最近的多项研究已发现与脑部病理相关的突触蛋白存在突变。原代培养的皮层神经元为研究这些致病相关蛋白对树突棘形态和运动性的影响提供了极大的灵活性。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
最近的多项研究已发现与脑部病理相关的突触蛋白存在突变。原代培养的皮层神经元为研究这些致病相关蛋白对树突棘形态和运动性的影响提供了极大的灵活性。
树突棘是大脑中大多数兴奋性连接的发生部位,并构成突触的突触后区室。这些结构富含肌动蛋白,且已被证明具有高度动态性。在经典的赫布可塑性以及神经调节信号的作用下,树突棘可发生形态和数量的改变,这被认为对神经环路的精细化以及大脑中信息的处理与存储至关重要。在树突棘内部,一个复杂的蛋白质网络将细胞外信号与肌动蛋白细胞骨架相连,从而调控树突棘的形态和数量。神经病理学研究显示,多种疾病状态,从精神分裂症到自闭症谱系障碍,均表现出树突棘形态或数量的异常。此外,近期的遗传学研究已鉴定出多个编码突触蛋白的基因突变,提示这些蛋白可能参与异常的树突棘可塑性,从而部分地构成了这些疾病的病理生理基础。为了研究这些蛋白在调控树突棘形态/数量中的潜在作用,培养皮层神经元具有多项优势。首先,该系统可用于对固定细胞中的树突棘进行高分辨率成像,也可对活细胞进行时间序列成像。其次,这种体外系统可通过表达突变蛋白、利用shRNA载体进行基因敲降,或施加药理学处理,从而便捷地调控蛋白功能。这些技术手段使研究人员得以初步解析疾病相关蛋白的作用,并预测这些蛋白的突变可能产生的功能影响。 关键词:树突棘,突触,肌动蛋白细胞骨架,可塑性,皮层神经元,神经发育障碍,突触蛋白,基因突变,体外培养,时间序列成像 体内.
本文所述方案可用于研究任何原代培养系统中的树突棘形态学及其动态变化。
1. 原代皮层神经元培养物的制备
2. 原代培养皮层神经元的转染
3. 在18 mm盖玻片上培养的原代皮层神经元的处理
先前已转染的神经元接种于18 mm盖玻片上,也可轻松进行药物处理。
4. 固定与免疫细胞化学(ICC)
5. 树突棘形态的定量分析
我们使用蔡司 LSM5 Pascal 共聚焦显微镜获取单标记和双标记神经元(表达 GFP 以及外源构建体或内源目的蛋白的细胞)的共聚焦图像。在所有成像实验中,应选择健康的锥体神经元进行成像并用于后续分析。健康的神经元是指未表现出任何因处理或固定导致的出芽现象或应激迹象,并具有完整且连续树突分支的细胞。
6. 定量免疫荧光(IF)
使用针对特定突触蛋白的抗体进行免疫荧光染色,并通过Alexa 568二抗(Invitrogen)可视化,可用来检测内源性突触蛋白在簇集及突触定位上的变化。
7. 时间序列成像
为了研究树突棘动态(例如单个树突棘的运动性或形态学变化)以及在疾病相关突触蛋白存在或缺失条件下的变化,将原代皮层神经元培养于22×22 mm的方形盖玻片上,培养至24–28天(DIV)。神经元可共转染GFP/mCherry以标记细胞形态,并共转染上述方法描述的荧光标记突变突触蛋白。在所有成像实验中,应选择健康且同时表达两种构建体的锥体神经元;这些细胞可用于药物处理、成像分析及后续实验研究。
8. 替代方法与成功关键
9. 代表性结果
上述实验旨在研究树突棘在体外经药物处理和/或对蛋白质功能进行遗传学操控后,其形态、数量和运动性的变化。在本实验室中,我们已利用这些技术来表征调控树突棘中肌动蛋白细胞骨架的突触蛋白,从而改变其结构2,9。此外,我们还应用该实验来确定神经活性化合物(如神经调质)单独4,6,10,或在依赖活动性刺激存在的情况下5,如何驱动树突棘的形态、数量或形状发生变化。
为了评估我们对一维或二维参数测量的准确性,我们在与神经元相同的研究条件下,测量了已知尺寸(0.2、0.52、1.0 μm)的荧光乳胶微球(Duke Scientific)的直径和面积。使用与树突棘测量相同的成像条件(63X NA=1.4 油浸物镜,LSM 5 Pascal),对微球进行成像,然后在 Metamorph 软件中以类似于树突棘测量的方法测定其直径和面积。随后,我们将实测值与微球的已知尺寸进行比较。
图1(Fig.1)中的曲线显示,我们能够准确测量直径为0.52和 1.0 μm (区域 = 0.21 μm2 和 0.78 μm2 分别)(测量标准差约15%;制造商测定标准差约9%)。即使对于 0.2 μm 微球的测量值与实际尺寸相当接近(但标准差较大)。这与使用该物镜时共聚焦显微镜计算得到的横向分辨率相符。 0.3 μm (使用公式 Δxcf = (0.61/v²)√/NA)12这明显优于轴向分辨率,而轴向分辨率已知在共聚焦和双光子显微镜中表现较差。此外,我们通过测量直径为200 nm的绿色荧光微球(Duke Scientific)实验确定了横向(x/y轴)点扩散函数(PSF),其值约为 0.5 μm此估算在针孔打开的情况下进行,因此可以推断,当针孔关闭时,点扩散函数(PSF)实际上会更小。尽管如此,这再次表明我们能够准确测量大于 0.196 μm2 (直径 = 0.5 μm)。实际横向点扩散函数(PSF)的指示见于(Svoboda 等)13 作为“不少于 0.4 μm,这将导致一个区域 0.16 μm2这些比较和理论分析表明,我们可以准确测量与树突棘尺寸相近的物体,因为我们所测量的树突棘尺寸大于该分辨率极限> 0.25 μm2)。对于此类条件,“经典的形态测量技术是定量的"13,表明我们可以可靠地测量树突棘面积,并在不同处理条件下准确比较树突棘形态。
为了准确测量树突棘的形态,我们对体外培养23天的大脑皮层神经元转染EGFP质粒,持续2天。 转染后,细胞可进行相应处理,随后固定并进行免疫细胞化学染色,以增强GFP信号,使其在树突(或神经元)中分布均匀。 图2显示了转染GFP的大脑皮层神经元的代表性图像,该图像使用共聚焦显微镜配合63倍物镜(数值孔径1.4)采集(图2A)。 这种方法可以获得树突棘的高分辨率详细图像(图2B)。 在本实验室中,我们使用Metamorph软件对树突棘进行详细的形态计量分析。 该软件不仅可用于测量树突棘的形态,还可用于检测内源性蛋白的定位。 图2(图2C-G)概述了我们执行该分析的具体流程。
活动依赖性刺激的一个特征性效应是树突棘尺寸增大2。图3展示了表达EGFP的体外培养24天(DIV 24)皮层神经元的树突棘在活动依赖性刺激前后各30分钟的代表性延时成像结果。该延时成像实验证实,活动依赖性刺激可增加树突棘的尺寸(图3A,B)。为检测基础状态下的树突棘动态,分别在0、50和100分钟时间点采集图像,并分别测量树突棘的延伸、回缩、突出运动及头部形态变化,再将其合并为总动态性。图3C-D证实,即使在基础条件下,皮层神经元的树突棘仍表现出一定程度的动态性。

图 1. 荧光微球测量面积与实际面积的比较。 误差线表示测量面积的标准偏差。图像分别为 0.2 μm、0.52 μm 和 1 μm 的微球。比例尺 = 5 μm。

图 2. 树突棘形态学及免疫荧光(IF)的定量分析。 A. 表达EGFP的体外培养皮层神经元(DIV 25)图像。B. 皮层神经元上典型树突棘形态的高倍放大图像。C. EGFP与内源性蛋白(GluR1)信号叠加图。D. EGFP转染的锥体细胞树突的Z轴层扫图像合并投影;主干与树突棘之间的分界通过手动勾画。E. Metamorph软件随后对明显且高于阈值的区域进行轮廓描记并定量分析。F. 手动描记的神经元用于测定树突棘的长度、宽度和横截面积。G. 由Metamorph软件识别并定义为树突棘的区域。H. 将树突棘轮廓转移至红色通道图像(内源性蛋白信号),以定量分析树突棘特异性信号强度。I-K. 为定量受体或突触蛋白簇的免疫荧光(IF)信号,采用Z轴层扫图像的投影图。I. 扣除树突主干背景荧光信号(黄色方框区域),生成“背景扣除后”图像。J. 对该图像进行阈值设定,程序自动测量蛋白簇的面积、线密度和总灰度值(IF强度)。K. 来自H图的阈值处理图像。比例尺:A = 15 μm,B = 1 μm。

图3. 树突棘形态的活动依赖性变化及其基础运动性。A. 活动依赖性刺激添加前后代表性树突棘的时间推移成像。通过将实验培养基从含有 Mg²⁺ 的 ASCF 切换至不含 Mg²⁺ 的 ASCF,诱导产生活动依赖性刺激。+ 以及将APV加入无Mg2+且不含APV但含有 10 μm 甘氨酸 B. 树突棘面积(大小)的量化,以灌注前-30分钟时间点为标准化参照。 C. 树突棘运动的代表性图像,时间点分别为 0、50 和 100 分钟。上方图像显示 0 分钟(红色)、50 分钟(绿色)和 100 分钟(蓝色)的叠加结果,下方图像则分别为各时间点的单独图像。星号标记棘突延伸;白色箭头标记棘突回缩;绿色箭头头标记突出运动;空心黄色箭头头标记棘头形态变化。 D.
