本文介绍一种荧光激活细胞分选(FACS)方案,用于研究来自新鲜和冷冻脑组织中表达 Fos 的神经元群体的分子改变。使用冷冻组织可实现跨多个实验批次对多个脑区进行 FACS 分离,从而最大限度地利用珍贵的实验动物资源。
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍一种荧光激活细胞分选(FACS)方案,用于研究来自新鲜和冷冻脑组织中表达 Fos 的神经元群体的分子改变。使用冷冻组织可实现跨多个实验批次对多个脑区进行 FACS 分离,从而最大限度地利用珍贵的实验动物资源。
对学习行为中神经可塑性及分子改变的研究,正从全脑区域的分析转向研究介导学习关联的特定稀疏分布激活神经元群,即神经元集合。近期,荧光激活细胞分选技术(FACS)已针对成年大鼠脑组织进行了优化,可通过针对神经元标志物NeuN和Fos蛋白(强激活神经元的标志物)的抗体,实现对激活神经元的分离。迄今为止,表达Fos的神经元及其他细胞类型均需从新鲜组织中分离,这一过程耗时较长,且在经历漫长而复杂的行为学实验后,仅能评估极少量的脑样本。本文中,我们发现背侧纹状体中表达Fos的神经元及Fos mRNA的得率,在新鲜解剖组织与在-80 ºC下冷冻保存3至21天的组织之间无显著差异。此外,我们通过检测神经元(NeuN)、星形胶质细胞(GFAP)、少突胶质细胞(Oligo2)和小胶质细胞(Iba1)标志物的基因表达,验证了NeuN阳性与NeuN阴性分选细胞的表型,表明冷冻组织也可用于胶质细胞类型的FACS分离。总体而言,可对脑组织进行采集、解剖并冷冻保存,以用于多次FACS实验。这最大限度地提高了从经历长期复杂行为学实验的珍贵动物个体中获取的数据量。
学习过程中,动物会在一系列高度特异的复杂刺激之间形成关联。这种高分辨率信息被认为是由稀疏分布的特定神经元群(称为神经元集群)内的特定模式改变所编码。近期,研究人员通过检测在行为或线索暴露期间被强烈激活的神经元中即早基因(IEGs)如Fos、Arc和Zif268及其蛋白产物的表达,识别出了这些神经元集群。尤其是表达Fos的神经元,已被证实对情境和线索特异性的学习行为具有因果作用1-4。因此,这些被激活的Fos表达神经元内部独特的分子神经适应性改变,是编码正常学习以及成瘾和创伤后应激障碍(PTSD)等异常学习障碍过程中所形成学习关联的神经机制的首要候选因素5。
荧光激活细胞分选(FACS)最近使得能够分析在表达 Fos 的神经元中独特的分子神经适应性。流式细胞术和细胞分选技术于20世纪60年代开发6,7,用于根据细胞的光散射和免疫荧光特性对其进行表征和分离,长期以来已广泛应用于免疫学和癌症研究。然而,流式细胞术和FACS需要单细胞悬液,而这类样本很难从成年脑组织中获得。FACS首次被用于从转基因小鼠中分离和分析表达绿色荧光蛋白(GFP)的纹状体神经元,该方法无需抗体标记8,9。我们开发了一种基于抗体的FACS方法10,用于分离并评估在野生型动物中由药物和/或提示激活的表达Fos的神经元中的分子改变11-15。在该方法中,使用针对通用神经元标志物NeuN的抗体标记神经元,而高度激活的神经元则使用抗Fos抗体进行标记。尽管我们最初的方法需要将每份样本最多10只大鼠的新鲜组织合并使用,但后续对实验方案的改进使得可以从单只大鼠的特定脑区实现表达Fos的神经元的FACS分离,并进行定量聚合酶链式反应(qPCR)分析13-15。总体而言,在成瘾研究中多种情境和提示诱发的行为过程中被激活的表达Fos的神经元中,发现了独特的分子改变12,14,15。
对新鲜组织进行流式细胞分选(FACS)存在一个主要的后勤问题,即组织解离和FACS处理需要一整天时间。此外,每天仅能处理约四个样本。这通常意味着每只动物的大脑只能分析一个脑区,其余脑区则不得不丢弃。对于需要手术及数周密集训练的低通量行为学实验(例如自我给药和消退训练)而言,这是一个重大问题。此外,在测试当天进行耗时且复杂的行为学操作,使得在同一天内完成FACS变得困难。如果能够在行为学测试结束后立即冷冻动物大脑,随后在研究者选择的不同时间点从一个或多个脑区分离表达Fos的神经元,将具有显著优势。
在此,我们证明了我们的FACS方案可用于从新鲜和冷冻的脑组织中分离出表达Fos的神经元(以及其他细胞类型)。例如,我们在急性注射甲基苯丙胺后,从大鼠纹状体中分离出表达Fos的神经元,同时也从未注射药物的大鼠(对照条件)中进行了分离。然而,该FACS方案可适用于任何行为学或药理学处理后的样本。对样本进行的后续qPCR分析表明,无论使用新鲜还是冷冻组织,这些细胞类型的基因表达均可实现相似的检测效率。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有实验均按照美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》的机构动物护理和使用委员会(IACUC)规定进行16。
