Summary

في الوقت الحقيقي رصد المختبر لتنشيط مستقبلات الرائحة بالرائحة في مرحلة البخار

Published: April 23, 2019
doi:

Summary

فسيولوجيا، يتم تنشيط مستقبلات الرائحة من جزيئات الرائحة المستنشقة في مرحلة البخار. ومع ذلك، استخدام معظم النظم في المختبر التحفيز الرائحة الطور السائل. نقدم هنا، أسلوب الذي يسمح للرصد في الوقت الحقيقي في المختبر لتنشيط مستقبلات الرائحة عند التحفيز الرائحة في مرحلة البخار.

Abstract

تصور حاسة الشم تبدأ مع تفاعل أودورانتس مع مستقبلات الرائحة (أو) أعرب عن طريق الخلايا العصبية الحسية حاسة الشم (OSN). ويتبع الاعتراف برائحة مخطط ترميز اندماجي، حيث يمكن تفعيلها أو واحد من مجموعة من أودورانتس والرائحة واحدة يمكن تنشيط مزيج من أملاح الإماهة الفموية. من خلال هذا الترميز اندماجي، يمكن الكشف عن الكائنات الحية وتميز بين عدد وافر جزيئات رائحة متقلبة. وهكذا، يمكن وصف رائحة بتركيز معين عن طريق نمط تنشيط من أملاح الإماهة الفموية، ومحددة لكل رائحة. وبهذا المعني، تكسير الآليات التي يستخدمها الدماغ لإدراك رائحة يتطلب الرائحة فهم-أو التفاعلات. هذا السبب في أن المجتمع أولفاكتيون ملتزمة “دي أورفانيزي” هذه المستقبلات. نظم في المختبر التقليدية المستخدمة لتحديد الرائحة-أو التفاعلات استخدمت تحضين خلية الإعلام مع الرائحة، الذي يختلف عن كشف الروائح عن طريق حل أودورانتس البخار الطبيعي في الغشاء المخاطي للأنف قبل التفاعل مع أملاح الإماهة الفموية. هنا، يمكننا وصف أسلوب جديد يسمح للرصد في الوقت الحقيقي للتنشيط أو عبر مرحلة البخار odorants. لدينا أسلوب يعتمد على قياس الإفراج عن المخيم التﻷلؤ استخدام الإنزيم جلوسينسور. أنه يسد الثغرات الحالية بين النهج المجراة في وفي المختبر، ويوفر أساسا لاستشعار المحاكاة البيولوجية كيميائية المتطايرة.

Introduction

حاسة الشم يسمح الحيوانات البرية للتفاعل مع بيئتها الكيميائية المتطايرة للسلوكيات محرك الأقراص والعواطف. وتبدأ عملية الكشف عن رائحة أساسا، مع تفاعل جزيئات الرائحة الأولى مع نظام حاسة الشم، على مستوى الرائحة مستقبلات (أملاح الإماهة الفموية)1. في الثدييات، وأملاح الإماهة الفموية فردياً يعبر عن حاسة الشم العصبية الحسية (أوسنس) تقع في حاسة الشم ظهارة2. أنها تنتمي لعائلة مستقبلات (GPCR) مقترنة بالبروتين ز وأكثر دقة للأسرة الفرعية مثل رودوبسين (وتسمى أيضا الفئة A). زوجين أملاح الإماهة الفموية وتنشيطية ز البروتين زجبهة تحرير أورومو التنشيط الذي يؤدي إلى إنتاج المخيم متبوعاً بفتح قنوات دوري النوكليوتيدات بوابات وتوليد إمكانات العمل. من المسلم به أن الإدراك رائحة يعتمد على نمط محدد من أملاح الإماهة الفموية المنشط3،4 ويترتب على ذلك الاعتراف برائحة مخطط ترميز اندماجي، حيث يمكن تفعيلها أو واحد من مجموعة من أودورانتس والرائحة واحدة يمكن تنشيط مزيج من أملاح الإماهة الفموية. ومن خلال هذا الترميز اندماجي، افترض أن الكائنات الحية يمكن الكشف عن وأن تميز بين عدد وافر جزيئات رائحة متقلبة. واحد من مفاتيح لفهم كيف تعتبر الروائح أن نفهم كيف والذي يتم تنشيط أملاح الإماهة الفموية من رائحة معينة.

