Ten artykuł opisuje protokół obrazowania ex vivo wapnia mózgu Drosophila. W tej metodzie do buforu można zastosować naturalne lub syntetyczne związki, aby przetestować ich zdolność do aktywacji określonych neuronów w mózgu.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł opisuje protokół obrazowania ex vivo wapnia mózgu Drosophila. W tej metodzie do buforu można zastosować naturalne lub syntetyczne związki, aby przetestować ich zdolność do aktywacji określonych neuronów w mózgu.
Komunikacja między narządami za pomocą sygnalizacji endokrynologicznej, na przykład z peryferii do mózgu, jest niezbędna do utrzymania homeostazy. Jako zwierzę modelowe do badań endokrynologicznych, Drosophila melanogaster, który dysponuje zaawansowanymi narzędziami genetycznymi i informacjami o genomie, jest coraz częściej wykorzystywany. W artykule opisano metodę obrazowania wapnia eksplantatów mózgu Drosophila. Metoda ta umożliwia wykrycie bezpośredniej sygnalizacji hormonu do mózgu. Powszechnie wiadomo, że wiele hormonów peptydowych działa poprzez receptory sprzężone z białkiem G (GPCR), których aktywacja powoduje wzrost wewnątrzkomórkowego stężeniaCa2+. Aktywacja neuronalna podnosi również wewnątrzkomórkowy poziom Ca2 +, zarówno z napływu Ca2 +, jak i uwalniania Ca2 + przechowywanego w retikulum endoplazmatycznym (ER). Czujnik wapnia, GCaMP, może monitorować te zmianyCa2+. W tej metodzie GCaMP ulega ekspresji w neuronach będących przedmiotem zainteresowania, a mózg larwy wykazującej ekspresję GCaMP jest preparowany i hodowany ex vivo. Peptyd testowy jest następnie nakładany na eksplantat mózgu, a zmiany fluorescencyjne w GCaMP są wykrywane za pomocą mikroskopu konfokalnego z wirującym dyskiem wyposażonego w kamerę CCD. Za pomocą tej metody można przetestować dowolną cząsteczkę rozpuszczalną w wodzie, a różne zdarzenia komórkowe związane z aktywacją neuronalną można zobrazować za pomocą odpowiednich wskaźników fluorescencyjnych. Ponadto, modyfikując komorę obrazowania, metoda ta może być stosowana do obrazowania innych narządów Drosophila lub narządów innych zwierząt.
Komunikacja między narządami jest ewolucyjnie zachowaną strategią utrzymania homeostazy w celu radzenia sobie ze zmianami środowiskowymi. U ludzi różne hormony sąuwalniane z gruczołów dokrewnych do krążenia. Wiele z tych hormonów celuje w podwzgórze mózgu, które reguluje procesy metaboliczne i podstawowe zachowania, takie jak karmienie1,2. Wiele hormonów odkryto przy użyciu modeli ssaków. Jednak mechanizmy ich działania, zwłaszcza sieci międzynarządowe, w których uczestniczą, pozostają w dużej mierze niejasne.
Drosophila melanogaster stała się użytecznym modelem do badania komunikacji między narządami. U owadów wiele procesów fizjologicznych jest kontrolowanych przez hormony. Wczesne badania skupiające się na wzroście i metamorfozie wykorzystywały duże owady. W tych badaniach usunięcie lub przeszczepienie określonych narządów przewidywało istnienie międzynarządowych cząsteczek sygnałowych; później hormon juweniliczny (JH), hormon protorakotropowy (PTTH) i ekdyzon zostały oczyszczone biochemicznie3,4,5. Uważa się, że duża rodzina międzykomórkowych peptydów sygnałowych bierze udział w różnych zdarzeniach fizjologicznych podczas cyklu życia owadów6,7. Większość z tych peptydów działa na receptory sprzężone z białkiem G (GPCR), chociaż konkretne GPCR były początkowo trudne do zidentyfikowania przy użyciu konwencjonalnych metod. Publikacja sekwencji całego genomu Drosophila 8 była przełomem, który umożliwił identyfikację bioaktywnych peptydów Drosophila na podstawie ich homologii do tych występujących u innych owadów. Ponadto zidentyfikowano