Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Нервно-мышечное соединение личинки данио-рерио является привлекательной моделью для изучения синаптической физиологии. Он поддается многим экспериментальным методикам, включая электрофизиологию и оптическую визуализацию. В этой статье мы опишем протокол визуализации синаптической передачи с помощью зонда на основе pHluorin под вертикальным эпифлуоресцентным микроскопом.
Нейронная коммуникация опосредована синаптической передачей, которая зависит в первую очередь от высвобождения нейротрансмиттеров, хранящихся в синаптических везикулах (SV), в ответ на потенциал действия (AP). Поскольку SV рециркулируются локально в пресинаптической окончании, координация экзоцитоза SV и эндоцитоза важна для устойчивой синаптической передачи. pH-чувствительный зеленый флуоресцентный белок, называемый pHluorin, является мощным инструментом для мониторинга экзо/эндоцитоза SV, нацеливаясь на просвет SV. Тем не менее, отслеживание рециркуляции SV, управляемой AP, с помощью зондов на основе pHluorin по-прежнему в значительной степени ограничено препаратами культур in vitro , поскольку введение генетически кодируемых зондов и последующая оптическая визуализация в целом технически сложны для животных моделей или препаратов тканей in vivo . Рыбки данио-рерио — это модельная система, обладающая ценными характеристиками, включая простоту генетических манипуляций, оптическую прозрачность и быстрое внешнее развитие. Недавно мы создали трансгенную рыбку данио, которая высоко экспрессирует меченный pHluorin зонд в окончаниях моторных нейронов, и разработали протокол для мониторинга AP-управляемого SV-экзо/эндоцитоза в нервно-мышечном соединении (NMJ), хорошо зарекомендовавшей себя модели синапсов, которая формируется in vivo. В этой статье мы покажем, как приготовить препарат NMJ для личинок данио-рерио, подходящий для визуализации pHluorin. Мы также показываем, что препарат позволяет проводить покадровую визуализацию под обычным вертикальным эпифлуоресцентным микроскопом, обеспечивая экономически эффективную платформу для анализа функции NMJ.
Синаптическая передача, опосредованная высвобождением нейромедиаторов из синаптических везикул (СВ) в пресинаптической окончании, является фундаментальным процессом, лежащим в основе нервной функции1. В ранних исследованиях синаптическая передача измерялась в основном с помощью электрофизиологических методов, которые обнаруживают постсинаптическую реакцию, вызванную нейротрансмиттерами и их рецепторами. Однако за последние несколько десятилетий было разработано несколько типов методов визуализации, которые непосредственно визуализируют пресинаптическую функцию. Одним из наиболее широко используемых зондов является pH-чувствительный зеленый флуоресцентный белок под названием pHluorin 3,4.
Рециркуляция синаптических везикул (СО) в пресинаптических окончаниях является важнейшим процессом для устойчивой передачи нейротрансмиттеров5. После высвобождения нейротрансмиттеров в результате экзоцитоза SV, просвет которых обычно поддерживается на кислом pH 6,7, мембрана и белки SV немедленно извлекаются из плазматической мембраны посредством эндоцитоза. Вновь образованные SV затем повторно подкисляются, а нейротрансмиттеры перезагружаются. Когда pHluorin нацеливается на SV-просвет путем слияния его с SV-белком, он проявляет минимальную флуоресценцию в состоянии покоя. Однако при экзоцитозе SV он подвергается воздействию нейтрального pH во внеклеточном пространстве, что приводит к яркой флуоресценции. Впоследствии флуоресценция постепенно снижается после повторного закисления SV. Таким образом, флуоресценция pHluorin позволяет контролировать процессы переработки SV.
В новаторских исследованиях синаптобревин/VAMP 2, везикулярный белок SNARE (растворимый рецептор белка прикрепления NSF), ответственный за слияние синаптических везикул в синапсах переднего мозга8 и наиболее распространенный среди белков SV9, был выбран в качестве партнера по слиянию для pHluorin, а полученный белок слияния был обозначен как synaptopHluorin (SpH)3,4. Тем не менее, SpH демонстрирует низкое отношение сигнал/шум (S/N) из-за значительной поверхностной экспрессии зонда. Таким образом, другие белки SV были протестированы в качестве партнеров-носителей 10,11,12. На сегодняшний день доказано, что везикулярные транспортеры демонстрируют самую низкую поверхностную экспрессию 13,14,15. Использование этих зондов было первоначально установлено в культивируемых нейронах млекопитающих для отслеживания АР-управляемой рециркуляции SV 8,9,10,11,12,13 и было распространено на другие препараты, включая препарированные ткани и животных in vivo 16,17,18,19,20.21,22.
Личинки данио-рерио представляют собой модельную систему с ценными характеристиками, включая простоту генетических манипуляций, оптическую прозрачность и быстрое внешнее развитие. Трансгенные рыбки данио-рерио, экспрессирующие pHluorin, слитые с синаптофизином, называемые SypHy, были получены и применены в нескольких экспериментальных установках, например, для мониторинга спонтанного SV-слияния спинномозговых нейронов in vivo21, AP-независимой рециркуляции SV в синапсах ленточного типа in vivo 20,22 или в изолированных клетках 23,24,25. Тем не менее, применение визуализации pHluorin для рециркуляции SV, вызванной AP, в модели рыбок данио все еще ограничено.