注意:以下所有步骤均使用低吸附离心管,并在未特别说明的情况下保持在冰上。
1. 组织采集前的准备
2. 组织采集与解剖
3. 细胞解离
注意:以下所有步骤均需轻柔地进行上下颠倒混匀。请勿使用涡旋混合器,并避免产生气泡,以免造成细胞损伤。
4. 细胞固定与通透化
5. 细胞过滤
6. 抗体孵育
注意:使用脑细胞悬液的小份 aliquot 制备多个对照样本,以便在运行主要样本前设置合适的流式细胞仪参数。针对每种抗体标记,需制备包括无抗体、仅加入二抗(或其他荧光标记物)、以及同时加入一抗和二抗(或其他荧光标记物)的对照样本。利用这些对照设置流式细胞仪中区分特异性与非特异性标记的设门。在可能的情况下,使用无需补偿的荧光染料。在加入一抗前,通过添加 PBS 将设门对照样本的终体积增加至 700 µl。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
在单只大鼠急性注射甲基苯丙胺后,从新鲜及冷冻的背侧纹状体组织中分选 Fos 阳性与 Fos 阴性神经元。
上述方案用于在大鼠腹腔注射甲基苯丙胺(5 mg/kg)90 分钟后,从单侧背侧纹状体中分选 Fos 阳性与 Fos 阴性神经元。以在饲养笼中未接受处理的大鼠作为对照组。背侧纹状体组织在采集后立即进行处理(新鲜组织),或在 -80 ºC 冷冻并分别储存 1、7 或 21 天后进行处理。这些不同冷冻时间点的结果之间无显著差异,因此数据进行了合并。
为在仪器上设置分选条件,使用了来自同笼对照组或甲基苯丙胺注射组的对照样本(如上所述)。当这些样本中的每个粒子或事件通过流式细胞仪的流动池时,系统会为每个事件分配一个识别编号,该编号与事件的光散射和荧光特性相关联,并记录在电子表格中。随后,这些表格中的事件可根据上述特性整理成散点图或密度图(
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
FACS 可用于从新鲜或冷冻的成年脑组织中分选神经元及其他细胞类型。如引言中所述,使用冷冻组织的能力使得经过复杂且耗时较长的行为学实验(例如成瘾研究中的自我给药和复吸实验)的动物样本能够得到最佳利用。这些行为学实验通常持续 1 - 2 小时或更长时间,并要求所有动物(总共 10 - 20 只)在同一天内完成测试13,18。处理 4 份新鲜解剖的脑组织样本大约需要 4 小时,包括脑组织解剖、细胞解离、通透化和免疫标记。处理完成后,每份样本通过 FACS 分选需时 20 - 30 分钟。最后一步将分选后的细胞在裂解缓冲液中加热,还需 30 分钟。总体而言,从脑组织解剖到最终获得含 RNA 的细胞裂解液,共需约 7 小时。然而,目前可以在动物完成实验后立即冷冻整个脑组织或新鲜解剖的脑区,随后再进行处理。这种方法大大简化了实验流程,并允许在不同日期对多个脑区进行分选。在 FACS 前对组织进行冷冻还可能提高分选效果。从冷冻组织样本中可获得更多的 NeuN 阳性神经元。这一现象部分可能归因于冷冻和后续解冻过程中细胞膜的破坏,导致抗体更容易进入细胞内,从而增强对 NeuN 和 Fos 等胞内蛋白的标记。类似效应已在成纤维细胞、...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本研究工作得到了美国国家药物滥用研究所(NIDA)院内研究计划(Bruce T. Hope,Yavin Shaham)的支持。F.J.R. 获得了由美国国立卫生研究院(NIH)资助、橡树岭科学与教育研究所管理的 NIDA 研究参与计划的资助,同时还获得了由智利国家科技创新委员会(CONICYT)和智利圣地亚哥安第斯大学管理的智利奖学金(Becas-Chile)提供的额外资金支持。约翰斯·霍普金斯大学 FACS 核心设施获得了美国国立卫生研究院国家关节炎与肌肉骨骼和皮肤病研究所授予的 P30AR053503 项目资助。
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 |
|---|---|---|---|
| 脑组织基质 | CellPoint Scientific | 69-2160-1 | 用于获取冠状面脑切片 |
| Hibernate A 低荧光培养基 | Brain Bits | HA-lf | 方案中的缓冲液 A 用于从组织解离到固定步骤的组织和细胞处理 |
