Ensaio para a integridade da barreira hematoencefálica na Drosophila melanogaster
Summary
A integridade da barreira hematoencefálica é fundamental para a função do sistema nervoso. Na Drosophila melanogaster, a barreira hematoencefálica é formada por células gliais durante a embriogênese tardia. Este protocolo descreve métodos para o ensaio para a formação e a manutenção da barreira do sangue-cérebro em embriões do melanogaster do D. e em larvas do terceiro instar.
Abstract
O desenvolvimento do sistema nervoso adequado inclui a formação da barreira hemato-encefálica, a barreira de difusão que regula firmemente o acesso ao sistema nervoso e protege o tecido neural de toxinas e patógenos. Os defeitos na formação desta barreira foram correlacionados com os neuropathies, e a avaria desta barreira foi observada em muitas doenças neurodegenerativas. Portanto, é fundamental identificar os genes que regulam a formação e manutenção da barreira hemato-encefálica para identificar potenciais alvos terapêuticos. A fim compreender os papéis exatos que estes genes jogam no desenvolvimento neural, é necessário ensaiar os efeitos da expressão de gene alterada na integridade da barreira do sangue-cérebro. Muitas das moléculas que funcionam no estabelecimento da barreira hemato-encefálica foram encontradas para serem conservadas em espécies eucarióticas, incluindo a mosca da fruta, a Drosophila melanogaster. As moscas da fruta provaram ser um sistema modelo excelente para examinar os mecanismos moleculars que regulam o desenvolvimento e a função do sistema nervoso. Este protocolo descreve um procedimento passo a passo para o ensaio da integridade da barreira hematoencefálica durante os estágios embrionário e larval do desenvolvimento de D. melanogaster .
Introduction
Durante o desenvolvimento, a comunicação celular e as interações são críticas para o estabelecimento da estrutura e função do tecido e do órgão. Em alguns casos, essas interações célula-célula selar fora órgãos do ambiente circundante para garantir a função adequada do órgão. Este é o caso para o sistema nervoso, que é isolado pela barreira sangue-cérebro (BBB). A disfunção do BBB em humanos tem sido associada a distúrbios neurológicos, incluindo epilepsia, e a quebra da barreira tem sido observada em doenças neurodegenerativas, incluindo esclerose múltipla e esclerose lateral amiotrófica1. Nos mamíferos, o BBB é formado por junções apertadas entre as células endoteliais2,3. Outros animais, incluindo a mosca da fruta, Drosophila melanogaster, têm um BBB composto de células gliais. Estas células gliais formam uma barreira seletivamente permeável para controlar o movimento de nutrientes, produtos residuais, toxinas e grandes moléculas dentro e fora do sistema nervoso4. Isto permite a manutenção do gradiente eletroquímico necessário ao fogo potencial de ação, permitindo a mobilidade e coordenação4. Em D. melanogaster, o glia proteger o sistema nervoso do potássio-rico, sangue-como hemolinfa5.
No sistema nervoso central (SNC) e no sistema nervoso periférico (PNS) de D. melanogaster, duas camadas gliais exteriores, a glia subperinelares e o perinurais glia, bem como uma rede externa de matriz extracelular, a lamela neural, formam a hemolinfa-cérebro e hemolinfa-barreira nervosa6, referido como o BBB ao longo deste artigo. Durante o desenvolvimento subperinurais glia tornar-se poliploide e ampliar para cercar o sistema nervoso5,6,7,8,9,10,11 . As junções septadas do formulário do glia de subperinurais, que fornecem a barreira principal da difusão entre o hemolinfa e o sistema nervoso5,6,12. Estas junções são molecularmente similares às junções septate-like encontradas nos paranodes de glia de nos vertebrados, e executam a mesma função que junções apertadas no BBB dos mamíferos13,14, 15 anos de , 16 anos de , 17. o perinurais glia divide, cresce, e envolve em torno da glia subperinurais para regular a difusão de metabólitos e grandes moléculas6,10,18,19. A formação de BBB é completa por 18,5 h após a colocação do ovo (AEL) em 25 ° c5,8. Estudos prévios identificaram genes que são reguladores críticos da formação BBB20,21,22. Para compreender melhor os papéis exatos destes genes, é importante examinar o efeito da mutação destes reguladores potenciais na integridade de BBB. Embora estudos prévios tenham delineado abordagens para a integridade do BBB em embriões e larvas, um protocolo abrangente para este ensaio ainda não foi descrito5,7. Este protocolo passo a passo descreve métodos para ensaio a integridade BBB durante estágios larvares embrionário e terceiro instar D. melanogaster .
