Hier stellen wir Protokolle zur Verfügung, um drei einfache verletzungsinduzierte Axondegeneration (Axontod) Assays in Drosophila melanogaster durchzuführen, um die morphologische und funktionelle Konservierung von abgetrennten Axonen und ihren Synapsen zu bewerten.
Axondegeneration ist ein gemeinsames Merkmal bei neurodegenerativen Erkrankungen und wenn Nervensysteme durch mechanische oder chemische Kräfte herausgefordert werden. Unser Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Axondegeneration zugrunde liegen, bleibt jedoch begrenzt. Die verletzungsbedingte Axondegeneration dient als einfaches Modell, um zu untersuchen, wie abgetrennte Axone ihre eigene Demontage durchführen (Axontod). In den letzten Jahren wurde eine evolutionär konservierte Axon-Todessignal-Kaskade von Fliegen zu Säugetieren identifiziert, die erforderlich ist, damit das getrennte Axon nach Verletzungen degeneriert. Umgekehrt führt die abgeschwächte Axon-Todessignalisierung zu einer morphologischen und funktionellen Konservierung von abgetrennten Axonen und deren Synapsen. Hier stellen wir drei einfache und kürzlich entwickelte Protokolle vor, die die Beobachtung der axonalen Morphologie oder axonalen und synaptischen Funktion von abgetrennten Axonen ermöglichen, die vom neuronalen Zellkörper abgeschnitten wurden, in der Fruchtfliege Drosophila. Morphologie kann im Flügel beobachtet werden, wo eine Teilverletzung zum Axontod nebeneinander von unverletzten Kontrollaxonone innerhalb desselben Nervenbündels führt. Alternativ kann auch die axonale Morphologie im Gehirn beobachtet werden, wo das gesamte Nervenbündel einem Axontod durch Antennenablation durchläuft. Die funktionelle Konservierung von abgetrennten Axonen und deren Synapsen kann durch einen einfachen optogenetischen Ansatz in Verbindung mit einem postsynaptischen Pflegeverhalten beurteilt werden. Wir präsentieren Beispiele mit einer Highwire Loss-of-Function-Mutation und durch überexzessende dnmnat,beide in der Lage, axon Tod für Wochen bis Monate zu verzögern. Wichtig ist, dass diese Protokolle über Verletzungen hinaus verwendet werden können; sie erleichtern die Charakterisierung neuronaler Erhaltungsfaktoren, axonalen Transports und axonaler Mitochondrien.
Die morphologische Integrität von Neuronen ist wesentlich für die nachhaltige Funktion des Nervensystems im Laufe des Lebens. Die überwiegende Mehrheit des neuronalen Volumens wird von Axonen1,2genommen; Damit ist die lebenslange Aufrechterhaltung besonders langer Axone eine große biologische und bioenergetische Herausforderung für das Nervensystem. Es wurden mehrere axonal-intrinsische und glial-extrinsische Unterstützungsmechanismen identifiziert, die ein lebenslanges axonales Überleben gewährleisten. Ihre Beeinträchtigung führt zu Axondegeneration3, die ein gemeinsames Merkmal des Nervensystems bei Krankheiten herausgefordert ist, und durch mechanische oder chemische Kräfte4,5. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der Axondegeneration bleiben jedoch in jedem Zusammenhang schlecht verstanden, was die Entwicklung wirksamer Behandlungen zur Blockierung von Axonverlusten schwierig macht. Die Entwicklung wirksamer Therapien gegen diese neurologischen Erkrankungen ist wichtig, da sie eine enorme Belastung in unserer Gesellschaft verursachen6.
Die verletzungsbedingte Axondegeneration dient als einfaches Modell, um zu untersuchen, wie abgetrennte Axone ihre eigene Demontage durchführen. Die Wallerische Degeneration (WD), die 1850 von Augustus Waller entdeckt und nach Augustus Waller benannt wurde, ist ein Oberbegriff, der zwei unterschiedliche, molekular trennbare Prozesse umfasst7. Erstens führen Axone, die von ihren Zellkörpern getrennt sind, nach axonaler Verletzung aktiv ihre eigene Selbstzerstörung (Axontod) durch einen evolutionär konservierten Axontod, der kaskadiert, innerhalb eines Tages nach Verletzung8. Zweitens greifen umliegende Glia und spezialisierte Phagozyten innerhalb von drei bis fünf Tagen in die resultierenden axonalen Trümmer ein und räumen sie. Die Dämpfung der Axon-Todessignalisierung führt zu abgetrennten Axonen, die wochenlang erhalten bleiben9,10,11,12, während die Dämpfung der gliaalen Verschlangen in axonalen Trümmern gipfelt, die wochenlang in vivo13,14,15anhält.
