蛋白质合成是 细胞的一项关键生物学过程。在大脑中,该过程对适应性变化至关重要。测量完整大脑中的蛋白质合成速率需要仔细考虑方法学因素。本文介绍了L-[1-14体内脑区蛋白质合成速率测定的C-亮氨酸定量放射自显影法
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蛋白质合成是 细胞的一项关键生物学过程。在大脑中,该过程对适应性变化至关重要。测量完整大脑中的蛋白质合成速率需要仔细考虑方法学因素。本文介绍了L-[1-14体内脑区蛋白质合成速率测定的C-亮氨酸定量放射自显影法
蛋白质合成对于神经元功能的发育和维持至关重要,并参与神经系统中的适应性变化。此外,人们认为神经系统中蛋白质合成的失调可能是某些发育障碍的核心表型。在动物模型中准确测量脑内蛋白质合成速率,对于理解这些疾病具有重要意义。我们所建立的方法旨在用于清醒、行为正常动物的研究。该方法为定量放射自显影法,可同时获得脑内所有区域的合成速率。该方法基于使用示踪氨基酸L-[1-14C]-亮氨酸以及L-亮氨酸在脑内代谢行为的动力学模型。我们选择L-[1-14C]-亮氨酸作为示踪剂,是因为其不会产生额外的标记代谢产物。该示踪剂要么被掺入蛋白质中,要么迅速代谢生成14CO2,后者在脑内大量未标记的CO2池中被稀释。该方法及模型还可校正组织蛋白水解产生的未标记亮氨酸对蛋白质合成前体库的贡献。该方法具有足够的空间分辨率,可测定细胞层、神经毡层以及下丘脑和脑神经核团中的蛋白质合成速率。为了获得可靠且可重复的定量数据,严格遵循操作细节至关重要。本文将详细介绍利用定量放射自显影L-[1-14C]-亮氨酸法在活体条件下测定脑区特异性蛋白质合成速率的具体操作步骤。
蛋白质合成是 神经系统长期适应性变化所必需的重要生物学过程1抑制蛋白质合成会阻断无脊椎动物和脊椎动物的长期记忆存储2蛋白质合成对于维持某些形式的长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)的晚期阶段至关重要3发育过程中的神经元存活4以及神经元及其突触连接的常规维持5脑蛋白合成速率的测量可能是研究适应性变化以及神经发育障碍和与学习记忆相关疾病的重要工具。
我们已开发出一种方法,可在清醒动物体内定量测定脑蛋白质合成速率,该方法相较于其他用于估计脑组织离体或体外样本中合成速率的技术具有固有优势6。最主要的优势在于其适用于清醒动物完整脑组织中的测量。这一点至关重要,因为它能够在突触结构与功能保持完整的情况下进行测定,且无需担忧死后效应的影响。此外,我们所采用的定量放射自显影方法具有高度的空间定位能力。尽管14C的能量限制使得我们无法在亚细胞或细胞水平上对示踪剂进行精确定位,但我们仍可在细胞层和如下丘脑核团等较小的脑区中测量合成速率,空间分辨率约为25 µm7。
使用放射性示踪剂进行体内测量的一个挑战在于确保所测得的放射性标记存在于目标反应产物中,而非未反应的标记前体或其他非相关的标记代谢产物中。6我们选择了 L-[1-14C]-亮氨酸作为示踪氨基酸,因为它要么被掺入蛋白质,要么迅速被代谢 14CO2, 在大量未标记的CO中被稀释2 由于大脑能量代谢速率高,导致脑组织中产生8此外,任何 14未掺入蛋白质的C主要以游离形式存在[14C]-亮氨酸,在60分钟的实验期间内,几乎完全从组织中清除6蛋白质随后用甲醛固定于组织上,并用清水冲洗以去除任何游离的[14C]-亮氨酸标记,随后进行放射自显影。
另一个重要的考虑因素是,组织蛋白质分解产生的非标记氨基酸会稀释前体氨基酸池的特异性放射活性。我们已证明,在成年大鼠和小鼠中,脑内蛋白质合成所用的前体亮氨酸池约有40%来源于蛋白质降解产生的氨基酸6。在计算脑区蛋白质合成速率(rCPS)时必须计入这一因素,并且在相关关系可能发生改变的研究中必须对此加以验证。该方法的理论基础和假设已在其他文献中详细阐述6。本文则重点讨论该方法应用中的实验操作问题。
