Summary

Focal Macropatch optagelser af Synaptic strømninger fra Drosophila larve neuromuskulære Junction

Published: September 25, 2017
doi:

Summary

Synaptic strømme kan registreres focally fra visualiseret synaptic boutons i Drosophila tredje instar larver neuromuskulære junction. Denne teknik gør det muligt for overvågning af aktiviteten af et enkelt synaptic bouton.

Abstract

Drosophila neuromuskulære junction (NMJ) er en fremragende modelsystem til at studere glutamatergic synaptisk transmission. Vi beskriver teknik af focal macropatch optagelser af synaptic strømninger fra visualiseret boutons i Drosophila larve NMJ. Denne teknik kræver tilpassede fabrikation af optager Mikropipetter, samt et sammensat mikroskop udstyret med en høj forstørrelse, langdistance vand fordybelse mål, differential interferens kontrast (DIC) optik og en fluorescerende vedhæftet fil. Optagelse elektrode er placeret på toppen af en markeret synaptic bouton visualiseret med DIC optik, epi-fluorescens eller begge. Fordelen ved denne teknik er, at det giver mulighed for overvågning af synaptic aktivitet af et begrænset antal sider om frigivelse. Optagelse elektroden har en diameter på flere mikron, og frigivelse sites placeret uden for den elektrode rand påvirker ikke væsentligt de indspillede strømninger. De indspillede synaptic strømninger har hurtig kinetik og kan løses let. Disse fordele er især vigtige for studier af mutant flyve linjer med forbedret spontan eller asynkron synaptic aktivitet.

Introduction

Drosophila er en fremragende modelsystem til at studere de molekylære mekanismer kontrollerende synaptisk transmission. Det neuromuskulære system i Drosophila er glutamatergic, og derfor Drosophila neuromuskulære junction (NMJ) kan bruges til at studere de bevarede funktioner i glutamatergic udgivelse. Siden Jan og Jans studie1, er de tredje instar larver bredt plejede at studere evoked og spontane synaptisk transmission af overvågning excitatoriske junction potentialer (EJPs) eller strømme (EJCs). EJPs registreres almindeligt intracellulært med en skarp glas mikro-elektrode, og de afspejler aktiviteten af det hele NMJ, herunder alle boutons at synapser på den givne muskelfiber.

Derimod kan aktivitet af et begrænset antal sider om frigivelse registreres focally ved at placere en mikropipette tip nær neuronal terminaler eller synaptic varicosities. Denne teknik blev oprindeligt ansat af Katz og Miledi2, og fokale ekstracellulære optagelser er blevet med held ansat på flere NMJ præparater, herunder frog3,4,5, mus6 , 7 , 8, krebsdyr9,10,11,12,13,14,15,16og Drosophila17,18,19,20,21,22,23. Denne tilgang blev yderligere udviklet af Dudel, der optimeret macropatch recoding elektroder24,25. I Dudels gennemførelse afstemt denne teknik nøje løs-patch-clamp metode26.

Drosophila larve NMJ har klart defineres synaptisk boutons, og transgene linjer med genetisk kodet neuronal fluorescerende tags (Se Tabel af materialer) er let tilgængelige. Disse fordele gjorde det muligt at optage EJCs og mEJCs fra en valgte synaptic bouton20,21,22. Her beskriver vi denne teknik i detaljer.

Protocol

1. fabrikation af optagelse elektroder trække glas elektroder Brug følgende protokol for mikroelektrode puller (Se Tabel af materialer): linje 1: varme 510 træk – hastighed 30 tid 250; Linje 2: Varme 490 Pull – hastighed 30 tid 250. NOTE: Tidsenheder svarer til 0,5 ms pr. enhed; de øvrige enheder er relativ. Værdien af varmen bør justeres for hver glødetråd efter rampe test udføres. Bruger et mikroskop (35 x forstørrelse…

Representative Results

Focal macropatch optagelser aktiverer synaptic overvågningsaktiviteter fra valgte synaptic boutons (figur 5). Når elektroden er placeret på toppen af en synaptic bouton (figur 5A, site 1), de optagne mEJCs (figur 5 c, site 1) har en amplituder væsentligt overstiger stoejniveauet og skarpe stigende faser (på en sub millisekund range). Hvornår optagelse elektrode er flyttet fra synaptic bouton af…

Discussion

Drosophila repræsenterer en fordelagtig model organisme at studere synaptisk transmission. Flere optagelse konfigurationer er blevet anvendt på de larver NMJ, herunder intracellulære optagelser af synaptiske potentialer, optagelser af synaptic strømme med to elektrode spænding klemme33,34, og focal macropatch optagelser af synaptic strømninger beskrevet her. Sidstnævnte teknikken tillader en præcis kvantificering af synaptisk transmission på vis…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Støttet af NIH grant R01 MH 099557

