Summary

Dextran Mærkning og optagelse i levende og funktionelle Murine Cochlear hårceller

Published: February 08, 2020
doi:

Summary

Her præsenterer vi en metode til visualisering af udbredelsen af 3 kDa Texas Rød-mærket dextran i auditive hårceller med funktionelle mechanotransduction kanaler. Desuden kan dextrans af 3-10 kDa bruges til at studere endocytose i hår og støtte celler i orglet corti.

Abstract

Hårcellemechanotransduction (MET) kanal spiller en vigtig rolle i hørelsen. Den molekylære identitet og de strukturelle oplysninger om markedsøkonomisk behandling er dog fortsat ukendt. Elektrofysiologiske undersøgelser af hårceller viste, at MET-kanalen har en stor ledningsevne og er gennemtrængelig for relativt store fluorescerende kationiske molekyler, herunder nogle styrylfarvestoffer og Texas Rød-mærket aminoglycoside antibiotika. I denne protokol beskriver vi en metode til at visualisere og evaluere udbredelsen af fluorescerende dextrans i hårceller i orglet i Corti explants, der kan bruges til at assay for funktionelle MET kanaler. Vi fandt, at 3 kDa Texas Rød-mærket dextran specifikt etiketter funktionelle auditive hårceller efter 1-2 h inkubation. Især 3 kDa dextran etiketter de to kortere stereocilia rækker og ophobes i cellekroppen i et diffust mønster, når funktionelle MET kanaler er til stede. En yderligere vesicle-lignende mønster af mærkning blev observeret i cellekroppen af hårceller og omkringliggende støtteceller. Vores data tyder på, at 3 kDa Texas-Red dextran kan bruges til at visualisere og studere to veje til cellulære farvestof optagelse; en hårcellespecifik indgangsrute gennem funktionelle MET-kanaler og endocytose, et mønster, der også er tilgængeligt for større dextran.

Introduction

Hårcellerne i det indre øre er de sensoriske celler, der registrerer lyd og skjulte de mekanisk stimuli i elektriske signaler, som i sidste ende fortolkes af vores hjerne. Disse celler har en trappe-formet bundt af tre rækker af actin-baserede filamenter, kendt som stereocilia, som stikker ud fra deres apical region1,2. De mekaniske stimuli afleder stereocilia-glødetrådene mod den længste række og udløser åbningen af mechanotransduction (MET)kanaler3. Åbningen af MET-kanalerne fører til en tilstrømning af kationer, der depolariserer cellen og dermed signalerer frigivelsen af synapse vesikler på de basale region af hårcelle.

De biofysiske egenskaber af MET kanal afgørende for hørelse naster. Disse kanaler er bl.a. Bemærkelsesværdigt, store fluorescerende molekyler såsom FM1-43 og Texas Rød-mærket aminoglycosides er permeant blokkere af MET kanal, hvilket resulterer i deres ophobning i hårcellekroppen, der kan visualiseres ved hjælp af fluorescens mikroskopi11,12,13,14. Omvendt er den molekylære identitet og strukturen af MET-kanalen og dens gennemtrængelsesvej forblevet undvigende. Stigende eksperimentelle beviser viser , at transmembrane-lignende kanal protein 1 (TMC1) er en del af MET kanal i modne hårceller15,16,17,18,19. Mutationer i transmembrane-lignende kanal 1 (TMC1) ændre MET kanal egenskaber19,20,21,22 og forårsage døvhed. Desuden lokaliserer TMC1 til det sted, hvor MET kanal18,23 og interagerer med tip-link ansvarlig for at overføre den mekaniske kraft til MET kanal24,25. Desuden har de seneste bioinformatik analyse identificeret TMC proteiner som evolutionære relateret til mechanosensitive kanaler TMEM63/OSCA proteiner og TMEM16 proteiner, en familie af calcium-aktiverede chlorid kanaler og lipid scramblases26,27,28. En strukturel model af TMC1 baseret på forholdet mellem disse proteiner afslørede tilstedeværelsen af et stort hulrum på protein-lipid interface27. Dette hulrum huser de to TMC1 mutationer, der forårsager autosomal dominerende høretab (DFNA36)27,29,30,31,32, og selektiv ændring af cystein mutanter for rester i hulrummet ændre MET kanal egenskaber28, hvilket indikerer, at det kunne fungere som gennemfarvning vej met kanal. Den store størrelse af denne forudsagte hulrum i TMC proteiner kunne forklare evnen af store molekyler til at gennemsyre MET kanal. For at teste forudsigelsen om, at MET-kanalen indeholder en usædvanlig stor gennemtrængelsesvej og for at skubbe grænserne for størrelsen af hulrummet observeret i TMC1, udviklede vi en protokol til at udføre optagelseeksperimenter i Corti-explants organ med et større molekyle, 3 kDa dextran fluorescerende mærket med Texas Red.

