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Method Article
La jonction neuromusculaire larvaire du poisson-zèbre est un modèle intéressant pour l’étude de la physiologie synaptique. Il se prête à de nombreuses techniques expérimentales, notamment l’électrophysiologie et l’imagerie optique. Ici, nous décrivons un protocole d’imagerie de la transmission synaptique à l’aide d’une sonde à base de pHluorin sous un microscope à épifluorescence vertical.
La communication neuronale est médiée par la transmission synaptique, qui dépend principalement de la libération de neurotransmetteurs stockés dans les vésicules synaptiques (SV) en réponse à un potentiel d’action (PA). Étant donné que les SV sont recyclés localement à la terminaison présynaptique, la coordination de l’exocytose et de l’endocytose des SV est importante pour une transmission synaptique soutenue. Une protéine fluorescente verte sensible au pH, appelée pHluorin, fournit un outil puissant pour surveiller l’exocytose / endocytose SV en la ciblant sur la lumière SV. Cependant, le suivi du recyclage des SV piloté par AP avec les sondes à base de pHluorin est encore largement limité aux préparations de culture in vitro , car l’introduction de sondes génétiquement codées et l’imagerie optique ultérieure sont techniquement difficiles en général pour les modèles animaux in vivo ou les préparations tissulaires. Le poisson-zèbre est un système modèle offrant des caractéristiques précieuses, notamment la facilité de manipulation génétique, la clarté optique et le développement externe rapide. Nous avons récemment généré un poisson-zèbre transgénique qui exprime fortement une sonde marquée à la pHluorine aux terminaisons des motoneurones et développé un protocole pour surveiller l’exo/endocytose SV induite par AP à la jonction neuromusculaire (JNM), un modèle de synapse bien établi qui se forme in vivo. Dans cet article, nous montrons comment préparer une préparation de NMJ de poisson-zèbre larvaire adaptée à l’imagerie pHluorin. Nous montrons également que la préparation permet une imagerie en accéléré sous un microscope à épifluorescence vertical conventionnel, fournissant une plate-forme rentable pour l’analyse de la fonction NMJ.
La transmission synaptique, médiée par la libération de neurotransmetteurs par les vésicules synaptiques (SV) à la terminaison présynaptique, est un processus fondamental sous-jacent à la fonction nerveuse1. Dans les premières études, la transmission synaptique était mesurée principalement par des techniques électrophysiologiques qui détectent la réponse postsynaptique provoquée par les neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Au cours des dernières décennies, cependant, plusieurs types de techniques d’imagerie ont été développés pour visualiser directement la fonction présynaptique2. L’une des sondes les plus utilisées est une protéine fluorescente verte sensible au pH appelée pHluorin 3,4.
Le recyclage des vésicules synaptiques (SV) au niveau de la terminaison présynaptique est un processus crucial pour la transmission soutenue des neurotransmetteurs5. Suite à la libération de neurotransmetteurs par exocytose des SV, dont la lumière est généralement maintenue à pH acide 6,7, la membrane et les protéines SV sont immédiatement récupérées de la membrane plasmique par endocytose. Les SV nouvellement formés sont ensuite réacidifiés et les neurotransmetteurs sont rechargés. Lorsque pHluorin est ciblée dans la lumière SV en la fusionnant à la protéine SV, elle présente une fluorescence minimale à l’état de repos. Cependant, lors de l’exocytose SV, il est exposé au pH neutre dans l’espace extracellulaire, ce qui entraîne une fluorescence brillante. Par la suite, la fluorescence diminue progressivement suite à la réacidification de la SV. Par conséquent, la fluorescence de pHluorin permet de surveiller les processus de recyclage des SV.
