Le présent protocole décrit un test pour déterminer la réponse au lévamisole, un agoniste pharmacologique d’une classe de récepteurs de l’acétylcholine de Caenorhabditis elegans . Dans ce test de natation du lévamisole liquide, les chercheurs observent visuellement et quantifient la paralysie dépendante du temps des animaux élevés dans des plaques de 24 puits.
À la jonction neuromusculaire (NMJ), la liaison du neurotransmetteur excitateur acétylcholine (ACh) aux récepteurs postsynaptiques conduit à une contraction musculaire. Comme dans le muscle squelettique des vertébrés, la signalisation cholinergique dans les muscles de la paroi corporelle de l’organisme modèle Caenorhabditis elegans est nécessaire pour la locomotion. L’exposition au lévamisole, un agoniste pharmacologique d’une classe de récepteurs ACh sur les muscles de la paroi du corps, provoque une paralysie dépendante du temps des animaux de type sauvage. Une sensibilité altérée au lévamisole suggère des défauts de signalisation au niveau de l’ATMN ou de la fonction musculaire. Ici, un protocole pour un dosage de lévamisole liquide effectué sur C. elegans cultivé dans des plaques de 24 puits est présenté. La nage vigoureuse des animaux dans un liquide permet d’évaluer et de quantifier la paralysie induite par le lévamisolé chez des centaines de vers sur une période d’une heure sans nécessiter de manipulation physique. Cette procédure peut être utilisée avec des mutants de type sauvage et des mutants qui ont une sensibilité altérée au lévamisole pour démontrer les conséquences fonctionnelles d’une signalisation altérée au NMJ.
L’activation des récepteurs postsynaptiques de l’acétylcholine (AChR) sur le muscle squelettique entraîne un signal électrique qui conduit à la contraction musculaire. La perturbation de la fonction neuromusculaire entraîne des syndromes myasthéniques et des dystrophies musculaires chez l’homme 1,2,3,4. Le nématode Caenorhabditis elegans a été largement utilisé pour en apprendre davantage sur les processus biologiques fondamentaux conservés au cours de l’évolution et les mécanismes de la maladie. Les muscles squelettiques des vertébrés et les muscles de la paroi corporelle de C. elegans sont fonctionnellement équivalents dans le contrôle de la locomotion5. Ici, un test simple est présenté qui peut être utilisé pour comparer C. elegans de type sauvage avec des mutants qui ont altéré la signalisation neuromusculaire ou la fonction musculaire.
Les apports excitateurs et inhibiteurs reçus des motoneurones cholinergiques et GABAergiques, respectivement, provoquent la contraction des muscles d’un côté du corps de C. elegans tandis que les muscles de l’autre côté se détendent, permettant une locomotioncoordonnée 6. Le lévamisole, un agent anthelminthique utilisé pour traiter les infections par les nématodes parasitaires, se lie à une classe d’AChR sur les muscles de la paroi corporelle et l’active de manière constitutive, entraînant une paralysie dépendante du temps7. Ainsi, une sensibilité altérée au lévamisole peut être utilisée pour identifier C. elegans présentant des défauts dans l’équilibre de la signalisation excitatrice et inhibitrice 7,8,9,10,11,12,13,14,15. Par exemple, des mutations dans des sous-unités de l’AChR sensible au lévamisole (L-AChR), comme UNC-63, ainsi que l’homologue C. elegans de Cubilin, LEV-10, qui est nécessaire pour le regroupement de L-AChR au niveau de la synapse, impactent la signalisation excitatrice et entraînent une résistance au lévamisole 7,8. Les mutations du récepteur GABAA UNC-49 réduisent la signalisation inhibitrice et provoquent une hypersensibilité au lévamisole12.
L’hypersensibilité ou la résistance au lévamisole a traditionnellement été évaluée en transférant les animaux dans des plaques de gélose contenant du lévamisole et en poussant régulièrement les vers pour déterminer le moment où la paralysie se produit13,14,15. Nous avons développé un test de natation au lévamisole liquide qui élimine le besoin de manipulation physique des animaux et permet le dépistage de centaines d’animaux en seulement 1 h. Ici, l’utilisation de ce test avec des animaux de type sauvage, unc-63(x26), lev-10(x17) et unc-49(e407) est décrite. Cependant, ce protocole peut également être effectué sur C. elegans exposé à l’ARNi, comme cela a été fait pour valider les knockdowns identifiés dans un criblage d’ARNi à l’échelle du génome pour une sensibilité altérée au lévamisole11.
