Design og analyse af temperaturpræferenceadfærd og dens døgnrytme i Drosophila
Summary
Vi har for nylig identificeret en roman Drosophila døgnrytmen output, temperatur præference rytme (TPR), hvor den foretrukne temperatur i fluer stiger i løbet af dagen og falder i løbet af natten. TPR reguleres uafhængigt af en anden døgnrytmeproduktion, lokomotorisk aktivitet. Her beskriver vi design og analyse af TPR i Drosophila.
Abstract
Døgnrytmen regulerer mange aspekter af livet, herunder søvn, lokomotorisk aktivitet og kropstemperatur (BTR) rytmer1,2. Vi har for nylig identificeret en roman Drosophila døgnrytmen output, kaldet temperaturpræferencerytmen (TPR), hvor den foretrukne temperatur i fluer stiger i løbet af dagen og falder om natten 3. Overraskende nok kontrolleres TPR og locomotoraktiviteten gennem forskellige cirkadiske neuroner3. Drosophila locomotor aktivitet er en velkendt døgnrytmen adfærdsmæssige output og har givet stærke bidrag til opdagelsen af mange bevarede pattedyr døgnrytmen ur gener og mekanismer4. Derfor vil forståelsen af TPR føre til identifikation af hidtil ukendte molekylære og cellulære døgnrytmemekanismer. Her beskriver vi, hvordan man udfører og analyserer TPR-analysen. Denne teknik giver ikke kun mulighed for dissekering af TPR’s molekylære og neurale mekanismer, men giver også ny indsigt i de grundlæggende mekanismer i hjernens funktioner, der integrerer forskellige miljøsignaler og regulerer dyrs adfærd. Desuden tyder vores nyligt offentliggjorte data på, at fluen TPR deler funktioner med pattedyret BTR3. Drosophila er ectotherms, hvor kropstemperaturen er typisk adfærdsmæssigt reguleret. Derfor er TPR en strategi, der bruges til at generere en rytmisk kropstemperatur i disse fluer5-8. Vi mener, at yderligere udforskning af Drosophila TPR vil lette karakteriseringen af de mekanismer, der ligger til grund for kropstemperaturkontrol hos dyr.
Introduction
Temperatur er en allestedsnærværende miljømæssig cue. Dyr udviser en række forskellige adfærd for at undgå skadelige temperaturer og søge behagelige. Drosophila udviser en robust temperatur præference adfærd6,7. Når fluer frigives til en temperaturgradient fra 18-32 °C, undgår fluerne både varme og kolde temperaturer og vælger til sidst en foretrukken temperatur på 25 °C om morgenen3. De varme temperatursensorer er et sæt termosensoriske neuroner, AC-neuroner, der udtrykker Drosophila forbigående receptorpotentiale (TPR) kanal, TRPA16,9. De kolde temperatursensorer er placeret i 3. antennesegmenter, da ablating af 3. antennesegmenter forårsager manglen på kold temperaturundgåelse6. For nylig blev TRPP-proteinet Brivido (Brv) identificeret10. Da Brv udtrykkes i 3. antennesegmenter og formidler kolddetektering, er Brv et muligt koldt sensormolekyle, hvilket er afgørende for temperaturpræferencefunktionen. Alt i alt bruger fluerne disse to temperatursensorer for at undgå de varme og kolde temperaturer og finde en foretrukken temperatur.
Mens pattedyr genererer varme for at regulere deres kropstemperatur, tilpasser ectotherms generelt deres kropstemperaturer til omgivelsestemperaturen11. Nogle ectotherms er kendt for at udvise en daglig TPR adfærd, som menes at være en strategi for ectotherms at regulere deres BTR12. For at afgøre, om fluerne udstillede TPR, gentog vi temperaturpræferenceadfærdsanalysen på forskellige punkter i løbet af en spændvidde på 24 timer. Vi fandt, at Drosophila udviser en daglig TPR, som er lav om morgenen og høj om aftenen og følger et mønster svarende til BTR hos mennesker13.
I Drosophila, der er ~ 150 ur neuroner i hjernen. Uret neuroner, der regulerer lokomotorisk aktivitet kaldes M og E oscillatorer. Men interessant, M og E oscillatorer ikke regulere TPR, i stedet viste vi, at DN2 ur neuroner i hjernen regulere TPR, men ikke locomotor aktivitet. Disse data tyder på, at TPR reguleres uafhængigt af lokomotorisk aktivitet. Især er btr-pattedyr også uafhængigt reguleret fra lokomotorisk aktivitet. Ablation undersøgelser hos rotter viser, at BTR er kontrolleret gennem specifikke SCN neuroner, der er målrettet mod en anden delmængde af subparaventricular zone neuroner end dem, der styrer lokomotorisk aktivitet14. Derfor overvejer vores data muligheden for, at pattedyret BTR og flue-TPR er evolutionært bevaret3, da både flyve TPR og pattedyr BTR udviser cirkadiske urafhængige temperaturrytmer, som er uafhængigt reguleret fra lokomotorisk aktivitet.
Her beskriver vi detaljerne om, hvordan man analyserer TPR-adfærdsanalysen i Drosophila. Denne metode giver mulighed for undersøgelse af ikke kun den molekylære mekanisme og neurale kredsløb af TPR, men også hvordan hjernen integrerer forskellige miljømæssige signaler og indre biologiske ure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her illustrerer vi detaljerne i temperaturpræferencens adfærdsapparat og analyse af TPR-adfærden. Drosophila udviser de fremtrædende, robuste og reproducerbare funktioner i urstyret TPR. Vores data tyder dog på, at mindst to faktorer, omgivende lys og alder, forstyrrer TPR-adfærdsfostyperne betydeligt.
