Ontwerp en analyse van temperatuurvoorkeursgedrag en het circadiane ritme in Drosophila
Summary
We hebben onlangs een nieuwe Drosophila circadiane output, temperatuurvoorkeursritme (TPR) geïdentificeerd, waarbij de voorkeurstemperatuur bij vliegen overdag stijgt en ‘s nachts daalt. TPR wordt onafhankelijk van een andere circadiane output, motorische activiteit gereguleerd. Hier beschrijven we het ontwerp en de analyse van TPR in Drosophila.
Abstract
De circadiane klok reguleert vele aspecten van het leven, waaronder slaap, motorische activiteit en lichaamstemperatuur (BTR) ritmes1,2. We hebben onlangs een nieuwe Drosophila circadiane output geïdentificeerd, genaamd het temperatuurvoorkeursritme (TPR), waarbij de voorkeurstemperatuur bij vliegen overdag stijgt en ‘s nachts daalt 3. Verrassend genoeg worden de TPR en motorische activiteit gecontroleerd door verschillende circadiane neuronen3. Drosophila locomotorische activiteit is een bekende circadiane gedragsoutput en heeft sterke bijdragen geleverd aan de ontdekking van veel geconserveerde circadiaanse circadiaanse klokgenen en mechanismen van zoogdieren4. Daarom zal het begrijpen van TPR leiden tot de identificatie van tot nu toe onbekende moleculaire en cellulaire circadiane mechanismen. Hier beschrijven we hoe u de TPR-test uitvoert en analyseert. Deze techniek maakt het niet alleen mogelijk om de moleculaire en neurale mechanismen van TPR te ontleden, maar biedt ook nieuwe inzichten in de fundamentele mechanismen van de hersenfuncties die verschillende omgevingssignalen integreren en diergedrag reguleren. Bovendien suggereren onze onlangs gepubliceerde gegevens dat de vlieg TPR functies deelt met de zoogdier BTR3. Drosophila zijn ectothermen, waarbij de lichaamstemperatuur meestal gedragsmatig wordt gereguleerd. Daarom is TPR een strategie die wordt gebruikt om een ritmische lichaamstemperatuur te genereren bij deze vliegen5-8. Wij zijn van mening dat verdere verkenning van Drosophila TPR de karakterisering van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de beheersing van de lichaamstemperatuur bij dieren zal vergemakkelijken.
Introduction
Temperatuur is een alomtegenwoordige omgevingsinvloed. Dieren vertonen een verscheidenheid aan gedragingen om schadelijke temperaturen te voorkomen en comfortabele te zoeken. Drosophila vertonen een robuust temperatuurvoorkeursgedrag6,7. Wanneer vliegen worden vrijgegeven in een temperatuurgradiënt van 18-32 °C, vermijden de vliegen zowel warme als koude temperaturen en kiezen ze uiteindelijk een voorkeurstemperatuur van 25 °C in de ochtend3. De warme temperatuursensoren zijn een set thermosensorische neuronen, AC-neuronen, die het Drosophila transient receptor potential (TPR)-kanaal uitdrukken, TRPA16,9. De koude temperatuursensoren bevinden zich in de 3e antennesegmenten, omdat het ablating van de 3e antennesegmenten het gebrek aan koude temperatuurvermijdingveroorzaakt 6. Onlangs werd het TRPP-eiwit Brivido (Brv) geïdentificeerd10. Aangezien Brv wordt uitgedrukt in de 3e antennesegmenten en koudedetectie bemiddelt, is Brv een mogelijk kouddetectiemolecuul, dat van cruciaal belang is voor het temperatuurvoorkeursgedrag. Kortom, de vliegen gebruiken deze twee temperatuursensoren om de warme en koude temperaturen te vermijden en een voorkeurstemperatuur te vinden.
Terwijl zoogdieren warmte genereren om hun lichaamstemperatuur te reguleren, passen ectothermen hun lichaamstemperatuur over het algemeen aan de omgevingstemperatuuraan 11. Van sommige ectothermen is bekend dat ze een dagelijks TPR-gedrag vertonen waarvan wordt aangenomen dat het een strategie is voor de ectothermen om hun BTR12te reguleren . Om te bepalen of de vliegen TPR vertoonden, herhaalden we de gedragsanalyse van de temperatuurvoorkeur op verschillende punten gedurende een periode van 24 uur. We ontdekten dat Drosophila een dagelijkse TPR vertoont, die ‘s ochtends laag en ‘s avonds hoog is en een patroon volgt dat vergelijkbaar is met dat van BTR bij mensen13.
In Drosophilazijn er ~150 klokneuronen in de hersenen. De klokneuronen die de motorische activiteit reguleren, worden M- en E-oscillatoren genoemd. Interessant is echter dat M- en E-oscillatoren TPR niet reguleren, in plaats daarvan hebben we laten zien dat DN2-klokneuronen in de hersenen TPR reguleren, maar geen motorische activiteit. Deze gegevens geven aan dat TPR onafhankelijk van de motorische activiteit wordt gereguleerd. Met name zoogdier BTR is ook onafhankelijk gereguleerd van motorische activiteit. Ablatiestudies bij ratten tonen aan dat BTR wordt gecontroleerd door specifieke SCN-neuronen die zich richten op een andere subset van subparaventriculaire zoneneuronen dan die welke de motorische activiteit controleren14. Daarom beschouwen onze gegevens de mogelijkheid dat de BTR van zoogdieren en de vlieg TPR evolutionair worden geconserveerd3, omdat zowel vlieg-TPR als zoogdier BTR circadiaanse klokafhankelijke temperatuurritmes vertonen, die onafhankelijk worden gereguleerd door motorische activiteit.
Hier beschrijven we de details van het analyseren van de TPR-gedragstest in Drosophila. Deze methode maakt het mogelijk om niet alleen het moleculaire mechanisme en neurale circuits van TPR te onderzoeken, maar ook hoe de hersenen verschillende omgevingssignalen en innerlijke biologische klokken integreren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier illustreren we de details van het temperatuurvoorkeursgedragsapparaat en de analyse van het TPR-gedrag. Drosophila vertoont de opvallende, robuuste en reproduceerbare kenmerken van klokgestuurde TPR. Onze gegevens suggereren echter dat ten minste twee factoren, omgevingslicht en leeftijd, de TPR-gedragsfenotypes aanzienlijk verstoren.
We merken op dat licht de temperatuurvoorkeur bij Drosophilaaanzienlijk beïnvloedt. Het is consistent met het feit dat w1118-vli…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We zijn Drs. Aravinthan Samuel en Marc Gershow dankbaar die hebben geholpen bij het ontwikkelen van de eerste versie van het gedragsapparaat en Matthew Batie die het gedragsapparaat heeft aangepast. Dit onderzoek werd ondersteund door Trustee Grant van Cincinnati Children’s Hospital, JST/PRESTO, March of Dimes en NIH R01 GM107582 aan 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).
