Tek hücreli çözünürlük Floresans canlı görüntüleme Drosophila sirkadiyen saatler larva beyin kültür
Summary
Bu iletişim kuralının amacı ile uzun vadeli Floresans hızlandırılmış görüntüleme moleküler sirkadiyen ritimler izlemek için en iyi duruma getirilmiş ex vivo Drosophila larva beyin kültür kurmaktır. Bu yöntem uygulamaya farmakolojik deneyleri de ele alınmıştır.
Abstract
Sirkadiyen kalp pili devre gündüz/gece döngüsü gibi çevre yardımlar ile koordine ritmik davranış ve fizyolojik çıkış orchestrates. Her kalp pili nöron içinde moleküler saat sirkadiyen ritim ritmik nöronal işlevleri devre çalışması için gerekli altında yatan gen ekspresyonu oluşturur. Kalp pili nöronların farklı alt sınıfları içinde bireysel moleküler osilatörler ve nöronal sinyal ile etkileşimlerini özelliklerinin incelenmesi sirkadiyen kalp pili devre daha iyi bir anlayış verir. Burada, saat nöronların beynin kültürlü Drosophila larva moleküler saat izlemek için geliştirilen bir hızlandırılmış floresan mikroskopi yaklaşım mevcut. Bu yöntem, tek hücreli çözünürlükte genetik olarak kodlanmış floresan sirkadiyen gazetecilere ritimler çok günlük kaydı sağlar. Bu kurulum yakından moleküler saat gerçek zamanlı yanıt çeşitli bileşikler olarak analiz etmek için farmakolojik manipülasyonlar ile kombine edilebilir. Sirkadiyen ritim, çok amaçlı bu yöntem güçlü Drosophila genetik teknikleri ile birlikte canlı beyin dokusunun farklı nöronal veya moleküler işlemde çalışma imkanı sunmaktadır.
Introduction
Sirkadiyen saatler organizmaların dünya 24 h döndürme tarafından oluşturulan Periyodik çevresel değişikliklere uyum yardımcı. Hatırlayan translasyonel transkripsiyon geribesleme döngüsü yaygın tür1arasında moleküler makineler sirkadiyen saatler altında yatan. Sirkadiyen kalp pili devre oluşur saat içeren nöronlar entegre açık/koyu (LD) ve günlük bir bolluk ritimlerin yönetmek için sıcaklık döngüsü gibi çevre yardımlar ifade zaman günün bilgi fizyolojik ve davranışsal işlemleri2,3. Moleküler ritimleri nöronal girişleri ve çıkışları ile koordinasyon kritik sirkadiyen devre ama sadece kısmen anladım kalır çalışması için önemlidir.
Drosophilaiçinde moleküler saat özünde saat/döngüsü (CLK/CYC) heterodimerdir dönemi (başı), transkripsiyonu etkinleştirir ve zamansız (tim). BAŞINA ve TIM bir kompleks oluştururlar ve çekirdeği, nerede onlar transkripsiyon etkinlik CLK/CYC ve sonuç olarak kendi transkripsiyonu inhibe girin. Çoğu ve translasyon düzenlemeler CLK/CYC-aracılı transkripsiyon ve baskı başına arasında gecikmelere neden / TIM yaklaşık 24-h moleküler titreşimler1,3,4 nesil sağlanması, . Yaklaşık 150 nöronlar bu moleküler saat formu içeren bir devre yetişkin denetimi sirkadiyen davranışı için5uçar. Saat nöronların – 5 ventral yanal nöronlar (LNvs; 4 PDF-pozitif LNvs ve aşağıya bakın bir PDF-negatif LNv), 2 Dorsal nöron 1s (DN1s) ve 2 Dorsal nöron 2s (DN2s) – 3 grupları oluşan bir çok basit henüz tam olarak işlevsel sirkadiyen devre larva mevcuttur beyin6,7.