Die Forschung an Fliegen, Mäusen, Ratten und Zebrafischen ergab mehrere evolutionär konservierte und wesentliche Vermittler des Axon-Todes, die8signalisieren. Axon-Todesmutanten enthalten abgetrennte Axone und Synapsen, die nicht axontoden; sie bleiben morphologisch und funktionell für Wochen erhalten, in Abwesenheit von Zellkörperunterstützung9,10,12,13,16,17,18,19,20,21,22,23. Die Entdeckung und Charakterisierung dieser Mediatoren führte zur Definition eines molekularen Pfades, der den Axontod ausführt. Wichtig ist, dass die Axon-Todessignalisierung nicht nur aktiviert wird, wenn das Axon geschnitten, zerkleinert oder gedehnt wird24,25; es scheint auch ein Beitrag zu verschiedenen Tiermodellen von neurologischen Erkrankungen zu sein (z.B. wo Axone in einer verletzungsunabhängigen Art und Weise degenerieren4, aber mit einer Reihe von positiven Ergebnissen4,8). Daher könnte das Verständnis, wie der Axontod die Axondegeneration nach verletzungen ausführt, Erkenntnisse über ein einfaches Verletzungsmodell hinaus bieten; sie könnte auch Ziele für therapeutische Interventionen liefern.
Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster (Drosophila) hat sich als ein unschätzbares System für die Axon-Todessignalisierung erwiesen. Die Forschung in der Fliege ergab vier wesentliche evolutionär konservierte Axon-Todesgene: Highwire (hiw)11,14, dnmnat12,26, dsarm10 und axundead (axed)12. Die Modifikation dieser Mediatoren — Funktionsverlustmutationen von hiw, dsarm und axedund Überexpression von dnmnat – blockiert den Axontod für die Lebensdauer der Fliege. Während abgetrennte wilde Typ Axone innerhalb von 1 Tag Axontod erleiden, bleiben abgetrennte Axone und ihre Synapsen ohne Hiw, Dsarm oder Axed nicht nur morphologisch, sondern auch funktionell über Wochen erhalten. Ob die funktionelle Konservierung auch durch hohe Dnmnat-Werte erreicht werden kann, muss noch ermittelt werden.
Hier werden wir drei einfache und kürzlich entwickelte Protokolle zur Untersuchung des Axontodes (z. B. Morphologie und Funktion von abgetrennten Axonen und deren Synapsen im Laufe der Zeit) ohne Zellkörperunterstützung vorstellen. Wir zeigen, wie ein abgeschwächter Axontod zu abgetrennten Axonen führt, die morphologisch mitOEeiner Hiw-Verlust-funktions-Mutation (hiwN) konserviert werden und wie ein abgeschwächter Axontod zu abgetrennten Axonen und Synapsen führt, die mindestens 7 Tage lang mit einer über-Expression von dnmnat (dnmnatOE ) funktional erhalten bleiben. hiw Diese Protokolle ermöglichen die Beobachtung einzelner axonaler und synaptischer Morphologieentweder im zentralen oder peripheren Nervensystem (ZNS bzw. PNS)13,14, während die funktionelle Konservierung von abgetrennten Axonen und deren Synapsen im ZNS durch die Verwendung eines einfachen optogenetischen Setups kombiniert mit Derprägung als Verhaltensauslese12visualisiert werden kann.
