Ici, nous illustrons comment microscopie photoactivation localisation seule molécule peut être effectuée sur le terminal de nerf moteur d’un live de Drosophila melanogaster troisième stade larve.
Un nombre croissant des techniques de microscopie de Super-résolution aident à découvrir les mécanismes qui gouvernent le monde cellulaire de l’échelle nanométrique. Imagerie de la molécule unique gagne du terrain car il fournit un accès exceptionnel à la visualisation des molécules dans les cellules vivantes. Ici, nous décrivons une technique que nous avons développé pour effectuer la microscopie de localisation de photoactivation de suivi de la particule (sptPALM) chez les larves de drosophile . Communication synaptique repose sur des protéines clés présynaptiques qui agissent en d’amarrage, d’amorçage et en encourageant la fusion neurotransmetteur contenant des vésicules avec la membrane plasmique. Une gamme des interactions protéine-protéine et protéine-lipide réglemente étroitement ces processus et les protéines présynaptiques donc présentent des changements dans la mobilité associée à chacun de ces événements majeurs. Étudier comment la mobilité de ces protéines est en corrélation avec leur fonction physiologique chez un animal vivant intacte est essentielle pour comprendre leur mécanisme d’action précis. Extraction de mobilité de la protéine avec haute résolution en vivo nécessite de surmonter les limitations telles que la transparence optique, l’accessibilité et la profondeur de pénétration. Les auteurs décrivent comment les protéines fluorescentes et le tag à la protéine présynaptique syntaxine-1 a peut être visualisé via léger éclairage oblique et suivis au terminal des nerfs moteurs ou le long de l’axone des motoneurones du troisième stade larvaire Drosophila larve.
La communication neuronale s’appuie sur la libération des neurotransmetteurs, qui se produit par la fusion réglementée de neurotransmetteur contenant des vésicules synaptiques avec la membrane plasmique1. Ce processus appelé exocytose2,3,4,5,6 est très dynamique et peut être vers le haut ou vers le bas-réglementés selon les fluctuations du taux de stimulation7. Les protéines impliquées dans ces processus sont soumis à un mouvement brownien et par conséquent affichent nanoscopiques organisation capable de soutenir un éventail de mesures qui sous-tendent ces fonctions physiologiques de liaison. Protéines de la membrane plasmique sont très dynamiques, permettant aux latéraux piégeage de molécules en nanoclusters sur la membrane plasmique7,8,9,10,11, 12. À ce titre, enquête sur la mobilité de ces protéines aide à élucider leur mode d’action8. Les protéines synaptiques telles que les N-éthylmaléimide facteur sensible fixation protéique récepteurs solubles (pièges), par exemple syntaxine-1 a, sont maintenant connus pour pièce latérale rapide mobilité, mais aussi latérale de piégeage dans nanoclusters qui peut servir comme moléculaire dépôts et sites pour vésicule fusion9,13,14,15.
Le développement récent des protéines fluorescentes et, comme monomère (m) Eos16,17 et18de Kaede, a permis la résolution nanoscopique des protéines de la membrane plasmique neuronale par l’utilisation d’approches telle comme la localisation de photoactivation microscopie (PALM) et stochastique optique reconstruction microscopie (tempête)14,15,19. Ces développements ont permis aux enquêtes sur la mobilité et la nanoclustering des protéines biologiques dans des cellules vivantes et les neurones. Plus récemment, des études ont été menées pour élucider (avec une résolution élevée similaire) la dynamique et l’organisation de ces protéines membranaires dans les neurones d’êtres vivants d’intactes telle Mus musculus, Caenorhabditis elegans et Drosophila melanogaster14,20,21,22.
Enquête sur la dynamique et l’organisation d’une protéine en vivo nécessite non seulement l’utilisation des outils d’imagerie Super-résolution récemment développés (par exemple les fluorophores et PALM et STORM), mais aussi la capacité de surmonter des obstacles tels accessibilité de la protéine et la profondeur de pénétration de l’imagerie laser. Imagerie des protéines intracellulaires chez un animal intact est intrinsèquement difficile qu’est l’imagerie protéines sur structures intégrées profondément dans les tissus vivants de l’animal intact, comme l’hippocampe d’une souris intacte. Par conséquent, les protéines sur ou près de la surface du tissu sont plus facilement imagés. Une autre difficulté d’imagerie in vivo est en assurer la reproductibilité entre animaux. Comme l’anatomie peut différer d’un échantillon à l’autre, en sélectionnant une structure avec une facilité de réplication dans différents échantillons animaux intacts pourrait également s’avérer difficile. L’utilisation des structures stéréotypées, comme synapses, aider à surmonter certaines de ces difficultés.