receptory dla kilku peptydów na podstawie GPCR przewidywanych w genomie za pomocą testów wiązania ligandów GPCR opartych na hodowli komórkowych. Następnie, analizy ekspresji pozwoliły przewidzieć szlaki między narządami wywoływane przez te peptydy i receptory. Warto zauważyć, że wiele z domniemanych receptorów peptydowych ulega ekspresji w mózgu, co sugeruje, że mózg jest głównym celem hormonów peptydowych9. Co więcej, zaawansowane narzędzia genetyczne u Drosophila przyczyniły się do identyfikacji fizjologicznych ról kombinacji peptyd-GPCR. Na przykład binarne systemy transkrypcyjne oparte na GAL4 i LexA umożliwiają knockdown lub nadekspresję genów w sposób kontrolowany przestrzennie i czasowo. GAL4, czynnik transkrypcyjny zidentyfikowany u drożdży, wiąże się ze specyficzną sekwencją cis-regulatorową zwaną sekwencją aktywacji upstream (UAS). W systemie GAL4/UAS linia sterująca zapewnia specyficzną tkankowo lub specyficzną dla etapu ekspresję GAL4, a linia odpowiadająca przenosi UAS przed genem będącym przedmiotem zainteresowania lub konstruktem w celu sterowania ekspresją shRNA. System LexA/LexAop opiera się na podobnym mechanizmie. Analizy fenotypowe zwierząt z peptydowym knockdownem specyficznym dla tkanek i GPCR-knockdown mogą ujawnić informacje na temat trybu i miejsca działania sygnalizacji peptyd-GPCR. Jednak wnioski, do których można dojść wyłącznie na podstawie danych genetycznych, są ograniczone. Z drugiej strony, gdy domniemany cel określonego hormonu peptydowego zostanie zawężony do typu tkanki lub komórki, obrazowanie wapnia ex vivo w eksplantatach narządów może być wykorzystane do wyjaśnienia komunikacji między narządami, w której pośredniczy sygnalizacja peptyd-GPCR. Po aktywacji GPCR sprzężonego z Gq, wewnątrzkomórkowe stężenie Ca2 + jest zwiększone z powodu uwolnienia Ca2 + z klasy ER10. W mózgu aktywacja neuronalna podnosi również wewnątrzkomórkowy poziom Ca2+. Takie wzrosty Ca2+ mogą być wykryte przez czujnik wapnia GCaMP, który ulega zmianom konformacyjnym w obecności Ca2+, co skutkuje emisją fluorescencji11.
W tym artykule opisana jest metoda obrazowania wapnia z wykorzystaniem eksplantatów mózgu Drosophila. Aby przetestować zdolność peptydu do aktywacji określonych neuronów, peptyd testowy nakłada się na eksplantat mózgu wyrażający GCaMP, a zmiany fluorescencji są monitorowane za pomocą mikroskopii konfokalnej. Udział GPCR jest następnie potwierdzany przez wykonanie tego samego testu przy użyciu zmutowanego mózgu pozbawionego GPCR. To połączenie obrazowania i genetyki dostarcza precyzyjnych informacji na temat komunikacji między narządami za pomocą peptydów-GPCR. Omówiono również możliwe modyfikacje i zastosowania tego protokołu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie eksplantatów mózgu larw
2. Akwizycja obrazów fluorescencyjnych Ca2+
UWAGA: Eksplantaty mózgu zanurzone w PBS są obrazowane za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego wyposażonego w soczewkę obiektywową z 20-krotnym zanurzeniem w wodzie (nie dotyczy = 0,5). PBS nie aktywuje komórek w mózgu. Jeśli potrzebne są obrazy w osi Z, soczewka obiektywu jest montowana za pomocą ruchomego obiektywu aktywowanego piezoelektrycznie. Głowica konfokalna z obracającym się dyskiem służy do zwiększenia rozdzielczości czasowej. W przypadku obrazowania przy słabym oświetleniu na mikroskopie zamontowana jest kamera ze sprzężeniem ładunku zwielokrotnionym elektronami. Obrazowanie fluorescencji GCaMP6s (wzbudzenie/emisja: 488/509 nm) wymaga lasera o długości fali 488 nm do wzbudzenia z dichroicznym rozdzielaczem wiązki i filtrem emisyjnym (np. filtr pasmowoprzepustowy 528 ± 38 nm).