Die hier beschriebenen Protokolle ermöglichen die robuste und reproduzierbare Beobachtung der Morphologie sowie die Funktion von Axonen und ihren Synapsen, die von ihren Zellkörpern in Drosophilagetrennt sind. Der Flügeltest erleichtert die Beobachtung des Axontodes nebeneinander von unverletzten Kontrollaxonten im PNS14, während der Antennentest die Beobachtung ganzer Nervenbündel von GFP-markierten Axonen und deren Synapsen erleichtert, um sowohl die Morphologie als auch die Funktion im Gehirn (CNS) zu beurteilen12. Es gibt kritische Schritte und gewisse Vorteile für jeden Ansatz zur Untersuchung der Morphologie, die bei der Entwicklung von Experimenten berücksichtigt werden müssen.
Um die Axonmorphologie in den PNS im Flügel zu beobachten, können Experimente aufgrund der Transparenz des Flügels leicht durchgeführt werden: es ermöglicht, Die Sezieren und Immunhistochemie zu umgehen. Aufgrund der fehlenden Fixierung müssen die Flügel jedoch unmittelbar nach der Montage14abgebildet werden. Derzeit werden zwei unterschiedliche Gal4-Treiber häufig verwendet, entweder ok371Gal4 oder dpr1Gal4, und beide Referenzen bieten unterschiedliche Ansätze zur Quantifizierung der Degeneration14,26. Die spärliche Kennzeichnung einiger Neuronen wird empfohlen, indem “Mosaikanalyse mit einem repressiblen Zellmarker (MARCM)”14,31verwendet wird, da die Auflösung der axonalen Morphologie beispiellos ist. Im Gegensatz dazu ist die Beobachtung von Synapsen in Flügeln nicht möglich, sie befinden sich in der ventralen Nervenschnur im Thorax der Fliegen. Darüber hinaus können zusätzliche axonale Marker nicht durch Immunhistochemie visualisiert werden: Die wachsartige Nagelhaut macht die Diffusion von Fixativen und Antikörpern in das darunter liegende Gewebe unmöglich.
Um die Axon- und Synapsenmorphologie im ZNS zu beobachten, müssen Hirnsektionen durchgeführt werden. Sie bieten den Vorteil der Visualisierung zusätzlicher axonaler und synaptischer Marker durch den Einsatz von Immunhistochemie, und Synapsen können neben Axonen im gleichen Sichtfeld beobachtet werden10,13. Eine große Sammlung von charakterisierten olfaktorischen Rezeptor neuron (ORN) Gal4 Treiber ist leicht verfügbar32, und häufig, OR22aGal4 ist der Treiber der Wahl. Für die Antennenablation sind Zellkörper von OR22a-Neuronen im3. Segment untergebracht (Abbildung 2B). Eine fluoreszenzintensitätsbasierte Quantifizierung wird verwendet, um die Degeneration von Axonen oder Synapsen13zu quantifizieren. Umgekehrt sind Experimente aufgrund von Hirnsektion und Antikörperfärbung zeitaufwändig.
Um die axonale und synaptische Funktion nach der Axotomie zu visualisieren, wird die Optogenetik verwendet, um die Antennenpflege auszulösen: Sie dient als Auslese für die funktionelle Konservierung von abgetrennten Axonen und ihren Synapsen12. Die Pflegeschaltung und die entsprechenden sensorischen, inter- und motorneurongal4 Treiber wurden ausführlich beschrieben29,30. GMR60E02Gal4 beschriftet eine Teilmenge von Johnstons Organ (JO) sensorischen Neuronen, die erforderlich sind und ausreichend für die Pflege29,30. Für die Antennenablation sind Zellkörper von JO-Neuronen im2. Antennensegment untergebracht (Abbildung 2B). Ein optogenetisches Setup kann leicht von Grund auf neu aufgebaut oder ein vorhandenes Setup angepasst werden. Wichtig ist, dass Experimente in einem dunklen Raum durchgeführt werden müssen und Fliegen, die so mit einem Infrarot-LED-Strahler (IR) visualisiert werden. Bei der Verwendung von CsChrimson als Kanal ist es wichtig, die Nahrung mit allen transretinalen und einem roten LED-Strahler zu versorgen, um JO Neuronen29zu aktivieren. Alternativ können blaue lichtempfindliche Kanäle und ein blauer LED-Strahler oder der TrpA1-Kanal und die Temperatur für die neuronale Aktivierung29,33verwendet werden. Die Quantifizierung des Pflegeverhaltens wurde bereits beschrieben12,29.