Basit larva sirkadiyen devre arası nöronal iletişim ve moleküler saat arasındaki etkileşimler eğitim için mükemmel bir model sunuyor. Hangi düzeyde protein ve hücre altı konumu başına taklit eder, yeni geliştirilen floresan muhabirimiz başına-TDT, kullanarak farklı saat nöron gruplarının larva sirkadiyen devre moleküler saat dinamikleri karakterize istedi 8. Ayrıca, peptit pigment Dispergatör faktörü (PDF) rolünün sirkadiyen ritim nöronal düzeyde9,10,11düzenlenmesinde 4 LNvs tarafından üretilen bilmek, biz doğrudan incelemek istedim Moleküler saatler PDF etkisi. Bu amaçla, biz sirkadiyen gen ekspresyonu ritimleri larva beyin olarak birden fazla gün içinde tarafından hızlandırılmış confocal mikroskopi explant izlemek için bir yöntem geliştirdi. Protokol ayrıca PDF ya da diğer bileşikler etkisi başına TDT düzeyinde test etmek farmakolojik deneyleri için uyarlanmıştır. Böylece, beyin explant kültür ilaç uygulama erişilebilir hale getirme, zamansal çözünürlük artırmak ve daha kısa bir süre için Imaging uyum oluşur.
Ex vivo kültür, Drosophila beyinlerinin farklı gelişim aşamalarında,-si olmak be daha önce kurulan12,13,14,15,16,17 ,18. Bu protokoller çeşitli biyolojik olayları görüntüleme için kullanılmış olan ise, bazıları tek hücreli çözünürlükte görüntüleme ile uyumlu olmayan veya kültür daha–dan birkaç saat için desteklemiyor. Moleküler ritimleri19,20,21 bioluminescence görüntüleme ve floresan görüntüleme sirkadiyen nöronların uzun vadeli canlı görüntüleme Drosophila içinde gerçekleştirmek için alternatif yöntemler içerir Kalsiyum göstergesi ile hafif levha mikroskobu22,23. Bioluminescence görüntüleme yüksek zamansal çözünürlük elde edebilirsiniz ve hafif levha mikroskobu vivo içinde görüntüleme için uyarlanabilir olabilir rağmen Uzaysal çözünürlük sınırlı olduğunu ve özel mikroskop sistemleri gerektirir.
Burada açıklanan yöntemi birden fazla gün içinde tüm beyin kültür tek hücreli çözünürlükte floresan sinyallerini görselleştirmek için hazırlanmıştır. Bu facile ve çok yönlü yöntemi kültürlü görüntü yetişkin sinek beyin için ve pek çok farklı sorun Drosophila Nörobiyoloji yılında çalışmaya farmakolojik deneyler için adapte olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada biz kültürlü larva beyin uzun vadeli Floresans hızlandırılmış mikroskopi yöntemi nitelendirdi. Beyin explant, floresan yoğunluğu ve sinyal-gürültü oranı gazeteci, zamansal ve mekansal çözünürlüğü, immobilizasyon için yöntem Multipl faktörler, kültür, sağlık gibi bu tür deneyler başarısı bağlıdır ve erişilebilirlik için explant. Bu faktörler dışlayan olabilir. Örneğin, hızlandırılmış sıklığı artan kültür sağlık etkiler ve beyin explant immobilizasyon gaz deği…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu yöntem geliştirme başlangıç aşamasında destek ve Michael Rosbash onun rehberlik için teşekkür ederiz. Bu eser JST PRESTO program tarafından İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (31003A_149893 ve 31003A_169548), Avrupa Araştırma Konseyi (ERC-StG-311194), Novartis Vakfı tıp Biyomedikal Araştırma (13A39) ve Cenevre Üniversitesi finanse edildi .