Materials

Sutter P-97 Sutter instrument P-97 Microelectrode puller
Narishige MF-830 Narishige MF-830 Microforge
WPI MF200 WPI MF200 Microforge
Glass capilaries WPI B150-86-10 Glass capilaries
Microtorch 1WG61 Grainer 1WG61 Microtorch
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit Dow Corning SYLGARD 184 Silicone for dissection plates preparation
Dissection pins Amazon B00J5PMPJA Pins for larvae positioning
Tweezers WPIINC 500342 Tweezers for placing pins, removing the guts and tracheas. 
Scissors WPIINC 501778 Scissors for cutting the cuticula of the larvae and nerves.
Olympus BX61WI Olympus BX61WI Upright microscope
Olympus Lumplan FL N 60x Olympus UPLFLN 60X Microscope objective 60X
Olympus UPlan FL N 10x Olympus Uplanfl N 10X Microscope objective 10X
Narishige Micromanipulator Narishige MHW-3 Three-axis Water Hydraulic Micromanipulator
npi Electronic GmbH ELC-03XS npi Electronic GmbH ELC-03XS Electrophysiological amplifier
A.M.P.I Master 8 A.M.P.I. Master 8 Electrical stimulator
A.M.P.I Iso-Flex A.M.P.I. Iso-Flex Stimulus isolator
TMC antivibration table TMC 63-9090 Antivibration table
TMC Faraday cage TMC 81-333-90 Faraday cage
Digidata 1322A Axon Instruments Digidata 1322A Digidata
Computer Dell Dell Dimension 5150 Computer with Win XP OS 
Electrode holder WPI MEH3SW  Electrode holder
Optical filter Omega optical XF 115-2 Filter cube for Green Fluorescent Protein (GFP) detection 
pCLAMP 8 Axon Instruments 8.0.0.81 Software for signal recording
Quantan In-house software Software for signal processing
Canton-S (Wildtype) Bloomington Stock Center 64349 Control fly line
cpx SH1 Generous Gift of J.T. Littleton Complexin knock-out fly line with increased spontaneous exocytosis
CD8-GFP Bloomington Stock Center 5137 Fly line with neuronal fluorescent (GFP) Tag

