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Neuroscience

In tempo reale In Vitro monitoraggio dell'attivazione del recettore Odorant da un Odorant in fase gassosa

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

Fisiologicamente, odorant recettori sono attivati da molecole odorant inalati in fase gassosa. Tuttavia, più sistemi in vitro utilizzano stimolazione odorant fase liquida. Qui, presentiamo un metodo che consente il monitoraggio in tempo reale in vitro dell’attivazione del recettore odorant stimolazione odorant in fase vapore.

Abstract

Percezione olfattiva inizia con l’interazione di odorizzazione con recettori odorant (o) espressi dai neuroni sensoriali olfattivi (OSN). Riconoscimento di odore segue uno schema di codifica combinatorio, dove uno o può essere attivato da un set di odorizzazione e una odorant può attivare una combinazione di ORs. Attraverso tale codifica combinatoria, organismi possono rilevare e discriminare tra una miriade di molecole odorose volatili. Così, un odore a una data concentrazione può essere descritto da un modello di attivazione di ORs, che è specifico per ogni odore. In questo senso, i meccanismi che il cervello utilizza per percepire odore richiede la comprensione odorant di cracking-interazioni OR. Ecco perché la comunità di olfatto è impegnata a “de-orphanize” questi recettori. Sistemi in vitro convenzionali utilizzati per identificare odorant- o interazioni hanno utilizzato incubazione delle cellule media con odorant, che è distinto dal rilevamento naturale degli odori tramite dissoluzione odoranti del vapore nella mucosa nasale prima di interagire con ORs. Qui, descriviamo un nuovo metodo che consente il monitoraggio in tempo reale di attivazione OR via odoranti di fase del vapore. Il nostro metodo si basa sul rilascio campo di misura di luminescenza usando l’analisi di Glosensor. E colma le lacune attuali tra approcci in vivo e in vitro e fornisce una base per un sensore chimico volatile biomimetici.

Introduction

Il senso dell’olfatto permette animali terrestri interagire con il loro ambiente chimico volatile per unità comportamenti ed emozioni. Fondamentalmente, il processo di rilevamento di odore comincia con la prima interazione di molecole odorant con il sistema olfattivo, a livello di odorizzante recettori (ORs)1. Nei mammiferi, ORs individualmente sono espressi nei neuroni sensoriali olfattivi (OSNs) situati in epitelio olfattivo2. Appartengono alla famiglia del ricevitore (GPCR) accoppiati a proteine G e più precisamente alla rodopsina-come Sub-famiglia (anche chiamato classe A). Coppia di ORs con stimolatore G proteine Golf cui attivazione porta alla produzione di cAMP seguita dall’apertura di canali di gated nucleotide ciclico e la generazione di potenziali d’azione. È accettato che una percezione di odore si basa su un modello specifico di attivato ORs3,4 e quindi riconoscimento di odore segue uno schema di codifica combinatorio, dove uno o può essere attivato da un set di odorizzazione e una odorant può attivare un combinazione di ORs. E attraverso tale codifica combinatoria, è postulato che gli organismi possono rilevare e discriminare tra una miriade di molecole odorose volatili. Una delle chiavi per comprendere il modo in cui sono percepiti odori è capire come e quali ORs sono attivati da un determinato odore.

Nel tentativo di delucidare odorant- o interazioni, analisi funzionale in vitro hanno giocato un ruolo essenziale. L’identificazione di ligandi odorose agonista per orfano ORs (de-orphanization OR) è stato un campo molto attivo negli ultimi venti anni, attraverso l’uso di vari in vitro, ex vivo e saggi funzionali in vivo5,6,7 ,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17.

Sistemi di analisi in vitro sono più adatti per la dettagliata caratterizzazione funzionale di ORs, inclusa l’identificazione i domini funzionali e residui critici di ORs, nonché potenziali applicazioni di ingegneria. Tuttavia, ulteriore sviluppo di sistemi in vitro preziosi per ORs è stata una sfida, in parte a causa di difficoltà con coltura OSNs ed espressione funzionale di ORs in cellule eterologhe. La prima sfida era stato di stabilire protocolli consentiti per l’espressione di superficie delle cellule di ORs funzionale nella mappatura della odorant-interazioni OR. Un numero di gruppi indipendenti hanno utilizzato vari approcci5,6,7,8,9,10,11,12, 14,18,19,20. Uno dei primi risultati è stato effettuato da Krautwurst et in tag N-terminale di ORs con una sequenza abbreviata della rodopsina (Rho-tag) e osservato una miglioramento espressione di superficie di cellule embrionali umane del rene (HEK)13. Variazioni apportate il cartellino attaccato alla sequenza OR è ancora un percorso esplorato per migliorare OR espressione e funzionalità19,21. Saito et al.. quindi identificato il recettore-il trasporto della proteina 1 (RTP1) e RTP2 che facilitano il traffico di OR. 22 una versione più breve di RTP1, chiamato RTP1S, ha anche dimostrata di essere ancor più efficace che la proteina originale23. Lo sviluppo di una linea cellulare (Hana3A) che esprime stabilmente Golf, REEP1, RTP1, RTP2 24, accoppiato con l’uso di adenosina monofosfato ciclico (cAMP) reporter ha permesso la identificazione di odorant-interazioni OR. Il meccanismo da cui la famiglia RTP di proteine promuove espressione di superficie delle cellule di ORs rimane essere determinata.

