Summary

Perforeret Patch-clamp Registrering af Mouse Olfactory sensoriske neuroner i Intakt neuroepithelium: Funktionel analyse af neuroner udtrykker en identificeret odorantreceptor

Published: July 13, 2015
doi:

Summary

Analyzing the physiological properties of olfactory sensory neurons still faces technical limitations. Here we record them through perforated patch-clamp in an intact preparation of the olfactory epithelium in gene-targeted mice. This technique allows the characterization of membrane properties and responses to specific ligands of neurons expressing defined olfactory receptors.

Abstract

Analysere de fysiologiske reaktioner olfaktoriske sensoriske neuroner (OSN), når stimuleres med specifikke ligander er afgørende at forstå grundlaget for olfaktoriske drevne adfærd og deres modulation. Disse kodning egenskaber er stærkt afhængige den oprindelige samspil mellem lugtmolekyler og olfaktoriske receptor (OR) udtrykt i OSN. Identiteten, specificitet og ligand spektrum af udtrykt eller er kritiske. Sandsynligheden for at finde den ligand af OR udtrykkes i en OSN valgt tilfældigt inden epitelet er meget lav. For at løse denne udfordring, denne protokol bruger genetisk mærkede mus, der udtrykker det fluorescerende protein GFP under kontrol af promotoren af ​​definerede yderste periferi. OSN er placeret i en stram og organiseret epitel foring næsehulen, med omkringliggende celler påvirke deres modning og funktion. Her beskriver vi en fremgangsmåde til isolering af et intakt lugteepitel og registrere gennem patch-clamp optagelser egenskaber OSN expressing definerede lugtstofreceptorer. Protokollen gør det muligt at karakterisere OSN membranegenskaber samtidig holde indflydelsen af ​​tilstødende væv. Analyse af patch-clamp resultater giver en præcis kvantificering af ligand / ELLER interaktioner, transduktionsveje og farmakologi, OSN 'kodning egenskaber og deres modulation på membranen niveau.

Introduction

Olfaktoriske sensoriske neuroner (OSN) repræsenterer det første skridt i olfaktoriske perception. Beliggende i den olfaktoriske epitel foring næsehulen hos gnavere, de omdanne kemiske oplysninger af lugtstoffer i aktionspotentialer sendes gennem deres axon til hjernen. For bedre at forstå de olfaktoriske kodning mekanismer, er det nødvendigt at karakterisere transduktion og membran egenskaber OSN. Indtil for nylig blev de fleste af de teknikker, der anvendes til at karakterisere egenskaber pattedyr OSN udført på dissocieret OSN 1-4. Dissociationsprocessen anvender forskellige mekaniske og kemiske (dvs. enzymer) processer at befri OSN fra deres omgivelser. Disse processer inducere et lavt antal tilgængelige celler til optagelser. Dette lave antal kan være endnu mere kritisk i tilfælde af GFP mærkede celler. Dissociation fjerner også de lokale celle-til-celle-interaktioner mellem OSN og andre celler i det olfaktoriske epitel, der kan forbedre survival og modulering af OSN egenskaber. For at omgå dissociation procedure blev en intakt præparat udviklet 5.

Hver OSN udtrykker én olfaktoriske receptor (OR) udvalgt fra en stor multigenfamilie 6. Der er ~ 1.000 yderste periferi udtrykt i de vigtigste olfaktoriske epitel i musen. På grund af det store antal OR i vildtype dyr, at chancerne optage OSN udtrykker det samme eller er meget lave. For at overvinde disse begrænsninger er tilgængelige gen målrettede mus, hvor alle OSN udtrykker en identificeret eller er mærket med et fluorescerende protein 7-9. Disse mærkede OSN blev anvendt til at gøre funktionel analyse i dissocierede præparater 7,10,11 med ulemperne nævnt tidligere. En intakt epitel forberedelse 5 af genetisk mærkede mus omgår derfor disse spørgsmål. Det gør det muligt at overvåge aktiviteten af OSN udtrykker præcist definerede yderste periferi i et miljø så tæt på i vivo som muligt. Desuden patch-clamp optagelser af OSN tillader også præcis analyse af ejendomme membran, transduktion pathway farmakologi, ligand / ELLER interaktioner. Alle disse emner kan næppe analyseres under anvendelse ekstracellulære optagelser. Vi brugte denne teknik til at overvåge svarene fra OSN udtrykker de lugtstofreceptorer SR1 og MOR23 12,13. Muligheden for teknikken blev bekræftet af andre grupper på MOR23 udtrykker OSN 14 samt andre yderste periferi udtrykker neuroner 15,16. Overvågningen af en defineret population af OSN kan føre til en analyse af deres egenskaber i mange forskellige sammenhænge, ​​såsom udvikling 14, aldring 17, lugtstof-induceret plasticitet 18, og den rolle, variationer i lugtstof receptorens sekvens i lugt kodning 15. Denne protokol giver således et effektivt værktøj til at overvåge de funktionelle egenskaber af definerede OSN på membranen niveau.