في محاولة لتوضيح الرائحة-أو التفاعلات، في المختبر فحوصات فنية لعبت دوراً أساسيا. تم تحديد مؤثر يغاندس معطر لليتيم أملاح الإماهة الفموية (أو دي أورفانيزيشن) حقل نشط جداً طوال السنوات العشرين الماضية، من خلال استخدام مختلف في المختبر، السابقين فيفو والاختبارات الوظيفية المجراة في5،6،7 ،،من89،10،11،،من1213،14،15،16، 17.

نظم الفحص في المختبر الأنسب لتوصيف وظيفي مفصل من أملاح الإماهة الفموية، بما في ذلك تحديد مجالات وظيفية والبقايا الحرجة من أملاح الإماهة الفموية، فضلا عن التطبيقات الهندسية المحتملة. ومع ذلك، كذلك تطوير نظم القيم في المختبر لأملاح الإماهة الفموية قد تحديا، ويرجع ذلك جزئيا إلى صعوبة مع أوسنس تثقيف والتعبير الوظيفي من أملاح الإماهة الفموية في خلايا مغايرة. وكان التحدي الأول وضع البروتوكولات التي تسمح بالتعبير الخلية السطحية من أملاح الإماهة الفموية الفنية في رسم خرائط للرائحة-أو التفاعلات. وقد استخدمت عددا من المجموعات المستقلة مختلف النهج5،6،،من78،9،10،11،12، 14،18،،من1920. أحد إنجازات أقرب كان أدلى بها كروتوورست et al في المعلمة N-المحطة من أملاح الإماهة الفموية مع تسلسل تقصير من رهودوبسن (رو-العلامة) ولاحظ تعبير سطحية محسنة في خلايا الكلي الجنينية البشرية (HEK)13. الاختلافات إلى علامة تعلق على التسلسل أو لا يزال مسار البحث لتحسين أو التعبير ووظائف19،21. سايتو et al. ثم حدد نقل مستقبلات البروتين 1 (RTP1) و RTP2 التي تيسر أو الاتجار. 22 نسخة أقصر من RTP1، يسمى RTP1S، كما تبين أن يكون أكثر فعالية من البروتين الأصلي23. تطوير خط الخلية (Hana3A) الذي يعرب ستابلي زجبهة تحرير أورومو، REEP1، RTP1، و RTP2 24، مقترنة باستخدام الصحفيين دوري الادينوسين الأدينوزين (معسكر) قد مكن تحديد الرائحة-أو التفاعلات. ما زال يتعين تحديد الآلية التي تعزز الأسرة RTP البروتينات التعبير الخلية السطحية من أملاح الإماهة الفموية.

التحذير واحد من هذه الأساليب المتبعة أنها تعتمد على تحفيز الرائحة في الطور السائل، بمعنى أن أودورانتس تذاب مسبقاً إلى وسيلة تحفيز وتنشيط الخلايا بالاستعاضة عن المتوسط. هذا متميز جداً من الظروف الفسيولوجية حيث يصل إلى ظهارة حاسة الشم في مرحلة البخار جزيئات الرائحة وتنشيط أملاح الإماهة الفموية بانحلال في الغشاء المخاطي الأنفي. أكثر شبهاً التعرض الحوافز ذات الصلة الفيزيولوجية، اقترح سانز et al.20 مقايسة استناداً إلى تحفيز البخار بتطبيق قطره حل الرائحة معطلاً تحت الوجه الداخلي للفيلم البلاستيك توضع على رأس الخلية الآبار. أنها سجلت الردود الكالسيوم عن طريق رصد كثافة الأسفار. هذا الأسلوب كان الأول من استخدم الهواء-المرحلة الرائحة التحفيز، ولكن لم تسمح بفرز كبيرة للتنشيط أو.