该方法已用于测定地松鼠9、绵羊10、恒河猴11、大鼠12,13,14,15,16,17,18,19,20,21、结节性硬化症小鼠模型22、脆性X综合征小鼠模型23,24,25,26、脆性X前突变小鼠27以及苯丙酮尿症小鼠模型28中的rCPS。在本论文中,我们介绍了使用活体放射自显影L-[1-14C]-亮氨酸法测定rCPS的操作步骤。我们展示了清醒对照小鼠脑区中的rCPS。此外,我们还证明了体内给予翻译抑制剂茴香霉素可完全消除脑内的蛋白质合成。
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注意:所有动物实验程序均经国家精神卫生研究所动物护理与使用委员会批准,并遵循美国国立卫生研究院关于动物护理与使用的指南进行。
方案的概述见图1。
1. 通过手术在股静脉和股动脉植入导管,分别用于示踪剂的给药和定时采集动脉血样。手术需在示踪剂给药前至少22小时完成,手术过程约需1小时。
2. 准备用于注射的L-[1-14C]亮氨酸溶液以及用于沉淀血浆样品蛋白的16% (w/v) 5-磺基水杨酸(SSA)二水合物溶液。在SSA溶液中还需加入0.04 mM正亮氨酸和每毫升含1 µCi的[3H]亮氨酸,分别作为氨基酸分析及酸可溶性血浆组分中示踪剂浓度分析的内标物。SSA溶液可在4 ˚C下保存最多两个月。
3. 静脉注射 L-[1-14C]亮氨酸并采集动脉血样本。
4. 分析血浆样品中亮氨酸和L-[1-14C]亮氨酸的浓度。
5. 进行定量放射自显影。
6. 分析图像。
注意:建议使用市售的图像分析软件,并配备CCD相机和具有均匀照明的荧光成像仪。CCD相机可检测曝光胶片中的相对光密度。
7. rCPS 的计算。通过以下公式计算每个 ROI 中的 rCPS:

其中 P*(T) 表示 ROI 内组织中 14C 的加权平均浓度,Cp(t) 和 C*p(t) 分别表示在时间 t 时动脉血浆中未标记和标记亮氨酸的浓度,T 表示动物死亡的时间(约 60 分钟),λ 表示组织前体池中来自血浆的亮氨酸所占的比例。λ 的评估需通过单独的实验进行6。λ 值已在野生型(WT)、Fmr1 基因敲除型、Tsc+/- 型以及苯丙酮尿症(PKU)小鼠中进行了评估6,22,25,28。如果实验涉及可能影响蛋白质合成、降解或亮氨酸代谢速率的遗传或药理学干预,则应在新的实验条件下重新评估 λ 值。
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此处展示了一项代表性实验,用于说明预先给予蛋白质合成抑制剂对rCPS的影响。在开始测定rCPS前30分钟,将溶于生理盐水中的茴香霉素(100 mg/kg)皮下注射至一只成年C57/BL6雄性野生型小鼠体内。与溶剂处理的对照动物相比,茴香霉素处理的小鼠中rCPS几乎无法检测到(图4)。这些数据表明,体内放射自显影L-[1-14C]-亮氨酸法能够准确测量脑组织中的蛋白质合成速率。
我们展示了一张L-[1-14C]-亮氨酸放射自显影图展示了脑部四个层面的结果,以证明该方法的分辨率(图5). 图示为嗅球中的细胞层图 5A 和 B),海马体(图5C)...
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我们介绍一种在实验动物体内定量测定脑区蛋白质合成速率(rCPS)的方法。该方法相较于现有方法具有显著优势:1. 测量在清醒、正常活动的动物中进行,因此能够反映大脑功能状态下正在进行的生理过程。2. 通过定量放射自显影技术进行测量,可同时测定脑内所有区域及亚区域的rCPS。3. 该方法的动力学模型考虑了组织蛋白质降解产生的未标记氨基酸重新进入氨基酸池(即“再循环”)的可能性,及其对蛋白质合成前体池的影响6。
该方法的主要局限性在于其耗时且要求较高。尽管采用更简单、通量更高的方法颇具吸引力,但必须认识到所获得数据的局限性。
由于在完整的小鼠体内测量rCPS具有复杂性,可能会遇到维持正常生理状态、采集足够的血液样本以及避免可能干扰因素等方面的问题。静脉和动脉导管的外科植入具有挑战性。与任何外科手术一样,尤其是处理 delicate vasculature 时,动物死亡存在固有风险。对我们而言,这种情况较为罕见(约1%)。在随后22小时的恢复期间,偶尔(约4%)会有动物将导管拔出。在测量...