Pour ce test pharmacologique, les vers ont été cultivés jusqu’à l’âge adulte dans des plaques de 24 puits, 0,4 mM de lévamisole dans un tampon M9 a été ajouté à chaque puits et le nombre d’animaux en mouvement a été enregistré toutes les 5 minutes pendant 1 h. La paralysie induite par le lévamisolé a été observée visuellement au fil du temps et, après l’achèvement du test, les données ont été quantifiées. L’évaluation des mutants ainsi que de C. elegans de type sauvage permet aux étudiants de faire d’abord des prédictions sur les effets phénotypiques potentiels, puis d’effectuer des expériences pour tester leurs hypothèses. En conclusion, ce test de lévamisole liquide simple et peu coûteux est un moyen idéal de démontrer l’impact de la perte de gènes spécifiques sur la fonction de la NMJ.
1. Préparation des plaques pour le dosage du lévamisole
2. Synchronisation de C. elegans (jour 1)
3. Placage synchronisé de C. elegans (jour 2)
4. Réalisation du dosage du lévamisole (jour 5)
5. Analyse des données
La signalisation par les récepteurs AChRs et GABA permet aux muscles d’un côté du corps de C. elegans de se contracter tandis que les muscles de l’autre côté se détendent, permettant une locomotion coordonnée 6,16. La liaison du lévamisole aux L-AChR ionotropes provoque une contraction, entraînant une paralysie dépendante du temps des animaux de type sauvage. Ici, nous avons évalué la sensibilité du type sauvage, du mutant unc-63 L-AChR, du mutant de clustering L-AChR lev-10 et du mutant du récepteur GABAA de l’unc-49 C. elegans au lévamisole. Les mutations dans les sous-unités du L-AChR, ainsi que dans les gènes nécessaires au trafic des L-AChR vers la membrane plasmique musculaire, au regroupement des L-AChR postsynaptiques et à la signalisation Ca 2+ en aval, provoquent une résistance à la paralysie induite par le lévamisole-7,8,9,10,11,16,17, comme observé chez les mutants unc-63 et lev-10 (Figure2B ,C). La perte du canal ionique GABA-dépendant UNC-49 a provoqué une hypersensibilité au lévamisole (Figure 2B,C) en raison de la perturbation du bon équilibre de la signalisation cholinergique et GABAergique12. Lorsque ce test a récemment été effectué par des étudiants de premier cycle dans un laboratoire de génétique avancée, 100% des étudiants ont observé une résistance au lévamisole avec les mutants unc-63 et lev-10, tandis que 88% ont observé une hypersensibilité au lévamisole avec le mutant unc-49. Ces données recueillies avec le test de natation du lévamisole liquide sont cohérentes avec les phénotypes observés dans les dosages traditionnels du lévamisolesur plaque 7,8,11,12,13.