3. Analiza danych
Uwaga: Dane obrazowania są analizowane w trybie offline za pomocą ImageJ. Podczas obrazowania poklatkowego pipetowanie powoduje ruch mózgu larwy. W związku z tym aberracje pozycyjne obrazów seryjnych powinny zostać skorygowane przed analizą. Korekcję można wykonać za pomocą wtyczki ImageJ, TurboReg w następujący sposób.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zastosowano ten protokół, aby zbadać aktywację produkujących insulinę komórek (IPC) mózgu przez hormon peptydowy CCHa2. Komórki IPC w mózgach typu dzikiego oznakowano GCaMP6s, wykorzystując kombinację dilp2-GAL412 (dar od dr. Rulifsona) oraz UAS-GCaMP6s13 (dar od dr. Kim). Eksplanty mózgów larwalnych poddano działaniu syntetycznego peptydu CCHa2, a fluorescencję GCaMP6s rejestrowano w czasie rzeczywistym. W tym doświadczeni...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisana tutaj metoda obrazowaniaCa2+ jest użytecznym systemem do badania funkcji hormonów w mózgu. In vivo mózg otrzymuje hormony z różnych narządów dokrewnych. Ponadto mózg stale odbiera wznoszące się informacje sensoryczne, co powoduje spontaniczną aktywację neuronów. Ten system ex vivo eliminuje takie szumy i zapewnia lepszy stosunek sygnału do szumu niż obrazowanie in vivo . W tym systemie cząsteczki mogą być testowane pojedynczo lub w połączeniu. Oprócz hormonów peptydowych, do ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Grants-in-Aid for Scientific Research (15K07147, 17K07419) od JSPS (dla Hiroshi Ishimoto, Hiroko Sano), Inamori Foundation Research Grant (dla HI) oraz Program of the Joint Usage/Research Center for Developmental Medicine, w Instytucie Embriologii Molekularnej i Genetyki, Kumamoto University (do HS). Dziękujemy dr Azusa Kamikouchi i panu Daichi Yamada za pomoc w korzystaniu z systemu obrazowania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Pręt wolframowy | A-M systems, Sequim, WA, USA | 717000 | |
| Blu Tack | Bostik, Paryż, Francja | 3049100 | Kleje wielokrotnego użytku podobne do szpachli |
| Szkiełko zegarka, kwadrat, 1 5/8 w | Carolina Biological Supply Company, Burlington, NC, USA | 742300 | |
| PBS | TAKARA Bio Inc., Kusatsu, Shiga, Japonia | T900 | Fosforanowane sole buforowe |
| CCHa2 | SCRUM Inc., Tokio, Japonia | Peptyd syntetyzowany w kusku | |
| Ghrerin | Peptide institute Inc., Osaka, Japonia | 4372-s | |
| Nociceptin | Peptide institute Inc., Osaka, Japonia | 4313-v | |
| Axio Imager A2 | Carl Zeiss, Oberkochen, Niemcy | Mikroskop fluorescencyjny | Axio Imager A2 |
| Obiektyw W N-Achroplan 20x/0,5 M27 | Carl Zeiss, Oberkochen, Niemcy | 420957-9900-000 | obiektywowa zanurzająca w wodzie |
| P-725 Skaner obiektywowy PIFOC o dużym zasięgu przesuwu | Physik Instrumente GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Niemcy | Nie dotyczy | aktywowany piezoelektrycznie |
| Skaner konfokalny CSU-W1 | Yokogawa Electric Corporation, Tokio, Japonia | CSU-W1 | głowica konfokalna z wirującym |
| dyskiem ImagEM C9100-13 | Hamamatsu Photonics, Sizuoka, Japonia | Kamera C9100-13 | EM-CCD |
| OBIS 488 nm LS 60 mW | Koherent, Santa Clara, CA, USA | 1178770 | Laser 488 nm |
| 488/568/647 nm Rozdzielacz wiązki Yokogawa | Semrock, Rochester, NY, USA | Di01-T405/488/568/647-13x15x0,5 | dichroiczny rozdzielacz wiązki |
| 528/38 nm Jednozakresowy filtr pasmowo-przepustowy BrightLine | Semrock, Rochester, NY, USA | FF01-528/ Filtr emisji 38-25 | |
| i mikro; Kierownik | Open Imaging, Inc. | Nie | dotyczy https://micro-manager.org |
| ImageJ | U. S. National Institutes of Health | Nie dotyczy | https://imagej.nih.gov/ij/ |
| TurboReg | Philippe Thé venaz, Grupa Obrazowania Biomedycznego, Szwajcarski Federalny Instytut Technologii Lozanna | N/A | http://bigwww.epfl.ch/thevenaz/turboreg/ |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie