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ゼブラフィッシュの幼生の神経筋接合部は、シナプス生理学を研究するための魅力的なモデルです。電気生理学や光学イメージングなど、多くの実験技術に適しています。ここでは、直立した落射蛍光顕微鏡下でpHluorinベースのプローブを使用してシナプス伝達をイメージングするためのプロトコルについて説明します。
ニューロンのコミュニケーションはシナプス伝達によって媒介され、これは主に活動電位(AP)に応答してシナプス小胞(SV)に貯蔵された神経伝達物質の放出に依存します。SVはシナプス前末端で局所的にリサイクルされるため、SVエキソサイトーシスとエンドサイトーシスの協調は、持続的なシナプス伝達にとって重要です。pH感受性緑色蛍光タンパク質(pHluorin)は、SVルーメンを標的とすることにより、SVエキソ/エンドサイトーシスをモニタリングするための強力なツールを提供します。しかし、pHluorinベースのプローブによるAP駆動型SVリサイクルの追跡は、遺伝的にコードされたプローブの導入とその後の光学イメージングがin vivo動物モデルや組織調製物にとって一般的に技術的に困難であるため、依然としてin vitro培養調製物に大きく制限されています。ゼブラフィッシュは、遺伝子操作の容易さ、光学的透明度、迅速な外部開発などの貴重な機能を提供するモデルシステムです。私たちは最近、運動ニューロン終末でpHluorin標識プローブを高度に発現するトランスジェニックゼブラフィッシュを作製し、in vivoで形成される確立されたシナプスモデルである神経筋接合部(NMJ)でのAP駆動型SVエキソ/エンドサイトーシスをモニターするプロトコルを開発しました。この記事では、pHluorinイメージングに適したゼブラフィッシュ幼生NMJ調製方法をご紹介します。また、この調製により、従来の正立落射蛍光顕微鏡でのタイムラプスイメージングが可能になり、NMJ機能を分析するための費用対効果の高いプラットフォームが提供されることも示しています。
シナプス伝達は、シナプス前末端のシナプス小胞(SV)からの神経伝達物質の放出によって媒介され、神経機能の根底にある基本的なプロセスです1。初期の研究では、シナプス伝達は、主に神経伝達物質とその受容体によって誘発されるシナプス後応答を検出する電気生理学的手法によって測定されていました。しかし、過去数十年の間に、シナプス前機能2を直接可視化するいくつかのタイプのイメージング技術が開発されてきました。最も広く使用されているプローブの1つは、pHluorin 3,4と呼ばれるpH感受性緑色蛍光タンパク質です。
シナプス前末端でのシナプス小胞(SV)のリサイクルは、神経伝達物質の持続的な伝達にとって重要なプロセスである5。SVのエキソサイトーシスによる神経伝達物質の放出に続いて、その内腔は一般に酸性pH6,7に維持され、膜とSVタンパク質はエンドサイトーシスによって原形質膜から直ちに回収されます。次に、新しく形成されたSVが再酸性化され、神経伝達物質がリロードされます。pHluorinをSVタンパク質に融合させることによりSV内腔に標的とすると、静止状態での蛍光は最小限に抑えられます。しかし、SVエキソサイトーシスでは、細胞外空間で中性pHにさらされ、明るい蛍光が発せられます。その後、SV再酸性化に続いて蛍光は徐々に減少します。したがって、pHluorin蛍光はSVリサイクルプロセスのモニタリングを可能にします。
先駆的な研究では、前脳シナプスにおけるシナプス小胞融合に関与する水疱性SNARE(可溶性NSF付着タンパク質受容体)タンパク質8であり、SVタンパク質9の中で最も豊富であるシナプトブレビン/VAMP2をpHluorinの融合パートナーとして選択し、得られた融合タンパク質をsynaptopHluorin(SpH)3,4と命名しました.しかし、SpHは、プローブの実質的な表面発現により、低いS/N比を示しました。したがって、他のSVタンパク質は、キャリアパートナーとして試験されている10、11、12。今日までに、小胞性トランスポーターは最も低い表面発現を示すことが実証されている13,14,15。これらのプローブの使用は、AP駆動SVリサイクル8,9,10,11,12,13を追跡するために培養哺乳動物ニューロンで最初に確立され、解剖された組織およびインビボ動物16,17,18,19,20を含む他の調製物に拡張された。21,22.
