本方案详细介绍了如何通过免疫细胞化学方法,在分离的神经元培养物和脑切片中定量突触数量。利用特定区室的抗体,我们标记突触前终末以及突触后特化位点。我们将突触定义为这些标记物产生的信号之间共定位的位点。
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本方案详细介绍了如何通过免疫细胞化学方法,在分离的神经元培养物和脑切片中定量突触数量。利用特定区室的抗体,我们标记突触前终末以及突触后特化位点。我们将突触定义为这些标记物产生的信号之间共定位的位点。
神经科学中最重要的目标之一是理解指导突触形成的早期阶段的分子信号。因此,开发出客观的方法来量化突触连接的变化已成为当务之急。本实验方案从样本固定开始,详细描述了如何通过免疫细胞化学方法,在分离的神经元培养物以及脑切片中定量突触数量。利用特定区室的抗体,我们标记出突触前终末以及突触后特化结构的位点。我们将突触定义为这些标记物所产生的信号之间共定位的点。这些共定位点的数量通过ImageJ分析软件平台下的Puncta Analyzer插件(由Bary Wark编写,可应要求获取,c.eroglu@cellbio.duke.edu)进行量化。本方案中描述的突触检测方法可应用于任何具有选择性突触前和突触后标记物的神经组织或培养样本。该突触检测技术是一种有价值的工具,可在突触发育研究中广泛使用。
需准备的溶液:
神经元培养物的制备:
本文所述方案适用于在24孔板(Falcon,货号:35-3047)中培养于12 mm玻璃盖玻片(Karl Hecht,编号:O,货号:99010)上的任何原代神经元培养。例如,在我们的实验室中,我们培养从出生后5至7天(P5-7)大鼠视网膜中分离纯化的视网膜神经节细胞(RGCs)1,2。细胞培养所用的玻璃盖玻片预先涂有聚-D-赖氨酸(Sigma,货号:P6407)和小鼠层粘连蛋白(Cultrex,货号:3400-010-01)。我们将这种培养体系用于突触检测实验中的多种不同用途。其中一种操作方式是将RGCs在存在或不存在星形胶质细胞分泌的突触生成因子的条件下进行培养。另一种方式则是将经过转染以过表达目标蛋白的RGCs应用于不同处理条件的实验中。在后一种情况下,我们会共转染一种细胞标记物(例如GFP或tdTomato)。这些不同的实验策略会影响突触检测中某些步骤的具体操作,下文将予以说明。
1. 固定分离纯化的RGCs
2. 封闭视网膜神经节细胞上的非特异性结合位点
3. 加入一抗溶液
4. 应用二抗溶液
5. 盖玻片封片
6. 成像
进行成像时,需要配备能够同时采集4个不同通道图像的相机的荧光显微镜,以便对突触标记物、细胞填充物以及细胞核(DAPI/可选)进行成像。应使用63倍油浸物镜对细胞进行成像。我们采用蔡司AxioImager荧光显微镜,配备蔡司Plan-APOCHROMAT 63x/1.4 Oil DIC ∞/0.17物镜进行成像。
7. 图像分析与共定位点状结构定量
脑切片:
突触检测法可应用于脑组织的冷冻切片,以及任何其他神经系统组织(如脊髓或视网膜),前提是存在合适的突触前和突触后标记物组合(具有在切片中效果良好的抗体),可用于识别需要定量的突触。该突触检测法能够揭示特定脑区突触形成的时序调控,并可定量分析转基因动物或经其他方式处理的样本中突触连接性的变化效应。
1. 小鼠脑组织的采集
所有动物实验操作均应遵循 IACUC 动物实验方案。
2. 固定
3. 包埋/冷冻切片
4. 封闭切片
5. 应用一抗
6. 加入二抗
7. 封片
8. 成像
重要提示:此处所述成像需要至少具备3个通道的共聚焦显微镜。我们使用徕卡SP5激光扫描共聚焦显微镜,配备63倍油浸物镜进行成像。
9. 图像定量分析
成功的要点:
纯化的RGCs:
脑切片:
代表性结果:
上述突触检测方法旨在捕捉突触连接性的变化 体外 和 体内在我们的实验室中,我们利用突触检测实验来确定单个或多种星形胶质细胞分泌分子对突触形成的影响。我们通常在纯化的视网膜神经节细胞(RGCs)上进行此类突触检测实验,这些细胞是我们培养的 体外.