Dextran er en kompleks forgrenet polysaccharid består af mange D-glukose molekyler bundet af alfa-1,6 glycosidiske forbindelser. Dens høje opløselighed i vand, lav celle toksicitet, og bioinertity gør det til et alsidigt værktøj til at studere flere cellulære processer. Desuden er dextran fås i en bred vifte af størrelser og fluorescerende mærket med fluorophores i flere farver. Fluorescerende mærket dextrans er almindeligt anvendt i celle og væv permeabilitet forskning33,34, at studere endocytose i flere cellulære systemer35,36, og for neurale sporing37,38. På det auditive område er dextranmolekyler også blevet brugt til at vurdere afbrydelsen af cellecellekrydset og tabet af den auditive sensoriske epitelintegritet efter udsættelse for intens støj i chinchillaorgelet i Corti39,40.

I dette arbejde udnyttede vi egenskaberne for nogle af de mindste (3 og 10 kDa) fluorescerende dextrans til at udføre optagelsesforsøg i murine indre ørehårceller og udforske størrelsen af permeationsvejen for den indre ørehårscelle MET-kanal. Derudover brugte vi en laser-scanning konfokale mikroskop (LSM) 880 udstyret med en Airyscan detektor til at visualisere og lokalisere fluorescerende dextran på stereocilia og cellekroppen af auditive hårceller.

Protocol

Dyrepleje- og forsøgsprocedurerne blev udført i følger retningslinjerne for pleje og anvendelse af laboratoriedyr, som blev godkendt af Animal Care and Use Committee fra National Institute of Neurological Disorders and Stroke (Animal protocol #1336 til KJS). 1. Mus Indstil et par ynglende par C57BL/6J vildtype til at yngle i dyreanlægget for at kontrollere datoen for nedløbets fødsel og holde styr på hvalpenes alder. 2. Cochleae Dissektion <…

Representative Results

Vi observerede robust og specifik mærkning af hårceller efter 2 h inkubation af orglet af Corti explants fra vilde-type postnatal-dag-6 (P6) mus med 3 kDa dextran fluorescerende mærket med Texas Red (dextran-TR)(Figur 2A-B). Dextran mærkning blev observeret i både indre og ydre hårceller (IHC og OHC) på basale, midterste og apiske regioner af orglet Corti(Figur 2B). Fluorescerende mærket phall…

Discussion

Denne protokol beskriver, hvordan man udfører optagelse eksperimenter i murine organ Corti explants med 3 kDa dextran Texas Red. Formålet med denne metode er at teste, om molekyler større end andre tidligere testede var også i stand til specifikt at mærke auditive hårceller og gennemsyre gennem MET kanal. Lignende eksperimentelle protokoller er tidligere blevet brugt til at vurdere gennemtrængeligheden af hårceller til andre fluorescerende farvestoffer såsom FM1-43 (0,56 kDa)12,</sup…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Vincent Schram fra NICHD mikroskopi og billeddannelse kerne for at bistå i konfokale billede erhvervelse, og Tsg-Hui Chang for uvurderlig hjælp med koloniforvaltning og mus pleje. Denne forskning blev støttet af Intramural Research Program af NINDS, NIH, Bethesda, MD, til KJA A.B. blev støttet af Intramural Research Program af NINDS, NIH, og af en Robert Wenthold Postdoctoral Fellowship fra intramural forskningsprogram af NIDCD.