Нервно-мышечное соединение (NMJ) служит привлекательной моделью для изучения синаптической физиологии26, и в нескольких исследованиях была успешно выполнена визуализация рециркуляции SV, вызванной AP, с SpH у мышей 18,19. Использование NMJ для переработки SV у рыбок данио было впервые предложено Wen et al.16. Недавно мы создали рыбок данио Tg, которые высоко экспрессируют pHluorin, помеченный везикулярным транспортером GABA (VGAT), в частности, в моторных нейронах27. Этот зонд также содержит HaloTag в тандеме с pHluorin в люминальном хвосте VGAT и, следовательно, называется VpHalo. Несмотря на то, что VGAT эндогенно не экспрессируется в холинергических мотонейронах, мы подтвердили, что VpHalo локализуется во всех пулах SV и должным образом рециркулируется в ответ на AP путем комбинации электрофизиологической записи, зависимого от активности мечения SV лигандами HaloTag и визуализации pHluorin27 в реальном времени. Благодаря высокому уровню экспрессии и минимальной поверхностной фракции VpHalo, препарат NMJ из этой рыбы Tg позволил контролировать рециркуляцию SV, вызванную AP, с хорошим соотношением S/N. Кроме того, разреженное распределение NMJ в прозрачном теле делает конфокальную лазерную сканирующую микроскопию ненужной для этой цели. Несмотря на то, что мониторинг рециркуляции SV, вызванного AP, у неповрежденных рыбок данио рерио является желательным направлением в будущем, первостепенное значение имеет разработка препарата NMJ, пригодного для валидации использования зонда на основе pHluorin в хорошо контролируемых условиях, как это было сделано в культивируемых препаратах 3,4,10,11,12,13,14,15 . В этой статье мы описываем протокол вскрытия для подготовки образца NMJ личинки данио-рерио, который может быть использован для нескольких типов экспериментов, например, для записи токов на торцевой пластине с помощью патч-хомута, маркировки HaloTag переработанных SV и визуализации pHluorin в реальном времени, как обсуждалось выше. Кроме того, мы сосредоточились на подробном протоколе визуализации пХлуорина в реальном времени с использованием этого препарата NMJ и предоставили его на обычном эпифлуоресцентном микроскопе, оснащенном устройством для электрической стимуляции и системой перфузии раствора.
Все процедуры на животных проводились в соответствии с рекомендациями по уходу и использованию животных в Осакском медицинском и фармацевтическом университете. Рыбок данио выращивали и содержали в темном цикле от 14 до 10 часов. Эмбрионы и личинки содержались при температуре 28-30 °C в яичной воде, содержащей 0,006% морской соли и 0,01% метиленового синего. Эксперименты проводили через 4-7 дней после оплодотворения (dpf). Рекомендуется кормить рыб два раза в день, начиная с 5 dpf, когда эксперименты проводятся после 6 dpf. Среду необходимо менять перед каждым кормлением.
1. Приготовление растворов
2. Препарирование биполярного электрода из тетастеклянного капилляра
3. Подготовка образцов
ПРИМЕЧАНИЕ: Данный протокол был оптимизирован для использования с личинками27 данио-рерио Tg(hb9:tTAad, TRE:TagRFP-P2A-VpHalo), у которых следующие два белка, связанные пептидом расщепления P2A, бицистронно экспрессировались специфически в моторных нейронах: репортерный красный флуоресцентный белок TagRFP и сенсорный белок VpHalo, представляющий собой слияние белка pHluorin и HaloTag с люминальной частью VGAT (рисунок 2A). Промотор hb9 управляет экспрессией tTAad (тетрациклин-контролируемый трансактиватор-продвинутый), который, в свою очередь, индуцирует экспрессию генов под составным промотором тетрациклинового элемента ответа (TRE). Индуцируемая Tet система экспрессии повышает уровень экспрессии белка. pHluorin позволяет в режиме реального времени отслеживать рециркуляцию SV, зависящую от активности, в то время как HaloTag визуализирует SV, переработанные в течение определенного периода, путем ковалентной маркировки слитого белка (рис. 2A). Хотя оба метода имеют уникальные преимущества, в этой статье мы сосредоточимся на визуализации pHluorin.
4. Помещение образца в камеру визуализации и введение стимулирующего электрода
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку рН просвета в покое у SV ниже pH 6,0, флуоресценция pHluorin в NMJ у живых рыб едва заметна (Рисунок 2B). Однако, когда просвет SV был подщелачен, наблюдалась ограниченная локализация VpHalo до NMJ (рис. 2C). Примечательно, что конфокальное изображение z-стека NMJ показало, что они не перекрывают друг друга в плоскости xy, за исключением краев сегментов тела (рис. 2C). Основываясь на этом наблюдении, мы предположили, что эпифлуоресцентный микроскоп применим для визуализации VpHalo в реальном времени у личинок рыбок данио, что было подтверждено, как подробно описано в следующем протоколе.
5. Получение изображения
6. Анализ изображений
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте Fiji для выполнения следующей обработки и анализа изображений. Используйте Microsoft Excel или аналогичное программное обеспечение для работы с электронными таблицами для расчета результатов измерений. Используйте Igor Pro для выполнения подгонки кривой по полученному результату.
Если препарированный образец подготовлен без серьезного повреждения тканей и стимулирующий электрод правильно введен в спинной мозг, то с помощью высокочастотной электрической стимуляции можно вызвать устойчивый ответ pHluorin (рис. 4D, E). Фонов...
Личинки данио-рерио NMJ являются новой модельной системой для изучения синаптической физиологии и патологии26,31. Трансгенная рыбка данио-рерио, экспрессирующая SpH нейрон-специфичным образом, уже была получена и использована для анализа ?...
Конфликт интересов не декларируется.
Эта работа была поддержана Японским обществом содействия науке KAKENHI Grant 18K06882 для F. O.; и гранты Японского общества содействия науке KAKENHI 21K06429 и 24K10020 для 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены