介绍了一种追踪突触连接神经元的方法。我们利用上游细胞中TVA的特异性,检测目标细胞群体是否接收来自基因定义细胞类型的突触输入。
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介绍了一种追踪突触连接神经元的方法。我们利用上游细胞中TVA的特异性,检测目标细胞群体是否接收来自基因定义细胞类型的突触输入。
研究神经环路的经典方法通量较低。跨突触病毒,特别是伪狂犬病病毒(PRV)和狂犬病毒(RABV),以及近期的水疱性口炎病毒(VSV),在环路研究中的应用正日益广泛。这些高通量方法利用可在神经元之间以顺行或逆行方向传播的病毒。
最近开发了一种用于单突触逆向示踪的改良型狂犬病毒(RABV)。(图1A)。该方法中,病毒基因组中的糖蛋白(G)基因被删除,仅在目标神经元中重新提供。通过使用一种嵌合糖蛋白G(由ASLV-A糖蛋白的胞外域和RABV-G的胞内域组成的A/RG)替代正常的RABV-G1,实现感染的特异性。这种嵌合G蛋白可特异性感染表达TVA受体的细胞1。编码TVA的基因可通过多种方法递送2-8。当RABV感染表达TVA的神经元后,由于与TVA受体共递送的RABV-G的存在,该病毒能够以逆向方式跨突触传播至其他存在突触连接的神经元。该技术可标记出投射到特定细胞类型的相对大量输入神经元(5–10%)2,从而对某一特定起始细胞类型的所有输入通路进行取样分析。
我们最近改进了该技术,使用VSV作为跨突触示踪剂9。VSV具有多项优势,包括基因表达速度快。本文详细描述了一种新的基于VSV的病毒示踪系统,可用于以更高分辨率探究神经微环路。Wickersham 等4 和 Beier 等9 最初发表的策略允许标记所有投射到初始感染的TVA表达细胞上的神经元,而本文中VSV被改造为仅能传播至TVA表达细胞(图1B)。该病毒首先被假型化为携带RABV-G,以感染TVA表达神经元下游的神经元。在感染第一群细胞后,所释放的病毒只能感染TVA表达细胞。由于病毒的跨突触传播仅限于TVA表达细胞,因此可以高分辨率地探究特定细胞类型之间是否存在连接。这些实验的流程图见图2。本文展示了一个模型环路,即小鼠视网膜中的方向选择性环路。我们研究了星形无长突细胞(SACs)与视网膜神经节细胞(RGCs)之间的连接性。
1. 从cDNA制备病毒:利用痘苗病毒T7系统从cDNA中拯救VSV10
2. VSV 的传代与浓缩
3. 病毒注射
4. 组织收获/组织制备
5. 典型结果
从cDNA拯救出的病毒应能够感染TVA800细胞,但不能感染293T细胞(图3)。提供RABV-G后,可使包括293T在内的多种细胞类型被感染。然而,由于A/RG基因组被编码在基因组中,因此在表达TVA的细胞中,病毒的细胞间传播速率要高得多。
病毒浓缩后,其典型滴度通常介于 108 ffu/ml 和 1010 ffu/ml。这些滴度足以用于 体内.
在向小鼠外侧膝状体(LGN)注射时,我们不区分背侧LGN(dLGN)与腹侧LGN(vLGN),因为通常两者均会被感染。因此,多种视网膜神经节细胞(RGC)类型均被标记(图4),包括投射至vLGN的细胞类型,如黑视蛋白RGCs(图4D)和ON-DSGCs(图4E),以及投射至dLGN的细胞类型,如小树突RGCs(图4C)和ON-OFF-DSGCs(图4F)。尽管不止一种RGC类型可将病毒传递至星形无长突细胞(SACs)(如其他研究报道,Beier et al.,正在审稿中),但本文仅聚焦于ON-OFF-DSGCs与SACs之间已被广泛研究的连接。
当我们注射基因型为 cTVA(+)/ChAT-Cre(-) 的小鼠(该基因型不应表达TVA)时,仅有RGCs被标记(即 图4)。这是由于RGCs最初摄取了RABV-G假型病毒,但不会发生进一步传播。当将未以RABV-G假型化的rVSV(A/RG)病毒注入外侧膝状体核(LGN)时,由于此类病毒颗粒无法沿RGCs的长轴突逆向运输,因此不会感染RGCs。然而,当将cTVA(+)/ChATCre(+)(以及R26TdT(+))小鼠的LGN注射病毒后,可观察到病毒传播,且仅传播至表达Cre报告基因的红色荧光细胞。即 图5)。这些细胞还与抗ChAT抗体共同标记,且仅分布于两个ChAT层中,从而证实其为SACs(星形细胞)。图5B'、C'每个DSGC上的病毒标记SAC数量从一到九个不等。

