (Figura 2C). Informacje pochodzące z jednej strony bliźniaczych komórek mogą być wykorzystane jako odniesienie dla drugiej strony, umożliwiając analizy linii neuronalnej o wysokiej rozdzielczości, takie jak datowanie urodzeń znakowanych neuronów oraz analizy fenotypowe identycznych neuronów u różnych zwierząt w celu dokładnego zbadania funkcji genów neuronalnych11,12. W tym miejscu przedstawiamy krok po kroku protokół opisujący, jak przeprowadzić eksperyment tsMARCM, który może być wykorzystany przez inne laboratoria do poszerzenia swoich badań nad rozwojem neuronalnym (a także rozwojem innych tkanek, jeśli dotyczy) u Drosophila.