树突棘运动参数及总运动性的量化 E. 成像实验后用于评估细胞健康状态的表达EGFP的皮层神经元20倍图像
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
上述技术针对固定或活体原代皮质神经元中的树突棘形态、线性密度及动态性的详细定量分析,旨在深入理解可能参与神经病理过程的突触后机制。类似方法也可用于定量分析任何多棘神经元中的树突棘形态或动态性,包括海马锥体神经元、浦肯野细胞以及中等多棘神经元。
本文所述方案可适用于研究突触蛋白的基本特性,以及药物处理对树突棘的影响。此外,该方案还可用于评估内源性突触蛋白定位的变化,范围涵盖从支架蛋白到谷氨酸受体的各类蛋白。同时,该方法不仅能够对固定后的树突棘进行详细的形态计量学分析,还能测量突触蛋白或药物处理对树突棘运动性的影响。这些时间推移成像技术还可进一步改进,用于研究蛋白质的转运过程,且可选择性地同时观察树突棘的形态变化。
对树突棘形态和运动性的详细分析是研究突变型突触蛋白潜在影响的重要工具,有助于了解这些与疾病相关的突触蛋白发生突变后如何影响突触的结构与功能,从而揭示多种脑部疾病的病理生理机制。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本作品的制作得到了 MetaMorph(Molecular Devices, Inc.)的支持。
感谢 Kelly Jones 的细致编辑。本工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目 R01MH 071316、阿尔茨海默病协会、国家精神分裂症与抑郁症研究联盟(NARSAD)、国家自闭症研究联盟(NAAR)(P.P.);美国心脏协会博士后奖学金(D.P.S.);美国心脏协会博士前奖学金(K.M.W.)提供支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 18 mm 圆形盖玻片,1.5 号 | Warner Instruments | 64-0714 (CS-18R15) | |
| 22 mm 方形盖玻片,1.5 号 | Warner Instruments | 64-0721 (CS-22S15) | |
| 聚-D-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P-0899 | 分子量 70~150 Kda |
| Neurobasal 培养基 | Invitrogen | 21103049 | |
| B27 | Invitrogen | 17504044 | |
| 谷氨酰胺 | Invitrogen | 21051024 | |
| 青霉素-链霉素 | Invitrogen | 15140148 | |
| D,L-APV (AP-5) | Ascent Scientific | Asc-004 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668019 | |
| DMEM | Invitrogen | 11965092 | |
| HEPES | Mediatech, Inc. | 25-060-C 1 | 1M,pH 7 |
| 甲醛溶液 | EMD Millipore | FX0415-5 | 36%,组织学级 |
| 正常山羊血清 | VWR international | 100188-514 | Jackson Immunoresearch Labs |
| 吐温 X-100 | Fisher Scientific | AC21568-2500 | Acros Organics |
| Alexa Fluor 488 山羊抗小鼠 IgG (H+L),高度交叉吸附 | Invitrogen | A-11029 | |
| Alexa Fluor 488 山羊抗兔 IgG (H+L),*高度交叉吸附* | Invitrogen | A-11034 | |
| ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | P36934 | 特殊包装 |
| 封闭式成像载台腔室 | Warner Instruments | RC-30HV | |
| 温度控制单元 | Warner Instruments | TC-344B | |
| MetaMorph | Universal Imaging |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。