图 1. 我们的逆向跨突触示踪系统与最初开发方法的比较。(A) (i) 在Wickersham及其同事开发的方法中,“起始细胞”被转染了三个基因:TVA受体,用于特异性允许病毒感染仅限于被转染的细胞;RABV-G,用于弥补缺失G基因的狂犬病毒(RABV);以及一种红色荧光蛋白,用于识别被转染的细胞。(ii) 一种由A/RG蛋白假型化的RABV感染表达TVA的细胞,使其呈现黄色。(iii) 发生向上游神经元的逆向跨突触传播。(B) (i) 在我们的方法中,表达TVA的细胞通过遗传方式定义,并用一种条件型红色荧光蛋白进行标记。(ii) “起始细胞”是那些被携带A/RG基因的VSV病毒感染的细胞,该基因位于病毒基因组中。这些起始细胞不表达TVA受体。(iii) 仅当这些细胞向起始神经元提供突触输入时,才会发生逆向跨突触传播至表达TVA的神经元。 点击此处查看大图。

图 2. 实验流程示意图。(A)首先,从 cDNA 中拯救病毒,随后进行传代并用 RABV-G 伪型化,再浓缩并测定滴度。该病毒随后被注射入脑内,并允许其在所需时间内孵育。孵育结束后,摘取眼球,分离视网膜并进行分析。(B)病毒与 RABV-G 伪型化的示意图。此步骤对于通过脑内注射感染视网膜神经节细胞是必需的。首先将 RABV-G 基因转染至表达 TVA 受体的组织培养细胞中,随后用 rVSV(A/RG) 病毒感染这些细胞。释放的病毒颗粒将在病毒包膜中含有 RABV-G,但其病毒基因组中不含有 RABV-G 基因。(C)构建三重转基因小鼠所需杂交策略的示意图。将条件性 TVA 和 tdTomato 等位基因与选定的 Cre 驱动品系杂交,使得 TVA 和 tdTomato 仅在具有 Cre 表达历史的细胞中表达。在本例中,我们使用了 ChAT-Cre。(D)视网膜感染示意图,用于追踪 DSGC-SAC 神经环路。ChAT 细胞被诱导表达 TVA 和 tdTomato,如图(C)所示。RGCs 通过外侧膝状体(LGN)注射在(B)中产生的病毒而被感染。由于该病毒表达 GFP,这些 RGCs 将呈现绿色。若被标记的 RGC 存在与之连接的 TVA 表达型 ChAT 无长突细胞,则病毒将仅传播至这些细胞,使其同时呈现红色与绿色,即黄色。 点击此处查看高清大图。

图3. rVSV(A/RG)病毒在293T细胞和TVA800细胞中的行为。这些细胞被低滴度、携带RABV-G包膜蛋白的rVSV(A/RG)假型病毒感染。如感染后6小时(HPI)、感染后1天和2天(DPI)所示,病毒在表达TVA受体的细胞之间数小时内即可扩散。然而,在不表达TVA受体的293T细胞中,尽管病毒仍可传播,但速度显著减慢。比例尺 = 100 μm。

图 4. 非表达TVA的小鼠视网膜神经节细胞(RGCs)的代表性感染情况。将携带RABV-G包膜的rVSV(A/RG)病毒注射至外侧膝状体核(LGN),并在感染后2天(2 dpi)取组织进行分析。(A) 根据病毒滴度和注射质量,可观察到稀疏(黄色箭头指示的RGCs)或(B) 密集的感染。基于形态学特征可识别多种不同类型的RGCs,包括(C) 小树突型RGCs、(D) 1型黑视蛋白RGCs、(E) ON型方向选择性RGCs(ON-DSGCs)以及(F) ON-OFF型方向选择性RGCs(ON-OFF-DSGCs)等。比例尺 = 50 μm。