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo fornece uma descrição detalhada das etapas necessárias para o ensaio para a integridade BBB durante os estágios larvares embrionário e terceiro instar tardio do desenvolvimento de D. melanogaster . Abordagens semelhantes têm sido descritas em outro lugar para o ensaio da integridade do BBB durante o desenvolvimento, bem como em estágios adultos5,7,29,30. No entant…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem ao Dr. F. Bryan Pickett e ao Dr. Rodney Dale pelo uso de equipamentos para injeção. Este trabalho foi financiado por financiamento de pesquisa da Loyola University Chicago para M.D., D.T., e J.J.
Materials
| 10 kDa sulforhodamine 101 acid chloride (Texas Red) Dextran | ThermoFisher Scientific | D1863 | Dextran should be diluted in autoclaved ddH2O to a concentration of 25 mg/mL. |
| 20 μL Gel-Loading Pipette Tips | Eppendorf | 22351656 | |
| 100% Ethanol (200 proof) | Pharmco-Aaper | 11000200 | |
| Active Dry Yeast | Red Star | ||
| Agar | Fisher Scientific | BP1423 | |
| Agarose | Fisher Scientific | BP160-500 | |
| Air Compressor | DeWalt | D55140 | |
| Apple Juice | Mott's Natural Apple Juice | ||
| Bleach | Household Bleach | 1-5% Hypochlorite | |
| Borosilicate Glass Capillaries | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
| Bottle Plugs | Fisher Scientific | AS-277 | |
| Cell Strainers | BD Falcon | 352350 | |
| Confocal Microscope | Olympus | FV1000 | Samples imaged using 20x objective (UPlanSApo 20x/ 0.75) |
| Cotton-Tipped Applicator | Puritan | 19-062614 | |
| Double-Sided Tape 1/2" | Scotch | ||
| Dumont Tweezers; Pattern #5; .05 X .01mm Tip | Roboz | RS-5015 | |
| Fly Food Bottles | Fisher Scientific | AS-355 | |
| Fly Food Vials | Fisher Scientific | AS-515 | |
| Foot Pedal | Treadlite II | T-91-S | |
| Gel Caster | Bio-Rad | 1704422 | |
| Gel Tray | Bio-Rad | 1704436 | |
| Glass Pipette | VWR | 14673-010 | |
| Glycerol | Fisher Scientific | BP229-1 | |
| Granulated sugar | Purchased from grocery store. | ||
| Halocarbon Oil | Lab Scientific, Inc. | FLY-7000 | |
| Light Source | Schott | Ace I | |
| Manipulator Stand | World Precision Instruments | M10 | |
| Micromanipulator | World Precision Instruments | KITE-R | |
| Micropipette Puller | Sutter Instrument Co. | P-97 | |
| Needle Holder | World Precision Instruments | MPH310 | |
| Nightsea Filter Sets | Electron Microscopy Science | SFA-LFS-CY | For visualization of YFP |
| Nightsea Full Adapter System w/ Royal Blue Color Light Head | Electron Microscopy Science | SFA-RB | For visualization of GFP |
| Paintbrush | Simply Simmons | Chisel Blender #6 | |
| Pipetter | Fisher Scientific | 13-683C | |
| Pneumatic Pump | World Precision Instruments | PV830 | This is also referred to as a microinjector or pressure regulator. Since the model used in our study is no longer available this is one alternative. |
| Potassium Chloride | Fisher Scientific | BP366-500 | |
| Potassium Phosphate Dibasic | Fisher Scientific | BP363-500 | |
| Small Embryo Collection Cages | Genesee Scientific | 59-100 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | BP358-212 | |
| Sodium Phosphate Dibasic Anhydrous | Fisher Scientific | BP332-500 | |
| Steel Base Plate | World Precision Instruments | 5052 | |
| Stereomicroscope | Carl Zeiss | Stemi 2000 | Used for tissue dissection. |
| Stereomicroscope with transmitted light source | Baytronix | Used for injection. | |
| Tegosept (p-hydroxybenzoic acid, methyl ester) | Genesee Scientific | 20-258 | |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 | Nonionic surfactant |
| Vial Plugs | Fisher Scientific | AS-273 |
Referenzen
- Obermeier, B., Daneman, R., Ransohoff, R. M. Development, maintenance and disruption of the blood-brain barrier. Nature Medicine. 19 (12), 1584-1596 (2013).
