Perforerade Patch-clamp inspelning av Mouse Olfactory sensoriska neuroner i Intakt neuroepithelium: Funktionell analys av nervceller som uttrycker en identifierad luktreceptor
Summary
Analyzing the physiological properties of olfactory sensory neurons still faces technical limitations. Here we record them through perforated patch-clamp in an intact preparation of the olfactory epithelium in gene-targeted mice. This technique allows the characterization of membrane properties and responses to specific ligands of neurons expressing defined olfactory receptors.
Abstract
Analysera fysiologiska reaktioner av luktsinnet sensoriska neuroner (OSN) när de stimuleras med specifika ligander är viktigt att förstå grunden för lukt drivna beteenden och deras modulering. Dessa kodnings egenskaper är starkt beroende av den initiala interaktionen mellan luktmolekylerna och luktreceptor (OR) uttryckt i OSN. Identiteten, specificitet och ligand spektrum av uttryckta eller är kritiska. Sannolikheten att hitta liganden i eller uttryckas i en OSN väljs slumpmässigt inom epitelet är mycket låg. För att möta denna utmaning, använder detta protokoll genetiskt märkta möss som uttrycker det fluorescerande proteinet GFP under kontroll av promotorn definierade yttersta randområdena. OSN ligger i en tät och organiserad epitel foder näshålan, med angränsande celler påverkar deras mognad och funktion. Här beskriver vi en metod för att isolera en intakt luktepitel och registrera genom patch-clamp inspelningar egenskaperna hos OSN expressing definierade luktreceptorer. Protokollet gör att man kan karakterisera OSN membranegenskaper samtidigt som påverkan av den angränsande vävnaden. Analys av patch-clamp resultat ger en exakt kvantifiering av ligand / eller interaktioner, överföringsvägar och farmakologi, OSN "kodnings egenskaper och deras modulering på membrannivå.
Introduction
Olfactory sensoriska neuroner (OSN) utgör det första steget av luktintrycket. Beläget i luktepitel foder näshålan hos gnagare, de omvandla kemisk information om doftämnen i aktionspotentialer skickas via deras axon till hjärnan. För att bättre förstå de olfaktoriska kodningsmekanismer, är det nödvändigt att karakterisera de transduktion och membranegenskaperna hos OSN. Tills nyligen har de flesta av de tekniker som används för att karakterisera egenskaperna hos däggdjurs OSN utfördes på dissocierad OSN 1-4. Den dissociation processen använder olika mekaniska och kemiska (dvs enzymer) processer för att befria OSN från sin omgivning. Dessa processer inducerar ett lågt antal tillgängliga celler för inspelningar. Detta låga antal kan vara ännu mer kritiskt i fallet med GFP-märkta celler. Dissociation tar också bort den lokala cell-till-cell-interaktioner mellan OSN och andra celler av det olfaktoriska epitelet som kan förstärka survival och modulering av OSN "egenskaper. För att kringgå dissociation förfarandet, var en intakt preparat utvecklat 5.
Varje OSN uttrycker en luktreceptor (OR) väljs från en stor multigenfamilj 6. Det finns ~ 1000 yttersta randområdena som uttrycks i huvud olfaktoriska epitelet i mus. På grund av det stora antalet OR i vild typ djur, att chanserna spela OSN uttrycka samma eller mycket låg. För att övervinna dessa begränsningar, gener riktade möss finns där alla OSN uttrycker en identifierad eller är märkta med ett fluorescerande protein 7-9. Dessa märkta OSN användes för att göra funktionsanalys i dissocierade preparat 7,10,11 med nackdelarna som nämnts tidigare. En intakt epitel preparat 5 från genetiskt märkta möss kringgår därför dessa frågor. Det gör det möjligt att övervaka aktiviteten hos OSN uttrycker exakt definierade yttersta randområdena i en miljö så nära i VIvo som möjligt. Dessutom patch-clamp inspelningar av OSN tillåter också noggrann analys av membranegenskaper, transduktionsväg farmakologi, ligand / eller interaktioner. Alla dessa frågor kan knappast analyseras med hjälp av extracellulära inspelningar. Vi använde denna teknik för att övervaka svaren från OSN uttrycker luktreceptorer SR1 och MOR23 12,13. Möjligheten att tekniken bekräftades av andra grupper på MOR23 uttrycker OSN 14 liksom på andra yttersta randområdena uttrycker nervceller 15,16. Övervakningen av en definierad population av OSN kan leda till en analys av deras egenskaper i många olika sammanhang, såsom utveckling 14, åldrande 17, lukt inducerad plasticitet 18, och den roll som variationer i luktreceptor sekvens i lukt kodning 15. Detta protokoll ger därmed ett kraftfullt verktyg för att övervaka de funktionella egenskaperna hos definierade OSN på membrannivå.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förmågan hos detta protokoll för att korrekt övervaka egenskaperna hos friska OSN beror mycket på kvaliteten av preparatet. Därför dissektion steg är kritisk. Först är det viktigt att uppmärksamma kvaliteten (pH, osmolaritet), syresättning och temperatur (iskall men inte fryst) av dissektion medium. För det andra måste manipulation av epitel med dissekera verktyg vara så begränsad som möjligt för att undvika skador. Slutligen är det viktigt att få ett preparat så platt som möjligt för att få till…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Authors would like to thank Peter Mombaerts for the generous gift of OR-GFP mice; Anne Lefranc and the CSGA animal facility for excellent animal care. Funding was provided by CNRS through an ATIP and ATIP Plus grants, by Conseil Régional de Bourgogne (FABER and PARI grants), by Université de Bourgogne (BQR program).
