JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

בזמן אמת בחוץ גופית ניטור של הפעלת קולטן Odorant מאת Odorant בהשלב אדי

Published: April 23, 2019
doi:
10.3791/59446
, , , ,
1Department of Molecular Genetics and Microbiology,Duke University Medical Center, 2Department of Biotechnology and Life Science,Tokyo University of Agriculture and Technology, 3Department of Neurobiology,Duke University Medical Center, 4Department of Mechanical Systems, Engineering,Tokyo University of Agriculture and Technology, 5Institute of Global Innovation Research,Tokyo University of Agriculture and Technology, 6Duke Institute for Brain Sciences,Duke University

Summary

מבחינה פיזיולוגית, odorant רצפטורים מופעלים על ידי מולקולות odorant בשאיפה בשלב אדי. עם זאת, ביותר מערכות in vitro לנצל שלב נוזלי odorant גירוי. כאן, אנו מציגים שיטה המאפשרת ניטור בזמן אמת במבחנה של הפעלת קולטן odorant על odorant גירוי בשלב אדי.

Abstract

תפיסת הריח מתחיל האינטראקציה של odorants עם רצפטורים odorant (או) בא לידי ביטוי על ידי חוש הריח החישה הניריונים (OSN). ריח זיהוי עוקב אחר ערכת קידוד המשתמשת קומבינטורית, או אחד יכול להיות מופעל על ידי קבוצת odorants בהם odorant אחד יכול להפעיל שילוב של ORs. דרך כזאת קידוד קומבינטורית, אורגניזמים יכולים לזהות ולהבחין בין מספר עצום של מולקולות ריח נדיפים. לפיכך, ריח-ריכוז נתון יכולה להיות מתוארת על ידי תבנית ההפעלה של ORs, אשר הוא ספציפי על כל ריח. במובן הזה, פיצוח המנגנונים המשתמשת המוח להבחין ריח דורש את ההבנה odorant-ניתוח אינטראקציות. זו הסיבה מדוע הקהילה חוש הריח מחויבת “דה orphanize” רצפטורים אלו. קונבנציונאלי מערכות in vitro המשמש לזיהוי odorant- או אינטראקציות נעזרו ומוכנסות המדיה הנייד עם odorant, אשר היא נבדלת הגילוי הטבעי של ריחות באמצעות פירוק odorants אדי לתוך רירית האף לפני בחברת ORs. כאן, אנו מתארים שיטה חדשה מאפשר ניטור בזמן אמת של הפעלת או באמצעות אדים-שלב odorants. השיטה שלנו מתבססת על מדידת שחרור המחנה על ידי הפריה חוץ גופית באמצעות וזמינותו Glosensor. זה גשרים הנוכחי פערים בין גישות ויוו במבחנה ומספק בסיס חיישן כימיים נדיפים ביונים.

Introduction

חוש הריח מאפשר קרקעית חיות לאינטראקציה עם הסביבה כימיים נדיפים שלך כונן התנהגויות ורגשות. ביסודו, מתחיל תהליך זיהוי ריח עם האינטראקציה הראשונה של מולקולות odorant עם מערכת הריח, ברמה של קולטנים (ORs) odorant1. ביונקים, ORs מבוטאים בנפרד חוש הריח נוירונים סנסוריים (OSNs) ממוקם אפיתל חוש הריח2. הם שייכים למשפחת קולטן (GPCR) G-חלבון בשילוב, ליתר דיוק למשפחת אופסין # רודופסין דמוי משנה (המכונה גם מחלקה A). ORs זוג עם מופחתים גרם חלבון Golf הפעלת אשר מוביל המחנה ייצור ואחריו פתיחת ערוצי נוקלאוטיד מחזורית מגודרת, הדור של פוטנציאל פעולה. מקובל כי ההכרתיות ריח מסתמך על דפוס מסוים של ORs מופעל3,4 , ולכן זיהוי ריח מלווה ערכת קידוד המשתמשת קומבינטורית, או אחד יכול להיות מופעל על ידי קבוצת odorants בהם odorant אחד יכול להפעיל שילוב של ORs. דרך כזו קידוד קומבינטורית, זה הוא שמהווה אורגניזמים יכולים לזהות ולהבחין בין מספר עצום של מולקולות ריח נדיפים. אחד המפתחות להבנת איך נתפסים ריחות היא להבין איך ואשר ORs מופעלים על ידי ריח נתון.

בניסיון להבהיר odorant- או אינטראקציות, מבחני פונקציונלי במבחנה שיחקו תפקיד חיוני. הזיהוי של אגוניסט ליגנדים מדיף עבור יתום ORs (או דה-orphanization) כבר שדה פעיל מאוד בעשרים השנים האחרונות, באמצעות שימוש שונים במבחנה, ex-vivo ומבחני פונקציונלי ויוו5,6,7 ,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17.