Un avvertimento di questi metodi consolidati è che si basano sulla stimolazione odorant in fase liquida, ovvero odoranti sono pre-disciolti in un mezzo di stimolazione e stimolano le cellule sostituendo il mezzo. Questo è molto diverso dalle condizioni fisiologiche dove molecole odorant raggiungere l’epitelio olfattivo in fase vapore e attivare ORs di dissoluzione nella mucosa nasale. Per assomigliare più molto attentamente l’esposizione stimolo fisiologicamente rilevanti, Sanz et al.20 proposto un test basato sulla stimolazione vapor applicando una goccia di soluzione di odorizzante per appendere sotto la faccia interna di una pellicola di plastica posizionata sulla cima di pozzi di cella. Hanno registrato le risposte di calcio monitorando l’intensità di fluorescenza. Questo metodo è stato il primo ad utilizzare la stimolazione odorant fase di aria, ma non consentiva una grande proiezione di attivazione OR.

Qui, abbiamo sviluppato un nuovo metodo che consente il monitoraggio in tempo reale di attivazione in vitro OR via stimolazione odorant fase di vapore mediante l’analisi di Glosensor (Figura 1). Questo test è stato utilizzato in precedenza nel contesto del liquido odorizzante stimolazione18,19,25,26,27,28,29, 30 , 31. la sezione monitoraggio del luminometro prima è equilibrata con odorant vaporizzato prima piastra di lettura (Figura 1A). Molecole odorant sono quindi solvatato nel buffer, balneazione Hana3A cellule che esprimono l’OR di interesse, RTP1S e le proteine Glosensor (Figura 1B). Se l’odorant è un agonista dell’OR, OR passare a una conformazione attivata e associare il Golf, attivando l’adenilato ciclasi (AC) e infine causare livelli di cAMP a salire. Questo cAMP aumentante sarà associare a e attivare la proteina di Glosensor per generare luminescenza catalizzando luciferina. Questa luminescenza viene quindi registrato dal luminometro e consente il monitoraggio di attivazione OR. Questo metodo è di grande interesse nel contesto del deorphanization OR come porta sistemi in vitro più vicino alla naturale percezione di odori.

Protocol

1. Hana3A cellule di cultura Preparare M10 (Medium essenziale minimo (MEM) più 10% siero bovino fetale di v/v (FBS)) e M10PSF (M10 plus 100 µ g/mL di penicillina-streptomicina e 1.25 µ g/mL amfotericina B). Coltura di cellule in 10 mL di M10PSF in una piastra di coltura cellulare di 100 mm in un incubatore a 37 ° C e 5% di anidride carbonica (CO2). Dividere le celle ogni 2 giorni con un rapporto di 20%: quando la confluenza del 100% delle cellule (circa 1,1 x 107 ce…

Representative Results

Abbiamo proiettato la risposta di tre mouse ORs, Olfr746, Olfr124 e Olfr1093 utilizzando la stimolazione di cinnamaldeide vapor (Figura 3). Contemporaneamente, abbiamo utilizzato un controllo di vettore vuoto (Rho-pCI) per assicurare che le attività odorant-indotta delle RUP testate erano specifiche (Figura 3A). L’attivazione in tempo reale delle RUP su stimolo odorant vapor è stato monitorato misura oltre 20 cicli. I dati per ogni bene in pri…

Discussion

La percezione dell’odore è fondamentalmente dipenda l’attivazione di ORs. Di conseguenza, comprensione delle loro funzionalità è necessaria per rompere i complessi meccanismi che utilizzano il cervello a percepire l’ambiente chimico volatile. Tuttavia, la comprensione di questo processo è stata ostacolata dalle difficoltà nello stabilire un metodo affidabile per schermare il repertorio OR per funzionalità contro odoranti in vitro. Cella espressione eterologa e superficie di ORs è stato parzialmente risolt…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni dal NIH (DC014423 e DC016224) e il progetto di RealNose con l’agenzia di Defense Advanced Research Project. YF alloggiato presso la Duke University, con il sostegno finanziario dal programma di JSP per avanzare strategico reti internazionali accelerare la circolazione dei ricercatori di talento (R2801). Ringraziamo Sahar Kaleem per l’editing del manoscritto.

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
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References

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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).
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