Materials
| heavy equipment | |||
| vibration table with Faraday cage | TMC | 63-500 SERIES | required : isolates the recording system from vibrations induced by the environment (movements of experimenter, vibrations of equipment such as fans for cooling computers, etc); can also be purchased with a Faraday cage, or equipped by a custom made Faraday cage; this cage is recommended to avoid electric noise from the environment |
| optics | |||
| microscope | Olympus | BX51WI | upright microcope equipped with epifluorescence; fixed or moving stage depending on the user's preference |
| objectives | Olympus | LUMPLFL40XW | at least 2 objectives required: a 4x or 10x for coarse approach to the cell; and a 40x immersion long distance example Olympus LUMPLFL40XW/IR/0,8/WD:3.3 MM |
| magnifier | Olympus | U-TVCAC | ABSOLUTELY REQUIRED: placed in the light path between the objective and the camera; allows to magnify the image on the screen in order to reach precisely the knob with the recording electrode |
| camera | Olympus | DP72 | a good camera is required to see the neurons in fluorescence as well as in bright field; the controlling software is simple and allows to take pictures and do live camera image to monitor the approach of the electrode to the cell. An ultrasensitive camera is not necessary |
| filters | Olympus/Chroma | depending on the fluorescent protein used in the mice; example for GFP: excitation : BP460-490: emission: HQ530/50m | |
| recording electrodes /system | |||
| amplifier | HEKA | EPC10 USB | monitors the currents flowing through the recording electrode and also controls the puffing by sending a TTL signal to the spritzer; the EPC10 setup is controled by computer |
| software | HEKA | Patchmaster | controls the amplifier during the experiment |
| micromanipulator | Sutter | MP225 | precision micromanipulator, allows precise movements down to 1/1Oth of a micrometer; this model is very stable; avoid hydraulic manipulators that may drift |
| electrode puller | sutter | P97 | with a FT345-B wide trough filament; to prepare recording pipets of about 2µm diameter with a long tip to reach the cells; the resistance should be 15 to 20Mohm with perforated patch clamp solution |
| glass | sutter | BF120-69-10 | in our recording conditions, this glass is ideal for recording pipets |
| recording chamber | warner instruments | RC-26G | a chamber is needed to set the preparation under the microscope. To maintain the preparation in the center of the chamber, a net/anchor should be used. |
| stimulation | |||
| glass | WPI | TW100F-4 | attached in groups of 7, these pipettes are used to prepare prepulled stimulating pipettes |
| multibarrel puller | MDI | PMP-107-Z | by association of pull and twist, this puller allows us to prepare puffing electrodes with 7 barrels |
| precision pressure injector | Toohey Company | P/N T25-1-900 Single Channel | this precision pressure injector controls the pressure ejected in the multibarrel puller; it is controlled manually or by the amplifier by a 5V TTLs |
| micromanipulator | Narishige | YOU-1 | a coarse manipulator is enough to bring the puffing electrode close to the recording site |
| tubings | N/A | tygon tubing to bring the pressure from the puffer to the puffing pipette | |
| solutions/perfusion/chemicals | |||
| vacuum pump | gardner denver | 300 series | a vibrating membrane pump is more quiet and efficient than other types of pumps |
| perfusion system | N/A | N/A | gravity perfusion system with polyethlylen tubing to bring in and out the external solution from the recording chamber |
| nystatin | Sigma-Aldrich | N3503 | mandatory to perpare internal solution for perforated patch clamp |
| DIMETHYL SULFOXIDE | Sigma-Aldrich | D5879 | used to disolve nystatin for internal solution for perforated patch |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S9625 | extracellular solution |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P4504 | intracellular/extracellular solution |
| Calcium chloride di hydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | extracellular solution |
| Sodium phosphate monobasic monohydrate (NaH2PO4) | Sigma-Aldrich | S9638 | extracellular solution |
| Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4 7H2O) | Sigma-Aldrich | 63140 | extracellular solution |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | extracellular solution |
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6297 | extracellular solution |
| EGTA (Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid) | Sigma-Aldrich | E3889 | internal solution |
| Potassium hydroxyde | Sigma-Aldrich | P1767 | internal solution |
| MethylSulfoxide | Sigma-Aldrich | 47,135-6 | intracellular solution |
| Hepes-Na | Sigma-Aldrich | H7006 | intracellular solution |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | intracellular solution |
References
- Lowe, G., Gold, G. H. Nonlinear amplification by calcium-dependent chloride channels in olfactory receptor cells. Nature. 366 (6452), 283-286 (1993).
