我们描述了一种解剖技术,该技术保留了神经肌肉接头的结构,并能够对成年 果蝇 腿中的运动神经元进行详细的免疫细胞化学研究。
黑腹果蝇 代表了一种遗传上可处理的模型,用于研究神经元结构和功能以及疾病状态的后续变化。特征良好的幼虫神经肌肉接头通常用于此类研究。然而,在过程中,幼虫的快速发育以及肌肉组织分解和神经系统重塑使得该模型对于研究缓慢的年龄依赖性退行性变化(如肌萎缩性侧索硬化症中发生的变化)是有问题的。或者,成年苍蝇存活90天,成年腿可用于通过角质层使用体内荧光成像来研究成年寿命 期间 的运动神经元变化。在这里,我们描述了一种腿部解剖技术与免疫细胞化学相结合,该技术允许研究已识别的成人腿部运动神经元的神经肌肉连接处的分子变化。这些技术可以与无数标记突触前和突触后结构的抗体结合使用。这些程序一起可以更完整地表征成年苍蝇中缓慢的年龄依赖性变化,并且可以应用于多个运动神经元疾病模型。
运动神经元 (MN) 疾病包括一组异质性疾病,包括导致肌肉萎缩和麻痹的进行性变性,这是主要的临床表型1。虽然罕见,全球患病率为每10万人4.5人,但预计随着人口老龄化,这一患病率将会增加2。肌萎缩性侧索硬化症 (ALS) 是最常见的 MN 疾病 (MND),通常在诊断后短时间内致命,目前尚无改善疾病的治疗方法3。MNDs具有共同的症状前期,伴有早期分子生物标志物改变和患者功能成像改变4。在非人类疾病模型中也观察到早期症状前细胞病理学5,6,7,8。研究神经肌肉接头的早期变化对于了解MN疾病的发病机制非常重要,并可能有助于开发早期诊断和潜在的治疗方法。
果蝇中存在丰富的遗传和分子工具,用于剖析神经肌肉接头的结构和功能(NMJ,参见9,了解特征良好的幼虫NMJ的综述)。这些工具与较短的寿命相结合,使果蝇成为研究NMJ神经退行性变化的绝佳模型。具体而言,支配成人肌肉的MNs存在于约90天的成人寿命中,并且受到正常的衰老过程10,11,12,13的影响。因此,成虫 MNs 提供了研究缓慢退行性变化的机会,与幼虫 NMJs 相比,幼虫 NMJ 在前仅存在短短约 1 周的时间段 14 , 15 。
在这里,我们描述了一种解剖程序,该程序使我们能够对成人腿部的MNs进行免疫细胞化学分析。每条成年腿由约50 MNs支配,这些MNs突触到相关的腿部肌肉上以驱动运动。腿部解剖学、机械生理学和神经生物学已得到很好的描述16,17,18。腿部MNs的轴突乔木以前已经通过使用二分Gal4 / UAS系统通过角质层在回填或遗传标记的细胞群中成像来表征,并且先前已经发表过成像方法19。这里介绍的解剖方法保留了轴突分支形态,并允许我们利用各种抗体来标记NMJ的不同分子成分。我们之前的工作集中在上胸(第3)腿中定义的MN的投影上,该MN支配胫骨提肌(tilm),并显示出一致的树突模式和胸顿数。最初,我们研究了果蝇超氧化物歧化酶1(dsod1)突变体的年龄依赖性变化,并发现了与NMJ20的拆除一致的改变。这些解剖方法提供了更好地表征NMJ其他ALS模型的缓慢退行性变化,衰老和其他MN相关疾病的基础研究的机会。
图 1.解剖腿的工作流程摘要。 有关详细步骤,请参阅协议。(A,B)选择苍蝇并麻醉。(C)将苍蝇转移到甲醇中并用PBS洗涤。(D)在用解剖显微镜(〜30倍放大倍率)可视化时,在髋臼的底部移除中胸腿;比例尺 = 500 μm。(E)然后将支腿固定在3.7%甲醛/ PBS(FA)溶液中,在24孔板的孔内30分钟,然后通过PBS洗涤除去FA。(F, G, H)将腿转移到硅胶弹性体解剖托盘上,并使用斜面镊子从股骨近端取出一块角质层,同时在80x的解剖显微镜下可视化;比例尺 = 50 μm。(I)腿部在解剖后固定在FA中,然后在PBS中洗涤,然后用PBT(PBS + 0.1%非离子表面活性剂)洗涤。(J)腿部接受免疫细胞化学染色。(K,L)将支腿转移到载玻片上,在安装介质中清除,并覆盖有含有粘土垫片的盖玻片;比例尺 = 2 mm 和 500 μm。(M)腿部通过共聚焦显微镜成像。 请点击此处查看此图的放大版本。
果蝇成腿是研究神经变性的理想模型,相对简单,具有从神经母细胞谱系和刻板化模式映射的具有良好特征的MNs。一些报告以前使用腿部MNs研究神经退行性疾病21,22。这些研究利用GFP表达线与嵌合分析与可抑制细胞标记(MARCM)相结合,通过角质层成像,并记录了一系列形态变化。通过切除角质层的免疫细胞化学对成人NMJ进行成像,能够使用可用的抗体工具箱跟踪复杂的分子变化,从而实现进一步的表征。
该方案的免疫细胞化学部分是相对标准的,可以独立于基因型实施(参见23 ,了解用于 果蝇的一般抗体染色方法的出色描述)。此外,一旦捕获了图像并发表了详细的定量分析方法,就可以使用各种可用的ImageJ宏来确定荧光强度,轴突分支长度以及胸顿数和大小等参数(例如,参见24,25,26)。因此,解剖技术是这里描述的主要创新。在解剖之前,苍蝇被浸没在酒精中以剥离角质层碳氢化合物。乙醇和甲醇通常用于此目的;但是,我们只使用了甲醇。解剖成功的关键有几个因素:首先,使用带有斜角的改良镊子可以与角质层进行非常浅的接触。其次,使用能够达到60-100倍总放大倍率的解剖显微镜,使角质层表面清晰可见。对于最大放大倍率较低的显微镜,大多数常见品牌都可以使用2倍物镜,与现有镜片结合使用时应该足够了。第三,初始固定步骤使角质层变脆,更容易拉开,而不会损坏下面的肌肉。在此步骤中过度固定会使整个腿过于僵硬,无法有效解剖。因此,初始固定应限制在30分钟以内。甲醛固定剂的渗透性不足以在短时间内有效地交联下层组织,因此需要第二个固定步骤。在第二次固定之前,组织应保持在冰上以防止降解和形态变化。第四,我们发现在冷敷时解剖样本也很重要,可能是出于类似的原因,角质层很脆,一小块更容易去除。
通过实践,我们发现约50%的解剖可以在没有明显组织损伤的情况下使用。虽然这个百分比相对于其他一些组织来说似乎很低,但解剖过程很快,许多腿可以在30-60分钟内处理。因此,即使最初成功率较低,也可以为每个实验组获得4-5个好样品。然而,如果基因型和/或年龄导致实质性致死,则限制可能是在任何给定时间可用的苍蝇数量。
