Nöromüsküler kavşağın mimarisini koruyan ve yetişkin Drosophila bacağındaki motor nöronların ayrıntılı bir immünostokimyasal çalışmasını sağlayan bir diseksiyon tekniğini tarif ediyoruz.
Drosophila melanogaster , nöronal yapı ve işlevi ve daha sonra hastalık durumlarındaki değişiklikleri incelemek için genetik olarak çekilebilir bir modeli temsil eder. İyi karakterize larva nöromüsküler kavşak genellikle bu tür çalışmalar için kullanılır. Bununla birlikte, metamorfoz sırasında kas histolizisi ve sinir sistemi tadilatı ile takip edilen hızlı larva gelişimi, bu modeli amyotrofik lateral sklerozda meydana gelenler gibi yavaş yaşa bağlı dejeneratif değişikliklerin incelenmesi için sorunlu hale getirir. Alternatif olarak, yetişkin sinekler 90 gün yaşar ve yetişkin bacağı, lütikül yoluyla in vivo floresan görüntüleme kullanarak yetişkin ömrü boyunca motor nöron değişikliklerini incelemek için kullanılabilir. Burada, tanımlanan yetişkin bacak motor nöronlarının nöromüsküler kavşağında moleküler değişikliklerin incelenmesine izin veren immünosimya ile birleştirilmiş bir bacak diseksiyon tekniğini tarif ediyoruz. Bu teknikler, hem pre-hem de post-sinaptik yapıları etiketleyen sayısız antikorla birleştirilmiş olabilir. Bu prosedürler birlikte yetişkin sineklerde yaşa bağlı yavaş değişikliklerin daha eksiksiz bir şekilde karakterize edilmesine izin verir ve birden fazla motor nöron hastalığı modeline uygulanabilir.
Motor nöron (MN) hastalıkları, birincil klinik fenotip olarak kas israfına ve felce yol açan ilerleyici dejenerasyonu içeren bir grup heterojen durumu kapsar1. Küresel prevalansı 100.000’de 4,5 olmasına rağmen, yaşlanan bir popülasyonla bu yaygınlığın artması bekleniyor2. Amyotrofik lateral skleroz (ALS) en sık görülen MN hastalığıdır (MND) ve tipik olarak tanıdan kısa bir süre içinde ölümcüldür ve mevcut hastalık değiştirici tedaviler yoktur3. MND’ler, hastalarda görülen erken moleküler biyobelirteç değişiklikleri ve fonksiyonel görüntüleme değişiklikleri ile uzun süreli presemptomatik bir fazı ortak olarak paylaşırlar4. İnsan dışı hastalık modellerinde de erken presemptomatik hücresel patoloji gözlenir5,6,7,8. Nöromüsküler kavşakta erken değişikliklerin incelenmesi MN hastalığı patogenezini anlamak için önemlidir ve erken tanı ve potansiyel terapötiklerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.
Drosophila’da nöromüsküler kavşağın yapısını ve işlevini incelemek için çok sayıda genetik ve moleküler araç bulunmaktadır (NMJ, iyi karakterize edilmiş larva NMJ’nin gözden geçirilmesi için bkz. Bu araçlar kısa bir ömürle birleştiğinde Drosophila’yı NMJ’deki nörodejeneratif değişiklikleri incelemek için mükemmel bir model haline getirir. Özellikle, yetişkin kaslarını içselleştiren MN’ler ~ 90 günlük yetişkin ömrü boyunca mevcuttur ve normal yaşlanma süreçlerine tabidir10,11,12,13. Bu nedenle yetişkin MN’ler, metamorfozdan sadece kısa bir ~1 haftalık bir süre için var olan larva NMJ’lerinin aksine yavaş dejeneratif değişiklikleri inceleme fırsatı sağlar14,15.
