本文介绍了一种斑马鱼癫痫模型的建立与表征方案,该模型源于对DEPDC5基因的瞬时抑制。
本文介绍了一种斑马鱼癫痫模型的建立与表征方案,该模型源于对DEPDC5基因的瞬时抑制。
癫痫是最常见的神经系统疾病之一,全球约有5000万人受其影响。近年来遗传学研究的进展揭示了大量与各种类型癫痫相关的基因,凸显了该疾病的异质性。合适的动物模型对于研究与癫痫相关的基因突变所引发的病理机制,以及开发特异性的靶向治疗手段至关重要。近年来,斑马鱼作为一种有价值的脊椎动物模型被广泛应用于癫痫研究,通过基因操作或暴露于已知的致痫药物(如戊四氮,pentylenetetrazole, PTZ),可用于发现新的抗癫痫治疗药物。mTOR通路调控基因DEPDC5的功能丧失性突变已被证实与多种局灶性癫痫相关;在斑马鱼中敲低其同源基因会导致活动过度,伴随自发性类似癫痫发作的行为、增强的电生理活动以及特征性的“车轮旋转”式游泳行为。本文描述了构建DEPDC5功能缺失模型的方法,并展示了在受精后28小时和48小时(hpf)评估运动活性的实验方案,以及记录斑马鱼视顶盖区场电位活动的方法。此外,还提供了致痫药物PTZ随时间推移对神经元活动影响的示例图示。
由于体型小、卵生发育以及在早期发育阶段具有透明性,斑马鱼已成为研究多种人类疾病的宝贵脊椎动物模型,这些疾病包括心血管疾病、癌症和神经系统疾病1,2。斑马鱼兼具脊椎动物的优势(如器官结构和遗传密码的高度保守性)以及较简单模式生物所具有的体型小和易于进行遗传操作的特点,因而有利于开展基础研究和转化应用。特别是,斑马鱼适用于对行为学和细胞过程的荧光标记物进行高通量自动化筛选,这使其成为癫痫研究中尤为理想的模型。过去十年中,采用化学诱导和/或遗传方法建立癫痫模型的研究论文数量显著增加3,4,5,而近年来更有研究报道,通过在这些模型中开展化合物筛选,已获得具有前景的治疗候选药物6,7,8。
DEPDC5 是GATOR1复合物的成员,该复合物为mTOR信号通路的负调控因子9。GATOR1复合物中的突变可导致 DEPDC5 基因于2013年首次在患有常染色体显性遗传局灶性癫痫的先证者中被发现10,11,并且此后已在多种与局灶性癫痫发作和局灶性皮质发育不良相关的临床疾病中被报道12绝大多数已报道的突变预计会导致该基因功能丧失12,并且这一点已在多种情况下得到正式验证 DEPDC5 被无义介导的mRNA降解所靶向的突变转录本12,13. 与此一致,在斑马鱼中使用反义吗啉代寡核苷酸(AMOs)敲低该基因的直系同源物,会导致一系列在此类生物体的癫痫模型中常见的表型,包括活动过度、车轮样旋转游泳、自发性癫痫发作以及神经元活动增强14,15,16,17,18有趣的是,使用雷帕霉素(mTOR 信号通路抑制剂)处理可逆转该模型的行为学特征18,支持该假设 DEPDC5 功能丧失可能因mTOR通路的失调而引发癫痫9,19.