图 5. rVSV(A/RG) 从 ON-OFF-DSGCs 向 SACs 的传播符合预期模式。(A)ON-OFF-DSGCs(绿色填充的白色箭头,white arrowhead with green fill)将病毒传递给多个 SACs(黄色箭头,yellow arrowheads)。(A')除 DSGC 外,所有绿色细胞均与 Cre 报告基因共标记,表明它们是表达 TVA 的 SACs。(B-C)DSGC(绿色填充的白色箭头)和 SACs(黄色箭头)位于视网膜内丛状层(IPL)中正确的 ChAT 分层。病毒传播所及的细胞包括 ON-SACs 和 OFF-SACs。图 B' 和 C' 中的数字表示 IPL 的分层。为突出显示 SACs,图 C 中仅用箭头标示 DSGC 胞体的位置,未显示其完整形态。比例尺 = 50 μm。
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利用病毒研究神经环路是一种相对高通量的分析相连神经元的方法。然而,生成VSV和RABV病毒颗粒并非易事。尽管上述方案提供了从cDNA拯救病毒的步骤,但该过程仍属于低概率事件。N、P和L质粒各自的表达水平需要精细调整,并且必须进行多次试验和重复,以确保成功拯救病毒。包含完整VSV基因组RNA的核糖核蛋白颗粒的形成是一个低概率事件,因此可能需要多次尝试。该技术可能需要一段时间进行优化,但一旦优化完成,病毒拯救将变得容易得多。
当RGC树突树不重叠时,对单个RGC的病毒传播进行分析效果最佳(即 图4A)。注射病毒的剂量和注射坐标可根据最佳感染效果进行调整。此外,注射位置会影响被标记的RGCs的数量和类型(即 上丘或视交叉上核的标记将显示出与外侧膝状体注射不同数量和类型的视网膜神经节细胞(RGCs)。
与PRV和RABV相比,VSV具有多项优势。VSV的表达水平非常迅速,数小时内即可观察到9,15,从而允许更短的孵育时间。在本实验中,A/R...
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未声明任何利益冲突。
我们感谢Sean Whelan在拯救重组VSV变异体方面提供的帮助,以及Didem Goz和Ryan Chrenek提供的技术协助。本工作由HHMI(CLC)和#NS068012-01(KTB)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>组织培养 | |||
| 幼仓鼠肾(BSRT7)细胞 | 可根据要求提供 | ||
| 痘苗病毒(vTF7-3) | 可根据要求提供 | ||
| pN、pP、pl 质粒 | 可根据要求提供 | ||
| 氯化钙 | Sigma | C1016 | |
| 氯化镁 | Sigma | M8266 | |
| HEK 293T 细胞 | Open Biosystems | HCL4517 | |
| 60 mm 细胞培养处理培养皿 | 康宁 | 430166 | |
| 75 cm2 带通气盖的矩形斜颈细胞培养瓶 | 康宁 | 430641 | |
| 培养基:DMEM(Dulbecco改良Eagle培养基) | Invitrogen | 12491-015 | |
| 1 M HEPES pH 7.4 | Gibo | 15630-080 | |
| FBS:胎牛血清 | Gibco | 10437-028 | |
| PKS | Invitrogen | 15140-163 | |
| Lipofectamine 2,000 转染试剂 | Invitrogen | 11668-019 | |
| 注射器:5 ml 鲁尔锁式注射器 | Sigma | Z248010-1PAK | |
| 注射器滤器 | Nalgene | 190-2520 | |
| PEI:高效线性PEI | Polysciences | 23966 | |
| <强>病毒离心 | |||
| Corning 150 ml 带管顶真空滤器系统,0.45 μ微孔 | 康宁 | 430314 | |
| 超薄管壁,超透明,38.5 ml,25 x 89 mm 超速离心管 | 贝克曼库尔特 | 344058 | |
| 超速离心机 | 贝克曼库尔特 | optima XL-80K | |
| SW28 超速离心机转子 | 贝克曼库尔特 | 342207 | |
| <强>小鼠注射 | |||
| 毛细玻璃微管 | Drummond | 5-000-2005 | |
| 立体定位 | Narishige | SR-5M | |
| 显微操作仪 | Narishige | SM-15 | |
| Ump 注射器 | World Precision Instruments | Sys-Micro4 | |
| 四通道微控制器 | 世界精密仪器公司 | UMP3 | |
| M.TXB 台式电机配 C.EMX-1 旋钮控制器,115 伏特 | Foredom | M.TXB-EM | |
| H.10 手柄,快速更换 | Foredom | H.10 | |
| 阶梯钻,0.5 mm | Foredom | A-58005P | |
| 显微技术–电极夹 | World Precision Instruments | MEH2S | |
| 氯胺酮 | Henry Schein | 995-2949 | |
| 赛拉嗪 | Henry Schein | 4015809TV | |
| 布托啡诺 | Henry Schein | 1118217 | |
| 1 ml 注射器 | Becton-Dickinson | 309628 | |
| 30号注射针头 | Becton-Dickinson | 305106 | |
| 保护性眼膏 | 福斯特与史密斯医生 | 9N-014748 | |
| 乙醇 | Sigma | 493511 | |
| 碘 | Sigma | PVP1 | |
| <强>手术与解剖工具 | |||
| 剪刀 | Fine Science Tools | 91402-12 | |
| 标准镊子 | Fine Science Tools | 11000-12 | |
| 精细镊子 | Fine Science Tools | 11255-20 | |
| 万纳斯弹簧剪 | Fine Science Tools | 15000-00 | |
| 手术刀柄 | 精细科学工具 | 10003-12 | |
| 手术刀片 | Fine Science Tools | 10015-00 | |
| 缝合线 | 罗宾斯仪器 | 20.SK640 | |
| <强>解剖与抗体染色 | |||
| 多聚甲醛 | Sigma | P6148 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Sigma | P4417 | |
| Triton X-100 | Sigma | T9284 | |
| 驴血清 | 杰克逊免疫研究实验室 | 017-000-121 | |
| <强>抗体 | |||
| 抗体 | millipore | AB144P | |
| 抗gfp | Abcam | ab13970 | |
| 驴抗鸡Dylight 488 | 杰克逊免疫研究 | 703-545-155 | |
| 驴抗鸡 Alexa Fluor 647 | 杰克逊免疫研究 | 705-605-147 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| <强>组织固定 | |||
| Superfrost plus 显微镜载玻片 | Fisher | 12-550-100 | |
| 盖玻片 22 x 22,0 厚度 | 电子显微镜科学公司 | 72198-10 | |
| 硅酮弹性体 | 罗杰斯公司 | HT-6220 | |
| 透明指甲油 | 电子显微镜科学公司 | 72180 | |
| Prolong Gold 抗荧光淬灭剂 | Invitrogen | P36930 | |
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