Figure 1 : Schéma de la préparation et de la mise en œuvre du dosage du lévamisol. Des plaques NGM à 24 puits sont coulées; 2 jours plus tard, OP50 Escherichia coli est ensemencé dans les puits. C. elegans est synchronisé par la préparation de l’eau de Javel et les premiers animaux au stade larvaire (L1) pour chaque souche à doser (type sauvage, noir; UNC-63(X26), magenta; Lév-10(x17), vert; UNC-49(E407), bleu) sont pipetées dans les puits selon une carte de plaque prédéterminée le lendemain. Après 3 jours de croissance à 20 ºC, ou lorsque les animaux atteignent l’âge adulte, 0,4 mM de lévamisole dans un tampon M9 est ajouté à chaque puits, et le nombre d’animaux en mouvement est compté toutes les 5 minutes pendant 1 h. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Paralysie induite par le lévamisolé chez le type sauvage et le mutant représentatif C. elegans. (A) L’exposition à 0,4 mM de lévamisole provoque une paralysie dépendante du temps; ceci n’est pas observé pour les animaux nageant dans 1x tampon M9 pendant 1 h. (B) Paralysie dépendante du temps des animaux de type sauvage (noir), unc-63(x26) (magenta), lev-10(x17) (vert) et unc-49(e407) (bleu) dans le test de natation du lévamisol. La perte de la sous-unité L-AChR UNC-63 ou de la protéine de clustering L-AChR LEV-10 a entraîné une résistance au lévamisole et la perte du récepteur GABAA UNC-49 a provoqué une hypersensibilité au lévamisol. n ≥ 50 par génotype, p < 0,0001 pour tous les mutants par rapport au type sauvage dans cette expérience représentative. (C) En utilisant les mêmes données que dans le panneau (B), le pourcentage d’animaux en mouvement à chaque point temporel (moyenne des pourcentages pour chaque puits ± SE) a été déterminé pour chaque souche. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Une réponse altérée au lévamisole peut identifier les gènes nécessaires à la signalisation cholinergique postsynaptique et à la fonction musculaire. Le protocole décrit ici un dosage de lévamisole liquide utilisé pour quantifier la paralysie dépendante du temps sur une période de 1 heure. Les élèves font des prédictions sur les effets de certaines mutations génétiques, réalisent une expérience avec un échantillon de grande taille, puis quantifient leurs résultats. Ce test est un moyen simple et efficace de quantifier la paralysie induite par le lévamisolé sans cueillir ni aiguillonner les animaux, ce qui le rend approprié pour les laboratoires de premier cycle, ainsi que pour les chercheurs qui étudient la transmission neuromusculaire. Discuté ici sont quelques-uns des pièges les plus courants, les limites du test et une variante du protocole qui permet son utilisation avec des animaux ARNi knockdown; Il est également question ici de la façon dont ce test peut être intégré dans une expérience de recherche de premier cycle basée sur des cours.
Une bonne préparation des plaques de 24 puits est essentielle. Tout d’abord, les pelouses bactériennes doivent être complètement sèches avant de repérer les animaux L1 dans les puits. Si elles ne sont pas assez séchées, les bactéries se mélangent à la solution de lévamisole pendant l’essai, rendant le liquide trouble et empêchant les individus de pouvoir compter les vers. Deuxièmement, lors de la synchronisation des vers par la préparation de l’eau de Javel, les animaux ne doivent pas être exposés trop longtemps à la solution d’eau de Javel, car cela entraînerait la désintégration du revêtement protecteur sur les œufs. Troisièmement, il est crucial de ne repérer que 20 à 30 L1 par puits, car trop de vers dans les puits rendent extrêmement difficile le comptage précis du nombre de L1 par puits. Enfin, il est important de maintenir une technique aseptique lors de la préparation des plaques car les puits contaminés ne peuvent pas être analysés.
Il y a quelques limites qui doivent être prises en compte lors de la réalisation de ce test. Tout d’abord, compter le nombre de vers en mouvement dans chaque puits toutes les 5 minutes peut être accablant pour les personnes qui n’ont pas d’expérience préalable en laboratoire, ce qui pourrait entraîner une collecte de données imprécise. Comme pour les autres tests utilisés pour déterminer la sensibilité aux médicaments18,19, cette expérience peut être réalisée avec moins de points temporels. Deuxièmement, le placage de L1 affamés isolés d’une préparation à l’eau de Javel est une méthode facile pour obtenir une population synchronisée; Cependant, des ajustements doivent être effectués si le calendrier de développement diffère entre les souches testées. Il est possible de prélever des animaux du stade larvaire tardif (L4) dans une plaque de 24 puits pour cet essai; Cependant, lors de la préparation de nombreuses assiettes, cela demande trop de main-d’œuvre. Alternativement, il faut déterminer le temps qu’il faut pour que chaque souche atteigne L4, puis placer les L1 dans les puits à différents moments pour ajuster les différences de vitesse de maturation. Enfin, bien que ce test puisse être utilisé pour identifier de nouveaux gènes importants pour la fonction musculaire postsynaptique11, une réponse altérée au lévamisole peut également être causée par une mutation ou une élimination de l’ARNi des gènes présynaptiques12. Si une sensibilité altérée au lévamisole est observée, des expériences supplémentaires doivent être effectuées pour déterminer la raison de ce phénotype.
