Geperforeerde Patch-clamp-opname van de muis olfactorische sensorische neuronen in Intact neuroepithelium: functionele analyse van neuronen uiten van een geïdentificeerd Odorant Receptor
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
Het analyseren van de fysiologische reacties van olfactorische sensorische neuronen (OSN) wanneer gestimuleerd met specifieke liganden is van cruciaal belang om de basis van olfactorische-gedreven gedrag en hun modulatie begrijpen. Deze coderende eigenschappen hangen sterk af van de initiële interactie tussen geurmoleculen en de olfactorische receptor (OR) uitgedrukt in de ASN. De identiteit, specificiteit en ligand spectrum van de uitgedrukt of zijn kritisch. De kans op het ligand van de OR uitgesproken vinden in een OSN binnen het epitheel willekeurig gekozen is zeer laag. Om deze uitdaging aan te pakken, dit protocol maakt gebruik van genetisch gelabelde muizen die het fluorescente eiwit GFP onder de controle van de promotor van gedefinieerde ultraperifere regio's. OSNs wordt in een strakke en georganiseerde epitheel langs de neusholte met naburige cellen hun rijping en functie beïnvloeden. Hier wordt een methode beschrijven we een intacte reukepitheel te isoleren en op te nemen door middel van patch-clamp opnames van de eigenschappen van OSNs expressing gedefinieerd geurstof receptoren. Het protocol kan men OSN membraaneigenschappen karakteriseren terwijl de invloed van het naburige weefsel. Analyse van de patch-clamp resultaten levert een exacte kwantificering van ligand / of interacties, transductieroutes en farmacologie, OSNs 'codering eigenschappen en hun modulatie op het membraan niveau.
Introduction
Olfactorische sensorische neuronen (OSN) vormen de eerste stap van olfactorische waarneming. Gelegen in de olfactorische epithelium langs de neusholte bij knaagdieren, zij de chemische karakterisering van geurstoffen in maatregelen potentialen die via de axon naar de hersenen. Om een beter inzicht olfactorische coderingsmechanismen, moet de transductie en membraaneigenschappen van OSNs karakteriseren. Tot voor kort waren de meeste van de technieken om de eigenschappen van zoogdier OSNs karakteriseren werden op gedissocieerd OSNs 1-4 uitgevoerd. De dissociatie proces maakt gebruik van verschillende mechanische en chemische (dat wil zeggen, enzymen) processen om de ASN's te bevrijden uit hun omgeving. Deze werkwijzen leiden tot een lage aantal beschikbare cellen voor opnames. Dit lage aantal kan nog kritischer bij GFP gemerkte cellen. Dissociatie wordt ook de lokale cel-cel interacties tussen ASN's en andere cellen van de reukepitheel die overleefde kunnen versterkenal en modulatie van eigenschappen OSNs '. Om de dissociatie procedure omzeilen, werd een intact preparaat ontwikkeld 5.
Elke OSN drukt een olfactorische receptor (OR) geselecteerd uit een groot multigenfamilie 6. Er zijn ~ 1000 UPR uitgedrukt in de belangrijkste olfactorisch epitheel bij de muis. Vanwege het grote aantal OR in wildtype dieren, de kansen om ASN expressie dezelfde record of zeer laag. Om deze beperkingen te overwinnen, gen gerichte muizen zijn verkrijgbaar waarbij alle OSNs expressie een bepaalde of gelabeld met een fluorescent proteïne 7-9. Deze gelabelde OSNs werden gebruikt om functionele analyse doen in gedissocieerde voorbereidingen 7,10,11 met de eerder genoemde nadelen. Een intacte epitheel voorbereiding 5 van genetisch gelabelde muizen omzeilt daarom deze kwesties. Het laat de controle van de activiteit van OSNs uiten precies gedefinieerde ultraperifere regio's in een omgeving die zo dicht mogelijk bij in vivo mogelijk. Trouwens, patch-clamp opnames van OSNs ook mogelijk nauwkeurige analyse van de membraan eigenschappen, transductieroute farmacologie, ligand / of interacties. Al deze onderwerpen kunnen nauwelijks worden geanalyseerd met behulp van extracellulaire opnames. We gebruikten deze techniek om de reacties van OSNs uiting van de geurstof receptoren SR1 en MOR23 12,13 bewaken. De haalbaarheid van deze techniek werd bevestigd door andere groepen MOR23 expressie OSNs 14 alsmede andere UPR expressie neuronen 15,16. Het bewaken van een bepaalde populatie OSNs kan leiden tot de analyse van de eigenschappen in ander verband zoals de ontwikkeling 14, verouderen 17, geurstof geïnduceerde plasticiteit 18, en de rol van de wijzigingen van Type de geurstof receptor in geur codering 15. Dit protocol geeft dus een krachtig instrument om het toezicht op de functionele eigenschappen van gedefinieerde OSNs op het membraan niveau.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het vermogen van dit protocol om de eigenschappen van een gezonde OSNs correct monitoren sterk afhankelijk van de kwaliteit van de voorbereiding. Daarom zijn de dissectie stappen kritisch. Ten eerste is het essentieel om aandacht te besteden aan de kwaliteit (pH, osmolariteit), zuurstof en temperatuur (ijskoud maar niet ingevroren) van de dissectie medium. Ten tweede moet de manipulatie van het epitheel ontleden gereedschappen zo beperkt mogelijk schade te voorkomen. Tenslotte is het essentieel om een preparaat zo…
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
- Lowe, G., Gold, G. H. Nonlinear amplification by calcium-dependent chloride channels in olfactory receptor cells. Nature. 366 (6452), 283-286 (1993).
- 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).
- 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).
- Kaur, A., Dey, S. Live cell calcium imaging of dissociated vomeronasal neurons. Methods Mol Biol. 1068, 189-200 (2013).
- 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).
- Axel, R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition. Cell. 65 (1), 175-187 (1991).
- Bozza, T., Feinstein, P., Zheng, C. Odorant receptor expression defines functional units in the mouse olfactory system. J Neurosci. 22 (8), 3033-3043 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mombaerts, P. Genes and ligands for odorant, vomeronasal and taste receptors. Nat Rev Neurosci. 5 (4), 263-278 (2004).
- Grosmaitre, X., et al. SR1, a mouse odorant receptor with an unusually broad response profile. J Neurosci. 29 (46), 14545-14552 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cadiou, H., et al. Postnatal odorant exposure induces peripheral olfactory plasticity at the cellular level. J Neurosci. 34 (14), 4857-4870 (2014).
- Mombaerts, P. Axonal wiring in the mouse olfactory system. Annu Rev Cell Dev Biol. 22, 713-737 (2006).
- 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).
- Duchamp-Viret, P., Chaput, M. A. Odor response properties of rat olfactory receptor neurons. Science. 284 (5423), 2171-2174 (1999).
- 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).
- Pelosi, P. Perireceptor events in olfaction). J Neurobiol. 30 (1), 3-19 (1996).
- Spehr, M., Wetzel, C. H., Hatt, H. 3-phosphoinositides modulate cyclic nucleotide signaling in olfactory receptor neurons. Neuron. 33, 731-739 (2002).
- 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).
- 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).
- Ukhanov, K., Brunert, D., Corey, E. A. Phosphoinositide 3-kinase-dependent antagonism in mammalian olfactory receptor neurons. J Neurosci. 31 (1), 273-280 (2011).
