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El objetivo de este procedimiento es diseccionar el tejido del músculo longitudinal dorsal (DLM) para evaluar la integridad estructural de las uniones neuromusculares DLM (NMJ) en modelos de enfermedad neurodegenerativa utilizando Drosophila melanogaster.
Drosophila sirve como un modelo útil para evaluar la estructura sináptica y la función asociada con enfermedades neurodegenerativas. Mientras que mucho trabajo se ha centrado en las uniones neuromusculares (NMJ) en las larvas de Drosophila, la evaluación de la integridad sináptica en Drosophila adulta ha recibido mucha menos atención. Aquí proporcionamos un método sencillo para la disección de los músculos longitudinales dorsales (DLMs), que son necesarios para la capacidad de vuelo. Además del vuelo como lectura conductual, esta disección permite que tanto las sinapsis DLM como el tejido muscular sean susceptibles de análisis estructural utilizando anticuerpos etiquetados fluorescentemente para marcadores sinápticos o proteínas de interés. Este protocolo permite la evaluación de la integridad estructural de las sinapsis en Drosophila adulta durante el envejecimiento para modelar la naturaleza progresiva y dependiente de la edad de la mayoría de las enfermedades neurodegenerativas.
La disfunción sináptica es una de las primeras señas de identidad conocidas de la mayoría de las principales enfermedades neurodegenerativas1,2,3,4,5,6. Sin embargo, se sabe muy poco con respecto a cómo estas deficiencias estructurales y funcionales se relacionan con etapas posteriores de progresión de la enfermedad. Drosophila ha demostrado ser un sistema modelo útil para entender el crecimiento y desarrollo de la sinapsis utilizando NMJs larvales7,8,9. Sin embargo, la tercera etapa de la estrella larval sólo dura unos días, limitando su utilidad en el estudio de la neurodegeneración progresiva y dependiente de la edad. Una alternativa a la evaluación de los NMJ larvales es examinar las estructuras sinápticas en Drosophilaadulta, como las sinapsis formadas en los Músculos Longitudinales Dorsales (MMM) que se requieren para el vuelo10,11,12,13,14,15,16. Estas sinapsis tripartitas están organizadas estructuralmente de manera similar a las sinapsis de mamíferos17,proporcionando una ventaja única para evaluar modelos de enfermedades neurodegenerativas.
Aquí describimos un método sencillo para analizar la integridad estructural de los NMJ adultos en un modelo De Drosophila de neurodegeneración. Los métodos y estudios previos de disección de DLM han hecho hincapié en la importancia de preservar el tejido muscular para una variedad de aplicaciones18,19,20,21,22,23. Nuestro protocolo proporciona un método integral para preservar el tejido neuronal y muscular para investigar enfermedades neurodegenerativas. Otro componente importante del estudio de estas enfermedades es la capacidad de entender la pérdida neuronal de una manera dependiente de la edad. El trabajo previo proporciona una comprensión crítica y profunda de cómo se forman los NMJ de DLM durante la metamorfosis en la edad adulta temprana11,12,14,15,16,24. Nuestro protocolo establece un método para construir sobre este trabajo para investigar DLM NMJs de una manera dependiente de la edad en el envejecimiento y enfermedades neurodegenerativas.
1. Generación de moscas transgénicas
2. Preparación de la disección
3. Aislamiento y fijación del tórax
4. Congelación repentina y bisección del tórax
5. Tinción estructural
6. Tejido de montaje
7. Alternativa: Tinción con anticuerpos primarios
NOTA: Esta sección es opcional y debe utilizarse directamente entre las secciones 4 y 5 si se desea.