En apportant quelques modifications aux plaques de 24 puits, le test de natation au lévamisole décrit peut également être effectué sur des animaux ARNirenversés 11. L’élimination du gène par l’ARNi peut être obtenue en nourrissant des bactéries C. elegans qui expriment un ARN double brin correspondant au gène d’intérêt20. Pour la préparation des plaques d’ARNi, 1 mL de 1M IPTG et 1 mL de carbénicilline 25 mg/mL doivent être ajoutés par litre de milieu après retrait de l’autoclave. Les cultures bactériennes sont cultivées en cueillant une seule colonie dans 3 mL de bouillon LB plus 3 μL de 25 mg / mLcarbénicilline, et en agitant à 37 ° C pendant la nuit, et la carte des plaques est faite lorsque les différentes bactéries sont repérées dans les puits. C. elegans est synchronisé par la préparation de l’eau de Javel comme décrit; cependant, la souche ARNi hypersensible eri-1 (mg366) doit être utilisée à la place du type sauvage pour augmenter le knockdown du gène. Les knockdowns d’ARNi donnent les mêmes phénotypes de lévamisole observés pour les mutants de perte de fonction11.
Le protocole présenté ici peut être utilisé dans la recherche en laboratoire, comme une expérience autonome dans le laboratoire de premier cycle, ou dans les premières semaines d’un cours avancé de premier cycle comme une introduction aux techniques de base de C. elegans et à la fonction neuromusculaire. Dans un cours plus avancé basé sur la découverte, les étudiants peuvent utiliser ce test pour déterminer si la perte des homologues de C. elegans de gènes mutés chez les personnes atteintes de syndromes myasthéniques, de dystrophies musculaires ou de myopathies modifie la sensibilité au lévamisol. En conclusion, ce test de sensibilité au lévamisole simple et peu coûteux offre une approche pratique pour apprendre la signalisation au NMJ et acquérir de l’expérience de travail avec le système modèle C. elegans.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.
Nous remercions Riya Dattani et Lauren Hogstrom, qui ont recueilli les données de la figure 2B,C aveugles au génotype au laboratoire de génétique avancée BISC413 (printemps 2022) de l’Université du Delaware. Des informations supplémentaires sur l’expérience de recherche de premier cycle basée sur le cours BISC413 (CURE), ainsi que l’accès au manuel de laboratoire conçu par J. Tanis, sont disponibles sur demande. Les souches de nématodes ont été fournies par le Caenorhabditis Genetics Center, qui est soutenu par le NIH-ORIP (P40 OD010440). Ce travail a été soutenu par un prix P20 GM103446 Delaware INBRE Mentored CURE Award (à J.E.T.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
60 mm non-vented, sharp edge Petri Dishes | TriTech Research | Cat #: T3308 | |
BD Difco Bacto Agar | Fisher Scientific | Cat#: DF0140-01-0 | |
BioLite 24 Well Multidish | Fisher Scientific | Cat#:12-556-006 | |
Calcium Chloride Dihydrate | Fisher Scientific | Cat#: BP510-500 | |
Cholesterol | MP Biomedicals | Cat#: 02101382-CF | |
eri-1(mg366) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | GR1373 | |
Gibco Bacto Peptone | Fisher Scientific | Cat#: DF0118-17-0 | |
Gibco Bacto Tryptone | Fisher Scientific | Cat#: DF0123-17-3 | |
GraphPad Prism (Statistical software) | GraphPad Software, Inc. | ||
lev-10(x17) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | ZZ17 | |
Levamisole hydrochloride | Fisher Scientific | Cat#: AC187870100 | |
Low Splash Regular Bleach - 121oz - up & up | Target | Search target.com | |
Magnesium Sulfate Heptahydrate | Fisher Scientific | Cat#: BP213-1 | |
Microsoft Excel | Microsoft, Inc | ||
N2 wild type | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Bristol N2 | |
OP50 E. coli | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | OP50 | |
Potassium Phosphate Dibasic | Fisher Scientific | Cat#: BP363-1 | |
Potassium Phosphate Monobasic | Fisher Scientific | Cat#: BP362-500 | |
Sodium Chloride (NaCl) | Fisher Scientific | Cat#: BP358-1 | |
Sodium Hydroxide 10N | Fisher Scientific | Cat#: SS255-1 | |
Sodium Phosphate Dibasic | Fisher Scientific | Cat#: BP332-1 | |
unc-49(e407) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | CB407 | |
unc-63(x26) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | ZZ26 |
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