利用携带吗啉代修饰的反义寡核苷酸在体内瞬时敲低基因表达,已成为研究特定基因功能的宝贵工具,其应用价值与基于si/shRNA的技术相当。近年来,基于AMO的策略也进入了临床应用领域,首个用于治疗杜氏肌营养不良症的AMO疗法已于2016年获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准20。尽管已有报道指出,在斑马鱼中,基于AMO的急性基因敲低表型并不总是与组成型基因敲除模型一致21,但这至少在某些情况下可能是由于组成型遗传修饰引发的代偿机制所致22。然而,AMO诱导表型的特异性问题无疑是一个必须在使用该技术的研究中认真对待的重要关切23。为确保基于AMO的基因敲低表型具有特异性,必须进行多项关键对照实验。这些对照包括建立剂量-反应曲线,以确定能够有效实现基因敲低的最低AMO剂量,从而避免因引入过量遗传物质而导致的整体毒性。还需使用一种Mismatch AMO(即不靶向基因组中任何特定区域的错配对照AMO),以帮助确定合适的实验剂量并识别特异性表型。此外,必须使用第二种靶向同一基因不同区域(例如剪接阻断型AMO)的AMO,以确认所观察到的表型确实源于目标基因的敲低。通过导入该基因的cDNA(可以是人源直系同源基因,或经过密码子改造而无法被AMO靶向的斑马鱼基因版本)来挽救敲低表型,可为表型特异性提供强有力的证据。若使用含有功能丧失突变(例如引入提前终止密码子)的相同cDNA则无法实现表型挽救,这进一步支持了表型的特异性。
本文介绍了一种建立斑马鱼DEPDC5基因功能缺失模型的方法,以及在受精后28小时(hpf)和48小时(hpf)进行行为表型分析的实验方案。在28 hpf时,DEPDC5基因功能缺失会导致胚胎整体活动增强,表现为在卵膜内出现更频繁的卷曲和抽搐运动。在此阶段,可使用自动运动检测系统对每个胚胎的总体活动量进行定量分析。在48 hpf时,斑马鱼在受到触觉刺激后会表现出典型的逃避游泳行为。在DEPDC5基因表达下调的斑马鱼中,其游泳轨迹显著比对照组更为曲折,呈现出“螺旋状”或“车轮翻转样”运动模式,这与其他已报道的该生物体癫痫模型相似3,4。在受精后4至6天(dpf)的斑马鱼幼鱼中,对视顶盖进行的电生理记录显示,DEPDC5基因敲低动物的神经元基础活动水平升高。该模型的优势在于其在不同发育时间点表现出多种表型特征,可用于监测和评估药物治疗在发育过程中的疗效。
实验程序已获得国家和机构伦理委员会的批准。
1. 斑马鱼胚胎中DEPDC5基因的瞬时敲低
2. 行为分析
3. 电生理学分析
图1展示了在两种遗传条件下(错配对照和DEPDC5基因敲低)4-6天龄斑马鱼幼鱼细胞外场电位记录的代表性电压轨迹。在记录的基线期,DEPDC5基因敲低组表现出更高频率的自发性放电事件,而错配对照组仅显示极少的波动。这些活动模式代表了由于DEPDC5功能缺失所导致的神经元活动显著增强,这一点我们此前已有报道18。在给予戊四氮(PTZ)后,错配对照组和DEPDC5基因敲低组均出现去极化事件数量的增加。在PTZ给药后的初期(10–60分钟),错配对照组和DEPDC5基因敲低组的事件发生率均为每分钟0.8次,且大多数事件具有高振幅(>1 mV)。在后续反应期(PTZ给药后60–120分钟),去极化事件的发生率上升至约每分钟1次,且大多数事件为低振幅(≤1 mV)。

图1:斑马鱼幼体脑部场记录的示例迹线。(A)错配对照组幼体和 DEPDC5 敲低组幼体180分钟记录的总体概览。首先记录自发的基础活动,随后在浴液中加入PTZ(红色条表示)。(B)错配对照组和 DEPDC5 敲低组去极化事件的刺激相关时间直方图。事件被分为高幅度(>1 mV — 蓝色)和低幅度(≤1 mV — 黑色)两类。(C-E)记录不同阶段的迹线示例:(C)自发活动阶段,(D)PTZ 加入后初期的高幅度事件,(E)PTZ 加入后后期的低幅度事件。请注意,生成这些图的脚本文件已作为补充文件提供。请点击此处查看该图的放大版本。
补充文件:步骤 3.4 的脚本文件。 请点击此处查看此图的放大版本。