מערכות assay במבחנה הם המתאימים ביותר עבור אפיון פונקציונלי מפורט ORs, כולל זיהוי של תחומים פונקציונליים, ומשקעים קריטי של ORs, כמו גם יישומים הנדסיים פוטנציאליים. עם זאת, בהמשך פיתוח מערכות במבחנה יקר עבור ORs היה אתגר, בין היתר בשל קושי עם culturing OSNs וביטוי פונקציונלי של ORs בתאים heterologous. האתגר הראשון היה להקים פרוטוקולים מותרים עבור הביטוי פני שטח התא של ORs פונקציונלי מיפוי של odorant-ניתוח אינטראקציות. מספר קבוצות עצמאית נעזרו שונים גישות5,6,7,8,9,10,11,12, 14,18,19,20. אחד ההישגים המוקדמים נוצר על ידי Krautwurst et al. ב מתויג N-הסופית של ORs עם רצף מקוצרת של אופסין # רודופסין (Rho-תג) ולצפות ביטוי השטח משופרת ב- תאי כליה אנושית עובריים (HEK)13. וריאציות שבוצעו התג המוצמד הרצף או הוא עדיין נתיב חקר לשיפור או ביטוי ופונקציונליות19,21. סאיטו ואח. ואז זיהו חלבון קולטן-הובלת 1 (RTP1), RTP2 אשר להקל או סחר בסמים. 22 גרסה קצרה יותר של RTP1, שנקרא RTP1S, גם הוכח להיות יעיל יותר מאשר החלבון המקורי23. הפיתוח של קו תא (Hana3A) stably המבטאת Golf, REEP1, RTP1 ו- RTP2 24, בשילוב עם השימוש של אדנוזין מחזורית monophosphate (מחנה) כתבים איפשר זיהוי של odorant-ניתוח אינטראקציות. מנגנון לפיו משפחת RTP של חלבונים מקדמת הבעת פני שטח התא ORs עדיין נקבע.

אזהרה אחת משיטות אלה הוקמה היא כי הם מסתמכים על גירוי odorant בשלב נוזלי, כלומר odorants הם התפרקה מראש לתוך מדיום גירוי לעורר תאים על-ידי החלפת המדיום. . זה מאוד שונה מזו התנאים הפיזיולוגיים שבה מולקולות odorant להגיע האפיתל חוש הריח בשלב אדי, להפעיל ORs על-ידי פירוק לתוך רירית האף. כדי להידמות יותר חשיפה גירוי רלוונטי מבחינה פיזיולוגית, צאנז ואח20 המוצע של assay בהתבסס על אדי גירוי על-ידי החלת טיפת odorant פתרון לתלות מתחת הפנים הפנימי של סרט פלסטיק הניח על ראש תא בארות. הם הקליטו את התגובות סידן על-ידי ניטור קרינה פלואורסצנטית בעוצמה. שיטה זו היה הראשון להשתמש אוויר-שלב odorant גירוי, אבל זה לא התירו הקרנה גדולים או ההפעלה.

. הנה, פיתחנו שיטה חדשה המאפשרת ניטור בזמן אמת של הפעלת או במבחנה באמצעות אדי שלב odorant גירוי על ידי וזמינותו Glosensor (איור 1). Assay הזה שימש בעבר בהקשר של odorant נוזלי גירוי18,19,25,26,27,28,29, 30 , 31. התא ניטור של luminometer זה equilibrated קודם עם odorant מתאדה לפני הצלחת לקרוא (איור 1א’). Odorant מולקולות הן ואז solvated לתוך המאגר, רחצה Hana3A תאים המבטאים את הניתוח של עניין, RTP1S את החלבונים Glosensor (איור 1B). אם odorant הוא אגוניסט של הניתוח, הניתוח לעבור קונפורמציה מופעל לאגד Golf, מפעיל את cyclase adenylyl (AC) ו בסופו של דבר לגרום רמות המחנה לעלות. המחנה העולה לאגד ולהפעיל את החלבון Glosensor כדי ליצור הפריה חוץ גופית ותזרז luciferin. הארה זו לאחר מכן נרשם על-ידי luminometer ומאפשרת או הפעלת הפיקוח. שיטה זו היא עניין גבוהה בהקשר של deorphanization או כפי שהיא מביאה מערכות in vitro קרוב התפיסה הטבעית של ריחות.

Protocol

1. Hana3A אנליזה טרמית להכין M10 (מינימום הכרחי בינוני (מאמ) בתוספת 10% v/v עוברית שור סרום (FBS)), M10PSF (M10 פלוס 100 µg/mL פניצילין-סטרפטומיצין, שהוא גוסס 1.25 µg/mL B). התרבות התאים 10 מ”ל של M10PSF בצלחת תרבות תא 100 מ מ בתוך אינקובטור להגדיר ב- 37 מעלות צלזיוס ו-5% פחמן דו-חמצני (CO2). חלוקת התאים כל י?…

Representative Results

הוקרנו התגובה של שלושה העכבר ORs, Olfr746, Olfr124, Olfr1093 באמצעות גירוי אדי cinnamaldehyde (איור 3). במקביל, השתמשנו פקד וקטור ריק (Rho-pCI) כדי להבטיח כי פעילות odorant-induced ORs שנבדקו היו ספציפיות (איור 3א). הפעלת בזמן אמת ORs על גירוי odorant אדי היה בפיקוח מדידה מעל 20 מחזורים. הנתו…

Discussion

התפיסה של ריח תלויה באופן מהותי ההפעלה של ORs. כתוצאה מכך, הבנה של הפונקציונליות שלהם נדרש כדי לפצח את המנגנון מורכבות המשתמשות המוח להבחין סביבתו כימיים נדיפים. עם זאת, ההבנה של תהליך זה יש כבר הקשו על ידי הקשיים בהקמת שיטה חזקה למסך את הרפרטואר או פונקציונליות נגד odorants במבחנה. תא והביט…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי מענקים NIH (DC014423 ו- DC016224), את ההגנה מתקדם פרוייקט הסוכנות RealNose פרוייקט מחקר. YF נשאר באוניברסיטת דיוק עם תמיכה כספית מתוכנית JSPS לרשתות קידום אסטרטגי בינלאומי להאיץ את זרימת הדם של מוכשרים החוקרים (R2801). אנו מודים Kaleem סהר על עריכה של כתב היד.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Odorant ReceptorIn Vitro MonitoringVapor PhaseBiosensorOdor PerceptionCell CultureReal-timeM10 PSFTrypsin-EDTA96-well Plate

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image