İnsanlar, çevrelerinden gelen dokunma, basınç, titreşim veya ses dalgaları gibi mekanik uyaranları, mekanotransdüksiyon adı verilen bir süreçte sinir sistemi tarafından işlenebilecek duyusal bilgilere dönüştürme yeteneğine güvenirler. İnsanlar ve omurgasızlar arasındaki mekanotransdüksiyonun genel mekanik özelliklerinin çoğu aynıdır1, bu da Drosophila'yı mekanotransdüksiyonun moleküler mekanizmalarını incelemek için yararlı bir model haline getirir. Drosophila melanogaster, mekanik uyaranları aksiyon potansiyellerine dönüştürebilen iki set özel duyu organı (Tip I ve II) içerir. Tip I mekanoreseptörler, üç destek hücresi2 ile çevrili, tek bir dendrit veya duyusal sürece sahip bir nörona sahiptir. Tip I mekanoreseptörler arasında kıl mekanoreseptörleri, işitmeye duyarlı kordotonal organlar (Johnston organı) ve kanat vuruşları3 hakkında bilgi ileten kampaniform sensilla bulunur. Sineğin sırt tarafını kaplayan kıllar, Tip I organların en bol ve en kolay erişilebilir olanıdır. Omurgalılarda işitme ve denge ile ilişkili tüy hücrelerinin hücre dışı ortamına benzer şekilde, sinek mekanosensitif nöronları çevreleyen destek hücreleri, potasyum1 için alışılmadık bir konsantrasyon gradyanı oluşturan yüksek potasyumlu bir endolenf salgılar. Hem memeli hem de sinek sistemlerinin mekanosensitif nöronları, hücreyi depolarize etmek için bu yüksek hücre dışı potasyumu kullanır. Makroket kıllarının vücut duvarına doğru mekanik olarak uyarılmasına yanıt olarak, duyusal nöronlar, hücre zarının4 bu potasyum depolarizasyonu tarafından yönlendirilen bir aksiyon potansiyeli patlaması ile yanıt verir. Kılları innerve eden Drosophila duyusal nöronları, hem yapı hem de işlev açısından omurgalı kıl hücreleri de dahil olmak üzere diğer organizmaların mekanosensitif hücrelerine benzer1,5. Drosophila dış duyu organlarının deneysel manipülasyona erişilebilirliği ve araştırmacıların kullanabileceği genetik tekniklerin bolluğu, Drosophila'yı mekanosensasyonun moleküler temellerini araştırmak için mükemmel bir model sistem haline getirmektedir.
Sinekte, bir kılı innerve eden tek bir duyusal nöronun uyarılması, gözlemlenebilir bir davranışsal tepkiye yol açar. Farklı kılların uyarılması, uyarılan kıllara bağlı olarak spesifik, tekrarlanabilir davranışsal tepkiler uyandırır. Dokunsal stimülasyon üzerine, kafası kesilmiş vahşi tip sinekler, uyarılmış kılın yakınındaki alanı5-7 desenli bir dizi bacak hareketi ile temizledikleri karmaşık bir tımar refleksi sergilerler. Öğrenme7 veya koordinasyon ve lokomotor aktivite5 ile etkileşime giren bilinen tek gen mutasyonları için homozigot olduğunda, sinekler mekanik stimülasyona anormal şekilde yanıt verir. Bu nedenle, bu tımar refleksi, tek gen mutasyonlarının belirli, tekrarlanabilir bir davranış üzerindeki etkilerini incelemek için yararlı bir araçtır.
Tek bir makroket kılının uyarılmasına verilen güçlü davranışsal tepki, mekanotransdüksiyonda yer alan yeni genlerin tanımlanmasına yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Bu protokol, mutasyonun mekanosensasyona müdahale ettiğini gösteren davranışsal bir tepkinin yokluğu için bir mutant sinek koleksiyonunu test etmek için kullanılır. Tarama için seçilen mutant koleksiyonunda, mutasyonlar yetişkinlikten önce ölümcüllüğe neden olur ve bu nedenle geleneksel yetişkin davranış ekranları kullanılarak test edilmesi imkansız olacaktır. Başlangıçta, bu öldürücü p-elementleri koleksiyonu, klonlardaki hücre büyüme kusurlarını test etmek için FRT rekombinasyon bölgeleri ile birleştirildi. Klonlar özellikle gözde yapıldı çünkü yetişkin sinekler laboratuvar ortamında fonksiyonel görüş olmadan hayatta kalabilir8. Bununla birlikte, tüm mekanoksuyumun giderilmesi, yetişkinlerin ciddi şekilde koordinasyonsuz olmasına veya eklosiyondan önce ölmesine neden olabilir5. Bu protokol, mutasyonların ölümcüllüğünü atlatmak ve yetişkin aşama testine izin vermek için mozaik bir yaklaşım kullanır. Organizmanın geri kalanı heterozigot kalırken, sınırlı sayıda yetişkin sinek duyu organında homozigot mutant hücreler oluşturmak için Bastırılabilir Hücre İşaretleyicisi (MARCM)9 ile Mozaik Analiz adı verilen bir genetik teknik kullanılır. Bu MARCM sinekleri yetişkinliğe kadar kolayca hayatta kalır, ancak kıllar, ilgilenilen ölümcül genler için homozigottur.
