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La unión neuromuscular de las larvas de pez cebra es un modelo atractivo para el estudio de la fisiología sináptica. Es susceptible de muchas técnicas experimentales, como la electrofisiología y las imágenes ópticas. Aquí, describimos un protocolo para la transmisión sináptica de imágenes utilizando una sonda basada en pHluorin bajo un microscopio de epifluorescencia vertical.
La comunicación neuronal está mediada por la transmisión sináptica, que depende principalmente de la liberación de neurotransmisores almacenados en vesículas sinápticas (SV) en respuesta a un potencial de acción (AP). Dado que los SV se reciclan localmente en el terminal presináptico, la coordinación de la exocitosis y la endocitosis del SV es importante para la transmisión sináptica sostenida. Una proteína fluorescente verde sensible al pH, llamada pHluorin, proporciona una poderosa herramienta para monitorear la exo/endocitosis SV al dirigirla a la luz SV. Sin embargo, el seguimiento del reciclaje de SV impulsado por PA con las sondas basadas en pHluorin todavía se limita en gran medida a las preparaciones de cultivo in vitro , ya que la introducción de sondas codificadas genéticamente y las imágenes ópticas posteriores es técnicamente desafiante en general para los modelos animales in vivo o las preparaciones de tejidos. El pez cebra es un sistema modelo que ofrece características valiosas, como la facilidad de manipulación genética, la claridad óptica y el rápido desarrollo externo. Recientemente generamos un pez cebra transgénico que expresa altamente una sonda marcada con pHluorin en las terminales de las neuronas motoras y desarrollamos un protocolo para monitorear la exo/endocitosis SV impulsada por AP en la unión neuromuscular (NMJ), un modelo de sinapsis bien establecido que se forma in vivo. En este artículo, mostramos cómo preparar una preparación NMJ para larvas de pez cebra adecuada para la obtención de imágenes de pHluorin. También demostramos que la preparación permite la obtención de imágenes de lapso de tiempo bajo un microscopio de epifluorescencia vertical convencional, lo que proporciona una plataforma rentable para analizar la función de la NMJ.
La transmisión sináptica, mediada por la liberación de neurotransmisores de las vesículas sinápticas (SV) en el terminal presináptico, es un proceso fundamental que subyace a la función nerviosa1. En los primeros estudios, la transmisión sináptica se midió principalmente mediante técnicas electrofisiológicas que detectan la respuesta postsináptica provocada por los neurotransmisores y sus receptores. Sin embargo, en las últimas décadas, se han desarrollado varios tipos de técnicas de imagen que visualizan directamente la función presináptica2. Una de las sondas más utilizadas es una proteína fluorescente verde sensible al pH llamada pHluorin 3,4.
El reciclaje de las vesículas sinápticas (SV) en la terminal presináptica es un proceso crucial para la transmisión sostenida de neurotransmisores5. Tras la liberación de neurotransmisores por exocitosis de los SV, cuya luz se mantiene generalmente a pH ácido 6,7, las proteínas de la membrana y del SV se recuperan inmediatamente de la membrana plasmática por endocitosis. A continuación, los SV recién formados se reacidifican y los neurotransmisores se recargan. Cuando la pHluorin se dirige a la luz SV fusionándola con la proteína SV, exhibe una fluorescencia mínima en el estado de reposo. Sin embargo, tras la exocitosis SV, se expone al pH neutro en el espacio extracelular, lo que da lugar a una fluorescencia brillante. Posteriormente, la fluorescencia disminuye gradualmente después de la reacidificación del SV. Por lo tanto, la fluorescencia de pHluorin permite el seguimiento de los procesos de reciclaje de SV.
En estudios pioneros, la sinaptobrevina/VAMP 2, la proteína vesicular SNARE (soluble NSF-attachment protein receptor) responsable de la fusión de las vesículas sinápticas en las sinapsis del prosencéfalo8 y la más abundante entre las proteínas SV9, fue seleccionada como compañera de fusión para la pHluorina, y la proteína de fusión resultante se designó como synaptopHluorin (SpH)3,4. Sin embargo, el SpH exhibió una baja relación señal-ruido (S/N) debido a la expresión sustancial de la superficie de la sonda. Por lo tanto, otras proteínas SV han sido probadas como compañeras portadoras 10,11,12. Hasta la fecha, se ha demostrado que los transportadores vesiculares presentan la expresión superficial más baja 13,14,15. El uso de estas sondas se estableció inicialmente en neuronas de mamíferos cultivadas para rastrear el reciclaje de SV impulsado por AP 8,9,10,11,12,13 y se ha extendido a otras preparaciones, incluidos los tejidos disecados y los animales in vivo 16,17,18,19,20,21,22.