Protocol

Denne protokol følger retningslinjerne fra Université de Bourgogne dyr pleje og blev godkendt af Université de Bourgogne etiske komité. 1. Dyr Brug gensplejsede ELLER-IRES-tauGFP mus til rådighed på Jackson Laboratory. Disse mus blev udviklet i Dr. Peter Mombaerts 'laboratorium for at analysere axon målretning og udvikling af det olfaktoriske system, 19. For eksempel MOR23-IRES-tauGFP linje, stock nummer 006643, bærer det officielle stammen navn B6; 129P2- <…

Representative Results

Resultatet af denne protokol afhænger af kvaliteten af ​​dissektion. Denne dissektion trin skal være korte (mindre end 10 til 15 min) og præcis (dvs. at undgå skader af epitelet). Figur 1 illustrerer, hvordan en ideel forberedelse ligner på forskellige forstørrelser. Ved en lav forstørrelse under lysfelt de forskellige celletyper (såsom knopper af OSN, støtte celler) kan skelnes (figur 1A). På det højeste forstørrelse niveau, typisk 80X til 160X, i lyse felt, de…

Discussion

Evnen af ​​denne protokol korrekt overvåge egenskaber sunde OSN afhænger i høj grad af kvaliteten af ​​præparatet. Derfor dissektion trin er kritisk. Først er det vigtigt at være opmærksom på kvaliteten (pH, osmolaritet), iltning og temperatur (iskold, men ikke frosne) i dissektion medium. For det andet skal manipulation af epitel med dissekere værktøjer være så begrænset som muligt for at undgå skader. Endelig er det afgørende at opnå en sammensætning så flad som muligt for at få adgang til d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Authors would like to thank Peter Mombaerts for the generous gift of OR-GFP mice; Anne Lefranc and the CSGA animal facility for excellent animal care. Funding was provided by CNRS through an ATIP and ATIP Plus grants, by Conseil Régional de Bourgogne (FABER and PARI grants), by Université de Bourgogne (BQR program).