MARCM, homozigot mutant hücre bölgelerinin oluşturulmasına ve yeşil floresan proteinin (GFP) ekspresyonu ile işaretlenmesine izin verirken, organizmanın geri kalanı o belirli lokusta heterozigot kalır ve işaretlenmemiş9. MARCM, bireysel p-element mutasyonlarını beş yaygın genetik elementle birleştirir: yukarı akış aktive edici bir dizinin kontrolü altında GFP (UAS-GFP), genel bir promotörün kontrolü altında Gal80 baskılayıcı proteini (tub-Gal80), genel bir promotörün kontrolü altında Gal4 transkripsiyon faktörü (tub-Gal4), ısı şoku kontrollü bir promotör aracılığıyla eksprese edilen FRT rekombinaz enzimi ve bir FRT rekombinasyon bölgesi10. Mitotik rekombinasyonu ısı şoku ile aktive edilmiş bir rekombinaz yoluyla tahrik ederek, sınırlı sayıda hücre mutasyon için homozigot hale getirilir ve GFP ile işaretlenir. GFP ekspresyonu, heterozigot hücrelerde, kromozomun vahşi tip kopyası üzerinde Gal80'in varlığı ile baskılanır.
MARCM için bir ısı-şok protokolü, organizmanın çoğu heterozigot kalırken ve bu nedenle GFP ile işaretlenmemişken, sinek kılı dış duyu organlarında rekombinasyonu indüklemek için optimize edilmiştir. Bu protokol kullanılarak üretilen mozaik sinekler, notum yüzeyindeki post alar veya dorsal merkezi kıllarda en sık homozigot mutasyonlar içeriyordu.
MARCM'nin bu kombinasyonunun ve tımar davranışı ekranının faydasını bilinen bir mekanosensitif mutant olan NOMPC ile test ettik. Mekanoreseptör potansiyeli C (NOMPC) olmayan iyon kanalı, Drosophila5,11-13'teki mekanotransdüksiyon yolunun önemli bir bileşenidir. NOMPC, katyon kanalları5'in geçici reseptör potansiyeli (TRP) süper ailesine aittir ve Drosophila14,15'te mekanosensitif bir kanal olarak nitelendirilmek için tüm kriterleri karşılar: 1) NOMPC, Drosophila 13,16-18'in tip 1 duyusal nöronlarının siliyer uçlarında eksprese edilir, 2) NOMPC boş larvalarının dokunsal stimülasyona elektriksel bir yanıtı yoktur13, 3) Dokunmaya duyarsız hücrelerde NOMPC'nin ektopik ekspresyonu mekanik stimülasyona duyarlılığı indükleyebilir13, 4) Schneider 2 hücrelerinde NOMPC'nin heterolog ekspresyonu mekanosensitif bir kanal13 verir ve 5) NOMPC yetişkin mutantları mekanik stimülasyona yanıtlarında kusurlar gösterir5. Bu kanıtlar göz önüne alındığında, NOMPC mutant klonlarının, kılların mekanik stimülasyonuna yanıt olarak değiştirilmiş veya inhibe edilmiş bir tımar tepkisi göstereceğini tahmin ettik.
NOMPC mutasyonunu içeren bir MARCM stoğu, tımar testinin prensip kanıtı deneyinde kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Mozaik sinekler, homozigot NOMPC mutant hücreleri içeren makroket kıllarda uyarıldı. Makroket kıllarının uyarılmasını takiben tımar yanıtının inhibisyonunu bekliyorduk. Test edilen 14 mutant kıl sineğinden sadece 2'sinin tekrarlanan stimülasyona tek bir yanıt verdiğini bulduk; Çoğu, homozigot mutant kılın uyarılmasına cevap vermedi. Bu MARCM tabanlı davranışsal tahlilin, bilinen bir mekanosensitif mozaik mutantında anormal bir tımar refleksi ürettiğini doğruladıktan sonra, bu teknik, ek mekanosensitif mutasyonlar için bir taramada kullanılabilir.