Des études récentes ont photographié mobilité de protéines chez les animaux avec un épiderme optiquement transparent comme Caenorhabditis elegans22, tandis que d’autres enquêtes ont photographié Organisation de protéine sur la surface d’un tissu ou d’organe, par exemple imagerie de l’actine dans des neurones corticaux à travers le crâne d’une souris vivante21. Dans certains cas, les anesthésiques ont été utilisés pour garder l’animal immobile ; Toutefois, les anesthésiques spécifiques peuvent nuire à la protéine d’intérêt. Il conviendrait donc des moyens alternatifs pour garder les animaux immobiles durant l’imagerie in vivo pour minimiser l’erreur.
Une autre restriction de Super-résolution d’imagerie in vivo est que les lasers utilisés pour illuminer les protéines d’intérêt qui pourraient affecter les tissus environnants, et donc de garder l’intensité d’excitation aussi bas que possible est recommandée. Illumination du tissu environnant par le laser tend aussi à augmenter le signal de fond. L’utilisation de l’intensité d’excitation faible contribue à réduire le fond, la mise en garde qu’il pourrait également conduire à une diminution de rendement de photon de protéine fluorescente. Soustraction de fond pendant l’analyse pourrait être utilisée comme un autre moyen de réduire le signal de fond avant l’analyse de l’image.
Drosophila présente l’organisme idéal pour l’imagerie in vivo car il fournit des outils génétiques bien établis pour l’étude de la fonction des protéines spécifiques. La séquence activatrice en amont (UAS)-système de Gal4 permet une expression temporelle et spatiale des protéines et peut donc être utilisée pour manipuler la neurotransmission23, telle que stimulation thermo-génétique à l’aide de Drosophila transitoire sous-famille potentiels récepteurs A1 (dTRPA1)24 ou stimulation opto-génétique à l’aide de sombre-rouge-décalé CsChrimson25 peut être combinée avec l’imagerie14. Nous avons surmonter bon nombre des complications de l’exécution de l’imagerie in vivo molécule unique dans ce système et maintenant décrire comment particule de suivi peut être effectuée au troisième stade larvaire de Drosophila melanogaster .
Ce protocole décrit la molécule unique suivi de protéines marquées mEos2 à la jonction neuromusculaire de la larve de stade troisième de drosophile . Pour éviter la surexpression de protéines transgéniques, expression de la syntaxine-1 a-mEos2 a été conduite par endogène promoteur syntaxine-1 a. Études de mobilité de protéines synaptiques ont été principalement limités aux enquêtes de in vitro des cellules cultivées et les neurones corticaux9,11,12,13. Si ces protéines présentent des signatures de mobilité semblable à un animal vivant est en grande partie inconnue. Pour visualiser les single-protéine mobilité in vivo, limitations comme l’épaisseur optique de transparence, d’accessibilité et pénétration doivent être surmontés. En disséquant la préparation larvaire et en visualisant les jonctions neuromusculaires embarquées sur la surface du muscle, nous éviter la question de la transparence optique et d’accessibilité. Tentatives de mobilité molécule unique image en configuration normale de la FRBR se sont révélés infructueux. Utilisation d’éclairage légèrement oblique permet toutefois, laser d’excitation accrue pénétrant profondeur. En outre, les broches minutien utilisés pour immobiliser la larve a permis d’éviter toute incidence néfaste d’usage anesthésique sur la mobilité des protéines. Il est possible d’utiliser des objectifs de grossissement plus élevés, comme 100 x objectifs huile à immersion, de visualiser des molécules simples in vivo. Cependant, grossissement accru peut augmenter l’occurrence de dérives hors de discussion. En outre, nous avons utilisé une intensité plus faible (~ 30 %) 561 nm laser avec succès à image unique des molécules dans les terminaux des nerfs moteurs. Des tests supplémentaires peuvent être nécessaire d’utiliser moins de puissance laser.
Ce protocole est conçu pour visualiser la mobilité des protéines synaptiques à proximité de la membrane plasmique neuronale. En utilisant cette approche, la mobilité des protéines SNARE – syntaxine-1 a et l’autophagosome lié protéine Atg18a – ont été avec succès imagés in vivo14,26. La mobilité des protéines sur les motoneurones axones peuvent également être étudié27. Toutefois, l’enquête de la mobilité des protéines sur le cerveau ou le cordon nerveux ventral peut s’avérer difficile à évaluer en raison du signal de fond élevé produit par les tissus sous-jacents ; en outre, visualisation de mobilité de protéine sur la structure même du cerveau, il faudra marquage fluorescent la structure du cerveau (pour garantir la reproductibilité), et utilisation de l’imagerie double caméra serait nécessaire.