- Brightman, M. W., Reese, T. S. Junctions between intimately apposed cell membranes in the vertebrate brain. Journal of Cell Biology. 40 (3), 648-677 (1969).
- Tietz, S., Engelhardt, B. Brain barriers: Crosstalk between complex tight junctions and adherens junctions. Journal of Cell Biology. 209 (4), 493-506 (2015).
- Hindle, S. J., Bainton, R. J. Barrier mechanisms in the Drosophila blood-brain barrier. Frontiers in Neuroscience. 8, 414 (2014).
- Schwabe, T., Bainton, R. J., Fetter, R. D., Heberlein, U., Gaul, U. GPCR signaling is required for blood-brain barrier formation in drosophila. Cell. 123 (1), 133-144 (2005).
- Stork, T., et al. Organization and function of the blood-brain barrier in Drosophila. Journal of Neuroscience. 28 (3), 587-597 (2008).
- Unhavaithaya, Y., Orr-Weaver, T. L. Polyploidization of glia in neural development links tissue growth to blood-brain barrier integrity. Genes & Development. 26 (1), 31-36 (2012).
- Schwabe, T., Li, X., Gaul, U. Dynamic analysis of the mesenchymal-epithelial transition of blood-brain barrier forming glia in Drosophila. Biology Open. 6 (2), 232-243 (2017).
- Von Stetina, J. R., Frawley, L. E., Unhavaithaya, Y., Orr-Weaver, T. L. Variant cell cycles regulated by Notch signaling control cell size and ensure a functional blood-brain barrier. Development. 145 (3), dev157115 (2018).
- von Hilchen, C. M., Beckervordersandforth, R. M., Rickert, C., Technau, G. M., Altenhein, B. Identity, origin, and migration of peripheral glial cells in the Drosophila embryo. Mechanisms of Development. 125 (3-4), 337-352 (2008).
- Beckervordersandforth, R. M., Rickert, C., Altenhein, B., Technau, G. M. Subtypes of glial cells in the Drosophila embryonic ventral nerve cord as related to lineage and gene expression. Mechanisms of Development. 125 (5-6), 542-557 (2008).
- Bellen, H. J., Lu, Y., Beckstead, R., Bhat, M. A. Neurexin IV, caspr and paranodin–novel members of the neurexin family: encounters of axons and glia. Trends in Neurosciences. 21 (10), 444-449 (1998).
- Baumgartner, S., et al. A Drosophila neurexin is required for septate junction and blood-nerve barrier formation and function. Cell. 87 (6), 1059-1068 (1996).
- Banerjee, S., Pillai, A. M., Paik, R., Li, J., Bhat, M. A. Axonal ensheathment and septate junction formation in the peripheral nervous system of Drosophila. Journal of Neuroscience. 26 (12), 3319-3329 (2006).
- Bhat, M. A., et al. Axon-glia interactions and the domain organization of myelinated axons requires neurexin IV/Caspr/Paranodin. Neuron. 30 (2), 369-383 (2001).