Dans des études pionnières, synaptobrevin/VAMP 2, la protéine vésiculaire SNARE (soluble NSF-attachment protein receptor) responsable de la fusion des vésicules synaptiques dans les synapses du cerveau antérieur8 et la plus abondante parmi les protéines SV9, a été sélectionnée comme partenaire de fusion pour pHluorin, et la protéine de fusion résultante a été désignée comme synaptopHluorin (SpH)3,4. Cependant, le SpH présentait un faible rapport signal/bruit (S/B) en raison de l’expression de surface substantielle de la sonde. Par conséquent, d’autres protéines SV ont été testées en tant que partenaires porteurs 10,11,12. À ce jour, il a été démontré que les transporteurs vésiculaires présentent l’expression de surface la plus faible 13,14,15. L’utilisation de ces sondes a été initialement établie dans des neurones de mammifères en culture pour suivre le recyclage des SV induits par AP 8,9,10,11,12,13 et a été étendue à d’autres préparations, y compris des tissus disséqués et des animaux in vivo 16,17,18,19,20,21 et 22.
Les larves de poisson-zèbre sont un système modèle avec des caractéristiques précieuses, notamment la facilité de manipulation génétique, la clarté optique et le développement externe rapide. Le poisson-zèbre transgénique exprimant la pHluorin fusionnée à la synaptophysine, appelée SypHy, a été généré et appliqué à plusieurs configurations expérimentales, par exemple, le suivi de la fusion spontanée des neurones spinaux par voie SV in vivo21, le recyclage des SV indépendants de l’AP au niveau des synapses de type ruban in vivo20,22 ou dans des cellules isolées 23,24,25. Cependant, l’application de l’imagerie pHluorin du recyclage des SV induits par AP dans le modèle de poisson-zèbre est encore limitée.
La jonction neuromusculaire (JNM) sert de modèle attrayant pour étudier la physiologie synaptique26, et plusieurs études ont réussi à réaliser l’imagerie du recyclage SV induit par AP avec SpH chez la souris18,19. L’utilisation des NMJ pour le recyclage des SV chez le poisson-zèbre a été mise au point par Wen et al.16. Récemment, nous avons généré des poissons-zèbres Tg qui expriment fortement la pHluorin marquée avec un transporteur vésiculaire de GABA (VGAT) spécifiquement dans les motoneurones27. Cette sonde contient également un HaloTag en tandem avec pHluorin à la queue luminale du VGAT et est donc nommée VpHalo. Bien que le VGAT ne soit pas exprimé de manière endogène dans les motoneurones cholinergiques, nous avons confirmé que VpHalo se localise dans tous les pools de SV et est correctement recyclé en réponse aux PA en combinant l’enregistrement électrophysiologique, le marquage SV dépendant de l’activité avec les ligands HaloTag et l’imagerie en direct de pHluorin27. En raison du niveau d’expression élevé et d’une fraction de surface minimale de VpHalo, la préparation de NMJ à partir de ce poisson Tg a permis de surveiller le recyclage des SV induits par AP avec un bon rapport S/B. De plus, la distribution clairsemée des NMJ dans le corps transparent rend la microscopie confocale à balayage laser inutile à cette fin. Bien que la surveillance du recyclage des SV induits par l’AP chez le poisson-zèbre intact soit la direction future souhaitable, il est de première importance d’établir la préparation de NMJ qui convient pour valider l’utilisation de la sonde à base de pHluorin dans des conditions bien contrôlées, comme cela a été fait dans les préparations d’élevage 3,4,10,11,12,13,14,15 . Ici, nous décrivons un protocole de dissection pour préparer un échantillon de NMJ de poisson-zèbre larvaire qui peut être utilisé pour plusieurs types d’expériences, par exemple, l’enregistrement par patch clamp des courants d’extrémité, l’étiquetage HaloTag des SV recyclés et l’imagerie en direct pHluorin, comme indiqué ci-dessus. De plus, nous nous sommes concentrés sur et avons fourni un protocole détaillé pour l’imagerie en direct de pHluorin à l’aide de cette préparation de JNM sous un microscope épifluorescent conventionnel équipé d’un dispositif de stimulation électrique et d’un système de perfusion de solution.
