Визуализация монокарбоксилатов и других соответствующих метаболитов в головном мозге личинок дрозофилы ex vivo с помощью генетически закодированных сенсоров

Мозг предъявляет высокие потребности в энергии из-за высоких затрат на восстановление ионных градиентов в нейронах, вызванных генерацией и передачей нейрональных электрических сигналов, а также синаптической передачей ^1,2. Долгое время считалось, что эта высокая потребность в энергии удовлетворяется за счет непрерывного окисления глюкозы с образованием^АТФ3. Специфические транспортеры на гематоэнцефалическом барьере переносят глюкозу из крови в мозг. Постоянный уровень гликемии гарантирует, что мозг получает стабильное поступление глюкозы⁴. Интересно, что растущее количество экспериментальных данных свидетельствует о том, что молекулы, полученные в результате метаболизма глюкозы, такие как лактат и пируват, играют важную роль в выработке энергии клетками мозга ^5,6. Тем не менее, до сих пор ведутся споры о том, насколько важны эти молекулы для производства энергии и какие клетки мозга производят или^{используют их.} Отсутствие соответствующих молекулярных инструментов с высоким временным и пространственным разрешением, необходимым для решения этой задачи, является существенной проблемой, которая помешала полностью разрешить этот спор.

Разработка и применение нескольких сконструированных флуоресцентных метаболических сенсоров привели к значительному улучшению нашего понимания того, где и как образуются и используются метаболиты, а также как возникают метаболические потоки во время базальной и^{высокой активности} нейронов. Генетически закодированные метаболические сенсоры, основанные на микроскопии резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET), такие как ATeam (АТФ), FLII¹²Pglu700μδ6 (глюкоза), Laconic (лактат) и Pyronic (пируват), внесли свой вклад в наше понимание энергетического метаболизма мозга 10,11,12,13. Однако из-за высокой стоимости и сложного оборудования, необходимого для проведения экспериментов на живых животных или тканях, результаты в моделях позвоночных по-прежнему в основном ограничиваются клеточными культурами (глиальными клетками и нейронами).

Новое использование модели дрозофилы для выражения этих сенсоров показало, что ключевые метаболические особенности сохраняются у разных видов, и их функции могут быть легко решены с помощью этого инструмента. Что еще более важно, модель дрозофилы пролила свет на то, как глюкоза и лактат/пируват транспортируются и метаболизируются в мозге мухи, на связь между потреблением монокарбоксилатов и формированием памяти, а также на замечательную демонстрацию того, как увеличение нейронной активности и метаболического потока перекрываются 14,15,16,17 . Представленный здесь метод измерения уровней монокарбоксилатов, глюкозы и АТФ с использованием генетически закодированных сенсоров FRET, экспрессируемых в мозге личинок, позволяет исследователям узнать больше о том, как мозг дрозофилы использует энергию, которая может быть применена к мозгу других животных.

Показано, что этот метод эффективен для обнаружения лактата и глюкозы в глиальных клетках и нейронах, и что монокарбоксилатный транспортер (Часки) участвует в импорте лактата в глиальные клетки. Мы также демонстрируем простой метод изучения метаболитных изменений при повышенной активности нейронов, которые могут быть легко индуцированы применением антагониста рецептора ГАМК_А . Наконец, мы показываем, что эта методология может быть использована для измерения транспорта монокарбоксилатов и глюкозы в других метаболически значимых тканях, таких как жировые тела.