在纯化的视网膜神经节细胞(RGC)培养物中,长期应用星形胶质细胞条件培养基(ACM)的一个已被充分描述的效应是RGC之间形成的突触数量显著增加数倍3,4,5,6。图1A和1B展示了未经转染的纯化RGC分别用基础生长培养基或ACM处理后的代表性图像。在对兴奋性突触前和突触后标志物进行染色后,ACM诱导的突触形成增加在定性上清晰可见(图1A,1B)。事实上,这一发现已得到多项研究的证实:通过电生理学实验表明,ACM诱导形成的突触具有功能活性;通过电子显微镜观察表明,这些突触的超微结构正常3,4,6。我们实验室的其他研究已鉴定出钙通道亚基α2δ-1是星形胶质细胞分泌的一种强效促突触生成分子——血小板反应蛋白(thrombospondin)的神经元受体3。本文还包括了一项在纯化RGC中进行的实验结果,旨在确定α2δ-1水平的升高是否能进一步增强ACM诱导的突触形成(图3)。
视网膜神经节细胞在5天后共转染空载体或编码α2δ-1的质粒,同时转染编码tdTomato的独立质粒 体外 (DIV5)。在分别用ACM或GM进行慢性处理后,于DIV 11固定并染色RGCs。通过标记兴奋性突触的突触前和突触后标志物,我们定性观察到,在表达空载体(pcDNA3.1)或α2δ-1的纯化RGCs中,突触数量明显增加(图1C,1D)。我们使用Puncta Analyzer对每种条件下至少15个神经元的突触数量进行定量分析以评估ACM的促突触生成效应(图2)。该样本量足以计算每个神经元的平均突触数量,并发现经ACM处理且表达空载体的神经元其突触数量显著增加约10倍(图3,灰色柱状图)。此外,我们还显示,α2δ-1的过表达可显著增强ACM诱导的突触形成,增幅约为20倍(图3,黑色柱状图)。
除了培养的神经元外,我们还可以利用该技术定量不同脑区中的突触密度。上丘是一种接受视网膜-上丘投射的脑结构,这种投射起源于视网膜中的视网膜神经节细胞(RGCs)7,8,9。在出生后发育过程中,RGCs 在上丘靶细胞上形成的兴奋性突触数量从 P7 到 P21 期显著增加7,8,9。
利用我们的定量技术,我们发现视网膜-上丘突触在上丘中的数量从出生后第7天(P7)到第14天(P14)有所增加。为此,我们在P7和P14两个时间点分别定量了突触密度。我们对上丘组织进行染色,标记PSD-95(突触后标记物)和VGlut2(在上丘中特异性标记视网膜神经节细胞突触的突触前标记物)。对上丘的外层突触区域进行成像(图4A),并对VGlut2与PSD-95共定位的突触进行定量(图4B、4C),每只动物至少分析3个切片,每个时间点至少分析3只动物。对所得数据的定量分析明确显示,从P7到P14,突触数量显著增加了三倍以上。这些结果与先前使用电子显微镜的研究结果一致9(图4D)。
总之,本文所述的突触数量定量方法是一种有效的工具,可用于测定培养物及神经组织中的突触数量与密度,从而帮助我们研究调控突触形成所产生的影响。 体外 或 体内.

图1:纯化RGCs中典型的突触染色。(A和B) 3天 体外 (DIV)将RGCs在(A)基础生长培养基(GM)或(B)促突触生成的小鼠星形胶质细胞条件培养基(ACM)中继续培养6天。随后对细胞进行bassoon(突触前,红色)和homer(突触后,绿色)免疫标记。小鼠ACM显著促进RGCs之间的突触形成,表现为共定位的bassoon与homer斑点数量明显增加。(C和D)5DIV的RGCs转染了过表达钙通道亚基α2δ-1的质粒。转染细胞通过tdTomato细胞填充(蓝色)进行识别,并对突触前标志物synapsin和突触后标志物homer进行染色。箭头指示突触位置。比例尺表示 20 μm.