Burada, yetişkin bacağındaki MN’lerin immünosimyasal analizini yapmamızı sağlayan bir diseksiyon prosedürünü açıklıyoruz. Her yetişkin bacağı, hareket etmek için ilişkili bacak kaslarına sinaps oluşturan ~ 50 MNs ile içselleştirilir. Bacak anatomisi, mekanik fizyoloji ve nörobiyoloji iyi tanımlanmıştır16,17,18. Bacak MN’lerinin akson arborsları daha önce bipartit Gal4/UAS sistemi kullanılarak sırt dolgulu veya genetik olarak etiketlenmiş hücre popülasyonlarında tiksel yoluyla görüntüleme ile karakterize edilmiş ve görüntüleme yöntemleri daha önce yayınlanmıştır19. Burada sunulan diseksiyon yöntemleri akson dallanma morfolojisini korur ve NMJ’nin farklı moleküler bileşenlerini etiketlemek için çeşitli antikorlardan yararlanmamızı sağlar. Önceki çalışmamız, kaval kemiği alakatıcı kasını (tilm) içselleştiren ve tutarlı arborizasyon kalıpları ve bouton sayıları gösteren metatorasik (3. ) bacaktaki tanımlanmış bir MN’nin projeksiyonlarına odaklanmıştır. Başlangıçta Drosophila süperoksit dismutaz 1 (dsod1) mutantlarında yaşa bağlı değişiklikleri inceledik ve NMJ20’nin sökülmesiyle tutarlı değişiklikler bulduk. Bu diseksiyon yöntemleri, diğer ALS modelleri, yaşlanmanın temel çalışmaları ve diğer MN ilişkili hastalıklar için NMJ’deki yavaş dejeneratif değişiklikleri daha iyi karakterize etme fırsatı sunmaktadır.
Şekil 1. Bacakları parçalamak için iş akışı özeti. Ayrıntılı adımlar için protokole bakın. (A,B) Sinekler seçilir ve uyuşturulur. (C) Sinekler metanol’e aktarılır ve PBS ile yıkanır. (D) Metateik bacaklar, bir diseksiyon mikroskobu (~30x büyütme) ile görselleştirilirken coxa tabanında çıkarılır; ölçek çubuğu = 500 μm. (E) Bacaklar daha sonra 24 kuyulu plakaların kuyuları içinde 30 dakika boyunca% 3.7 formaldehit / PBS (FA) çözeltisinde sabitlenir ve daha sonra PBS ile yıkanarak FA çıkarılır. (F, G, H) Bacaklar silikon elastomer diseksiyon tepsilerine aktarılır ve 80x’te bir diseksiyon mikroskobu altında görselleştirilirken eğimli forseps kullanılarak proksimal uyluk kemiğinden bir parça kütikül çıkarılır; ölçek çubuğu = 50 μm. (I) Bacaklar DISEKSiyon sonrası SK’da sabitlenir ve PBS ve ardından PBT’de yıkanır (PBS+ % 0.1 iyonik olmayan yüzey aktif madde). (J) Bacaklar immünosimyasal lekelemelere maruz kalır. (K,L) Bacaklar cam bir kaydırağa aktarılır, montaj ortamlarında temizlenir ve kil ara parçaları içeren bir kapakla kaplanır; ölçek çubukları = 2 mm ve 500 μm. (M) Bacaklar konfokal mikroskopi ile görüntülenir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Drosophila yetişkin bacağı, nöroblast soyundan ve kalıplaşmış arborizasyon kalıplarından haritalanan iyi karakterize edilmiş MN’ler ile göreceli basitlik verilen nörodejenerasyonunu incelemek için ideal bir modeldir. Nörodejeneratif hastalığın çalışması için daha önce birçok rapor bacak MN’leri kullanmıştır21,22. Bu çalışmalar, kütikülden görüntü almak için basınçlı bir hücre işaretleyicisi (MARCM) ile mozaik analizi ile birlikte GFP ifade eden çizgiler kullandı ve bir dizi morfolojik değişikliği belgeledi. Yetişkin NMJ’lerin resected cuticle ile immünosiktokimya ile görüntülenmesi, mevcut bir antikor araç kutusu kullanarak karmaşık moleküler değişiklikleri izleme yeteneği ile daha fazla karakterizasyon sağlar.