Materials
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | I am not sure they are exactly the same ones we have in the lab. I chose "suitable for insect cell culture" whenever available |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| MgSO4.7H2O | Sigma-Aldrich | 230391 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S5886 | |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| D-(+) Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
| Yeast extract | Sigma-Aldrich | Y1000 | |
| Insulin | Sigma-Aldrich | I0516-5ML | |
| Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333 | |
| BIS-TRIS | Sigma-Aldrich | B4429 | |
| L-(−)-Malic acid | Sigma-Aldrich | M7397 | |
| D-(+)-Trehalose dihydrate | Sigma-Aldrich | T0167 | |
| Succinic acid | Sigma-Aldrich | S9512 | |
| Fumaric acid | Sigma-Aldrich | F8509 | |
| α-Ketoglutaric acid | Sigma-Aldrich | K1128 | |
| Non-heat-inactivated, Foetal Calf Serum (FCS) Mycoplasma and Virus screened | BioConcept Ltd. Amimed | 2-01F30-I | |
| HEPES-KOH, pH 7.4 | E&K Scientific Products | EK-654011 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P5405 | |
| NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S5011 | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| Fibrinogen from bovine plasma | Calbiochem (Merck) | 341573-1GM | CAUTION: Harmful by inhalation, in contact with skin and if swallowed. Manipulate under laminar flow |
| Thrombin from bovine plasma | Sigma-Aldrich | T9549 | CAUTION: Health Hazard, use gloves |
| PDF, NH2-NSELINSLLSLPKNMNDA-OH | Chi Scientific | custom made | |
| Vaccum grease | Sigma-Aldrich | 18405 | |
| 35 mm Dish, No. 1.5 Coverslip, 20 mm Glass Diameter, Uncoated | MatTek | P35G-1.5-20-C | |
| Corning Falcon Easy-Grip Tissue Culture Dishes | fisherscientific | 08-772A | |
| Sterile 500 mL Steritop-GP 33 mm threaded bottle top filter, 0.22 μm | Millipore | SCGPS05RE | |
| Polytetrafluoroethylene (PTFE) film | Dupont | 200A Teflon FEP Film | |
| Millex-HV Syringe Filter Unit, 0.45 µm, PVDF, 33 mm, gamma sterilized | Millipore | SLHV033RS | |
| Millex-GV Syringe Filter Unit, 0.22 µm, PVDF, 33 mm, gamma sterilized | Millipore | SLGV033RS | |
| Three-well glass dissection dish | Any company | ||
| Fine forceps, size 5, Dumont | Fine Science Tools | 11254-20 | |
| Tandem scanner inverted TCS SP5 confocal microscope, with resonant scanner and HyD photo-multiplier detectors | Leica microsystem CMS GmbH | ||
| Temperature control chamber | Life Imaging Services | The CUBE & BOX temperature control system, custom designed | |
| Stage-top humidity controller | Life Imaging Services | custom made | |
| Water Immersion Micro Dispenser: dispenser, extended micro-pump MP6 series and Autoimmersion Objective Controller software | Leica microsystem CMS GmbH | ||
| SUM-stack creation and 3D correction drift plugin | ImageJ software | ||
| 10x iterative deconvolution | AutoQuant and Imaris software |
References
- Sheeba, V., Kaneko, M., Sharma, V. K., Holmes, T. C. The Drosophila circadian pacemaker circuit: Pas De Deux or Tarantella?. Crit Rev Biochem Mol Biol. 43 (1), 37-61 (2008).
- Granados-Fuentes, D., Herzog, E. D. The clock shop: coupled circadian oscillators. Exp Neurol. 243, 21-27 (2013).
- Zhang, Y., Emery, P. Chapter 15 – Molecular and neural control of insects circadian rhythms. Insect molecular biology and biochemistry. , 513-551 (2012).
- Hardin, P. E. Molecular genetic analysis of circadian timekeeping in Drosophila. Adv Genet. 74, 141-173 (2011).
- Yoshii, T., Rieger, D., Helfrich-Forster, C. Two clocks in the brain: an update of the morning and evening oscillator model in Drosophila. Prog Brain Res. 199, 59-82 (2012).
- Malpel, S., Klarsfeld, A., Rouyer, F. Circadian synchronization and rhythmicity in larval photoperception-defective mutants of Drosophila. J Biol Rhythms. 19 (1), 10-21 (2004).
- Mazzoni, E. O., Desplan, C., Blau, J. Circadian pacemaker neurons transmit and modulate visual information to control a rapid behavioral response. Neuron. 45 (2), 293-300 (2005).
- Sabado, V., Vienne, L., Nunes, J. M., Rosbash, M., Nagoshi, E. Fluorescence circadian imaging reveals a PDF-dependent transcriptional regulation of the Drosophila molecular clock. Sci Rep. 7, 41560 (2017).
- Hyun, S., et al. Drosophila GPCR Han is a receptor for the circadian clock neuropeptide PDF. Neuron. 48 (2), 267-278 (2005).
- Lear, B. C., et al. A G protein-coupled receptor, groom-of-PDF, is required for PDF neuron action in circadian behavior. Neuron. 48 (2), 221-227 (2005).
- Mertens, I., et al. PDF receptor signaling in Drosophila contributes to both circadian and geotactic behaviors. Neuron. 48 (2), 213-219 (2005).
- Ayaz, D., et al. Axonal injury and regeneration in the adult brain of Drosophila. J Neurosci. 28 (23), 6010-6021 (2008).
- Prithviraj, R., Trunova, S., Giniger, E. Ex vivo culturing of whole, developing Drosophila brains. J Vis Exp. (65), (2012).