وهنا، قمنا بتطوير أسلوب جديد يتيح للرصد في الوقت الحقيقي في المختبر أو التنشيط عن طريق حفز الرائحة مرحلة البخار بمقايسة جلوسينسور (الشكل 1). وقد استخدمت هذه المقايسة سابقا في سياق الرائحة السائل التحفيز18،19،25،26،27،،من2829، 30 , 31-قاعة الرصد لومينوميتير هو اكويليبراتيد أولاً مع الرائحة يتبخر قبل لوحة القراءة (الشكل 1أ). جزيئات الرائحة، ثم ومذاوبة إلى المخزن المؤقت، والاستحمام الخلايا Hana3A التعبير عن أو الفائدة، RTP1S والبروتينات جلوسينسور (الشكل 1ب). إذا كانت الرائحة مؤثر أو، أو سوف التبديل إلى تكيف المنشط وربط مجموعةجبهة تحرير أورومو، تفعيل adenylyl cyclase (AC)، وتسبب في نهاية المطاف إلى ارتفاع مستويات المخيم. سيتم ربط هذا المخيم ارتفاع وتنشيط البروتين جلوسينسور لتوليد التﻷلؤ تحفيز لوسيفرين. ثم يتم تسجيلها لومينوميتير هذا التﻷلؤ ويتيح رصد أو التنشيط. هذا الأسلوب لفائدة عالية في سياق ديورفانيزيشن أو أنه يجلب في المختبر أنظمة أقرب إلى تصور الطبيعية من الروائح الكريهة.

Protocol

1-Hana3A خلايا الثقافة إعداد M10 (الحد الأدنى الأساسية المتوسطة (MEM) زائد 10% v/v مصل الدم البقري الجنين (FBS)) و M10PSF (M10 بالإضافة إلى 100 ميكروغرام/مل البنسلين-ستربتوميسين و 1.25 ميكروغرام/مل الامفوتريسين ب). ثقافة الخلايا في 10 مل M10PSF في صحن ثقافة خلية 100 ملم في حاضنة في غاز ثاني أكسيد الكربون (CO<su…

Representative Results

نحن فحص الاستجابة لثلاثة من الماوس أملاح الإماهة الفموية و Olfr746 و Olfr124 و Olfr1093 باستخدام سينمالدهيد بخار التحفيز (الشكل 3). في نفس الوقت، كنا ناقلات فارغة (رو-pCI) لضمان أن الأنشطة المستحثة بالرائحة من أملاح الإماهة الفموية اختبارها كانت محددة (الشكل 3أ)….

Discussion

الإحساس برائحة تعتمد اعتماداً أساسيا على التفعيل لأملاح الإماهة الفموية. ونتيجة لذلك، فهم وظيفة كل منها مطلوب للقضاء الآليات المعقدة التي تستخدم الدماغ لإدراك بيئتها الكيميائية المتطايرة. ومع ذلك، قد أعاق فهم هذه العملية الصعوبات في إنشاء وسيلة قوية الشاشة أو مرجع للحصول على وظائف ضد أو…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل المنح المقدمة من المعاهد الوطنية للصحة (DC014423 و DC016224) والدفاع المتقدم المشروع وكالة ريلنوسي المشروع البحثي. يلافن بقي في جامعة ديوك بدعم مالي من برنامج JSPS “النهوض بالشبكات الدولية الاستراتيجية” للتعجيل “تداول الباحثين الموهوبين” (R2801). ونشكر كليم سهر على تحرير المخطوطة.