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Toutes les procédures sur les animaux ont été menées conformément aux directives pour le soin et l’utilisation des animaux à l’Université médicale et pharmaceutique d’Osaka. Les poissons-zèbres ont été élevés et maintenus sous un cycle de 14 heures de lumière à 10 heures d’obscurité. Les embryons et les larves ont été maintenus à 28-30 °C dans de l’eau d’œuf contenant 0,006 % de sel marin et 0,01 % de bleu de méthylène. Les expériences ont été menées 4 à 7 jours après la fécondation (dpf). Il est recommandé de nourrir les poissons deux fois par jour à partir de 5 dpf lorsque les expériences sont effectuées après 6 dpf. Le milieu doit être changé avant chaque repas.
1. Préparation des solutions
2. Préparation de l’électrode bipolaire à partir du capillaire en verre thêta
3. Préparation de l’échantillon
REMARQUE : Ce protocole a été optimisé pour une utilisation avec les larves de poisson-zèbre Tg(hb9 :tTAad, TRE :RFP-P2A-VpHalo)27, dans lesquelles les deux protéines suivantes, liées par un peptide de clivage P2A, ont été exprimées spécifiquement dans les motoneurones : une protéine fluorescente rouge rapporteure TagRFP et une protéine capteur VpHalo, qui est une protéine de fusion de pHluorin et de HaloTag avec la partie luminale du VGAT (Figure 2A). Le promoteur hb9 pilote l’expression du tTAad (transactivateur avancé contrôlé par la tétracycline), qui à son tour induit l’expression des gènes sous le promoteur composite de l’élément de réponse à la tétracycline (TRE). Le système d’expression inductible par Tet augmente le niveau d’expression des protéines. pHluorin permet de surveiller en direct le recyclage des SV en fonction de l’activité, tandis que HaloTag visualise les SV recyclés au cours d’une période donnée en marquant de manière covalente la protéine fusionnée (Figure 2A). Bien que les deux méthodes présentent des avantages uniques, dans cet article, nous nous concentrons sur l’imagerie pHluorin.
4. Placement de l’échantillon dans la chambre d’imagerie et insertion de l’électrode de stimulation
REMARQUE : Étant donné que le pH luminal au repos du SV est inférieur au pH 6,0, la fluorescence de la pHluorine aux JNM chez les poissons vivants est à peine observable (figure 2B). Cependant, lorsque la lumière SV a été alcalinisée, une localisation restreinte de VpHalo dans les NMJ a été observée (Figure 2C). Notamment, l’image confocale de la pile z des NMJ a montré qu’ils ne se chevauchaient pas dans le plan xy, à l’exception des bords des segments du corps (Figure 2C). Sur la base de cette observation, nous avons postulé que le microscope à épifluorescence était applicable pour l’imagerie en direct de VpHalo chez les larves de poisson-zèbre, ce qui a été validé comme détaillé dans le protocole suivant.
5. Acquisition d’images
6. Analyse d’images
REMARQUE : Utilisez Fiji pour effectuer le traitement et l’analyse d’image suivants. Utilisez Microsoft Excel ou un tableur similaire pour calculer les résultats de mesure. Utilisez Igor Pro pour effectuer l’ajustement de la courbe sur le résultat obtenu.
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Si l’échantillon disséqué est préparé sans lésions tissulaires graves et que l’électrode de stimulation est correctement insérée dans la moelle épinière, une réponse pHluorin robuste peut être déclenchée par une stimulation électrique à haute fréquence (Figure 4D,E). La fluorescence de base avant le stimulus était probablement due à la sonde présente à la surface de la présynapse. L’augmentation de la fluorescenc...
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La larve de poisson-zèbre NMJ est un système modèle émergent pour l’étude de la physiologie et de la pathologie synaptiques26,31. Un poisson-zèbre transgénique exprimant le SpH d’une manière spécifique aux neurones a déjà été généré et utilisé pour l’analyse d’un mutant présentant un défaut locomoteur17. Wen et al.17 ont démontré une augmentation d’env...
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Aucun conflit d’intérêts n’est déclaré.
Ce travail a été soutenu par la Société japonaise pour la promotion de la science KAKENHI Grant 18K06882 à F. O. ; et Société japonaise pour la promotion de la science Subvention KAKENHI 21K06429 et 24K10020 à Y.E.
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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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