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A junção neuromuscular larval do peixe-zebra é um modelo atraente para o estudo da fisiologia sináptica. É passível de muitas técnicas experimentais, incluindo eletrofisiologia e imagens ópticas. Aqui, descrevemos um protocolo para transmissão sináptica de imagem usando uma sonda baseada em pHluorina sob um microscópio de epifluorescência vertical.
A comunicação neuronal é mediada pela transmissão sináptica, que depende principalmente da liberação de neurotransmissores armazenados nas vesículas sinápticas (SVs) em resposta a um potencial de ação (PA). Como os SVs são reciclados localmente no terminal pré-sináptico, a coordenação da exocitose e endocitose do SV é importante para a transmissão sináptica sustentada. Uma proteína fluorescente verde sensível ao pH, chamada pHluorina, fornece uma ferramenta poderosa para monitorar a exo/endocitose do SV, direcionando-a para o lúmen do SV. No entanto, o rastreamento da reciclagem de SV orientada por AP com as sondas baseadas em pHluorina ainda é amplamente limitado a preparações de cultura in vitro porque a introdução de sondas geneticamente codificadas e imagens ópticas subsequentes é tecnicamente desafiadora em geral para modelos animais in vivo ou preparações de tecidos. O peixe-zebra é um sistema modelo que oferece recursos valiosos, incluindo facilidade de manipulação genética, clareza óptica e rápido desenvolvimento externo. Recentemente, geramos um peixe-zebra transgênico que expressa altamente uma sonda marcada com pHluorina nos terminais do neurônio motor e desenvolvemos um protocolo para monitorar exo/endocitose SV orientada por AP na junção neuromuscular (NMJ), um modelo de sinapse bem estabelecido que se forma in vivo. Neste artigo, mostramos como preparar a preparação de larvas de peixe-zebra NMJ adequada para imagens de pHluorin. Também mostramos que a preparação permite imagens de lapso de tempo sob microscópio de epifluorescência vertical convencional, fornecendo uma plataforma econômica para analisar a função da JNM.
A transmissão sináptica, mediada pela liberação de neurotransmissores das vesículas sinápticas (SVs) no terminal pré-sináptico, é um processo fundamental subjacente à função nervosa1. Nos primeiros estudos, a transmissão sináptica foi medida principalmente por técnicas eletrofisiológicas que detectam a resposta pós-sináptica provocada por neurotransmissores e seus receptores. Nas últimas décadas, no entanto, vários tipos de técnicas de imagem foram desenvolvidos para visualizar diretamente a função pré-sináptica2. Uma das sondas mais utilizadas é uma proteína fluorescente verde sensível ao pH chamada pHluorin 3,4.
A reciclagem de vesículas sinápticas (SVs) no terminal pré-sináptico é um processo crucial para a transmissão sustentada de neurotransmissores5. Após a liberação de neurotransmissores por exocitose de SVs, cujo lúmen é geralmente mantido em pH ácido 6,7, as proteínas de membrana e SV são imediatamente recuperadas da membrana plasmática por endocitose. As SVs recém-formadas são então reacidificadas e os neurotransmissores são recarregados. Quando a pHluorina é direcionada para o lúmen SV fundindo-o à proteína SV, ela exibe fluorescência mínima no estado de repouso. No entanto, após a exocitose do SV, ele é exposto ao pH neutro no espaço extracelular, resultando em fluorescência brilhante. Posteriormente, a fluorescência diminui gradualmente após a reacidificação do SV. Portanto, a fluorescência de pHluorina permite o monitoramento dos processos de reciclagem de SV.
Em estudos pioneiros, a sinaptobrevin/VAMP 2, a proteína vesicular SNARE (receptor de proteína de ligação NSF solúvel) responsável pela fusão de vesículas sinápticas nas sinapses do prosencéfalo8 e a mais abundante entre as proteínas SV9, foi selecionada como parceira de fusão para a pHluorina, e a proteína de fusão resultante foi designada como sinaptopHluorin (SpH)3,4. No entanto, o SpH exibiu uma baixa relação sinal-ruído (S/N) devido à expressão superficial substancial da sonda. Portanto, outras proteínas SV foram testadas como parceiras transportadoras 10,11,12. Até o momento, os transportadores vesiculares demonstraram exibir a menor expressão de superfície 13,14,15. O uso dessas sondas foi inicialmente estabelecido em neurônios de mamíferos cultivados para rastrear a reciclagem de SV impulsionada por AP 8,9,10,11,12,13 e foi estendido a outras preparações, incluindo tecidos dissecados e animais in vivo 16,17,18,19,20,21,22.
O peixe-zebra larval é um sistema modelo com características valiosas, incluindo facilidade de manipulação genética, clareza óptica e rápido desenvolvimento externo. O peixe-zebra transgênico expressando pHluorina fundida à sinaptofisina, chamado SypHy, foi gerado e aplicado a várias configurações experimentais, por exemplo, monitoramento da fusão espontânea de SV de neurônios espinhais in vivo21, reciclagem de SV independente de AP em sinapses do tipo fita in vivo20,22 ou em células isoladas 23,24,25. No entanto, a aplicação de imagens de pHluorina da reciclagem de SV orientada por AP no modelo de peixe-zebra ainda é limitada.