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作者声明无利益冲突。
作者谨此感谢夏增艳在小鼠基因分型方面的工作,感谢汤姆·伯林在氨基酸和胶片处理方面的工作,以及感谢秦梅在部分rCPS实验中的贡献。本研究由美国国家精神卫生研究院(NIMH)院内研究计划(ZIA MH00889)资助。RMS还获得了自闭症之声基金会博士后奖学金(8679)和FRAXA博士后奖学金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 小鼠 | 杰克逊实验室 | 003024 | Fmr1 基因敲除繁育对 |
| 茴香霉素 | Tocris 生物科学 | 1290 | |
| 微量压积管 | 德拉蒙德科学公司 | 1-000-3200-H | 毛细管 |
| Critoseal 毛细管密封剂 | 徕卡显微系统公司 | 39215003 | 密封腻子 |
| 玻璃小瓶内插管 | 安捷伦科技公司 | 5183-2089 | 用于采集血液样本 |
| Digi-Med 血压分析仪 | Micro-Med 公司 | BPA-400 | 血压分析仪 |
| Bayer Breeze 2 血糖监测系统 | Bayer Breeze | 9570A | 血糖仪 |
| 气密注射器 | 哈密尔顿公司 | 1710 | 结核菌素玻璃注射器 |
| HeatMax HotHands-2 暖手袋 | HeatMax | 型号 HH2 | 加热垫 |
| 肝素锁冲洗液 | Fresenius Kabi USA, LLC | 504505 | 肝素生理盐水 |
| 透明动物容器 | Instech | MTANK/W | 动物饲养笼 |
| 弹簧束缚装置 | Instech | PS62 | 导管管路/啮齿类动物固定装置 |
| 旋转接头 | Instech | 375/25 | 连接至弹簧束缚装置 |
| 旋转臂及支架 | Instech | SMCLA | 连接旋转接头和动物饲养笼 |
| 束缚按钮 | Instech | VAB62BS/22 | 连接至弹簧束缚装置底部 |
| 不锈钢管 | 自制 | N/A | 用于将导管穿过小鼠体内 |
| Matrx VIP 3000 | Matrx | 91305430 | 异氟烷蒸发器 |
| 异氟烷 | Stoelting 公司 | 50207 | 异氟烷/氟烷吸附剂 |
| 电动剪毛器 | Oster Finisher | 型号 59 | |
| 外科皮肤拉钩 | 自制(??) | N/A(??) | |
| 0.9% 氯化钠生理盐水 | APP 制药有限责任公司 | 918610 | |
| 镊子 | 精细科学工具公司 | 11274-20 | |
| 手术剪刀 | 精细科学工具公司 | 14058-11 | |
| 显微剪刀 | 精细科学工具公司 | 15000-00 | |
| UNIFY 丝制外科缝线 | AD 外科公司 | #S-S618R13 | 6-0 USP,不可吸收 |
| PE-8 聚乙烯管 | SAI 输注技术公司 | PE-8-25 | |
| 注射器 | 贝克顿-迪金森公司 | 309659 | 1cc/mL |
| PE-10 聚乙烯管 | Clay Adams | 427400 | |
| MCID 分析软件 | Imaging Research 公司 | 版本 7.0 | 光密度分析 |
| 明胶包被载玻片(75×25 mm) | FD Neurotechnologies | PO101 | |
| 冷冻切片机 | 徕卡 | CM1850 | |
| Super RX-N 医用X光胶片 | 富士 | 47410-19291 | |
| Hypercassette(8×10 英寸) | Amersham Pharmacia Biotech | 11649 | |
| [1-14C]亮氨酸 | Moravek | MC404E | |
| 微量离心管 | Sarstedt 股份有限公司 & Co. | 72.692.005 | 用于血液样本去蛋白处理 |
| 玻璃巴斯德移液管 | Wheaton | 357335 | |
| 玻璃棉 | 西格玛-奥德里奇公司 | 18421 | |
| 氮气 | 美国国立卫生研究院供应中心 | 6830009737285 | |
| 闪烁液 | CytoScint | 882453 | |
| 液体闪烁计数器 | Packard Tri-Carb | 2250CA | |
| 氨基酸分析仪 | Pickering 实验室 | Pinnacle PCX | |
| HPLC 系统 | 安捷伦科技公司 | 1260 Infinity | 包含 1260 Bio-Inert 泵 |
| 手术显微镜 | Wild Heerbrugg | M650 | |
| 磺基水杨酸 | 西格玛-奥德里奇公司 | MKBS1634V | 5-磺基水杨酸二水合物 |
| 正亮氨酸 | 西格玛公司 | N8513 | |
| 1.0 N HCl | 西格玛-奥德里奇公司 | H9892 | |
| [H3]亮氨酸 | Moraevk | MC672 | |
| Falcon 管 | 赛默飞世尔科技公司 | 339652 | 50 mL 圆锥形离心管 |
| 秒表 | Heuer Microsplit | 型号 1000 | 1/100 分钟 |
| 安乐死溶液 | Vet One | H6438 | |
| Northern Light 精密照明器 | Imaging Research 公司 | 型号 B95 | 荧光灯箱 |
| Micro-NIKKOR 55mm f/2.8 | 尼康 | 1442 | CDD 相机 |
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