References

  1. Jan, L. Y., Jan, Y. N. Properties of the larval neuromuscular junction in Drosophila melanogaster. J Physiol. 262 (1), 189-214 (1976).
  2. Katz, B., Miledi, R. The effect of temperature on the synaptic delay at the neuromuscular junction. J Physiol. 181 (3), 656-670 (1965).
  3. Macleod, G. T., Gan, J., Bennett, M. R. Vesicle-associated proteins and quantal release at single active zones of amphibian (Bufo marinus) motor-nerve terminals. J Neurophysiol. 82 (3), 1133-1146 (1999).
  4. Macleod, G. T., Farnell, L., Gibson, W. G., Bennett, M. R. Quantal secretion and nerve-terminal cable properties at neuromuscular junctions in an amphibian (Bufo marinus). J Neurophysiol. 81 (3), 1135-1146 (1999).
  5. Zefirov, A., Benish, T., Fatkullin, N., Cheranov, S., Khazipov, R. Localization of active zones. Nature. 376 (6539), 393-394 (1995).
  6. Macleod, G. T., Lavidis, N. A., Bennett, M. R. Calcium dependence of quantal secretion from visualized sympathetic nerve varicosities on the mouse vas deferens. J Physiol. 480 (Pt 1), 61-70 (1994).
  7. Samigullin, D., Bill, C. A., Coleman, W. L., Bykhovskaia, M. Regulation of transmitter release by synapsin II in mouse motor terminals. J Physiol. 561 (Pt 1), 149-158 (2004).
  8. Coleman, W. L., Bykhovskaia, M. Rab3a-mediated vesicle recruitment regulates short-term plasticity at the mouse diaphragm synapse. Mol Cell Neurosci. 41 (2), 286-296 (2009).
  9. Atwood, H. L., Parnas, H., Parnas, I., Wojtowicz, J. M. Quantal currents evoked by graded intracellular depolarization of crayfish motor axon terminals. J Physiol. 383, 587-599 (1987).
  10. Parnas, H., Dudel, J., Parnas, I. Neurotransmitter release and its facilitation in crayfish. I. Saturation kinetics of release, and of entry and removal of calcium. Pflugers Arch. 393 (1), 1-14 (1982).
  11. Wojtowicz, J. M., Marin, L., Atwood, H. L. Activity-induced changes in synaptic release sites at the crayfish neuromuscular junction. J Neurosci. 14 (6), 3688-3703 (1994).
  12. Zucker, R. S. Crayfish neuromuscular facilitation activated by constant presynaptic action potentials and depolarizing pulses. J Physiol. 241 (1), 69-89 (1974).
  13. Zucker, R. S. Changes in the statistics of transmitter release during facilitation. J Physiol. 229 (3), 787-810 (1973).
  14. Worden, M. K., Bykhovskaia, M., Hackett, J. T. Facilitation at the lobster neuromuscular junction: a stimulus-dependent mobilization model. J Neurophysiol. 78 (1), 417-428 (1997).
  15. Bykhovskaia, M., Hackett, J. T., Worden, M. K. Asynchrony of quantal events in evoked multiquantal responses indicates presynaptic quantal interaction. J Neurophysiol. 81 (5), 2234-2242 (1999).
  16. Bykhovskaia, M., Polagaeva, E., Hackett, J. T. Mechnisms underlying different facilitation forms at the lobster neuromuscular synapse. Brain Res. 1019 (1-2), 10-21 (2004).
  17. Cooper, R. L., Stewart, B. A., Wojtowicz, J. M., Wang, S., Atwood, H. L. Quantal measurement and analysis methods compared for crayfish and Drosophila neuromuscular junctions, and rat hippocampus. J Neurosci Methods. 61 (1-2), 67-78 (1995).
  18. Stewart, B. A., Atwood, H. L., Renger, J. J., Wang, J., Wu, C. F. Improved stability of Drosophila larval neuromuscular preparations in haemolymph-like physiological solutions. J Comp Physiol A. 175 (2), 179-191 (1994).
  19. Pawlu, C., DiAntonio, A., Heckmann, M. Postfusional control of quantal current shape. Neuron. 42 (4), 607-618 (2004).
  20. Akbergenova, Y., Bykhovskaia, M. Synapsin maintains the reserve vesicle pool and spatial segregation of the recycling pool in Drosophila presynaptic boutons. Brain Res. 1178, 52-64 (2007).
  21. Akbergenova, Y., Bykhovskaia, M. Enhancement of the endosomal endocytic pathway increases quantal size. Mol Cell Neurosci. 40 (2), 199-206 (2009).
  22. Vasin, A., Volfson, D., Littleton, J. T., Bykhovskaia, M. Interaction of the Complexin Accessory Helix with Synaptobrevin Regulates Spontaneous Fusion. Biophys J. 111 (9), 1954-1964 (2016).
  23. Wong, K., Karunanithi, S., Atwood, H. L. Quantal unit populations at the Drosophila larval neuromuscular junction. J Neurophysiol. 82 (3), 1497-1511 (1999).
  24. Dudel, J. The effect of reduced calcium on quantal unit current and release at the crayfish neuromuscular junction. Pflugers Arch. 391 (1), 35-40 (1981).
  25. Dudel, J. Contribution of Ca2+ inflow to quantal, phasic transmitter release from nerve terminals of frog muscle. Pflugers Arch. 422 (2), 129-142 (1992).
  26. Marrero, H. G., Lemos, J. R. . Loose-Patch-Clamp method. , (2007).
  27. Wu, W. H., Cooper, R. L. Physiological recordings of high and low output NMJs on the crayfish leg extensor muscle. J Vis Exp. (45), (2010).
  28. Verstreken, P., Ohyama, T., Bellen, H. J. FM 1-43 labeling of synaptic vesicle pools at the Drosophila neuromuscular junction. Methods Mol Biol. 440, 349-369 (2008).
  29. Brent, J. R., Werner, K. M., McCabe, B. D. Drosophila larval NMJ dissection. J Vis Exp. (24), (2009).
  30. Imlach, W., McCabe, B. D. Electrophysiological methods for recording synaptic potentials from the NMJ of Drosophila larvae. J Vis Exp. (24), (2009).
  31. Bykhovskaia, M. Making quantal analysis more convenient, fast, and accurate: user-friendly software QUANTAN. J Neurosci Methods. 168 (2), 500-513 (2008).
  32. Huntwork, S., Littleton, J. T. A complexin fusion clamp regulates spontaneous neurotransmitter release and synaptic growth. Nat Neurosci. 10 (10), 1235-1237 (2007).
  33. Zhong, Y., Wu, C. F. Altered synaptic plasticity in Drosophila memory mutants with a defective cyclic AMP cascade. Science. 251 (4990), 198-201 (1991).
  34. Delgado, R., Maureira, C., Oliva, C., Kidokoro, Y., Labarca, P. Size of vesicle pools, rates of mobilization, and recycling at neuromuscular synapses of a Drosophila mutant, shibire. Neuron. 28 (3), 941-953 (2000).
  35. Melom, J. E., Akbergenova, Y., Gavornik, J. P., Littleton, J. T. Spontaneous and evoked release are independently regulated at individual active zones. J Neurosci. 33 (44), 17253-17263 (2013).

Play Video

Citer Cet Article
Vasin, A., Bykhovskaia, M. Focal Macropatch Recordings of Synaptic Currents from the Drosophila Larval Neuromuscular Junction. J. Vis. Exp. (127), e56493, doi:10.3791/56493 (2017).

View Video