- Faivre-Sarrailh, C., et al. Drosophila contactin, a homolog of vertebrate contactin, is required for septate junction organization and paracellular barrier function. Development. 131 (20), 4931-4942 (2004).
- Salzer, J. L., Brophy, P. J., Peles, E. Molecular domains of myelinated axons in the peripheral nervous system. Glia. 56 (14), 1532-1540 (2008).
- von Hilchen, C. M., Bustos, A. E., Giangrande, A., Technau, G. M., Altenhein, B. Predetermined embryonic glial cells form the distinct glial sheaths of the Drosophila peripheral nervous system. Development. 140 (17), 3657-3668 (2013).
- Matzat, T., et al. Axonal wrapping in the Drosophila PNS is controlled by glia-derived neuregulin homolog Vein. Development. 142 (7), 1336-1345 (2015).
- Limmer, S., Weiler, A., Volkenhoff, A., Babatz, F., Klambt, C. The Drosophila blood-brain barrier: development and function of a glial endothelium. Frontiers in Neuroscience. 8, 365 (2014).
- Ho, T. Y., et al. Expressional Profiling of Carpet Glia in the Developing Drosophila Eye Reveals Its Molecular Signature of Morphology Regulators. Frontiers in Neuroscience. 13, 244 (2019).
- DeSalvo, M. K., et al. The Drosophila surface glia transcriptome: evolutionary conserved blood-brain barrier processes. Frontiers in Neuroscience. 8, 346 (2014).
- . BDSC Cornmeal Food Available from: https://bdsc.indiana.edu/information/recipes/bloomfood.html (2017)
- Le, T., et al. A new family of Drosophila balancer chromosomes with a w- dfd-GMR yellow fluorescent protein marker. Genetik. 174 (4), 2255-2257 (2006).
- Casso, D., Ramirez-Weber, F. A., Kornberg, T. B. GFP-tagged balancer chromosomes for Drosophila melanogaster. Mechanisms of Development. 88 (2), 229-232 (1999).
- Halfon, M. S., et al. New fluorescent protein reporters for use with the Drosophila Gal4 expression system and for vital detection of balancer chromosomes. Genesis. 34 (1-2), 135-138 (2002).
- Miller, D. F., Holtzman, S. L., Kaufman, T. C. Customized microinjection glass capillary needles for P-element transformations in Drosophila melanogaster. BioTechniques. 33 (2), 366-372 (2002).
- Luong, D., Perez, L., Jemc, J. C. Identification of raw as a regulator of glial development. PLoS One. 13 (5), e0198161 (2018).
- Pinsonneault, R. L., Mayer, N., Mayer, F., Tegegn, N., Bainton, R. J. Novel models for studying the blood-brain and blood-eye barriers in Drosophila. Methods in Molecular Biology. 686, 357-369 (2011).
- Love, C. R., Dauwalder, B., Barichello, T. Drosophila as a Model to Study the Blood-Brain Barrier. Blood-Brain Barrier. , 175-185 (2019).
- Lin, D. M., Goodman, C. S. Ectopic and increased expression of Fasciclin II alters motoneuron growth cone guidance. Neuron. 13 (3), 507-523 (1994).
- Sepp, K. J., Schulte, J., Auld, V. J. Peripheral glia direct axon guidance across the CNS/PNS transition zone. Entwicklungsbiologie. 238 (1), 47-63 (2001).
- Brand, A. H., Perrimon, N. Targeted gene expression as a means of altering cell fates and generating dominant phenotypes. Development. 118 (2), 401-415 (1993).
- Devraj, K., Guerit, S., Macas, J., Reiss, Y. An In Vivo Blood-brain Barrier Permeability Assay in Mice Using Fluorescently Labeled Tracers. Journal of Visualized Experiments. 132, e57038 (2018).
- Fairchild, M. J., Smendziuk, C. M., Tanentzapf, G. A somatic permeability barrier around the germline is essential for Drosophila spermatogenesis. Development. 142 (2), 268-281 (2015).