La generación de moscas transgénicas que expresan la proteína humana de unión al alquitrán de 43 kDa mutante (TDP-43M337V) está representada por el esquema (Figura 1A). Esto demuestra la aplicación del sistema binario Gal4/UAS en Drosophila27. La ilustración representa un hemitórax con seis fibras musculares, A-u2012F que va desde la fibra más dorsal A a la F más ventral (Figura 1B)11,12. Para evaluar la integridad sináptica, los NMJ se tiñeron con HRP y Phalloidin (Figura 1C-u2012E). Las neuronas motoras en los mutantes TDP-43M337V (Figura 1F) tienen poca o ninguna tinción de HRP para el día 21, mientras que WT (Oregon-R) permanece intacto (Figura 1C). No hay diferencias visibles en la tinción muscular(Figura 1D,G). Los cambios en la morfología bruta observados en los mutantes TDP-43M337V demuestran cómo la integridad sináptica puede estar implicada en un modelo de enfermedad neurodegenerativa de esclerosis lateral amiotrófica (ELA) utilizando el modelo DLM adulto. Además de la tinción estructural, la tinción de los NMJ de DLM también puede proporcionar una evaluación de la integridad sináptica con marcadores presinápticos (Figura 2A-u2012R) y post sináptica (Figura 2S-u2012X). Juntos, estos resultados ilustran cómo este protocolo de disección podría aplicarse al estudio del tejido DLM en enfermedades neurodegenerativas.
Un aspecto clave de esta disección es la aplicación de nitrógeno líquido para congelar el tejido para facilitar la bisección. La utilidad del nitrógeno líquido se demuestra en moscas WT con nitrógeno líquido donde el tejido muscular no tiene daño o fibras en picadas(Figura 3A-u2012C). Sin nitrógeno líquido, el tejido puede ser más difícil de diseccionar. Por ejemplo, seguir este protocolo y omitir el paso de congelación del flash de nitrógeno líquido permite que el tejido sea más susceptible al daño de las herramientas de disección como las neuronas dañadas (Figura 3D) o las fibras musculares dañadas (Figura 3E). La aplicación de nitrógeno líquido ayuda a prevenir el daño tisular que podría producirse al trabajar con tejido DLM independientemente del genotipo de la muestra(Figura 3C y 3F).
Figura 1: Denervación progresiva de las sinapsis de DLM en un modelo de Drosophila de ELA. (A) La generación de moscas transgénicas de ELA que expresan una forma mutante humana de proteína de unión al tar de 43 kDa (TDP-43) se muestran en el esquema. (B) La ilustración representa la forma y la orientación de un hemitórax en un Drosophilaadulto. Usando el protocolo, podemos observar la pérdida progresiva de la integridad sináptica de las sinapsis DLM NMJ a través de la tinción estructural de las neuronas motoras con HRP (verde) y tejido muscular con Phalloidin (magenta). Nuestro modelo representa la pérdida de integridad sináptica en un modelo adulto de ELA a través de la generación de moscas adultas que expresan un mutante de TDP-43M337V humano en neuronas motoras (Figura 1F-u2012H) en comparación con WT (Figura 1C-u2012E) vuela en fibra muscular C. Las flechas resaltan ejemplos de una sinapsis WT (Figura 1C) y un ejemplo de pérdida de integridad sináptica. Barra de escala de 20 m a un aumento de 63x. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Evaluación de la integridad sináptica mediante marcadores presinápticos en NMJ adultos. La integridad sináptica también se puede evaluar utilizando marcadores presinápticos y postsinápticos en moscas WT que tienen 14 días de edad en la fibra muscular C. Los marcadores presinápticos Synapsin (B), Syntaxin (H), y Bruchpilot (BRP) (N) se colocan con HRP (A, G, M). La tinción representa la localización de estos marcadores en los terminales presinápticos (C, I, O). En un aumento superior, las imágenes ilustran la localización de Synapsin (E), Syntaxin (K) y BRP (Q) con HRP (D, Jy P) con más detalle (Figura F, L, y R). También mostramos un marcador postsináptico Glutamato Receptor III (GluRIII) (T) co-stuido con HRP (S). La co-tinción demuestra la utilidad de estos marcadores (U). En mayor aumento, las imágenes representativas ejemplifican la localización (X) de GluRIII (W) y HRP (V) al tejido muscular postsináptico y a los terminales presinápticos, respectivamente. La barra de escala para los paneles A-u2012C, G-I, M-u2012O, S-u2012U representa 20 m con un aumento de 63x. La barra de escala para los paneles D-u2012F, 2J-2L, 2P-2R y 2V-2X representa 10 m con un aumento de 63x. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Utilidad de nitrógeno líquido para disecciones DLM. Para demostrar la utilidad del nitrógeno líquido para las disecciones DLM, mostramos una comparación de las moscas del día 21 WT con y sin nitrógeno líquido de la fibra muscular C. Con nitrógeno líquido, Phalloidin (B) permanece intacta y no compromete la tinción HRP (A, C). Sin nitrógeno líquido, el tejido muscular se vuelve tenso y difícil de bisetear (E) y la tinción HRP (D, F) se ve comprometida debido a un error técnico. Las flechas blancas muestran un área sin daño muscular con nitrógeno líquido (B) y tejido muscular dañado (E). Barra de escala de 20 m a un aumento de 63x. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Utilizando los métodos descritos en este protocolo, proporcionamos un enfoque sencillo para la disección del tejido DLM y demostramos cómo se puede aplicar esto para evaluar la integridad sináptica a través de la tinción estructural y marcadores sinápticos en Drosophila adulta. Un paso crítico en el protocolo que hace que el tejido DLM sea más fácil de diseccionar es la congelación del flash con nitrógeno líquido. Sin este paso, el tejido es menos firme y más difícil de cortar precisamente como se observa en la Figura 3. Este protocolo se basa en métodos de disección anteriores para permitir la preservación tanto de las neuronas motoras como del tejido muscular18,19,20,21,22,23. Una limitación de este protocolo es que al hacer el corte de la línea media para la bisección, puede ser difícil obtener dos preparaciones limpias por tórax. Una manera de asegurar al menos un hemitórax por mosca, se puede cortar intencionalmente a un lado del tórax para obtener una preparación limpia. Con esta modificación, también es posible que deba eliminar el exceso de tejido adicional del corte para limpiar la muestra con el disyuntor de la cuchilla. Para los nuevos en esta técnica, con la práctica continua, la precisión de la bisección aumentará.
El método descrito aquí permite a los investigadores evaluar fácilmente la integridad estructural de los NMJ DLM adultos en cualquier momento a lo largo de su vida útil. Una de las principales ventajas de este protocolo es la capacidad de acceder a la integridad sináptica en modelos de enfermedades neurodegenerativas mediante el uso de marcadores sinápticos. Demostramos que esta aplicación puede ayudar a visualizar los cambios en la morfología bruta con la tinción estructural(Figura 1C-u2012H). Además, la integridad sináptica se puede evaluar con la tinción de marcadores presinápticos, incluyendo pero no limitado a Synapsin28 (Figura 2A-u2012F), Syntaxin29 (Figura 2G-u2012L) y BRP30 (Figura 2M-u2012R). El tejido muscular postsináptico también se puede evaluar utilizando el anticuerpo de subunidad31 del Receptor de Glutamato III (Figura 2S-u2012X), demostrando la utilidad de este protocolo.
Los investigadores también pueden utilizar este método de disección para complementar los datos funcionales para examinar exhaustivamente la integridad estructural de las sinapsis asociadas con una amplia variedad de enfermedades. Estas sinapsis también permiten el análisis funcional a través de grabaciones electrofisiológicas32,33,34 y el ensayo de vuelo10. Este protocolo también puede proporcionar facilidad de acceso al tejido para muchas aplicaciones y ensayos. Estudios futuros, por ejemplo, podrían utilizar este protocolo para cuantificar los cambios sinápticos mediante la cuantificación de la densidad y el número de sinapsis15,16. Mientras que el protocolo descrito aquí examina específicamente la integridad sináptica de las neuronas motoras, protocolos complementarios para evaluar la pérdida de células musculares también se pueden realizar con esta disección utilizando la tinción TUNEL35. Para examinar la pérdida neuronal, la disección del ganglio torácico36 también podría utilizarse con tinción TUNEL. Esperamos que la disección descrita aquí tenga más aplicaciones para futuros estudios que evalúen patologías relacionadas con la edad, así como enfermedades neurodegenerativas.