Materials

0.05 % trypsin-EDTA Gibco 25300-054 0.05% Trypsin – EDTA (1x), phenol red – store at 4°C
100 mm cell culture dish  BD Falcon 353003 100 mm x 20 mm cell culture dish 
15 mL tube BD Falcon 352099 17 mm x 120 mm conical tubes
96-well plate Corning 3843 96 well, with LE lid white with clear bottom Poly-D-lysine coated Polystyrene
Amphotericin Gibco 15290-018 Amphotericin B 250 µg/mL – store at 4°C
centrifuge machine Jouan C312 Centrifuge machine with swinging bucket rotor for 15 mL
Class II Type A/B3 fumehood NUAIRE NU-407-500 fumehood for cell culturing
FBS Gibco 16000-044 Fetal Bovine Serum – store at -20°C
GloSensor cAMP Reagent Promega E1290 GloSensor cAMP Reagent luminescent protein substrate – store at -20°C
Incubator 37 °C; 5 % CO2 Fisher Scientific 11-676-604 Incubator for cell culturing
Lipofectamine 2000 reagent Invitrogen 11668-019 Lipofectamine 2000 Reagent 1mg/ml transfection reagent – store at 4°C
Luminometer POLARstar OPTIMA BMG LABTECH discontinued 96 well plate reader for luminescence
Mineral oil Sigma M8410 Solvent for odorants – store at room temperature
Minimum Essential Medium (MEM) Corning cellgro 10-010-CV Minimum Essential Medium Eagle with Earle’s salts & L-glutamine – store at 4°C
Penicillin/Streptomycin Sigma Aldrich P4333 Penicillin-Streptomycin solution stabilized with 10,000 U of penicillin and 10 mg streptomycin – store at -20°C
pGlosensor Promega E2301 pGloSensor-22F cAMP luminescent protein plasmid – store at 4°C
phase contrast microscope Leica 090-131.001 phase contrast microscope with x4, x10, x20 objectives
RTP1S H. Matsunami lab 100 ng/µL plasmid – store at 4°C