Wenn diese Assays speziell verwendet werden, um den Axontod zu untersuchen, ist es wichtig zu beachten, dass der Phänotyp der morphologischen oder funktionellen Konservierung im Laufe der Zeit robust sein sollte. Es gibt Fälle, in denen der Axontod zu einem konsistenten, aber weniger ausgeprägten Phänotyp in der morphologischen Konservierung34,35führt und ob ein solcher Phänotyp sich in funktionelle Konservierung niederschlägt, bleibt noch zu bestimmen.
Axon-Todesphänotypen wurden auch in Neuronen während der Entwicklung von Drosophila Larven beobachtet, wo Nerven zerquetscht wurden, anstatt verletzt11,23. Hier konzentrierten wir uns speziell auf erwachsene Drosophila Neuronen, die die Entwicklung abgeschlossen. In diesem Zusammenhang kann die Verwendung von RNA-Interferenzen36oder gewebespezifischem CRISPR/Cas937 problemlos umgesetzt werden. Wichtig ist, dass die oben genannten Techniken in einem axontodunabhängigen Kontext verwendet werden können: Sie erleichtern die Charakterisierung der neuronalen Erhaltungsfaktoren38, axonalen Transport39, altersabhängige axonale Mitochondrien veränderungen40, und Morphologie der axonalen Mitochondrien41.
The authors have nothing to disclose.
Wir bedanken uns beim gesamten Neukomm-Labor für die Beiträge. Diese Arbeit wurde unterstützt durch einen Assistant Professor Award (Stipendium 176855), die Internationale Stiftung für Paraplegieforschung (IRP, Stipendium P180), SNF Spark (Stipendium 190919) und mit Unterstützung der Universität Lausanne und die Abteilung für Neurowissenschaften (Tat de Vaud) an die LJN.
Tweezers (high precision, ultra fine) | EMS | 78520-5 | Antennal ablation |
MicroPoint Scissors (5-mm cutting edge) | EMS | 72933-04 | Wing injury |
1.5 mL microcentrifuge tube | Eppendorf | 30120086.0000 | |
35mm tissue culture dish | Sarstedt | 83.3900 | |
Cover Slips, Thickness 1 | Thermo Scientific™ | BB02400600A113MNT0 | |
Superfrost Microscope Slides | Thermo Scientific™ | AA00008032E00MNT10 | |
High-Sensitivity USB 2.0 CMOS Camera, 1280 x 1024, Global Shutter | Thorlabs | DCC1240M | Camera setup |
SM1 Retaining Ring for Ø1" Lens Tubes and Mounts | Thorlabs | SM1RR | |
25mm 1/1.2" C mount Lens | Tamron | M112FM25 | |
Adapter with External M27 x 0.5 Threads and Internal SM1 Threads | Thorlabs | SM1A36 | |
Aspheric Condenser Lens, Ø25 mm, f=20.1 mm, NA=0.60, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | ACL2520U-B | |
Ø25.0 mm Premium Longpass Filter, Cut-On Wavelength: 700 nm | Thorlabs | FELH0700 | |
SM1 (1.035"-40) Coupler, External Threads, 0.5" Long | Thorlabs | SM1T2 | |
SM1 Lens Tube Without External Threads, 1" Long, Two Retaining Rings Included | Thorlabs | SM1M10 | |
850 nm, 900 mW (Min) Mounted LED, 1200 mA | Thorlabs | M850L3 | IR LED spotlight |
SM1 (1.035"-40) Coupler, External Threads, 0.5" Long | Thorlabs | SM1T2 | |
SM1 Lens Tube Without External Threads, 2" Long, Two Retaining Rings Included | Thorlabs | SM1M20 | |
Aspheric Condenser Lens, Ø25 mm, f=20.1 mm, NA=0.60, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | ACL2520U-B | |