Materials

#1.5 glass coverslips 18mm Warner Instruments 64-0714
Alexa Fluor 488 Phalloidin ThermoFisher A12379
Alexa Fluor 594 Phalloidin ThermoFisher A12381
alpha Plan-Apochromat 63X/1.4 Oil Corr M27 objective Carl Zeiss 420780-9970-000
Amiloride hydrochloride EMD MILLIPORE 129876
Benchwaver 3-dimensional Rocker Benchmarks scientific B3D5000
C57BL/6J wild-type mice strain 000664 The Jackson Laboratory
Cell impermeant BAPTA tetrapotassium salt ThermoFisher B1204
Dextran, Fluorescein, 10,000 MW, Anionic, Lysine Fixable ThermoFisher D1820
Dextran, Texas Red, 10,000 MW, Lysine Fixable ThermoFisher D1863
Dextran, Texas Red, 3000 MW, Lysine Fixable ThermoFisher D3328
Formaldehyde Aqueous Solution EM Grade Electron microscopy science 15710
HBSS, calcium, magnesium, no phenol red ThermoFisher 14025
HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red ThermoFisher 14170
Image J or FIJI NIH http://fiji.sc/
Immersol 518F oil immersion media Carl Zeiss 444970-9000-000
Leibovitz's L-15 Medium, GlutaMAX Supplement ThermoFisher 31415029
neomycin trisulfate salt hydrate Sigma N6386
PBS (10X), pH 7.4 ThermoFisher 70011069
Phalloidin-CF405M Biotium 00034
ProLong Diamond antifade mounting media ThermoFisher P36970
superfrost plus microscope slide Fisherbrand 22-037-246
Triton X-100 Sigma T8787
Zen Black 2.3 SP1 software Carl Zeiss https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/microscope-software/zen.html

