Hier presenteren we een methode voor het visualiseren van de opname van 3 kDa Texas Red-gelabelde dextran in auditieve haarcellen met functionele mechanotransductiekanalen. Daarnaast kan dextrans van 3-10 kDa worden gebruikt om endocytose in haar en ondersteunende cellen van het orgaan van Corti te bestuderen.
Het haarcel mechanotransduct (MET) kanaal speelt een belangrijke rol bij het horen. De moleculaire identiteit en structurele informatie van de met a.r.v. Elektrofysiologische studies van haarcellen bleek dat de MET kanaal heeft een grote geleiding en is doorlaatbaar om relatief grote fluorescerende kationische moleculen, waaronder sommige styryl kleurstoffen en Texas Red-gelabeldaminoglycoside antibiotica. In dit protocol beschrijven we een methode om de opname van fluorescerende dextrans in haarcellen van het orgaan van Corti-explants te visualiseren en te evalueren, die kunnen worden gebruikt om te zien voor functionele MET-kanalen. We vonden dat 3 kDa Texas Red-gelabeldd dextran specifiek labels functionele auditieve haarcellen na 1-2 uur incubatie. In het bijzonder labelt 3 kDa dextran de twee kortere stereociliarijen en hoopt zich op in het cellichaam in een diffuus patroon wanneer functionele MET-kanalen aanwezig zijn. Een extra blaasachtig patroon van etikettering werd waargenomen in het cellichaam van haarcellen en omringende ondersteunende cellen. Onze gegevens suggereren dat 3 kDa Texas-Red dextran kan worden gebruikt om te visualiseren en te bestuderen twee trajecten voor cellulaire kleurstof opname; een haarcelspecifieke toegangsroute via functionele MET-kanalen en endocytose, een patroon dat ook beschikbaar is voor grotere dextran.
De haarcellen van het binnenoor zijn de sensorische cellen die geluid detecteren en de mechanisch stimuli in elektrische signalen bedekken, die uiteindelijk door onze hersenen worden geïnterpreteerd. Deze cellen hebben een trapvormige bundel van drie rijen actine-gebaseerde filamenten, bekend als stereocilia, die uitsteken uit hun apicale gebied1,2. De mechanische stimuli buigen de stereocilia filamenten naar de langste rij en leiden tot de opening van de mechanotransductie (MET) kanalen3. De opening van de MET-kanalen leidt tot een toestroom van kationen die de cel depolariseert en dus het vrijkomen van synapsblaasjes in het basale gebied van de haarcel signaleert.
De biofysische eigenschappen van het MET-kanaal dat essentieel is voor het gehoor zijn uitgebreid gekarakteriseerd. Deze kanalen zijn onder andere selectief en hebben een relatief grote geleiding (150-300 pS in lage Ca2+)4,5,6,7,8,9,10. Opmerkelijk is dat grote fluorescerende moleculen zoals FM1-43 en Texas Red-gelabelde aminoglycosiden permeant blockers van het MET-kanaal zijn, wat resulteert in hun accumulatie in het haarcellichaam dat kan worden gevisualiseerd met behulp van fluorescentiemicroscopie11,12,13,14. Omgekeerd zijn de moleculaire identiteit en de structuur van het MET-kanaal en het permeatietraject ongrijpbaar gebleven. Steeds meer experimenteel bewijs wijst erop dat het transmembraanachtige kanaaleiwit 1 (TMC1) een onderdeel is van het MET-kanaal in volwassen haarcellen15,16,17,18,19. Mutaties in het transmembraanachtige kanaal 1 (TMC1) veranderen de EIGENSCHAPPEN van het MET-kanaal19,20,21,22 en veroorzaken doofheid. Daarnaast lokaliseert TMC1 naar de site van het MET-kanaal18,23 en werkt hij samen met de tip-link die verantwoordelijk is voor het overbrengen van de mechanische kracht naar het MET-kanaal24,25. Bovendien heeft de recente bio-informaticaanalyse de TMC-eiwitten geïdentificeerd als evolutionair gerelateerd aan de mechanogevoelige kanalen TMEM63/OSCA-eiwitten en de TMEM16-eiwitten, een familie van calciumgeactiveerde chloridekanalen en lipidescramblases26,27,28. Een structureel model van TMC1 op basis van de relatie tussen deze eiwitten bleek de aanwezigheid van een grote holte op de eiwit-lipide interface27. Deze holte herbergt de twee TMC1-mutaties die autosomal dominant gehoorverlies veroorzaken (DFNA36)27,29,30,31,32, en selectieve modificatie van cysteïnemutanten voor residuen in de holte veranderen MET-kanaaleigenschappen28, wat aangeeft dat het zou kunnen functioneren als het permeatietraject van het MET-kanaal. De grote omvang van deze voorspelde holte in TMC-eiwitten kan het vermogen van grote moleculen om het MET-kanaal door te dringen verklaren. Om de voorspelling te testen dat het MET-kanaal een ongewoon groot permeatietraject bevat en om de grenzen van de grootte van de holte in TMC1 te verleggen, ontwikkelden we een protocol om opname-experimenten uit te voeren in het orgaan van Corti-explants met een groter molecuul, 3 kDa dextran fluorescerend gelabeld met Texas Red.