A junção neuromuscular (NMJ) serve como um modelo atraente para estudar a fisiologia sináptica26, e vários estudos realizaram com sucesso a reciclagem de VS orientada por AP com SpH em camundongos 18,19. O uso de NMJs para reciclagem de VS em peixe-zebra foi iniciado por Wen et al.16. Recentemente, geramos peixes-zebra Tg que expressam altamente pHluorina marcada com um transportador GABA vesicular (VGAT) especificamente em neurônios motores27. Esta sonda também contém um HaloTag em conjunto com pHluorin na cauda luminal do VGAT e é, portanto, chamada de VpHalo. Embora o VGAT não seja expresso endogenamente em neurônios motores colinérgicos, confirmamos que o VpHalo se localiza em todos os pools de SV e é devidamente reciclado em resposta aos APs, combinando registro eletrofisiológico, marcação de SV dependente de atividade com ligantes HaloTag e imagens ao vivo de pHluorin27. Devido ao alto nível de expressão e uma fração superficial mínima de VpHalo, a preparação de NMJ a partir deste peixe Tg permitiu o monitoramento da reciclagem de SV impulsionada por AP com uma boa relação S/N. Além disso, a distribuição esparsa de NMJs no corpo transparente torna a microscopia confocal de varredura a laser desnecessária para esse fim. Embora o monitoramento da reciclagem de SV orientada por AP em peixe-zebra intacto seja a direção futura desejável, é de primordial importância estabelecer a preparação NMJ que seja adequada para validar o uso da sonda à base de pHluorina sob condições bem controladas, como foi feito em preparações cultivadas 3,4,10,11,12,13,14,15 . Aqui, descrevemos um protocolo de dissecação para preparar uma amostra NMJ de larva de peixe-zebra que pode ser usada para vários tipos de experimentos, por exemplo, registro de patch clamp de correntes de placa terminal, marcação HaloTag de SVs reciclados e imagem ao vivo de pHluorin, conforme discutido acima. Além disso, nos concentramos e fornecemos um protocolo detalhado para a imagem ao vivo de pHluorina usando esta preparação NMJ sob um microscópio epifluorescente convencional equipado com um dispositivo de estimulação elétrica e um sistema de perfusão de solução.
Todos os procedimentos com animais foram conduzidos de acordo com as diretrizes para o cuidado e uso de animais na Universidade Médica e Farmacêutica de Osaka. Os peixes-zebra foram criados e mantidos sob um ciclo de 14 h de luz a 10 h de escuridão. Os embriões e larvas foram mantidos a 28-30 °C em água de ovo contendo 0,006% de sal marinho e 0,01% de azul de metileno. Os experimentos foram conduzidos em 4-7 dias pós-fertilização (dpf). Recomenda-se que os peixes sejam alimentados duas vezes ao dia a partir de 5 dpf, quando os experimentos forem realizados após 6 dpf. O meio deve ser trocado antes de cada mamada.
1. Preparação das soluções
2. Preparação do eletrodo bipolar a partir do capilar de vidro
3. Preparação da amostra
NOTA: Este protocolo foi otimizado para uso com larvas de peixe-zebra Tg(hb9:tTAad, TRE:TagRFP-P2A-VpHalo)27, nas quais as duas proteínas a seguir, ligadas por um peptídeo de clivagem P2A, foram expressas bicistronicamente especificamente em neurônios motores: uma proteína fluorescente vermelha repórter TagRFP e uma proteína sensor VpHalo, que é uma proteína de fusão de pHluorin e HaloTag para a parte luminal do VGAT (Figura 2A). O promotor hb9 impulsiona a expressão do tTAad (transativador controlado por tetraciclina avançado), que por sua vez induz a expressão dos genes sob o promotor composto do elemento de resposta à tetraciclina (TRE). O sistema de expressão induzível por Tet aumenta o nível de expressão de proteínas. O pHluorin permite o monitoramento ao vivo da reciclagem de SV dependente da atividade, enquanto o HaloTag visualiza SVs reciclados durante um determinado período, marcando covalentemente a proteína fundida ( Figura 2A ). Embora ambos os métodos tenham vantagens únicas, neste artigo nos concentramos na imagem de pHluorina.
4. Colocação da amostra na câmara de imagem e inserção do eletrodo estimulante
NOTA: Como o pH luminal em repouso do SV está abaixo de pH 6,0, a fluorescência da pHluorina em NMJs em peixes vivos é quase inobservável (Figura 2B). No entanto, quando o lúmen SV foi alcalinizado, observou-se localização restrita de VpHalo às JNMs (Figura 2C). Notavelmente, a imagem confocal da pilha z das JNMs mostrou que elas não se sobrepunham no plano xy, exceto nas bordas dos segmentos do corpo (Figura 2C). Com base nessa observação, postulamos que o microscópio de epifluorescência era aplicável para imagens ao vivo de VpHalo em larvas de peixe-zebra, o que foi validado conforme detalhado no protocolo a seguir.
5. Aquisição de imagem
6. Análise de imagem
NOTA: Use Fiji para executar o seguinte processamento e análise de imagem. Use o Microsoft Excel ou software de planilha semelhante para calcular os resultados da medição. Use o Igor Pro para realizar o ajuste da curva no resultado obtido.
Se a amostra dissecada for preparada sem danos graves ao tecido e o eletrodo de estimulação for inserido adequadamente na medula espinhal, uma resposta robusta de pHluorina pode ser obtida por estimulação elétrica de alta frequência ( Figura 4D , E ). A fluorescência basal pré-estímulo foi provavelmente devido à sonda presente na superfície da pré-sinapse. O aumento da fluorescência durante a estimulação reflete a liberação ...
A larva de peixe-zebra NMJ é um sistema modelo emergente para o estudo da fisiologia e patologia sináptica26,31. Um peixe-zebra transgênico expressando SpH de maneira neuroespecífica já foi gerado e empregado para a análise de um mutante exibindo um defeito locomotor17. Wen et al.17 demonstraram um aumento de aproximadamente 2 vezes na fluorescência da pHluorina durante a est...
Nenhum conflito de interesse é declarado.
Este trabalho foi apoiado pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência KAKENHI Grant 18K06882 para F. O.; e Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência KAKENHI Grant 21K06429 e 24K10020 para 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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