Las larvas de pez cebra son un sistema modelo con características valiosas, como la facilidad de manipulación genética, la claridad óptica y el rápido desarrollo externo. Se generó un pez cebra transgénico que expresa pHluorin fusionado con sinaptofisina, llamado SypHy, y se aplicó a múltiples configuraciones experimentales, por ejemplo, el monitoreo de la fusión espontánea de SV de neuronas espinales in vivo21, el reciclaje de SV independiente de AP en sinapsis tipo cinta in vivo20,22 o en células aisladas 23,24,25. Sin embargo, la aplicación de las imágenes de pHluorin del reciclaje de SV impulsado por AP en el modelo de pez cebra aún es limitada.
La unión neuromuscular (NMJ) sirve como un modelo atractivo para estudiar la fisiología sináptica26, y varios estudios realizaron con éxito imágenes del reciclaje de SV impulsado por AP con SpH en ratones18,19. El uso de NMJs para el reciclaje de SV en pez cebra fue iniciado por Wen et al.16. Recientemente, generamos peces cebra Tg que expresan altamente pHluorin marcado con un transportador vesicular de GABA (VGAT) específicamente en neuronas motoras27. Esta sonda también contiene un HaloTag en tándem con pHluorin en la cola luminal de VGAT y, por lo tanto, se denomina VpHalo. Aunque VGAT no se expresa endógenamente en las neuronas motoras colinérgicas, confirmamos que VpHalo se localiza en todos los grupos de SV y se recicla adecuadamente en respuesta a los AP mediante la combinación de registro electrofisiológico, etiquetado de SV dependiente de la actividad con ligandos HaloTag e imágenes en vivo de pHluorin27. Debido al alto nivel de expresión y a una fracción superficial mínima de VpHalo, la preparación de NMJ a partir de este pez Tg permitió el seguimiento del reciclaje de SV impulsado por PA con una buena relación S/N. Además, la escasa distribución de NMJ en el cuerpo transparente hace que la microscopía de barrido láser confocal sea innecesaria para este propósito. Aunque el monitoreo del reciclaje de SV impulsado por PA en pez cebra intacto es la dirección futura deseable, es de primordial importancia establecer la preparación de NMJ que sea adecuada para validar el uso de la sonda basada en pHluorin en condiciones bien controladas, como se hizo en las preparaciones cultivadas 3,4,10,11,12,13,14,15 . Aquí, describimos un protocolo de disección para preparar una muestra de NMJ de pez cebra larval que se puede usar para múltiples tipos de experimentos, por ejemplo, registro de corrientes de placa terminal, etiquetado HaloTag de SV reciclados e imágenes en vivo de pHluorin, como se discutió anteriormente. Además, nos centramos y proporcionamos un protocolo detallado para la obtención de imágenes en vivo de pHluorin utilizando esta preparación de NMJ bajo un microscopio epifluorescente convencional equipado con un dispositivo de estimulación eléctrica y un sistema de perfusión en solución.
Todos los procedimientos con animales se llevaron a cabo de acuerdo con las directrices para el cuidado y uso de animales en la Universidad Médica y Farmacéutica de Osaka. Los peces cebra se criaron y mantuvieron bajo un ciclo de 14 h de luz a 10 h de oscuridad. Los embriones y larvas se mantuvieron a 28-30 °C en agua de huevo que contenía 0,006% de sal marina y 0,01% de azul de metileno. Los experimentos se llevaron a cabo a los 4-7 días después de la fertilización (dpf). Se recomienda que los peces sean alimentados dos veces al día a partir de los 5 dpf cuando los experimentos se realicen después de los 6 dpf. El medio debe cambiarse antes de cada alimentación.
1. Preparación de soluciones
2. Preparación de electrodo bipolar a partir de capilar de vidrio theta
3. Preparación de la muestra
NOTA: Este protocolo se ha optimizado para su uso con larvas de pez cebra Tg(hb9:tTAad, TRE:TagRFP-P2A-VpHalo)27, en las que las siguientes dos proteínas, unidas por un péptido de escisión P2A, se expresaron bicistrónicamente específicamente en las neuronas motoras: una proteína fluorescente roja reportera TagRFP y una proteína sensor VpHalo, que es una proteína de fusión de pHluorin y HaloTag a la parte luminal de VGAT (Figura 2A). El promotor de hb9 impulsa la expresión de tTAad (transactivador controlado por tetraciclina-avanzado), que a su vez induce la expresión de los genes bajo el promotor compuesto del elemento de respuesta a la tetraciclina (TRE). El sistema de expresión inducible por Tet aumenta el nivel de expresión de proteínas. pHluorin permite el monitoreo en vivo del reciclaje de SV dependiente de la actividad, mientras que HaloTag visualiza SV reciclados durante un período determinado mediante el etiquetado covalente de la proteína fusionada (Figura 2A). Aunque ambos métodos tienen ventajas únicas, en este artículo nos centramos en las imágenes de pHluorin.