另一个限制是,由于尺寸的原因,我们无法解剖超出股骨近端区域的腿部其他区域。因此,我们可以可靠地研究确定的MN心轴支配TILM,并且有可能在解剖时对腿部定向方式发生微小变化,从而解剖胫骨压低肌上方的角质层。然而,在解剖过程中,在不破坏轴突结构的情况下,进入腿部的其他区域已被证明更加困难。
在这里,我们提出了解剖方法,以检测使用免疫细胞化学支配tilm的已定义MNs在成人NMJ上的变化。腿部是一个简单的系统,仅由约 50 MN 支配,包含 14 块肌有良好的解剖结构。解剖的腿部制剂可以跨基因型使用,并且一套抗体可用于NMJ可视化,而无需在突变背景中构建报告基因构建体的基因型复杂储备。这种方法将能够更详细地表征NMJ对MN疾病和其他年龄相关疾病的变化。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢埃里克·罗伯茨(Eric Roberts)在成像方面的建议。我们还要感谢罗德岛学院的信息技术服务,特别是迈克尔·凯恩和杰克·道格拉斯的摄像。抗dlg和抗brp的单克隆抗体分别由加州大学伯克利分校和维尔茨堡大学开发,并从发展研究杂交瘤库获得,该库由NIH的NICHD创建,维护在爱荷华大学生物系,爱荷华市,IA 52242,美国。这里报告的研究得到了罗德岛机构发展奖(IDeA)生物医学研究卓越网络的全力支持,该网络来自美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所,授权号为[P20GM103430]。
10x Phosphate Buffered Saline | Fisher Scientific | BP3991 | |
24 well plates | Corning | 3473 | Hydrophobic, ultra-low attachment surface |
2x objective accessory | Olympus | 110AL2X | Screw-on attachment |
Anti-ATP5A primary antibody | Abcam | ab14748 | Mouse monoclonal |
Anti-bruchpilot primary antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | nc82 | Mouse monoclonal |
Anti-discs large primary antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | 4F3 | Mouse monoclonal |
Anti-hrp primary antibody | Jackson Immuno Research | 123-605-021 | Alexa Fluor 647 conjugated polyclonal |
Anti-polyubiquitin (FK2) primary antibody | Millipore Sigma | 04-263 | Mouse monoclonal |
Confocal Microscope | Olympus | FV1000 | Objectives (NA): 10x (0.4), 20x (0.85), 40x (1.20), 60x (1.42), 100x (1.40) |
Coverslips | Corning | 285022 | 160-190 mm thickness |
Dissecting forceps | Fine Science Tools | 11252-00 | Dumont #5SF |
Dissecting Microscope | Olympus | SZ61 | |
Formaldehyde | Fisher Scientific | BP531-500 | 37% stock stabilized with methanol |
Goat anti-mouse secondary antibody | Jackson Immuno Research | 115-545-146 | Alexa Fluor 488 conjugated |
Goat Serum | Novus Biologicals | NB036768 | 0.2 mm filtered |
Laboratory sealing tape | Fisher Scientific | 03-448-254 | Parafilm M |
Methanol | Fisher Scientific | A413 | |
Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-123 | 76mm x 25mm |
Mounting media | Molecular Probes | S36972 | Slowfade Diamond mounting media |
Nonionic surfactant | Acros Organics | 215680010 | Triton-X 100 |
Nutator | Fisher Scientific | S06622 | |
Phalloidin | Invitrogen | A34055 | Alexa Fluor 555- conjugated |
Sharpening stone | Fine Science Tools | 29008-01 | |
Silicone elastomer | Electron Microscopy Sciences | 2423610 | Sylgard 184 |