Ø25.0 mm Premium Longpass Filter, Cut-On Wavelength: 850 nm | Thorlabs | FELH0850 | |
SM1 Retaining Ring for Ø1" Lens Tubes and Mounts | Thorlabs | SM1RR | |
660 nm, 940 mW (Min) Mounted LED, 1200 mA | Thorlabs | M660L4 | Red LED spotlight |
Aspheric Condenser Lens, Ø25 mm, f=20.1 mm, NA=0.60, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | ACL2520U-B | |
SM1 (1.035"-40) Coupler, External Threads, 0.5" Long | Thorlabs | SM1T2 | |
SM1 Lens Tube Without External Threads, 2" Long, Two Retaining Rings Included | Thorlabs | SM1M20 | |
15 V, 2.4 A Power Supply Unit with 3.5 mm Jack Connector for One K- or T-Cube | Thorlabs | KPS101 | LED control |
T-Cube LED Driver, 1200 mA Max Drive Current | Thorlabs | LEDD1B | |
150 mm x 300 mm x 12.7 mm Aluminum Breadboard, M6 Double-Density Taps | Thorlabs | MB1530/M | Mount base |
Ø12.7 mm Universal Post Holder, Spring-Loaded Locking Thumbscrew, L = 75 mm | Thorlabs | UPH75/M | Mount, 3x (IR LED, red LED, cam) |
Ø1.20" Slip Ring for SM1 Lens Tubes and C-Mount Extension Tubes, M4 Tap | Thorlabs | SM1RC/M | |
Ø12.7 mm Optical Post, SS, M4 Setscrew, M6 Tap, L = 150 mm | Thorlabs | TR150/M | |
Ø12.7 mm Optical Post, SS, M4 Setscrew, M6 Tap, L = 40 mm | Thorlabs | TR40/M | |
Right-Angle Clamp for Ø1/2" Posts, 5 mm Hex | Thorlabs | RA90/M | |
M6 x 1.0 Stainless Steel Cap Screw, 16 mm Long, Pack of 25 | Thorlabs | SH6MS16 | screws for mount onto base |
USB-6001 14-Bit 20 kS/s Multifunction I/O and NI-DAQmx | National Instruments | 782604-01 | Red LED spotlight controller |
20k Ohm 1 Gang Linear Panel Mount Potentiometer | TT Electronics/BI | P230-2EC22BR20K | fintuner for indicator |
IR (860nm) emitter, 100 mA radial | Osram | 475-1365-ND | Red light indicator |
cable | – | – | Misc |
All-trans retinal | Sigma | R2625 | |
Ethanol absolute | Vwr | 20821.296 | |
Halocarbon Oil 27 | Sigma | H8773 | |
Mowiol | Merk | 81381 | |
Paraformaldehyde | Sigma | F8775 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma | P5493 | |
Sylgard 184 silicone elastomer base | Dow Corning Corp | 4019862 | |
Sylgard 184 silicone elastomer curing agent | Dow Corning Corp | 4019862 | |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
Chicken anti-GFP antibodies | Rockland | 600-901-215 | Antibodies |
Goat Dylight anti-Chicken | Abcam | ab96947 | |
FM7a, B | BDSC | RRID:BDSC_785 | X chromosome |
FRT19A[hs-neo] | BDSC | RRID:BDSC_1709 | |
hiw[ΔN] | BDSC | RRID:BDSC_51637 | |
hs-FLP[12] | BDSC | RRID:BDSC_1929 | |
tub-Gal80[LL1] | BDSC | RRID:BDSC_5132 | |
w[1118] | BDSC | RRID:BDSC_3605 | |
20xUAS-IVS-CsChrimson::mVenus | BDSC | RRID:BDSC_55135 | 2nd chromosome |
5xUAS-Gal4[12B] | Kyoto | RRID:Kyoto_108492 | |
5xUAS-HA::dnmnat | BDSC | RRID:BDSC_39702 | |
5xUAS-mCD8::GFP[LL5] | BDSC | RRID:BDSC_5134 | |
ase-FLP[2d] | Freeman laboratory | Neukomm et al., 2014 (PNAS) | |
CyO | BDSC | RRID:BDSC_2555 | |
dpr1-Gal4 | BDSC | RRID:BDSC_25083 | |
OR22a-Gal4 | BDSC | RRID:BDSC_9952 | |
ey-FLP[6] | BDSC | RRID:BDSC_5577 | 3rd chromosome |
GMR60E02-Gal4 | BDSC | RRID:BDSC_39250 | |
TM3,Sb,e | BDSC | RRID:BDSC_3644 |