עיצוב וניתוח של התנהגות העדפת טמפרטורה והשעון הביולוגי שלה בדרוסופילה
Summary
לאחרונה זיהינו תפוקה צירקדית Drosophila הרומן, קצב העדפת טמפרטורה (TPR), שבו הטמפרטורה המועדפת זבובים עולה במהלך היום ויורד במהלך הלילה. TPR מוסדר באופן עצמאי מתפוקה צירקדית אחרת, פעילות לוקומוטורית. כאן אנו מתארים את העיצוב והניתוח של TPR בדרוסופילה.
Abstract
השעון הביולוגי מווסת היבטים רבים של החיים, כולל שינה, פעילות לוקומוטורית וטמפרטורת גוף (BTR) מקצבים1,2. לאחרונה זיהינו תפוקה צירקדית Drosophila הרומן, שנקרא קצב העדפת הטמפרטורה (TPR), שבו הטמפרטורה המועדפת זבובים עולה במהלך היום ויורד במהלך הלילה 3. באופן מפתיע, פעילות TPR ו לוקומוטור נשלטים באמצעות נוירונים צירקדיים מובהקים3. פעילות לוקומוטור Drosophila היא תפוקה התנהגותית צירקדית ידועה וסיפקה תרומות חזקות לגילוי גנים ומנגנוני שעון ביולוגיים שמורים רבים של יונקים4. לכן, הבנת TPR תוביל לזיהוי מנגנונים ביולוגיים מולקולריים ותאיים לא ידועים עד כה. כאן, אנו מתארים כיצד לבצע ולנתח את מבחני TPR. טכניקה זו לא רק מאפשרת לנתח את המנגנונים המולקולריים והנוירונים של TPR, אלא גם מספקת תובנות חדשות על המנגנונים הבסיסיים של תפקודי המוח המשלבים אותות סביבתיים שונים ומווסתים התנהגויות של בעלי חיים. יתר על כן, הנתונים שפורסמו לאחרונה שלנו מראים כי TPR לטוס מניות תכונות עם יונק BTR3. Drosophila הם ectotherms, שבו טמפרטורת הגוף מוסדר בדרך כלל התנהגותית. לכן, TPR היא אסטרטגיה המשמשת ליצירת טמפרטורת גוף קצבית בזבובים אלה5-8. אנו מאמינים כי חקירה נוספת של Drosophila TPR יקל על אפיון המנגנונים שבבסיס בקרת טמפרטורת הגוף בבעלי חיים.
Introduction
טמפרטורה היא רמז סביבתי בכל מקום. בעלי חיים מפגינים מגוון התנהגויות על מנת למנוע טמפרטורות מזיקות ולחפש טמפרטורות נוחות. Drosophila להפגין התנהגות העדפת טמפרטורה חזקה6,7. כאשר זבובים משתחררים לתוך שיפוע טמפרטורה מ 18-32 מעלות צלזיוס, הזבובים להימנע הן טמפרטורות חמות וקרות ולבסוף לבחור טמפרטורה מועדפת של 25 מעלות צלזיוס בבוקר3. חיישני הטמפרטורה החמים הם קבוצה של נוירונים תרמוסנסוריים, נוירונים AC, אשר מבטאים Drosophila פוטנציאל קולטן ארעי (TPR) ערוץ, TRPA16,9. חיישני הטמפרטורה הקרה ממוקמים בקטעי האנטנה השלישית, שכן בלימת מקטעי האנטנה השלישית גורמת לחוסר הימנעות טמפרטורה קרה6. לאחרונה, חלבון TRPP Brivido (Brv) זוהה10. מכיוון ש-Brv מתבטא בקטעי האנטנה השלישית ומתווך בזיהוי קר, Brv היא מולקולת חישה קרה אפשרית, שהיא קריטית להתנהגות העדפת הטמפרטורה. לסיכום, הזבובים משתמשים בשני חיישני טמפרטורה אלה כדי למנוע את הטמפרטורות החמות והקרות ולמצוא טמפרטורה מועדפת.
בעוד יונקים ליצור חום כדי לווסת את טמפרטורת הגוף שלהם, ectotherms בדרך כלל להתאים את טמפרטורות הגוף שלהם לטמפרטורתהסביבה 11. כמה ectotherms ידועים להפגין התנהגות TPR יומי אשר הוא האמין להיות אסטרטגיה עבור ectotherms לווסת BTR שלהם12. כדי לקבוע אם הזבובים הציגו TPR, חזרנו על ניתוח התנהגותי העדפת הטמפרטורה בנקודות שונות במהלך טווח של 24 שעות. מצאנו כי Drosophila התערוכה TPR יומי, אשר נמוך בבוקר וגבוה בערב ועוקב אחר דפוס דומה לזה של BTR בבני אדם13.
ב Drosophila, ישנם ~ 150 נוירונים שעון במוח. נוירוני השעון המווסתים את פעילות הלוקומוטור נקראים מתנדים M ו- E. עם זאת, מעניין, מתנדים M ו- E אינם מווסתים TPR, במקום זאת, הראינו כי נוירונים שעון DN2 במוח לווסת TPR אבל לא פעילות לוקומוטור. נתונים אלה מצביעים על כך ש- TPR מוסדר באופן עצמאי מפעילות לוקומוטור. יש לציין, BTR יונקים מוסדר גם באופן עצמאי מפעילות לוקומוטור. מחקרי אבלציה בחולדות מראים כי BTR נשלטת באמצעות נוירונים SCN ספציפיים כי היעד קבוצה שונה של נוירונים באזור subparaventricular מאלה השולטים פעילות לוקומוטור14. לכן, הנתונים שלנו בוחנים את האפשרות כי BTR יונקים TPR לטוס נשמרים מבחינה אבולוציונית3, שכן הן לטוס TPR ו BTR יונקים התערוכה ביולוגית שעונים תלויי טמפרטורה, אשר מוסדר באופן עצמאי מפעילות לוקומוטור.
כאן, אנו מתארים את הפרטים של איך לנתח את TPR מבחני התנהגות ב Drosophila. שיטה זו מאפשרת חקירה של לא רק המנגנון המולקולרי והמעגלים העצביים של TPR, אלא גם כיצד המוח משלב רמזים סביבתיים שונים ושעונים ביולוגיים פנימיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן, אנו ממחישים את הפרטים של מנגנון התנהגות העדפת הטמפרטורה וניתוח של התנהגות TPR. דרוזופילה מציגה את המאפיינים הבולטים, החזקים והניתנים לשחזור של TPR הנשלט על ידי השעון. עם זאת, הנתונים שלנו מראים כי לפחות שני גורמים, אור הסביבה וגיל, להפריע באופן משמעותי פנוטיפים התנהגותיים TPR.
<p class="…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לד”ר ארווינתן סמואל ומארק גרשו שעזרו לפתח את הגרסה הראשונית של המנגנון ההתנהגותי ומתיו באטי ששינה את המנגנון ההתנהגותי. מחקר זה נתמך על ידי נאמן גרנט מבית החולים לילדים בסינסינטי, JST / PRESTO, מרץ של דימס ו NIH R01 GM107582 כדי 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).