Les méthodes actuelles disponibles pour la microscopie de Super-résolution chez la drosophile se limitent principalement aux embryons d’imagerie, plutôt que les plus développées de troisième stade larve38,39. Le principal problème avec ces protocoles est qu’ils donnent un faible nombre de trajectoires en matière d’image et donc empêchent une analyse approfondie de mobilité États22,40. Nos in vivo seule molécule protocole de suivi a la capacité de générer un grand nombre de trajectoires et pourrait donc être utilisé dans d’autres modèles animaux comme Caenorhabiditis elegans et le poisson-zèbre. En effet, chaque chaîne NMJ généré des trajectoires de ~ 2 400 ce qui convient pour analyser les différents États de mobiles et les transitions entre ces États14,27. En outre, beaucoup en vivo seule molécule d’imagerie de stratégies s’appuient sur l’utilisation d’anesthésiques pour immobiliser les animaux20,22, qui seraient susceptibles de modifier la fonction physiologique en vertu duquel l’imagerie se fait. Ici, nous avons optimisé un protocole « anesthésie-libre » pour immobiliser les larves à l’aide d’épingles à minutien.
Une utilisation potentielle du présent protocole peut être pour la visualisation de la mobilité des protéines en trois dimensions. Les progrès récents en microscopie de Super-résolution permettent mobilité de protéines être visualisées en vitro en « x », « y » et « z » dimensions41,,42. Notre méthode actuelle ne tient pas compte de la mobilité des protéines dans l’axe « z ». Pourtant, le nerf moteur de Drosophila terminal est une structure sphérique et une précieuse future approche consistera à quantifier la mobilité de la protéine dans un volume en trois dimensions43. L’imagerie dans la dimension z est réalisable à l’aide d’une lentille astigmatisme. Alternativement, dans la FRBR mode44,45, la résolution en z est également augmentée. Toutefois, dans nos expériences, nous avons utilisé éclairage légèrement oblique pour visualiser des molécules simples de syntaxin1A-mEos2 sans la lentille astigmatisme.
En conclusion, disponibilité des deux un transgéniques drosophile mouche stock exprimant des protéines marquées par une protéine de l’et, une base PDMS à disséquer la larve transgénique, mais aussi un microscope TIRF avec la possibilité de changer la angle d’éclairage sont les outils les plus importants nécessaires pour visualiser les protéines simples tel que décrit dans le présent protocole.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Jean Baptiste Sibarita et Daniel Choquet (IINS, CNRS/Université de Bordeaux) pour leur soutien à l’analyse de molécules simples. Nous remercions particulièrement Nick Valmas et Jessica Mcgaw (QBI, University of Queensland) pour leur aide avec la vidéo d’enregistrement, voix-off ainsi que conception graphique de la figure. Ce travail a été soutenu par le projet de découverte du Conseil de recherche australien (AR) (DP170100125 à f.a.M.), l’Australian Research Council (LIEF Grant LE0882864 de f.a.M.), bourse de l’avenir (FT100100725 à B.V.S.), Australian Research Council (LIEF Grant LE130100078 de f.a.M.) et projet NHMRC (APP1103923 à B.V.S.). F.a.M. est un chercheur NHMRC (ONT1060075).
PDMS (Sylgard 184 silicone elastomer kit) | Dow Corning Corporation | 000000000001064291 | |
Glass-bottomed Culture Dish | In Vitro Scientific | D29-20-1.5-N | |
Optical Stereo-microscope | Olympus | SZ51 | |
Curved Tweezers (Style 5/45) | Electron Microscopy Sciences | 0208-5AC-PO | |
Minutien Pins (0.1mm) | Fine Science Tools | 26002-10 | |
Schneider's Insect Medium | Sigma, Life Sciences | S0146 | |
Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-00 | |
Fine Forceps (Dumont #5) | Fine Science Tools | 11254-20 | |
ELYRA PS.1 Microscope | Zeiss | PS.1 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Lonza | 17-515Q | |
Paraformaldehyde (16%) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T-9284 | |
Normal Goat Serum | Sigma-Aldrich | G9023 | |
Maxyclear snaplock microcentrifuge Tube (1.7 mL) | Axygen | MCT-175-C | |
Zen Black acquisition software | Carl Zeiss, 2012 | ||
Metamorph software | Molecular Devices | 7.7.8 | PALM Tracer Plugin |
Fly strain | w1118; HA-Sx1A-mEos2 |