Dextran is een complexe vertakte polysaccharide bestaande uit vele D-glucose moleculen gebonden door alfa-1,6 glycosidische koppelingen. De hoge oplosbaarheid in water, lage celtoxiciteit en bioinertiteit maken het een veelzijdig hulpmiddel om verschillende cellulaire processen te bestuderen. Daarnaast is dextran verkrijgbaar in een breed scala van maten en fluorescerend gelabeld met fluorophores van verschillende kleuren. Fluorescerend gelabeldde dextrans worden vaak gebruikt in cel- en weefseldoorlaatbaarheidsonderzoek33,34, om endocytose te bestuderen in meerdere cellulaire systemen35,36, en voor neurale tracering37,38. In het auditieve veld zijn ook dextran moleculen gebruikt om de verstoring van de celcelverbinding en het verlies van de auditieve sensorische epitheelintegriteit te beoordelen na blootstelling aan intens geluid in het chinchilla-orgaan van Corti39,40.
In dit werk, we benut de eigenschappen van enkele van de kleinste (3 en 10 kDa) fluorescerende dextrans om opname-experimenten uit te voeren in murine binnenoor haarcellen en verken de grootte van de permeatie pad van het binnenste oor haarcel MET kanaal. Daarnaast gebruikten we een laser-scanning confocale microscoop (LSM) 880 uitgerust met een Airyscan detector te visualiseren en lokaliseren fluorescerende dextran op de stereocilia en de cel lichaam van auditieve haarcellen.
Dit protocol beschrijft hoe opname-experimenten uit te voeren in murine orgaan van Corti explants met 3 kDa dextran Texas Red. Het doel van deze methode is om te testen of moleculen groter dan anderen eerder getest waren ook in staat om specifiek label auditieve haarcellen en doordringen door de MET kanaal. Soortgelijke experimentele protocollen zijn eerder gebruikt om de doorlaatbaarheid van haarcellen te evalueren naar andere fluorescerende kleurstoffen zoals FM1-43 (0,56 kDa)12,<sup …
The authors have nothing to disclose.
Wij danken Vincent Schram van de NICHD microscopie en beeldvorming kern voor het helpen bij de confocale beeld verwerving, en Tsg-Hui Chang voor onschatbare hulp bij kolonie management en muizen zorg. Dit onderzoek werd ondersteund door het Intramural Research Program van de NINDS, NIH, Bethesda, MD, naar K.J.S. A.B. werd ondersteund door het Intramural Research Program van de NINDS, NIH, en door een Robert Wenthold Postdoctoral Fellowship uit het intramurale onderzoeksprogramma van de NIDCD.
#1.5 glass coverslips 18mm | Warner Instruments | 64-0714 | |
Alexa Fluor 488 Phalloidin | ThermoFisher | A12379 | |
Alexa Fluor 594 Phalloidin | ThermoFisher | A12381 | |
alpha Plan-Apochromat 63X/1.4 Oil Corr M27 objective | Carl Zeiss | 420780-9970-000 | |
Amiloride hydrochloride | EMD MILLIPORE | 129876 | |
Benchwaver 3-dimensional Rocker | Benchmarks scientific | B3D5000 | |
C57BL/6J wild-type mice | strain 000664 | The Jackson Laboratory | |
Cell impermeant BAPTA tetrapotassium salt | ThermoFisher | B1204 | |
Dextran, Fluorescein, 10,000 MW, Anionic, Lysine Fixable | ThermoFisher | D1820 | |
Dextran, Texas Red, 10,000 MW, Lysine Fixable | ThermoFisher | D1863 | |
Dextran, Texas Red, 3000 MW, Lysine Fixable | ThermoFisher | D3328 | |
Formaldehyde Aqueous Solution EM Grade | Electron microscopy science | 15710 | |
HBSS, calcium, magnesium, no phenol red | ThermoFisher | 14025 | |
HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red | ThermoFisher | 14170 | |
Image J or FIJI | NIH | http://fiji.sc/ | |
Immersol 518F oil immersion media | Carl Zeiss | 444970-9000-000 | |
Leibovitz's L-15 Medium, GlutaMAX Supplement | ThermoFisher | 31415029 | |
neomycin trisulfate salt hydrate | Sigma | N6386 | |
PBS (10X), pH 7.4 | ThermoFisher | 70011069 | |
Phalloidin-CF405M | Biotium | 00034 | |
ProLong Diamond antifade mounting media | ThermoFisher | P36970 | |
superfrost plus microscope slide | Fisherbrand | 22-037-246 | |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
Zen Black 2.3 SP1 software | Carl Zeiss | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/microscope-software/zen.html |