癫痫是一种复杂的神经系统疾病,其病因多种多样,随着基因测序技术的发展,这些病因正逐步被阐明25,26,27。为了有效推进转化研究,需要灵活多样的动物模型,以深入理解遗传性癫痫的病理机制,并为该疾病的各类亚型开发靶向治疗策略。斑马鱼模型在重现癫痫的主要特征以及提供可靠的抗癫痫药物筛选读数方面已表现出显著效果5,28。在基因修饰的斑马鱼中可观察到自发性癫痫发作15,29,30,31,并对这些模型进行的神经生理学分析28已证实癫痫样行为具有神经元活动基础32,33。体型微小的斑马鱼幼体适用于在96孔板中进行化合物筛选,通过自动化检测简单行为(如自发游泳)即可快速识别潜在的治疗药物。
本文所介绍的DEPDC5基因敲低模型,是通过将反义吗啉环寡核苷酸(AMO)注射到斑马鱼胚胎中,以阻断发育过程中的基因表达而获得的。该模型在幼虫发育的不同时间点表现出若干关键的表型特征,这些特征可作为化学或遗传筛选实验中评估治疗效果的指标。AMO介导的基因敲低是一种强大的技术,相较于化学诱导的癫痫模型具有优势,因为它能够特异性靶向目标基因的表达,从而有助于揭示由特定基因突变所触发的潜在致病机制。尽管化学诱导剂在药物筛选中仍是有力工具,但其可能通过多种细胞通路发挥作用,而这些通路并不总是与所研究的基因突变相关。虽然AMO注射技术在操作者熟练掌握后相对简单,但也存在一些局限性。注射必须在受精卵单细胞阶段进行;根据我们的经验,若在较晚阶段注射会显著增加表型的变异性。这限制了可用于注射的时间窗口,因此建议采用分时段连续产卵的策略进行实验安排。我们通常进行4-5次交配,每隔15-20分钟取卵一次,以便在获取下一批卵之前完成上一批的注射。此外,不同实验之间必须注意在相同的时间点评估表型,因为刻板行为在发育初期的前几天内变化迅速。AMO的注射体积和浓度也必须严格控制,因为过量注射可能导致非特异性毒性,从而掩盖特异性表型。引言中提到的各类对照实验对于确定合适的注射剂量及其对应的表型至关重要。
斑马鱼幼体脑部的现场记录是研究不同脑部疾病相关基因突变对全脑神经元活动产生有害影响的有效工具34。在这些实验条件下观察到的去极化事件,是评估药物在不同癫痫状态下电生理效应的既定方法15,35。然而,对这些效应的评估大多停留在定性层面,而非定量分析,且分析过程中依赖主观观察者作为判断主体。本文中,我们开发了一种自动检测策略,可客观地量化去极化事件的发生频率、幅度和持续时间,并能够评估这些参数随时间的变化,或在不同遗传或药理干预下的演变情况。
此处展示的代表性结果表明,在4-6天龄斑马鱼中,DEPDC5基因敲低遗传模型与错配对照组相比,在应用PTZ诱导类似癫痫样电活动前后所表现出的预期场电位活动。此前,我们已证明DEPDC5基因敲低条件下基础电活动显著升高18。本文结果显示,这两种条件下对PTZ(一种化学性癫痫样活动诱导剂)的反应在时间进程上具有相似的趋势,初期表现为频率相对较低、幅度较高的去极化事件,随后转为频率较高、幅度较低的去极化事件。场电位记录事件具有较慢的动力学特征(关注频率范围为0.005-0.2 s-1),因此本方案中同时使用低通和高通滤波器来分离目标事件。在去除低频噪声后,采用固定阈值法检测去极化事件。由于去极化事件的存在显著影响信号的统计特性,因此无法利用整个信号的标准差来确定该阈值。不同数据集间标准差的取值变异程度大于实际记录中的噪声水平。因此,在对记录轨迹进行目视检查后,我们采用0.3 mV的固定阈值,以避免因去极化活动水平不同而引入的偏差。
本方案提供了一种标准化且简便的方法,通过细胞外电流钳电压记录结合去极化事件的自动检测,评估斑马鱼模型中视顶盖的运动行为和神经元场活动,以表征类似癫痫的表型。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢在ICM电生理平台进行神经生理学实验期间提供帮助的工作人员。同时感谢Anca Marian提供的技术支持。SC的研究得到了Trampoline基金(项目编号#21488)的资助。EK的研究得到了法国肌肉萎缩症协会基金(AFM,项目编号#18469)以及欧洲研究委员会整合基金(ERC Consolidator Grant,ALS-Networks)的资助。HC获得了法国医学研究基金会(Fondation pour la Recherche Médicale,项目编号PLP20141031462)和ARSLA提供的博士生奖学金支持。AD和RM的研究工作获得了罗马尼亚国家科学研究院(CNCS-UEFISCDI)三项基金的资助(项目编号分别为PN-III-P4-ID-PCE-2016-0010、PN-III-P2-2.1-PED-2016-0007和COFUND-NEURON-NMDAR-PSY),以及欧盟“地平线2020”研究与创新计划(资助协议编号668863-SyBil-AA)和美国政府资助的美国国家科学基金会(NSF-IOS-1656830)的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖 | Sigma-Aldrich, 法国 | A9539 | |