References

  1. Furness, D. N., Hackney, C. M. . The Structure and Composition of the Stereociliary Bundle of Vertebrate Hair Cells. , (2006).
  2. Barr-Gillespie, P. G. Assembly of hair bundles, an amazing problem for cell biology. Molecular Biology of the Cell. 26 (15), 2727-2732 (2015).
  3. Shotwell, S. L., Jacobs, R., Hudspeth, A. J. Directional sensitivity of individual vertebrate hair cells to controlled deflection of their hair bundles. Annals of the New York Academy of Sciences. 374, 1-10 (1981).
  4. Fettiplace, R., Kim, K. X. The physiology of mechanoelectrical transduction channels in hearing. Physiological Reviews. 94 (3), 951-986 (2014).
  5. Fettiplace, R. Hair Cell Transduction, Tuning, and Synaptic Transmission in the Mammalian Cochlea. Comprehensive Physiology. 7 (4), 1197-1227 (2017).
  6. Corey, D. P., Hudspeth, A. J. Ionic basis of the receptor potential in a vertebrate hair cell. Nature. 281 (5733), 675-677 (1979).
  7. Beurg, M., Evans, M. G., Hackney, C. M., Fettiplace, R. A large-conductance calcium-selective mechanotransducer channel in mammalian cochlear hair cells. The Journal of Neuroscience. 26 (43), 10992-11000 (2006).
  8. Geleoc, G. S., Lennan, G. W., Richardson, G. P., Kros, C. J. A quantitative comparison of mechanoelectrical transduction in vestibular and auditory hair cells of neonatal mice. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 264 (1381), 611-621 (1997).
  9. Kros, C. J., Rusch, A., Richardson, G. P. Mechano-electrical transducer currents in hair cells of the cultured neonatal mouse cochlea. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 249 (1325), 185-193 (1992).
  10. Ohmori, H. Mechano-electrical transduction currents in isolated vestibular hair cells of the chick. The Journal of Physiology. 359, 189-217 (1985).
  11. Gale, J. E., Marcotti, W., Kennedy, H. J., Kros, C. J., Richardson, G. P. FM1-43 dye behaves as a permeant blocker of the hair-cell mechanotransducer channel. The Journal of Neuroscience. 21 (18), 7013-7025 (2001).
  12. Lelli, A., Asai, Y., Forge, A., Holt, J. R., Geleoc, G. S. Tonotopic gradient in the developmental acquisition of sensory transduction in outer hair cells of the mouse cochlea. Journal of Neurophysiology. 101 (6), 2961-2973 (2009).
  13. Alharazneh, A., et al. Functional hair cell mechanotransducer channels are required for aminoglycoside ototoxicity. PLoS One. 6 (7), 22347 (2011).
  14. Marcotti, W., van Netten, S. M., Kros, C. J. The aminoglycoside antibiotic dihydrostreptomycin rapidly enters mouse outer hair cells through the mechano-electrical transducer channels. The Journal of Physiology. 567, 505-521 (2005).
  15. Corns, L. F., Jeng, J. Y., Richardson, G. P., Kros, C. J., Marcotti, W. TMC2 Modifies Permeation Properties of the Mechanoelectrical Transducer Channel in Early Postnatal Mouse Cochlear Outer Hair Cells. Frontiers in Molecular Neuroscience. 10, 326 (2017).
  16. Kawashima, Y., Kurima, K., Pan, B., Griffith, A. J., Holt, J. R. Transmembrane channel-like (TMC) genes are required for auditory and vestibular mechanosensation. Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 467 (1), 85-94 (2015).
  17. Kim, K. X., Fettiplace, R. Developmental changes in the cochlear hair cell mechanotransducer channel and their regulation by transmembrane channel-like proteins. The Journal of General Physiology. 141 (1), 141-148 (2013).
  18. Kurima, K., et al. TMC1 and TMC2 Localize at the Site of Mechanotransduction in Mammalian Inner Ear Hair Cell Stereocilia. Cell Reports. 12 (10), 1606-1617 (2015).
  19. Pan, B., et al. TMC1 and TMC2 are components of the mechanotransduction channel in hair cells of the mammalian inner ear. Neuron. 79 (3), 504-515 (2013).
  20. Kawashima, Y., et al. Mechanotransduction in mouse inner ear hair cells requires transmembrane channel-like genes. Journal of Clinical Investigation. 121 (12), 4796-4809 (2011).