| Accutase | Millipore | SCR005 | 方案中的酶溶液,用于在吹打前对组织进行酶消化 |
| Protein LoBind 1.5 ml PCR 洁净离心管 | Eppendorf | 22431081 | 防止实验过程中细胞丢失 |
| 细胞筛网,40 µm | BD Falcon | 352340 | 用于过滤细胞悬液 |
| 细胞筛网,100 µm | BD Falcon | 352360 | 用于过滤细胞悬液 |
| 带筛网帽的 5 ml 圆底聚苯乙烯试管(Falcon) | BD Bioscience | 352235 | 在细胞通过流式细胞仪前过滤细胞悬液 |
| 巴斯德吸管,玻璃材质 | NIH 供应 | 6640-00-782-6008 | 用于组织吹打 |
| Milli-Mark Anti-NeuN-PE 单克隆抗体(克隆 A60,小鼠来源) | EMD Millipore | FCMAB317PE | 用于检测神经元的抗体 |
| Phospho-c-Fos (Ser32) (D82C12) XP 兔单克隆抗体(Alexa Fluor 647 标记) | Cell Signaling Technology | 8677 | 用于检测表达 Fos 的细胞的抗体 |
| DAPI | Sigma | D8417 | 用于细胞核染色 |
| PicoPure RNA 提取试剂盒 | Applied Biosystems. | KIT0204 | 该试剂盒包含第 6.14 步所需的 RNA 提取缓冲液,用于收集分选后的细胞 |
| Superscript III 第一链 cDNA 合成系统 | Invitrogen | 18080-051 | 用于从 RNA 合成 cDNA |
| TaqMan 靶向预扩增主混合液 | Applied Biosystems. | 4391128 | 用于对 cDNA 进行靶向预扩增 |
| TaqMan Advance Fast Master | Applied Biosystems. | 4444963 | 用于使用 TaqMan 探针进行 PCR 扩增 |
| Fos TaqMan 探针 | Applied Biosystems. | Rn00487426_g1 | TaqMan 探针/引物 |
| NeuN TaqMan 探针 | Applied Biosystems. | CACTCCAACAGCGTGAC | 神经元基因标志物的核苷酸序列 |
| NeuN 正向引物 | Applied Biosystems. | GGCCCCTGGCAGAAAGTAG | 神经元基因标志物的核苷酸序列 |
| NeuN 反向引物 | Applied Biosystems. | TTCCCCCTGGTCCTTCTGA | 神经元基因标志物的核苷酸序列 |
| Gfap TaqMan 探针 | Applied Biosystems. | Rn00566603_m1 | 星形胶质细胞基因标志物的 TaqMan 探针/引物 |
| iba-1 TaqMan 探针 | Applied Biosystems. | Rn00574125_g1 | 小胶质细胞基因标志物的 TaqMan 探针/引物 |
| Gapdh TaqMan 探针 | Applied Biosystems. | CTCATGACCACAGTCCA | 内参/管家基因的核苷酸序列 |
| Gapdh 正向引物 | Applied Biosystems. | GACAACTTTGGCATCGTGGAA | 内参/管家基因的核苷酸序列 |
| Gapdh 反向引物 | Applied Biosystems. | CACAGTCTTCTGAGTGGCAGTGA | 内参/管家基因的核苷酸序列 |
| Oligo2 TaqMan 探针 | Applied Biosystems. | Rn01767116_m1 | 少突胶质细胞基因标志物的 TaqMan 探针/引物 |
| P1000 移液器 | Rainin | 17014382 | 在步骤 3.1 和 3.3 中指代带有大口径吸头的移液器,用于轻柔组织吹打;在步骤 6.7 中用于重悬细胞 |
| 7500 快速实时荧光定量 PCR 系统 | Applied Biosystems. | 446985 | 用于定量 PCR |
| FACSAria I 细胞分选仪 | BD Biosciences | 用于流式细胞分选(FACS) |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可