- Ponissery Saidu, S., Dibattista, M., Matthews, H. R. Odorant-induced responses recorded from olfactory receptor neurons using the suction pipette technique. J Vis Exp. (62), e3862 (2012).
- Moss, R. L., et al. Electrophysiological and biochemical responses of mouse vomeronasal receptor cells to urine-derived compounds: possible mechanism of action. Chem Senses. 23 (4), 483-489 (1998).
- Kaur, A., Dey, S. Live cell calcium imaging of dissociated vomeronasal neurons. Methods Mol Biol. 1068, 189-200 (2013).
- Ma, M., Chen, W. R. Electrophysiological characterization of rat and mouse olfactory receptor neurons from an intact epithelial preparation. J Neurosci Methods. 92 (1-2), 31-40 (1999).
- Axel, R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition. Cell. 65 (1), 175-187 (1991).
- Bozza, T., Feinstein, P., Zheng, C. Odorant receptor expression defines functional units in the mouse olfactory system. J Neurosci. 22 (8), 3033-3043 (2002).
- Bozza, T., et al. Mapping of class I and class II odorant receptors to glomerular domains by two distinct types of olfactory sensory neurons in the mouse. Neuron. 61 (2), 220-233 (2009).
- Vassalli, A., Rothman, A., Feinstein, P., Zapotocky, M. Minigenes impart odorant receptor-specific axon guidance in the olfactory bulb. Neuron. 35 (4), 681-696 (2002).
- Feinstein, P., Bozza, T., Rodriguez, I., Vassalli, A. Axon guidance of mouse olfactory sensory neurons by odorant receptors and the beta2 adrenergic receptor. Cell. 117 (6), 833-846 (2004).
- Mombaerts, P. Genes and ligands for odorant, vomeronasal and taste receptors. Nat Rev Neurosci. 5 (4), 263-278 (2004).
- Grosmaitre, X., et al. SR1, a mouse odorant receptor with an unusually broad response profile. J Neurosci. 29 (46), 14545-14552 (2009).
- Grosmaitre, X., Vassalli, A., Mombaerts, P., Shepherd, G. M. Odorant responses of olfactory sensory neurons expressing the odorant receptor MOR23: a patch clamp analysis in gene-targeted mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (6), 1970-1975 (2006).
- Lam, R. S. Odorant responsiveness of embryonic mouse olfactory sensory neurons expressing the odorant receptors S1 or MOR23. Eur J Neurosci. 38 (2), 2210-2217 (2013).
- Zhang, J., Huang, G., Dewan, A., Feinstein, P. Uncoupling stimulus specificity and glomerular position in the mouse olfactory system. Mol Cell Neurosci. 51 (3-4), 79-88 (2012).
- Zhang, J., Pacifico, R., Cawley, D., Feinstein, P. Ultrasensitive detection of amines by a trace amine-associated receptor. J Neurosci. 33 (7), 3228-3239 (2013).
- Lee, A. C., Tian, H., Grosmaitre, X. Expression patterns of odorant receptors and response properties of olfactory sensory neurons in aged mice. Chem Senses. 34 (8), 695-703 (2009).
- Cadiou, H., et al. Postnatal odorant exposure induces peripheral olfactory plasticity at the cellular level. J Neurosci. 34 (14), 4857-4870 (2014).
- Mombaerts, P. Axonal wiring in the mouse olfactory system. Annu Rev Cell Dev Biol. 22, 713-737 (2006).
- Grosmaitre, X., Santarelli, L. C., Tan, J., Luo, M. Dual functions of mammalian olfactory sensory neurons as odor detectors and mechanical sensors. Nat Neurosci. 10 (3), 348-354 (2007).
- Duchamp-Viret, P., Chaput, M. A. Odor response properties of rat olfactory receptor neurons. Science. 284 (5423), 2171-2174 (1999).
- Heydel, J. M., et al. Odorant-binding proteins and xenobiotic metabolizing enzymes: implications in olfactory perireceptor events. Anat Rec (Hoboken). 296 (9), 1333-1345 (2013).
- Pelosi, P. Perireceptor events in olfaction). J Neurobiol. 30 (1), 3-19 (1996).
- Spehr, M., Wetzel, C. H., Hatt, H. 3-phosphoinositides modulate cyclic nucleotide signaling in olfactory receptor neurons. Neuron. 33, 731-739 (2002).
- Chen, S., Lane, A. P., Bock, R., Leinders-Zufall, T. Blocking adenylyl cyclase inhibits olfactory generator currents induced by ‘IP(3)-odors. J Neurophysiol. 84 (1), 575-580 (2000).
- Savigner, A., et al. Modulation of spontaneous and odorant-evoked activity of rat olfactory sensory neurons by two anorectic peptides, insulin and leptin. J Neurophysiol. 101 (6), 2898-2906 (2009).
- Ukhanov, K., Brunert, D., Corey, E. A. Phosphoinositide 3-kinase-dependent antagonism in mammalian olfactory receptor neurons. J Neurosci. 31 (1), 273-280 (2011).