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01 NS110727) a D.T.B.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
32% Formaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15714 | Tissue preservation |
Alexa Fluor 568 goat anti mouse | Fisher Scientific | A11031 | Labels primary antibodies. Used at 1:200 concentration. |
Alexa Fluor 568 goat anti rabbit | Fisher Scientific | A11036 | Labels primary antibodies. Used at 1:200 concentration. |
anti- Bruchpilot (BRP) antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | NC82 | Stains the active zones in presynaptic neurons. Used at 1:25 concentration. |
anti-GluRIII antibody | Gift from Aaron DiAntonio | N/A | Labels glutamate receptor subunits. Used at 1:1000 concentration. |
anti-Synapsin antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | 3C11 | Labels the synaptic protein synapsin. Used at 1:50 concentration. |
anti-Syntaxin antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | 8C3 | labels the synaptic protein syntaxin. Used at 1:10 concentration. |
BenchRocker | Genesee Scientific | 31-302 | Rotating samples during staining |
Blade Breaker | Fine Science Tools | 10053-09 | Used for holding feather blade |
cover slips | Fisher Scientific | 12548A | For mounting tissue |
cryogenic gloves | VWR | 97008-198 | protect hands from liquid nitrogen |
cryogenic tweezers | VWR | 82027-432 | Hold 2.0 mL tube in liquid nitrogen |
dewar flask-1900 mL | Thomas Scientific | 5028M54 | Hold liquid nitrogen |
Feather Blades | Electron Microscopy Sciences | 72002-01 | Scalpel Blades |
Fine Forecps x 2 | Fine Science Tools | 11252-20 | One fine pair for Clearing midline of thorax. The other pair can be dulled using a sharpening stone. |
FITC-conjugated anti HRP | Jackson Laboratories | 123-545-021 | Stains Motor Neurons. Used at 1:100 concentration |
freezer box (Black) | Fisher Scientific | 14100F | Protects samples from light |
glass pasteur pipettes | VWR | 14637-010 | Used to transfer samples |
glass slides | Fisher Scientific | 12550143 | For mounting tissue |
mounting media (vectashield) anti-fade | VWR | 101098-042 | Mounting media retains fluorescent signaling |
nail polish | Electron Microscopy Sciences | 72180 | Seals microscope slides |
normal goat serum | Fisher Scientific | PCN5000 | Prevents non-specific binding of antibodies |
paint brush | Genesee Scientific | 59-204 | Transferring flies |
PBS | Fisher Scientific | 10-010-023 | Saline solution for dissecting and staining |
Phalloidin 647 | Abcam | AB176759 | Stains F-Actin in muscle Tissue. Used at 1:1000 concentration |
plastic petri dish (100 mm) | VWR | 25373-100 | Dissection dish |
reinforcement labels | W.B. Mason | AVE05722 | Provides support for glass coverslip over the mounted tissue |
sharpening block | Grainger | 1RDF5 | Keeping fine forceps sharp and also dulling separate pair |
slide folder | VWR | 10126-326 | Sample storage |
standard office scissors | W.B. Mason | ACM40618 | Cutting reinforcement labels |
Sylgard 184 | Electron Microscopy Sciences | 24236-10 | Coating for dissection dish |
Triton-X-100 | Electron Microscopy Sciences | 22140 | Helps to permeabilize tissue |
Vannas Disssection Sissors | Fine Science Tools | 1500-00 | Ued for removing fly legs and making an incision on thorax |
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