ゼブラフィッシュの幼生は、遺伝子操作の容易さ、光学的透明度、急速な外部発達などの貴重な特性を持つモデルシステムです。SypHyと呼ばれるシナプトフィジンに融合したpHluorinを発現するトランスジェニックゼブラフィッシュを作製し、in vivoでの脊髄ニューロンの自発的なSV融合のモニタリング21、in vivoでのリボン型シナプス20,22または単離細胞23,24,25でのAP非依存性SVリサイクルなど、複数の実験設定に適用しました.しかし、ゼブラフィッシュモデルにおけるAP駆動型SVリサイクルのpHluorinイメージングの適用はまだ限られています。
神経筋接合部(NMJ)は、シナプス生理学を研究するための魅力的なモデルとして機能し26、いくつかの研究では、マウス18,19のSpHによるAP駆動型SVリサイクルのイメージングに成功しました。ゼブラフィッシュのSVリサイクルのためのNMJの使用は、Wen et al.16によって開拓されました。最近、我々は、小胞性GABAトランスポーター(VGAT)でタグ付けされたpHluorinを運動ニューロンに特異的に高発現するTgゼブラフィッシュを作製した27。このプローブには、VGATの管腔テールにpHluorinと並行してHaloTagも含まれているため、VpHaloと名付けられています。VGATはコリン作動性運動ニューロンでは内因的に発現しませんが、電気生理学的記録、HaloTagリガンドによる活動依存性SV標識、およびpHluorin27のライブイメージングを組み合わせることで、VpHaloがすべてのSVプールに局在し、APに応答して適切にリサイクルされることを確認しました。VpHaloの発現レベルが高く、表面分率が最小限に抑えられているため、このTg魚からのNMJ調製により、良好なS/N比でAP駆動型SVリサイクルをモニタリングすることができました。さらに、透明体内のNMJの分布がまばらであるため、この目的のために共焦点レーザー走査型顕微鏡検査は不要になります。無傷のゼブラフィッシュにおけるAP主導のSVリサイクルのモニタリングは、将来の望ましい方向性ですが、培養調製物3、4、10、11、12、13、14、15で行われたように、十分に制御された条件下でpHluorinベースのプローブの使用を検証するのに適したNMJ調製物を確立することが最も重要です.ここでは、上述したように、エンドプレート電流のパッチクランプ記録、リサイクルSVのHaloTag標識、pHluorinライブイメージングなど、複数のタイプの実験に使用できるゼブラフィッシュ幼生NMJサンプルを調製するための解剖プロトコルについて説明します。さらに、電気刺激装置と溶液灌流システムを備えた従来のエピ蛍光顕微鏡下で、このNMJ調製物を用いたpHluorinのライブイメージングに着目し、詳細なプロトコールを提供しました。
すべての動物処置は、大阪医科薬科大学の動物の世話と使用に関するガイドラインに従って行われました。ゼブラフィッシュは、14時間の光から10時間の暗サイクルで飼育および維持されました。胚と幼虫は、0.006%の海塩と0.01%のメチレンブルーを含む卵水で28〜30°Cに維持されました。実験は受精後4〜7日(dpf)に行われました。実験が6dpfの後に行われる場合、魚は5dpf以降から1日2回給餌することをお勧めします。各給餌の前に培地を交換する必要があります。
1. 溶液の調製
2. シータガラスキャピラリーからのバイポーラ電極の作製
3. サンプル調製
注:このプロトコルは、Tg(hb9:tTAad、TRE:TagRFP-P2A-VpHalo)ゼブラフィッシュ幼生27で使用するために最適化されており、P2A切断ペプチドによってリンクされた次の2つのタンパク質が運動ニューロンで特異的に発現されました:レポーター赤色蛍光タンパク質TagRFPと、VGATの管腔部分へのpHluorinとHaloTagの融合タンパク質であるセンサータンパク質VpHalo(図2A)).hb9プロモーターはtTAad(テトラサイクリン制御トランスアクチベーターアドバンスド)の発現を駆動し、tTAadはテトラサイクリン応答エレメント(TRE)複合プロモーターの下で遺伝子の発現を誘導します。Tet誘導性発現システムは、タンパク質の発現レベルを増加させます。pHluorinは、活性依存性のSVリサイクルのライブモニタリングを可能にしますが、HaloTagは、融合タンパク質を共有結合的に標識することにより、特定の期間にリサイクルされたSVを視覚化します(図2A)。どちらの方法にも独自の利点がありますが、この記事ではpHluorinイメージングに焦点を当てます。
4. イメージングチャンバーへのサンプルの配置と刺激電極の挿入
注:SVの静止管腔pHがpH 6.0未満であるため、生きている魚のNMJでのpHluorin蛍光はほとんど観察できません(図2B)。しかし、SVルーメンをアルカリ化すると、VpHaloのNMJへの限定的な局在化が観察されました(図2C)。特に、NMJの共焦点zスタック画像は、ボディセグメントのエッジを除いて、それらがxy平面で互いに重なっていないことを示しました(図2C)。この観察結果に基づいて、落射蛍光顕微鏡はゼブラフィッシュの幼生におけるVpHaloのライブイメージングに適用可能であると仮定し、以下のプロトコルで詳細に検証されました。
5. 画像取得
6. 画像解析
注:フィジーを使用して、次の画像処理と分析を実行します。Microsoft Excelまたは同様のスプレッドシートソフトウェアを使用して、測定結果を計算します。Igor Proを使用して、取得した結果に対してカーブフィッティングを実行します。
解剖したサンプルが深刻な組織損傷なしに調製され、刺激電極が脊髄に適切に挿入されている場合、高周波電気刺激によって強力なpHluorin応答を誘発できます(図4D、E)。刺激前のベースライン蛍光は、シナプス前部の表面に存在するプローブによるものであった可能性が高い。刺激中の蛍光の増加は、プローブの表面へのエキソサイ...
ゼブラフィッシュの幼生NMJは、シナプス生理学および病理学の研究のための新たなモデルシステムである26,31。SpHをニューロン特異的に発現するトランスジェニックゼブラフィッシュは、すでに作製されており、自発運動障害を示す変異体の解析に用いられている17。Wen et al.17 は、WT 制?...
利益相反は宣言されません。
本研究は、日本学術振興会科研費18K06882の支援を受けて、F. O.;日本学術振興会 科学研究費補助金 21K06429 and 24K10020 to 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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