References

  1. Buck, L., Axel, R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition. Cell. 65 (1), 175-187 (1991).
  2. Serizawa, S., Miyamichi, K., Sakano, H. One neuron-one receptor rule in the mouse olfactory system. Trends in Genetics. 20 (12), 648-653 (2004).
  3. Malnic, B., Hirono, J., Sato, T., Buck, L. B. Combinatorial receptor codes for odors. Cell. 96 (5), 713-723 (1999).
  4. Hallem, E. A., Carlson, J. R. Coding of odors by a receptor repertoire. Cell. 125 (1), 143-160 (2006).
  5. Peterlin, Z., Firestein, S., Rogers, M. E. The state of the art of odorant receptor deorphanization: a report from the orphanage. The Journal of General Physiology. 143 (5), 527-542 (2014).
  6. Saito, H., Chi, Q., Zhuang, H., Matsunami, H., Mainland, J. D. Odor coding by a Mammalian receptor repertoire. Science Signal. 2 (60), (2009).
  7. Geithe, C., Noe, F., Kreissl, J., Krautwurst, D. The broadly tuned odorant receptor OR1A1 is highly selective for 3-methyl-2, 4-nonanedione, a key food odorant in aged wines, tea, and other foods. Chemical Senses. 42 (3), 181-193 (2017).
  8. Nishizumi, H., Sakano, H. Decoding and deorphanizing an olfactory map. Nature Neuroscience. 18 (10), 1432 (2015).
  9. Wetzel, C. H., et al. Functional expression and characterization of a Drosophila odorant receptor in a heterologous cell system. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (16), 9377-9380 (2001).
  10. Touhara, K., et al. Functional identification and reconstitution of an odorant receptor in single olfactory neurons. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4040-4045 (1999).
  11. Levasseur, G., et al. Ligand-specific dose-response of heterologously expressed olfactory receptors. European Journal Of Biochemistry. 270 (13), 2905-2912 (2003).
  12. Zhao, H., et al. Functional expression of a mammalian odorant receptor. Science. 279 (5348), 237-242 (1998).
  13. Krautwurst, D., Yau, K. -. W., Reed, R. R. Identification of ligands for olfactory receptors by functional expression of a receptor library. Cell. 95 (7), 917-926 (1998).
  14. Wetzel, C. H., et al. Specificity and Sensitivity of a Human Olfactory Receptor Functionally Expressed in Human Embryonic Kidney 293 Cells andXenopus Laevis Oocytes. Journal of Neuroscience. 19 (17), 7426-7433 (1999).
  15. Kajiya, K., et al. Molecular bases of odor discrimination: reconstitution of olfactory receptors that recognize overlapping sets of odorants. Journal of Neuroscience. 21 (16), 6018-6025 (2001).
  16. Jiang, Y., et al. Molecular profiling of activated olfactory neurons identifies odorant receptors for odors in vivo. Nature Neuroscience. 18 (10), 1446 (2015).
  17. Von Der Weid, B., et al. Large-scale transcriptional profiling of chemosensory neurons identifies receptor-ligand pairs in vivo. Nature Neuroscience. 18 (10), 1455 (2015).
  18. Geithe, C., Andersen, G., Malki, A., Krautwurst, D. A butter aroma recombinate activates human class-I odorant receptors. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 63 (43), 9410-9420 (2015).
  19. Noe, F., et al. IL-6-HaloTag® enables live-cell plasma membrane staining, flow cytometry, functional expression, and de-orphaning of recombinant odorant receptors. Journal of Biological Methods. 4 (4), 81 (2017).
  20. Sanz, G., Schlegel, C., Pernollet, J. -. C., Briand, L. Comparison of odorant specificity of two human olfactory receptors from different phylogenetic classes and evidence for antagonism. Chemical Senses. 30 (1), 69-80 (2005).
  21. Shepard, B. D., Natarajan, N., Protzko, R. J., Acres, O. W., Pluznick, J. L. A cleavable N-terminal signal peptide promotes widespread olfactory receptor surface expression in HEK293T cells. PLoS One. 8 (7), 68758 (2013).
  22. Saito, H., Kubota, M., Roberts, R. W., Chi, Q., Matsunami, H. RTP family members induce functional expression of mammalian odorant receptors. Cell. 119 (5), 679-691 (2004).
  23. Wu, L., Pan, Y., Chen, G. -. Q., Matsunami, H., Zhuang, H. Receptor-Transporting Protein 1 Short (RTP1S) Mediates the Translocation and Activation of Odorant Receptors by Acting through Multiple Steps. Journal of Biological Chemistry. , (2012).
  24. Zhuang, H., Matsunami, H. Evaluating cell-surface expression and measuring activation of mammalian odorant receptors in heterologous cells. Nature Protocols. 3 (9), 1402 (2008).