4. Colocación de la muestra en la cámara de imagen e inserción del electrodo estimulante
NOTA: Debido a que el pH luminal en reposo del SV está por debajo del pH 6.0, la fluorescencia de la pHluorina en NMJ en peces vivos es apenas observable (Figura 2B). Sin embargo, cuando el lumen SV se alcalinizó, se observó una localización restringida de VpHalo a NMJ (Figura 2C). En particular, la imagen confocal de la pila z de los NMJ mostró que no se superponían entre sí en el plano xy, excepto por los bordes de los segmentos del cuerpo (Figura 2C). Con base en esta observación, postulamos que el microscopio de epifluorescencia era aplicable para la obtención de imágenes en vivo de VpHalo en larvas de pez cebra, lo cual se validó como se detalla en el siguiente protocolo.
5. Adquisición de imágenes
6. Análisis de imágenes
NOTA: Utilice Fiji para realizar el siguiente procesamiento y análisis de imágenes. Utilice Microsoft Excel o un software de hoja de cálculo similar para calcular los resultados de la medición. Utilice Igor Pro para realizar el ajuste de curvas en el resultado obtenido.
Si la muestra diseccionada se prepara sin daños tisulares graves y el electrodo de estimulación se inserta correctamente en la médula espinal, se puede obtener una respuesta robusta de pHluorin mediante estimulación eléctrica de alta frecuencia (Figura 4D, E). Es probable que la fluorescencia basal previa al estímulo se debiera a la sonda presente en la superficie de la presinapsis. El aumento de la fluorescencia durante la estimulaci?...
Las larvas de pez cebra NMJ son un sistema modelo emergente para el estudio de la fisiología y patología sináptica26,31. Ya se ha generado y empleado un pez cebra transgénico que expresa SpH de una manera específica para neuronas para el análisis de un mutante que presenta un defecto locomotor17. Wen et al.17 demostraron un aumento de aproximadamente 2 veces en la fluorescenci...
No se declara ningún conflicto de intereses.
Este trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia KAKENHI Grant 18K06882 a F. O.; y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia KAKENHI Grant 21K06429 y 24K10020 a Y.E.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
40x water immersion objective | Olympus | LUMPLFLN40XW | |
4ch gravity flow perfusion system | ALA | VCPlus-4G | |
5x objective | Olympus | NPLN5X | |
Custum made imaging chamber | Physiotech | custum made | A black acrylic plate (10.7 cm diameter, 3 mm thick) with a well (1 cm diameter at the bottom, 1.5 cm diameter at the top) holding approximately 0.5 ml of perfusate. |
Digital I/O device | Arduino | Uno Rev3 | |
D-Tubocurarine dichloride pentahydrate | Sigma | 93750 | |
Excel | Microsoft | Microsoft Office Professional Plus 2016 | |
Fiji / imageJ | https://imagej.net/ | imageJ 1.54f | |
Fine forceps | AsOne | 7-562-05 (Dumont #5) | |
Glass Pasteur pipette | IWAKI | IK-PAS-5P | The tip should be trimmed and fire-polished until the final diameter is 1.5–2 mm. |
Glass Petri dish | AsOne | 1-4564-06 | |
Igor Pro | WaveMetrics | Ver. 6.37 | |
Inline solution heater | Warner Instruments | SF-28 | |
LED illumination system | X-cyte | XYLIS | |
Methylen blue | Wako | 133-06962 | |
Micro-Manager | https://micro-manager.org/ | Ver. 2.0.0 | |
Mini magnetic clamp for perfusion tube | Warner Instruments | 64-1553 | |
Motorized micromanipulator | Scientifica | PatchStar | |
Motorized movable sample plate | Scientifica | MMSP | |
Pipette holder | Narishige | H-13 | |
Pipette puller | Narishige | PC-100 | |
Platinum wire (φ0.1mm) | Nilaco | PT-351165 | |
Platinum wire (φ0.5 mm) | Niaco | PT-351381 | |
Scalpel | AsOne | 8-3086-02 (Feather #11) | |
Scientific cMOS camera | Thorlabs | CC215MU | |
Sea salt | NAPQO | Instant Ocean | |
Stereo microscope | Olympus | SZX7 | |
Stimulus isolater | AMPI | ISO-FLEX | |
Suction tube | Warner Instruments | ST-3, 64-1406 | |
Temperature controller | Warner Instruments | TC-324C | |
Theta glass capillary | Sutter Instrument | BT-150-10 | |
Tricaine (MS-222) | TCI | T0941 | |
Upright microscope | Olympus | BX51WI |
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