  21. Beurg, M., Goldring, A. C., Fettiplace, R. The effects of Tmc1 Beethoven mutation on mechanotransducer channel function in cochlear hair cells. The Journal of General Physiology. 146 (3), 233-243 (2015).
  22. Corns, L. F., Johnson, S. L., Kros, C. J., Marcotti, W. Tmc1 Point Mutation Affects Ca2+ Sensitivity and Block by Dihydrostreptomycin of the Mechanoelectrical Transducer Current of Mouse Outer Hair Cells. The Journal of Neuroscience. 36 (2), 336-349 (2016).
  23. Beurg, M., Fettiplace, R., Nam, J. H., Ricci, A. J. Localization of inner hair cell mechanotransducer channels using high-speed calcium imaging. Nature Neuroscience. 12 (5), 553-558 (2009).
  24. Maeda, R., et al. Tip-link protein protocadherin 15 interacts with transmembrane channel-like proteins TMC1 and TMC2. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (35), 12907-12912 (2014).
  25. Assad, J. A., Shepherd, G. M., Corey, D. P. Tip-link integrity and mechanical transduction in vertebrate hair cells. Neuron. 7 (6), 985-994 (1991).
  26. Medrano-Soto, A., et al. Bioinformatic characterization of the Anoctamin Superfamily of Ca2+-activated ion channels and lipid scramblases. PLoS One. 13 (3), 0192851 (2018).
  27. Ballesteros, A., Fenollar-Ferrer, C., Swartz, K. J. Structural relationship between the putative hair cell mechanotransduction channel TMC1 and TMEM16 proteins. Elife. 7, (2018).
  28. Pan, B., et al. TMC1 Forms the Pore of Mechanosensory Transduction Channels in Vertebrate Inner Ear Hair Cells. Neuron. 99 (4), 736-753 (2018).
  29. Kitajiri, S., Makishima, T., Friedman, T. B., Griffith, A. J. A novel mutation at the DFNA36 hearing loss locus reveals a critical function and potential genotype-phenotype correlation for amino acid-572 of TMC1. Clinical Genetics. 71 (2), 148-152 (2007).
  30. Makishima, T., Kurima, K., Brewer, C. C., Griffith, A. J. Early onset and rapid progression of dominant nonsyndromic DFNA36 hearing loss. Otology & Neurotology. 25 (5), 714-719 (2004).
  31. Noguchi, Y., et al. Multiple quantitative trait loci modify cochlear hair cell degeneration in the Beethoven (Tmc1Bth) mouse model of progressive hearing loss DFNA36. Genetics. 173 (4), 2111-2119 (2006).
  32. Vreugde, S., et al. Beethoven, a mouse model for dominant, progressive hearing loss DFNA36. Nature Genetics. 30 (3), 257-258 (2002).
  33. Hulstrom, D., Svensjo, E. Intravital and electron microscopic study of bradykinin-induced vascular permeability changes using FITC-dextran as a tracer. The Journal of Pathology. 129 (3), 125-133 (1979).
  34. Mayhan, W. G., Heistad, D. D. Permeability of blood-brain barrier to various sized molecules. American Journal of Physiology. 248 (5), 712-718 (1985).
  35. Makarow, M. Endocytosis in Saccharomyces cerevisiae: internalization of alpha-amylase and fluorescent dextran into cells. The EMBO Journal. 4 (7), 1861-1866 (1985).
  36. Clayton, E. L., Cousin, M. A. Quantitative monitoring of activity-dependent bulk endocytosis of synaptic vesicle membrane by fluorescent dextran imaging. Journal of Neuroscience Methods. 185 (1), 76-81 (2009).
  37. Allman, B. L., Keniston, L. P., Meredith, M. A. Adult deafness induces somatosensory conversion of ferret auditory cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (14), 5925-5930 (2009).
  38. Warr, W. B., Boche, J. B., Neely, S. T. Efferent innervation of the inner hair cell region: origins and terminations of two lateral olivocochlear systems. Hearing Research. 108 (1-2), 89-111 (1997).
  39. Hu, B. H., Zheng, G. L. Membrane disruption: an early event of hair cell apoptosis induced by exposure to intense noise. Brain Research. 1239, 107-118 (2008).
  40. Zheng, G., Hu, B. H. Cell-cell junctions: a target of acoustic overstimulation in the sensory epithelium of the cochlea. BMC Neuroscience. 13, 71 (2012).
  41. Beurg, M., Nam, J. H., Chen, Q., Fettiplace, R. Calcium balance and mechanotransduction in rat cochlear hair cells. Journal of Neurophysiology. 104 (1), 18-34 (2010).