  25. Zhang, Y., Pan, Y., Matsunami, H., Zhuang, H. Live-cell Measurement of Odorant Receptor Activation Using a Real-time cAMP Assay. Journal of Visualized Experiments. (128), e55831 (2017).
  26. Li, S., et al. Smelling sulfur: Copper and silver regulate the response of human odorant receptor OR2T11 to low-molecular-weight thiols. Journal of the American Chemical Society. 138 (40), 13281-13288 (2016).
  27. Ahmed, L., et al. Molecular mechanism of activation of human musk receptors OR5AN1 and OR1A1 by (R)-muscone and diverse other musk-smelling compounds. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (17), 3950-3958 (2018).
  28. Duan, X., et al. Crucial role of copper in detection of metal-coordinating odorants. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (9), 3492-3497 (2012).
  29. Sekharan, S., et al. QM/MM model of the mouse olfactory receptor MOR244-3 validated by site-directed mutagenesis experiments. Biophysical journal. 107 (5), 5-8 (2014).
  30. Liu, M. T., et al. Carbon chain shape selectivity by the mouse olfactory receptor OR-I7. Organic & Biomolecular Chemistry. 16 (14), 2541-2548 (2018).
  31. Li, Y., et al. Aldehyde Recognition and Discrimination by Mammalian Odorant Receptors via Functional Group-Specific Hydration Chemistry. ACS Chemical Biology. 9 (11), 2563-2571 (2014).
  32. Kida, H., et al. Vapor detection and discrimination with a panel of odorant receptors. Nature Communications. 9 (1), 4556 (2018).
  33. Yu, Y., et al. Responsiveness of G protein-coupled odorant receptors is partially attributed to the activation mechanism. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (48), 14966-14971 (2015).
  34. de March, C. A., et al. Conserved residues control Activation of mammalian G protein-coupled odorant receptors. Journal of the American Chemical Society. 137 (26), 8611-8616 (2015).
  35. de March, C. A., et al. Odorant receptor 7D4 activation dynamics. Angewandte Chemie. 130 (17), 4644-4648 (2018).
  36. Kim, S. -. K., Goddard, W. A. Predicted 3D structures of olfactory receptors with details of odorant binding to OR1G1. Journal of Computer-Aided Molecular Design. 28 (12), 1175-1190 (2014).
  37. de March, C. A., Kim, S. K., Antonczak, S., Goddard, W. A., Golebiowski, J. G protein-coupled odorant receptors: From sequence to structure. Protein Science. 24 (9), 1543-1548 (2015).
  38. Adipietro, K. A., Mainland, J. D., Matsunami, H. Functional evolution of mammalian odorant receptors. PLoS Genetics. 8 (7), 1002821 (2012).
  39. Mainland, J. D., et al. The missense of smell: functional variability in the human odorant receptor repertoire. Nature Neuroscience. 17 (1), 114 (2014).
  40. Meister, M. On the dimensionality of odor space. Elife. 4, 07865 (2015).
  41. Bushdid, C., Magnasco, M. O., Vosshall, L. B., Keller, A. Humans can discriminate more than 1 trillion olfactory stimuli. Science. 343 (6177), 1370-1372 (2014).
  42. Gerkin, R. C., Castro, J. B. The number of olfactory stimuli that humans can discriminate is still unknown. Elife. 4, 08127 (2015).
  43. Shirasu, M., et al. Olfactory receptor and neural pathway responsible for highly selective sensing of musk odors. Neuron. 81 (1), 165-178 (2014).
  44. Keller, A., Zhuang, H., Chi, Q., Vosshall, L. B., Matsunami, H. Genetic variation in a human odorant receptor alters odour perception. Nature. 449 (7161), 468 (2007).
  45. McRae, J. F., et al. Genetic variation in the odorant receptor OR2J3 is associated with the ability to detect the “grassy” smelling odor, cis-3-hexen-1-ol. Chemical Senses. 37 (7), 585-593 (2012).
  46. de March, C. A., Ryu, S., Sicard, G., Moon, C., Golebiowski, J. Structure-odour relationships reviewed in the postgenomic era. Flavour and Fragrance Journal. 30 (5), 342-361 (2015).
  47. Olson, M. J., Martin, J. L., LaRosa, A. C., Brady, A. N., Pohl, L. R. Immunohistochemical localization of carboxylesterase in the nasal mucosa of rats. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 41 (2), 307-311 (1993).
  48. Nagashima, A., Touhara, K. Enzymatic conversion of odorants in nasal mucus affects olfactory glomerular activation patterns and odor perception. Journal of Neuroscience. 30 (48), 16391-16398 (2010).

Play Video

Cite This Article
de March, C. A., Fukutani, Y., Vihani, A., Kida, H., Matsunami, H. Real-time In Vitro Monitoring of Odorant Receptor Activation by an Odorant in the Vapor Phase. J. Vis. Exp. (146), e59446, doi:10.3791/59446 (2019).

View Video