- Siller, K. H., Serr, M., Steward, R., Hays, T. S., Doe, C. Q. Live imaging of Drosophila brain neuroblasts reveals a role for Lis1/dynactin in spindle assembly and mitotic checkpoint control. Mol Biol Cell. 16 (11), 5127-5140 (2005).
- Zschatzsch, M., et al. Regulation of branching dynamics by axon-intrinsic asymmetries in Tyrosine Kinase Receptor signaling. Elife. 3, e01699 (2014).
- Cabernard, C., Doe, C. Q. Live imaging of neuroblast lineages within intact larval brains in Drosophila. Cold Spring Harb Protoc. 2013 (10), 970-977 (2013).
- Januschke, J., Gonzalez, C. The interphase microtubule aster is a determinant of asymmetric division orientation in Drosophila neuroblasts. The Journal of Cell Biology. 188 (5), 693-706 (2010).
- Williamson, W. R., Hiesinger, P. R. Preparation of developing and adult Drosophila brains and retinae for live imaging. J Vis Exp. (37), (2010).
- Roberts, L., et al. Light evokes rapid circadian network oscillator desynchrony followed by gradual phase retuning of synchrony. Curr Biol. 25 (7), 858-867 (2015).
- Sehadova, H., et al. Temperature entrainment of Drosophila’s circadian clock involves the gene nocte and signaling from peripheral sensory tissues to the brain. Neuron. 64 (2), 251-266 (2009).
- Sellix, M. T., Currie, J., Menaker, M., Wijnen, H. Fluorescence/luminescence circadian imaging of complex tissues at single-cell resolution. J Biol Rhythms. 25 (3), 228-232 (2010).
- Liang, X., Holy, T. E., Taghert, P. H. Synchronous Drosophila circadian pacemakers display nonsynchronous Ca(2)(+) rhythms in vivo. Science. 351 (6276), 976-981 (2016).
- Liang, X., Holy, T. E., Taghert, P. H. A Series of Suppressive Signals within the Drosophila Circadian Neural Circuit Generates Sequential Daily Outputs. Neuron. , (2017).
- Kuppers-Munther, B., et al. A new culturing strategy optimises Drosophila primary cell cultures for structural and functional analyses. Dev Biol. 269 (2), 459-478 (2004).
- Schneider, I. Differentiation of Larval Drosophila Eye-Antennal Discs in Vitro. J Exp Zool. 156, 91-103 (1964).
- Jiang, S. A., Campusano, J. M., Su, H., O’Dowd, D. K. Drosophila mushroom body Kenyon cells generate spontaneous calcium transients mediated by PLTX-sensitive calcium channels. J Neurophysiol. 94 (1), 491-500 (2005).
- Hafer, N., Schedl, P. Dissection of larval CNS in Drosophila melanogaster. J Vis Exp. (1), e85 (2006).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Rabinovich, D., Mayseless, O., Schuldiner, O. Long term ex vivo culturing of Drosophila brain as a method to live image pupal brains: insights into the cellular mechanisms of neuronal remodeling. Front Cell Neurosci. 9, 327 (2015).
- Forer, A., Pickett-Heaps, J. Fibrin clots keep non-adhering living cells in place on glass for perfusion or fixation. Cell Biol Int. 29 (9), 721-730 (2005).
- Forer, A., Pickett-Heaps, J. D. Cytochalasin D and latrunculin affect chromosome behaviour during meiosis in crane-fly spermatocytes. Chromosome Res. 6 (7), 533-549 (1998).
- Lukinavičius, G., et al. SiR-Hoechst is a far-red DNA stain for live-cell nanoscopy. Nature Communications. 6, 8497 (2015).
- Medioni, C., Ephrussi, A., Besse, F. Live imaging of axonal transport in Drosophila pupal brain explants. Nat Protoc. 10 (4), 574-584 (2015).
- Enoki, R., Ono, D., Hasan, M. T., Honma, S., Honma, K. Single-cell resolution fluorescence imaging of circadian rhythms detected with a Nipkow spinning disk confocal system. J Neurosci Methods. 207 (1), 72-79 (2012).
- Ozel, M. N., Langen, M., Hassan, B. A., Hiesinger, P. R. Filopodial dynamics and growth cone stabilization in Drosophila visual circuit development. Elife. 4, (2015).
- Yao, Z., Macara, A. M., Lelito, K. R., Minosyan, T. Y., Shafer, O. T. Analysis of functional neuronal connectivity in the Drosophila brain. J Neurophysiol. 108 (2), 684-696 (2012).