Materials

heavy equipment
vibration table with Faraday cage TMC 63-500 SERIES required : isolates the recording system from vibrations induced by the environment (movements of experimenter, vibrations of equipment such as fans for cooling computers, etc); can also be purchased with a Faraday cage, or equipped by a custom made Faraday cage; this cage is recommended to avoid electric noise from the environment
optics
microscope Olympus BX51WI upright microcope equipped with epifluorescence; fixed or moving stage depending on the user's preference
objectives Olympus LUMPLFL40XW at least 2 objectives required: a 4x or 10x for coarse approach to the cell; and a 40x immersion long distance example Olympus LUMPLFL40XW/IR/0,8/WD:3.3 MM
magnifier Olympus U-TVCAC ABSOLUTELY REQUIRED: placed in the light path between the objective and the camera; allows to magnify the image on the screen in order to reach precisely the knob with the recording electrode
camera Olympus DP72 a good camera is required to see the neurons in fluorescence as well as in bright field; the controlling software is simple and allows to take pictures and do live camera image to monitor the approach of the electrode to the cell. An ultrasensitive camera is not necessary
filters Olympus/Chroma depending on the fluorescent protein used in the mice; example for GFP: excitation : BP460-490: emission: HQ530/50m
recording electrodes /system
amplifier HEKA EPC10 USB monitors the currents flowing through the recording electrode and also controls the puffing by sending a TTL signal to the spritzer; the EPC10 setup is controled by computer
software HEKA Patchmaster controls the amplifier during the experiment
micromanipulator Sutter MP225 precision micromanipulator, allows precise movements down to 1/1Oth of a micrometer; this model is very stable; avoid hydraulic manipulators that may drift
electrode puller sutter P97 with a FT345-B wide trough filament;  to prepare recording pipets of about 2µm diameter with a long tip to reach the cells; the resistance should be 15 to 20Mohm with perforated patch clamp solution
glass sutter BF120-69-10 in our recording conditions, this glass is ideal for recording pipets
recording chamber warner instruments RC-26G a chamber is needed to set the preparation under the microscope. To maintain the preparation in the center of the chamber, a net/anchor should be used.
stimulation
glass WPI TW100F-4 attached in groups of 7, these pipettes are used to prepare prepulled stimulating pipettes
multibarrel puller MDI PMP-107-Z by association of pull and twist, this puller allows us to prepare puffing electrodes with 7 barrels
precision pressure injector  Toohey Company P/N T25-1-900 Single Channel    this precision pressure injector  controls the pressure ejected in the multibarrel puller; it is controlled manually or by the amplifier by a 5V  TTLs
micromanipulator Narishige YOU-1 a coarse manipulator is enough to bring the puffing electrode close to the recording site
tubings N/A tygon tubing to bring the pressure from the puffer to the puffing pipette
solutions/perfusion/chemicals
vacuum pump gardner denver 300 series a vibrating membrane pump is more quiet and efficient than other types of pumps
perfusion system N/A N/A gravity perfusion system with polyethlylen tubing to bring in and out the external solution from the recording chamber
nystatin Sigma-Aldrich N3503 mandatory to perpare internal solution for perforated patch clamp
DIMETHYL SULFOXIDE Sigma-Aldrich D5879 used to disolve nystatin for internal solution for perforated patch 
Sodium chloride Sigma-Aldrich S9625 extracellular solution
Potassium chloride Sigma-Aldrich P4504 intracellular/extracellular solution
Calcium chloride di hydrate Sigma-Aldrich C7902 extracellular solution
Sodium phosphate monobasic monohydrate (NaH2PO4) Sigma-Aldrich S9638 extracellular solution
Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4 7H2O) Sigma-Aldrich 63140 extracellular solution
Glucose Sigma-Aldrich G8270 extracellular solution
Sodium bicarbonate Sigma-Aldrich S6297 extracellular solution
EGTA (Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid) Sigma-Aldrich E3889 internal solution
Potassium hydroxyde Sigma-Aldrich P1767 internal solution
MethylSulfoxide Sigma-Aldrich 47,135-6 intracellular solution
Hepes-Na Sigma-Aldrich H7006 intracellular solution
Sucrose Sigma-Aldrich S0389 intracellular solution