| 水族盐 | Instant Ocean, 布莱克斯堡, 弗吉尼亚州 | SS15-10 | |
| 含丝硼硅酸盐玻璃 | Sutter Instruments | BF100-50-10 | 外径:1.5 mm,内径:0.5 mm |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich, 法国 | C1016 | |
| Depdc5-atg 反义吗啉代寡核苷酸 | GeneTools, 俄勒冈州, 美国 | N/A | 序列 5’- TGCCTTCATGGTGACCGTCATTTTA -3’ |
| Depdc5-mis 反义吗啉代寡核苷酸 | GeneTools, 俄勒冈州, 美国 | N/A | 序列 5’- TGCgTTgATcGTGACCcTgATTTTA -3’ |
| Depdc5-剪接反义吗啉代寡核苷酸 | GeneTools, 俄勒冈州, 美国 | N/A | 序列 5’- ACATTCCTGTTTCACCATAGATGAT -3’ |
| 数字化仪 | Molecular Devices, 加利福尼亚州, 美国 | Digidata 1550 | |
| 快绿染料 | Sigma-Aldrich, 法国 | F7258 | 0.2% 储存液 |
| 玻璃底培养皿 | Ibidi, 德国 | 81218 | |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich, 法国 | 68270 | |
| Grasshopper 2 相机 | FLIR, 不列颠哥伦比亚省, 加拿大 | GRAS-03K2M-C | 原 Point Grey Research |
| HEPES | Sigma-Aldrich, 法国 | H3375 | |
| 人源野生型 DEPDC5 cDNA | Dharmacon, 法国 | NM_001242897.1 | 登录号:BC144291,克隆编号:905 |
| ImageJ 软件 | NIH, 美国 | N/A | |
| KCl | Sigma-Aldrich, 法国 | P9333 | |
| Matlab 软件 | MathWorks, 马萨诸塞州, 美国 | N/A | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich, 法国 | M2670 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich, 法国 | S7653 | |
| NaOH | Sigma-Aldrich, 法国 | 71687 | |
| 泮库溴铵 | Alomone Labs | P-130 | 60 mM 水溶液储存液 |
| Parafilm 封口膜 | Sigma-Aldrich, 法国 | P7793 | |
| 膜片钳放大器 | Molecular Devices, 加利福尼亚州, 美国 | MultiClamp 700B | 计算机控制的膜片钳放大器 |
| pClamp10 数据采集软件 | Molecular Devices | N/A | |
| 戊四氮 (PTZ) | Sigma-Aldrich, 法国 | P6500 | 300 mM 储存液(溶于记录液) |
| 玻璃微电极拉制仪 | Narishige, 日本 | PC-10 | |
| 气动 PicoPump | WPI, 法国 | PV 820 | |
| Sylgard 184 试剂盒 | Sigma-Aldrich Intl. | 761036 | |
| 塑料移液管 | Sigma-Aldrich, 法国 | Z350605 | |
| Zebralab | Viewpoint, 法国 | N/A |