图2:使用Puncta Analyzer定量突触数量。 图中显示了一个示例:(a) 过表达血小板反应蛋白受体α2δ-1的纯化视网膜神经节细胞的原始图像,该细胞经突触前标志物synapsin和突触后标志物homer染色;(b) 在Puncta Analyzer中分析荧光点时,各通道生成的对应掩膜图像;(c) Puncta Analyzer将生成如图所示的图像,其中荧光点以小黑点表示(插图);此外还显示了(d) 该应用程序的数值输出结果,以文本/数字形式提供荧光点数量及其他多个参数(加粗文本为强调)。

图 3:突触形成实验的代表性结果。 图中显示在转染了空载体(pcDNA3.1,灰色柱)或血小板反应蛋白受体 α2δ-1 的视网膜神经节细胞(RGCs)中,星形胶质细胞条件培养基(ACM)长期处理对突触生成的影响。误差线表示标准误(SEM)。GM = 生长培养基。ACM = (大鼠)星形胶质细胞条件培养基。

图4:小鼠上丘突触密度的定量分析。(a)为了确定视网膜神经节细胞(RGCs)在啮齿类动物脑内向上丘靶区建立的谷氨酸能突触数量在发育过程中的变化,我们使用针对突触前标志物VGlut2(绿色)和突触后标志物PSD-95(红色)的抗体对小鼠脑组织的冷冻切片进行染色。我们利用激光扫描共聚焦显微镜对小鼠上丘(SC)外侧150 × 150 μm区域(对应RGCs的突触靶区)进行成像。对每个SC切片采集z轴堆栈图像,总深度为5 μm(15个0.33 μm的光学切片)。将每3个连续的光学切片生成最大强度投影图像(MIP),每个切片共生成5个MIP,每个MIP代表1 μm的深度。下方显示的是来自P14野生型小鼠上丘的一个代表性MIP图像。突触前标志物VGlut2以绿色显示,突触后标志物PSD-95以红色显示。(c)Puncta Analyzer软件生成的数值结果。(d)对每只动物至少3个切片进行突触数量分析的定量结果,每个时间点使用3只动物(误差棒表示标准误SEM)。比例尺为50 μm。
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上述突触检测方法基于我们的实验目标,主要关注视网膜神经节细胞(RGCs)的兴奋性投射,无论是在纯化培养中还是在脑切片中。我们提供了一个参考表格,列出了适用于标记兴奋性突触且效果良好的抗体(表1)。
该突触检测方法可进行调整,用于量化任何神经元群体或任何其他突触亚型的突触数量,前提是存在特异性的突触前和突触后标记物。例如,通过选用适当的突触前和突触后标记物,此处所述的突触检测方法可用于研究GABA能(而非谷氨酸能)突触10,11。
该突触检测方法是研究神经元之间突触连接变化的重要工具。尽管有必要通过电子显微镜和电生理学技术来验证本检测的结果,但它仍为回答有关调控神经元形成突触能力的分子信号的重要问题提供了相对简便的方法。
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未声明任何利益冲突。
Image J 的 Puncta Analyzer 插件由 Barry Wark(现任职单位:Physion Consulting)在 Ben A. Barres(斯坦福大学)实验室编写。
资金;
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 突触前 | Synapsin | 兔 | 多克隆 |
| Synapsin | 小鼠 | 单克隆 | Synaptic Systems |
| Bassoon | 小鼠 | 单克隆 | Assay Designs |
| Bassoon | 豚鼠 | 多克隆 | Synaptic Systems |
| Synaptotagmin 1 | 兔 | 多克隆 | Synaptic Systems |
| Synaptobrevin 2 (C1.69.1) | 小鼠 | 单克隆 | Synaptic Systems |
| Synaptophysin (C1.7.2) | 小鼠 | 单克隆 | Synaptic Systems |
| VGlut1 | 小鼠 | 单克隆 | Millipore |
| VGlut1 | 豚鼠 | 多克隆 | Millipore |
| VGlut2 | 豚鼠 | 多克隆 | Millipore |
| 突触后 | PSD-95 (6G6-1C9 克隆) | 小鼠 | 单克隆 |
| PSD-95 | 兔 | 多克隆 | Zymed |
| Homer | 小鼠 | 单克隆 | Synaptic Systems |
| Homer | 大鼠 | 多克隆 | Millipore |
| Gephyrin | 兔 | 多克隆 | Synaptic Systems |
| Gephyrin | 小鼠 | 单克隆 | Synaptic Systems |
| 表1: 列出了我们在突触检测中成功使用的一些良好的突触前和突触后标记物示例。请注意,此列表并未穷尽所有可用标记物。Y = 是,N = 否,N.D. = 未确定。 | |||
| PBS | Invitrogen | 20012-027 | |
| 聚-D-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P6407 | |
| 层粘连蛋白 | Cultrex | 3400-010-01 | |
| Triton X-100 | Roche Diagnostics Gmbh | 9002-93-1 | |
| 正常山羊血清 | GIBCO, by Life Technologies | 16210 | |
| 含DAPI的VectaShield | Vector Laboratories | H-1200 | |
| OCT | Tissue-Tek | 4583 | |
| Tris-Base (50 mM) | Fisher Scientific | BP152-5 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A2153 | |
| L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | L-1137 | |
| 16% PFA 溶液 | Electron Microscopy Sciences | 15711 | |
| 颗粒状 PFA | Electron Microscopy Sciences | 19210 | |
| 24孔培养板 | Falcon BD | 35-3047 | |
| 山羊抗小鼠 Alexa 荧光标记抗体 | Invitrogen | --- | |
| 12 mm,0号玻璃盖玻片 | Karl Hecht Gmbh | 1105209 | |
| 1.5号玻璃盖玻片(用于脑片) | VWR international | 48393241 | |
| 载玻片 | VWR international | 48311-703 |
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