Diseño y Análisis Del Comportamiento De Preferencia De Temperatura Y Su Ritmo Circadiano En Drosophila
Summary
Recientemente se identificó una nueva producción circadiana de Drosophila, ritmo de preferencia de temperatura (TPR), en el que la temperatura preferida en moscas se eleva durante el día y cae durante la noche. TPR se regula independientemente de otra salida circadiana, actividad locomotriz. Aquí describimos el diseño y análisis de TPR en Drosophila.
Abstract
El reloj circadiano regula muchos aspectos de la vida, incluyendo el sueño, la actividad locomotriz y los ritmos de temperatura corporal (BTR)1,2. Recientemente hemos identificado una nueva producción circadiana de Drosophila, llamada ritmo de preferencia de temperatura (TPR), en la que la temperatura preferida en moscas sube durante el día y desciende durante la noche 3. Sorprendentemente, la TPR y la actividad locomotriz se controlan a través de distintas neuronas circadianas3. La actividad locomotriz de Drosophila es una salida de comportamiento circadiana bien conocida y ha proporcionado fuertes contribuciones al descubrimiento de muchos genes y mecanismos conservados del reloj circadiano de mamíferos4. Por lo tanto, la comprensión de TPR llevará a la identificación de mecanismos circadianos moleculares y celulares hasta ahora desconocidos. Aquí, describimos cómo realizar y analizar el ensayo TPR. Esta técnica no solo permite diseccionar los mecanismos moleculares y neuronales de la TPR, sino que también proporciona nuevos conocimientos sobre los mecanismos fundamentales de las funciones cerebrales que integran diferentes señales ambientales y regulan los comportamientos de los animales. Además, nuestros datos publicados recientemente sugieren que la mosca TPR comparte características con el mamífero BTR3. Drosophila son ectotherms, en los cuales la temperatura del cuerpo se regula típicamente comportamiento. Por lo tanto, TPR es una estrategia utilizada para generar una temperatura corporal rítmica en estas moscas5-8. Creemos que la exploración adicional de Drosophila TPR facilitará la caracterización de los mecanismos subyacentes al control de la temperatura corporal en animales.
Introduction
La temperatura es una señal ambiental ubicua. Los animales exhiben una variedad de comportamientos con el fin de evitar temperaturas dañinas y buscar temperaturas cómodas. Drosophila exhibe un comportamiento robusto de la preferencia de la temperatura6,7. Cuando las moscas se liberan en un gradiente de temperatura de 18-32 °C, las moscas evitan las temperaturas cálidas y frías y finalmente eligen una temperatura preferida de 25 °C por la mañana3. Los sensores de temperatura cálida son un conjunto de neuronas termosensoriales, neuronas AC, que expresan el potencial del receptor transitorio de Drosophila (TPR) canal, TRPA16,9. Los sensores de temperatura fría están situados en los segmentos de la 3ª antena, ya que la ablación de los segmentos de la 3ª antena provoca la falta de evitación de la temperatura fría6. Recientemente, se identificó la proteína TRPP Brivido (Brv)10. Dado que Brv se expresa en los segmentos de la 3ª antena y media la detección de frío, Brv es una posible molécula de detección de frío, que es crítica para el comportamiento de preferencia de temperatura. En resumen, las moscas utilizan estos dos sensores de temperatura para evitar las temperaturas cálidas y frías y encontrar una temperatura preferida.
Mientras que los mamíferos generan calor para regular su temperatura corporal, los ectotermos generalmente adaptan su temperatura corporal a la temperatura ambiente11. Algunos ectotherms se saben para exhibir un comportamiento diario de TPR que se cree para ser una estrategia para que los ectotherms regulen su BTR12. Para determinar si las moscas exhibieron TPR, repetimos el análisis del comportamiento de la preferencia de la temperatura en los varios puntos durante un palmo de 24 horas. Encontramos que Drosophila exhibe un TPR diario, que es bajo por la mañana y alto por la noche y sigue un patrón similar al de BTR en humanos13.
En Drosophila,hay ~ 150 neuronas del reloj en el cerebro. Las neuronas del reloj que regulan la actividad locomotriz se llaman osciladores M y E. Sin embargo, curiosamente, los osciladores M y E no regulan la TPR, en su lugar, mostramos que las neuronas de reloj DN2 en el cerebro regulan la TPR pero no la actividad locomotriz. Estos datos indican que TPR está regulado independientemente de actividad locomotriz. Notablemente, el BTR de mamíferos también está regulado independientemente de la actividad locomotriz. Los estudios de ablación en ratas muestran que la BTR se controla a través de neuronas SCN específicas que se dirigen a un subconjunto diferente de neuronas de la zona subparaventricular que las que controlan la actividad locomotriz14. Por lo tanto, nuestros datos consideran la posibilidad de que el BTR mamífero y la mosca TPR se conservan evolutivamente3, ya que tanto la mosca TPR y mamífero BTR exhiben ritmos de temperatura circadianos dependientes del reloj, que se regulan independientemente de la actividad locomotora.
Aquí, describimos los detalles de cómo analizar el ensayo de comportamiento TPR en Drosophila. Este método permite la investigación no sólo del mecanismo molecular y los circuitos neuronales de TPR, sino también de cómo el cerebro integra diversas señales ambientales y relojes biológicos internos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aquí, ilustramos los detalles del aparato de comportamiento de preferencia de temperatura y el análisis del comportamiento de TPR. Drosophila exhiben las características salientes, robustas, y reproducibles de TPR reloj-controlado. Sin embargo, nuestros datos sugieren que por lo menos dos factores, luz ambiente y edad, disturben perceptiblemente los fenotipos del comportamiento de TPR.
Observamos que la luz afecta significativamente la preferencia de temperatura en Drosophila.<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Estamos agradecidos a los Doctores Aravinthan Samuel y Marc Gershow que ayudaron a desarrollar la versión inicial del aparato conductual y a Matthew Batie que modificó el aparato conductual. Esta investigación fue apoyada por Trustee Grant del Cincinnati Children’s Hospital, JST/PRESTO, March of Dimes y NIH R01 GM107582 a 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).