Vi observerer, at lys påvirker temperaturpræferencen i Drosophilabetydeligt . Det er i overensstemmelse med det faktum, at w1118 fluer, der holdes …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er taknemmelige for Drs. Aravinthan Samuel og Marc Gershow, der hjalp med at udvikle den oprindelige version af adfærdsapparatet og Matthew Batie, der ændrede adfærdsapparatet. Denne forskning blev støttet af Trustee Grant fra Cincinnati Children’s Hospital, JST / PRESTO, marts Dimes og NIH R01 GM107582 til F.N.H.
Materials
| Bright Lab Jr. Safelight | Amazon | #B00013J8UY | Red light for dark rooms |
| Rain X | SOPUS products | Water repellent: Apply the plexiglass cover | |
| C-Clamp | Home Depot | ||
| Temperature/hygrometer | Fisher | 15-077-963 | |
| Peltier devices | TE Technology, Inc. | HP-127-1.4-1.15-71P | |
| Thermometer | Fluke | Fluke 52II | |
| Bench top controller | Oven Industries | 5R6-570-15R and 5R6-570-24R | |
| Temperature sensor probe | Oven Industries | TR67-32 | |
| Generic 480 Watt ATX power supply | computer cooling system | ||
| MCR220-QP-RES Dual 120 mm Radiator with reservoir | Swiftech | computer cooling system | |
| MCP350 In-Line 12V DC pump | Swiftech | computer cooling system | |
| MCW50 graphics Card liquid cooler | Swiftech | computer cooling system | |
| Scythe Kaze-Jyuni SY1225SL12SH fan | Crazy PC | computer cooling system |
References
- Krauchi, K. The thermophysiological cascade leading to sleep initiation in relation to phase of entrainment. Sleep Med. Rev. 11, 439-451 (2007).
- Krauchi, K. The human sleep-wake cycle reconsidered from a thermoregulatory point of view. Physiol. Behav. 90, 236-245 (2007).
- Kaneko, H., et al. Circadian Rhythm of Temperature Preference and Its Neural Control in Drosophila. Curr. Biol. 22, 1851-1857 (2012).
- Allada, R., Chung, B. Y. Circadian organization of behavior and physiology in Drosophila. Annu. Rev. Physiol. 72, 605-624 (2010).
- Garrity, P. A., Goodman, M. B., Samuel, A. D., Sengupta, P. Running hot and cold: behavioral strategies, neural circuits, and the molecular machinery for thermotaxis in C. elegans and Drosophila.. Genes Dev. 24, 2365-2382 (2010).
- Hamada, F. N., et al. An internal thermal sensor controlling temperature preference in Drosophila. Nature. 454, 217-220 (2008).
- Hong, S. T., et al. cAMP signalling in mushroom bodies modulates temperature preference behaviour in Drosophila. Nature. 454, 771-775 (2008).
- Dillon, M. E., Wang, G., Garrity, P. A., Huey, R. B. Review: Thermal preference in Drosophila. J. Therm. Biol. 34, 109-119 (2009).
- Viswanath, V., et al. Opposite thermosensor in fruitfly and. Nature. 423, 822-823 (2003).
- Gallio, M., Ofstad, T. A., Macpherson, L. J., Wang, J. W., Zuker, C. S. The coding of temperature in the Drosophila brain. Cell. 144, 614-624 (2011).
- Stevenson, R. D. The relative importance of behavioral and physiological adjustments controlling body temperature in terrestrial ectotherms. Am. Nat. 126 (3), (1985).
- Refinetti, R., Menaker, M. The circadian rhythm of body temperature. Physiol. Behav. 51, 613-637 (1992).
- Duffy, J. F., Dijk, D. J., Klerman, E. B., Czeisler, C. A. Later endogenous circadian temperature nadir relative to an earlier wake time in older people. Am. J. Physiol. 275, 1478-1487 (1998).
- Saper, C. B., Lu, J., Chou, T. C., Gooley, J. The hypothalamic integrator for circadian rhythms. Trends Neurosci. 28, 152-157 (2005).
- Konopka, R. J., Pittendrigh, C., Orr, D. Reciprocal behaviour associated with altered homeostasis and photosensitivity of Drosophila clock mutants. J. Neurogenet. 6, 1-10 (1989).
- Qiu, J., Hardin, P. E. per mRNA cycling is locked to lights-off under photoperiodic conditions that support circadian feedback loop function. Mol. Cell Biol. 16, 4182-4188 (1996).
- Crocker, A., Sehgal, A. Genetic analysis of sleep. Genes Dev. 24, 1220-1235 (1220).
- Hendricks, J. C., et al. Rest in Drosophila is a sleep-like state. Neuron. 25, 129-138 (2000).
- Shaw, P. J., Cirelli, C., Greenspan, R. J., Tononi, G. Correlates of sleep and waking in Drosophila melanogaster. Science. 287, 1834-1837 (2000).
- Parisky, K. M., et al. PDF cells are a GABA-responsive wake-promoting component of the Drosophila sleep circuit. Neuron. 60, 672-682 (2008).