Bu protokolün immünosistokimya kısmı nispeten standarttır ve genotip’den bağımsız olarak uygulanabilir (Drosophila ile kullanım için genel antikor boyama yöntemlerinin mükemmel bir açıklaması için bkz. Ayrıca, floresan yoğunluğu, akson dal uzunluğu, bouton sayıları ve boyutu gibi parametreler, görüntüler yakalandıktan ve nicel analiz için ayrıntılı yöntemler yayınlandıktan sonra çeşitli kullanılabilir ImageJ makroları kullanılarak belirlenebilir (örneğin, bkz. 24,25,26). Bu nedenle, diseksiyon tekniği burada açıklanan ana yeniliktir. Diseksiyondan önce, sinekler kütiküler hidrokarbonları soymak için bir alkole batırılır. Hem etanol hem de metanol bu amaç için yaygın olarak kullanılır; Ancak, sadece metanol kullandık. Diseksiyon başarısı için kritik olan birkaç faktördür: İlk olarak, bir eğimli modifiye forseps kullanmak kütikülle çok yüzeysel temas sağlar. İkincisi, kütikül yüzeyinin açıkça görülebilmesi için 60-100x toplam büyütme yapabilen bir diseksiyon mikroskobu kullanarak. Daha düşük maksimum büyütmeye sahip mikroskoplar için, en yaygın markalar için 2x hedefleri mevcuttur ve mevcut lenslerle birleştirildiğinde yeterli olmalıdır. Üçüncüsü, ilk fiksasyon adımı tiktikül kırılgan hale getirir ve altındaki kaslara zarar vermeden çekilmesini kolaylaştırır. Bu adımda aşırı sabitleme, tüm bacağı etkili diseksiyon için çok sert hale getirir. Bu nedenle, ilk sabitleme 30 dakika ile sınırlanmalıdır. Formaldehit fiksatifi, bu kısa süre boyunca alttaki dokuyu etkili bir şekilde çapraz bağlayacak kadar nüfuz etmeyecektir ve bu nedenle ikinci bir fiksasyon adımı gereklidir. İkinci fiksasyondan önce, morfolojideki bozulmayı ve değişiklikleri önlemek için dokular buz üzerinde tutulmalıdır. Dördüncü olarak, soğuk da önemliyken, muhtemelen kütikül kırılgan ve küçük bir parçanın daha kolay çıkarılabilmesi gibi benzer nedenlerden dolayı diseksiyon örnekleri bulduk.
Pratikle, diseksiyonların ~% 50’sinin ayırt edilebilir doku hasarı olmadan kullanılabilir olacağını görüyoruz. Bu yüzde diğer bazı dokulara göre düşük görünse de, diseksiyon prosedürü hızlıdır ve birçok bacak 30- 60 dakika içinde işlenebilir. Bu nedenle, başlangıçta başarı oranları düşük olsa bile, her deney grubu için 4-5 iyi örnek elde etmek mümkündür. Bununla birlikte, genotipler ve/veya yaş önemli ölümcüllükle sonuçlanırsa, herhangi bir zamanda mevcut sinek sayısı bir sınırlama olabilir.
Diğer bir sınırlama, büyüklüğü nedeniyle bacağın diğer bölgelerini uyluk kemiğinin proksimal bölgesinin ötesinde inceleyememiş olmamızdır. Böylece, TILM’yi güvenilir bir şekilde içselleştiren tanımlanmış MN çardaklarını inceleyebiliriz ve tibia depresör kasının üzerindeki kütikülleri, diseksiyon sırasında bacağın yönlendirilme şeklinde küçük değişikliklerle incelemek mümkündür. Bununla birlikte, bacağın diğer bölgelerine erişmek, diseksiyon sırasında aksonal mimariyi bozmadan daha zor olmuştur.
Burada, immünosimya kullanarak tilmi içselleştiren tanımlanmış MN’ler için yetişkin NMJ’deki değişiklikleri tespit etmek için diseksiyon yöntemleri sunuyoruz. Bacak, sadece ~ 50 MN tarafından içselleştirilmiş ve iyi tanımlanmış anatomiye sahip 14 kas içeren basit bir sistem olarak yararlıdır. Parçalanmış bacak hazırlığı genotipler arasında kullanılabilir ve mutant arka planlarda muhabir gen yapılarının genotipsel olarak karmaşık stoklarını oluşturmaya gerek kalmadan NMJ görselleştirmesi için bir antikor paketi mevcuttur. Bu yaklaşım, MN hastalıkları ve yaşla ilgili diğer durumlar için NMJ’deki değişikliklerin daha ayrıntılı bir şekilde nitelendirmesini sağlayacaktır.
The authors have nothing to disclose.
Eric Roberts’a görüntüleme konusunda tavsiyeleri için teşekkür ederiz. Ayrıca Rhode Island College’daki Bilgi Teknolojileri Hizmetleri’ne ve özellikle Michael Caine ve Jake Douglas’a videografi için teşekkür ederiz. Monoklonal antikorlar anti-dlg ve anti-brp sırasıyla UC-Berkeley ve Universitaetsklinikim Wuerzburg tarafından geliştirilmiştir ve NIH NICHD tarafından oluşturulan ve Iowa Üniversitesi Biyoloji Bölümü, Iowa City, IA 52242, ABD’de sürdürülen Gelişimsel Çalışmalar Hybridoma Bankası’ndan alınmıştır. Burada bildirilen araştırma, Rhode Island Kurumsal Gelişim Ödülü (IDeA) Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü’nden Biyomedikal Araştırma Mükemmelliği Ağı tarafından [P20GM103430] hibe numarası altında tam olarak desteklendi.
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 |