  42. Johnson, S. L., Beurg, M., Marcotti, W., Fettiplace, R. Prestin-driven cochlear amplification is not limited by the outer hair cell membrane time constant. Neuron. 70 (6), 1143-1154 (2011).
  43. Korobchevskaya, K., Lagerholm, B. C., Colin-York, H., Fritzsche, M. Exploring the Potential of Airyscan Microscopy for Live Cell Imaging. Photonics. 4 (3), (2017).
  44. Gil-Loyzaga, P., Brownell, W. E. Wheat germ agglutinin and Helix pomatia agglutinin lectin binding on cochlear hair cells. Hearing Research. 34 (2), 149-155 (1988).
  45. Santi, P. A., Anderson, C. B. Alcian blue staining of cochlear hair cell stereocilia and other cochlear tissues. Hearing Research. 23 (2), 153-160 (1986).
  46. Slepecky, N., Chamberlain, S. C. The cell coat of inner ear sensory and supporting cells as demonstrated by ruthenium red. Hearing Research. 17 (3), 281-288 (1985).
  47. Rusch, A., Kros, C. J., Richardson, G. P. Block by amiloride and its derivatives of mechano-electrical transduction in outer hair cells of mouse cochlear cultures. The Journal of Physiology. 474 (1), 75-86 (1994).
  48. Zhao, Y., Yamoah, E. N., Gillespie, P. G. Regeneration of broken tip links and restoration of mechanical transduction in hair cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (26), 15469-15474 (1996).
  49. Indzhykulian, A. A., et al. Molecular remodeling of tip links underlies mechanosensory regeneration in auditory hair cells. PLoS Biol. 11 (6), 1001583 (2013).
  50. Koivusalo, M., et al. Amiloride inhibits macropinocytosis by lowering submembranous pH and preventing Rac1 and Cdc42 signaling. Journal of Cell Biology. 188 (4), 547-563 (2010).
  51. West, M. A., Bretscher, M. S., Watts, C. Distinct endocytotic pathways in epidermal growth factor-stimulated human carcinoma A431 cells. Journal of Cell Biology. 109 (6), 2731-2739 (1989).
  52. Park, S., et al. tmie Is required for gentamicin uptake by the hair cells of mice. Comp Med. 63 (2), 136-142 (2013).
  53. Meyers, J. R., et al. Lighting up the senses: FM1-43 loading of sensory cells through nonselective ion channels. The Journal of Neuroscience. 23 (10), 4054-4065 (2003).
  54. Waguespack, J., Salles, F. T., Kachar, B., Ricci, A. J. Stepwise morphological and functional maturation of mechanotransduction in rat outer hair cells. The Journal of Neuroscience. 27 (50), 13890-13902 (2007).
  55. Beurg, M., et al. Variable number of TMC1-dependent mechanotransducer channels underlie tonotopic conductance gradients in the cochlea. Nature Communications. 9 (1), 2185 (2018).
  56. Montgomery, S. C., Cox, B. C. Whole Mount Dissection and Immunofluorescence of the Adult Mouse Cochlea. Journal of Visualized Experiments. (107), e53561 (2016).
  57. Landegger, L. D., Dilwali, S., Stankovic, K. M. Neonatal Murine Cochlear Explant Technique as an In Vitro Screening Tool in Hearing Research. Journal of Visualized Experiments. (124), e55704 (2017).
  58. May-Simera, H. Evaluation of Planar-Cell-Polarity Phenotypes in Ciliopathy Mouse Mutant Cochlea. Journal of Visualized Experiments. (108), e53559 (2016).
  59. Ogier, J. M., Burt, R. A., Drury, H. R., Lim, R., Nayagam, B. A. Organotypic Culture of Neonatal Murine Inner Ear Explants. Frontiers in Cellular Neuroscience. 13, 170 (2019).
  60. Granath, K. A. Solution properties of branched dextrans. Journal of Colloid Science. 13 (4), 20 (1958).
  61. Molecular Probes, I.D.T. . Product information on Dextran Conjugates. , (2006).
  62. Korobchevskaya, K., Lagerholm, B. C., Colin-York, H., Fritzsche, M. Exploring the Potential of Airyscan Microscopy for Live Cell Imaging. Photonics. 4 (3), 41 (2017).
check_url/60769?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Ballesteros, A., Swartz, K. J. Dextran Labeling and Uptake in Live and Functional Murine Cochlear Hair Cells. J. Vis. Exp. (156), e60769, doi:10.3791/60769 (2020).

View Video