References

  1. Lowe, G., Gold, G. H. Nonlinear amplification by calcium-dependent chloride channels in olfactory receptor cells. Nature. 366 (6452), 283-286 (1993).
  2. Ponissery Saidu, S., Dibattista, M., Matthews, H. R. Odorant-induced responses recorded from olfactory receptor neurons using the suction pipette technique. J Vis Exp. (62), e3862 (2012).
  3. Moss, R. L., et al. Electrophysiological and biochemical responses of mouse vomeronasal receptor cells to urine-derived compounds: possible mechanism of action. Chem Senses. 23 (4), 483-489 (1998).
  4. Kaur, A., Dey, S. Live cell calcium imaging of dissociated vomeronasal neurons. Methods Mol Biol. 1068, 189-200 (2013).
  5. Ma, M., Chen, W. R. Electrophysiological characterization of rat and mouse olfactory receptor neurons from an intact epithelial preparation. J Neurosci Methods. 92 (1-2), 31-40 (1999).
  6. Axel, R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition. Cell. 65 (1), 175-187 (1991).
  7. Bozza, T., Feinstein, P., Zheng, C. Odorant receptor expression defines functional units in the mouse olfactory system. J Neurosci. 22 (8), 3033-3043 (2002).
  8. Bozza, T., et al. Mapping of class I and class II odorant receptors to glomerular domains by two distinct types of olfactory sensory neurons in the mouse. Neuron. 61 (2), 220-233 (2009).
  9. Vassalli, A., Rothman, A., Feinstein, P., Zapotocky, M. Minigenes impart odorant receptor-specific axon guidance in the olfactory bulb. Neuron. 35 (4), 681-696 (2002).
  10. Feinstein, P., Bozza, T., Rodriguez, I., Vassalli, A. Axon guidance of mouse olfactory sensory neurons by odorant receptors and the beta2 adrenergic receptor. Cell. 117 (6), 833-846 (2004).
  11. Mombaerts, P. Genes and ligands for odorant, vomeronasal and taste receptors. Nat Rev Neurosci. 5 (4), 263-278 (2004).
  12. Grosmaitre, X., et al. SR1, a mouse odorant receptor with an unusually broad response profile. J Neurosci. 29 (46), 14545-14552 (2009).
  13. Grosmaitre, X., Vassalli, A., Mombaerts, P., Shepherd, G. M. Odorant responses of olfactory sensory neurons expressing the odorant receptor MOR23: a patch clamp analysis in gene-targeted mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (6), 1970-1975 (2006).
  14. Lam, R. S. Odorant responsiveness of embryonic mouse olfactory sensory neurons expressing the odorant receptors S1 or MOR23. Eur J Neurosci. 38 (2), 2210-2217 (2013).
  15. Zhang, J., Huang, G., Dewan, A., Feinstein, P. Uncoupling stimulus specificity and glomerular position in the mouse olfactory system. Mol Cell Neurosci. 51 (3-4), 79-88 (2012).
  16. Zhang, J., Pacifico, R., Cawley, D., Feinstein, P. Ultrasensitive detection of amines by a trace amine-associated receptor. J Neurosci. 33 (7), 3228-3239 (2013).
  17. Lee, A. C., Tian, H., Grosmaitre, X. Expression patterns of odorant receptors and response properties of olfactory sensory neurons in aged mice. Chem Senses. 34 (8), 695-703 (2009).
  18. Cadiou, H., et al. Postnatal odorant exposure induces peripheral olfactory plasticity at the cellular level. J Neurosci. 34 (14), 4857-4870 (2014).
  19. Mombaerts, P. Axonal wiring in the mouse olfactory system. Annu Rev Cell Dev Biol. 22, 713-737 (2006).
  20. Grosmaitre, X., Santarelli, L. C., Tan, J., Luo, M. Dual functions of mammalian olfactory sensory neurons as odor detectors and mechanical sensors. Nat Neurosci. 10 (3), 348-354 (2007).
  21. Duchamp-Viret, P., Chaput, M. A. Odor response properties of rat olfactory receptor neurons. Science. 284 (5423), 2171-2174 (1999).
  22. Heydel, J. M., et al. Odorant-binding proteins and xenobiotic metabolizing enzymes: implications in olfactory perireceptor events. Anat Rec (Hoboken). 296 (9), 1333-1345 (2013).
  23. Pelosi, P. Perireceptor events in olfaction). J Neurobiol. 30 (1), 3-19 (1996).
  24. Spehr, M., Wetzel, C. H., Hatt, H. 3-phosphoinositides modulate cyclic nucleotide signaling in olfactory receptor neurons. Neuron. 33, 731-739 (2002).
  25. Chen, S., Lane, A. P., Bock, R., Leinders-Zufall, T. Blocking adenylyl cyclase inhibits olfactory generator currents induced by ‘IP(3)-odors. J Neurophysiol. 84 (1), 575-580 (2000).
  26. Savigner, A., et al. Modulation of spontaneous and odorant-evoked activity of rat olfactory sensory neurons by two anorectic peptides, insulin and leptin. J Neurophysiol. 101 (6), 2898-2906 (2009).
  27. Ukhanov, K., Brunert, D., Corey, E. A. Phosphoinositide 3-kinase-dependent antagonism in mammalian olfactory receptor neurons. J Neurosci. 31 (1), 273-280 (2011).
check_url/kr/52652?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Jarriault, D., Grosmaitre, X. Perforated Patch-clamp Recording of Mouse Olfactory Sensory Neurons in Intact Neuroepithelium: Functional Analysis of Neurons Expressing an Identified Odorant Receptor. J. Vis. Exp. (101), e52652, doi:10.3791/52652 (2015).

View Video