新近发现的疾病相关基因在神经精神障碍发病机制中的作用仍不明确。一种改良的双侧子宫内电穿孔技术可实现将基因转入大量神经元群体中,并可用于研究基因表达变化对社交行为的因果影响。
方法文章
新近发现的疾病相关基因在神经精神障碍发病机制中的作用仍不明确。一种改良的双侧子宫内电穿孔技术可实现将基因转入大量神经元群体中,并可用于研究基因表达变化对社交行为的因果影响。
随着全基因组关联研究揭示了多种神经系统疾病复杂的遗传基础,研究特定基因对大脑发育和功能贡献的需求日益增加。依赖小鼠模型来研究特定基因操作的作用并不总是可行的,因为转基因小鼠品系成本高昂,且许多新发现的与疾病相关的基因目前尚无商业化的遗传品系。此外,构建一个转基因小鼠品系可能需要数年的开发和验证时间。在体电穿孔技术(in utero electroporation)提供了一种相对快速且简便的方法,可在体内以细胞类型特异性的方式调控基因表达,仅需构建一个DNA质粒即可实现特定的遗传操作。双侧在体电穿孔可用于靶向大量前额叶皮层的锥体神经元。将这种基因转移方法与行为学研究相结合,可用来探究遗传操作对前额叶皮层神经网络功能以及幼年和成年小鼠社交行为的影响。
全基因组关联研究(GWAS)推动了与脑部病理相关的新候选基因的发现1,2,3,4。这些研究在理解严重神经精神疾病(如精神分裂症,SCZ)方面尤其具有重要意义,其中对新基因的探索已成为开展新研究方向和治疗干预的起点5,6。携带精神分裂症风险的基因在产前及出生后早期发育阶段的前额叶皮层(PFC)中表现出表达偏倚,而该脑区已被证实与多种神经精神疾病的病理过程相关7。此外,精神疾病的小鼠模型也显示出PFC神经网络活动异常6,8,9。这些结果提示,与精神分裂症相关的基因可能在该脑区的发育连接过程中发挥一定作用。为进一步明确这些候选基因在PFC神经连接建立中的作用,并确定其是否在神经精神疾病的发生中具有因果性,有必要利用动物模型进行深入研究。在小鼠中应用可调控基因表达的技术,以研究产前及出生后早期发育过程中特定神经环路的基因表达变化,是解析基因表达改变与PFC功能障碍之间分子机制的有力手段。
转基因小鼠品系为研究特定基因对大脑发育和功能的影响提供了一种方法。然而,依赖转基因小鼠可能存在局限性,因为在商业上并不总能获得可用于研究特定基因对发育中神经回路影响的小鼠品系。此外,构建定制小鼠品系可能极为昂贵且耗时。结合转基因小鼠与病毒学方法的交叉遗传操控策略,已彻底改变了人们对大脑的理解10,11,12。尽管已取得诸多进展,病毒学策略仍存在某些局限性,具体取决于所使用的病毒载体类型,例如包装容量有限可能限制病毒表达13,以及病毒表达相关的细胞毒性14。此外,在大多数实验条件下,使用腺相关病毒(AAVs)实现稳定的基因表达需要大约2至4周时间15,这使得常规病毒策略难以在出生后早期发育阶段对基因进行操控。
子宫内电穿孔(IUE)是一种可实现快速且低成本基因转导的替代方法16,17,当其与荧光标记、药理遗传学或光遗传学方法结合时,为解析神经元环路的功能提供了强大的平台。此外,随着CRISPR-Cas9基因组编辑技术的发展,可通过细胞类型特异性的基因敲低或敲除,或通过启动子调控,实现基因的过表达或精确修饰18,19。当需要在狭窄的发育时间窗内检测基因对神经元环路的影响时,使用IUE进行基因操作尤为有利20。IUE是一种多功能技术,通过将基因插入特定启动子驱动的表达载体中,即可轻松实现过表达。通过使用不同强度的启动子或可诱导型启动子以实现基因表达的时间控制,可进一步增加对基因表达的调控能力21,22。此外,IUE能够靶向特定皮层层、细胞类型及脑区内的细胞,而这一点在其他方法中并不总能实现5,17。近年来,基于三电极配置的IUE技术取得进展,该配置可产生更高效的电场分布,拓展了该方法的功能范围,并使研究人员能够靶向新的细胞类型,同时提高靶向效率、精确度及可靶向细胞的数量23,24。该技术最近被用于确定与精神分裂症(SCZ)相关的基因补体成分4A(C4A)在前额叶皮层(PFC)功能和早期认知中的因果作用5。
本文介绍了一种实验流程,该流程结合基因转导技术,靶向投射至额叶皮层(包括前额叶皮层PFC)的大群兴奋性神经元,并联合行为学范式,不仅能够研究细胞和神经环路水平的变化,还可持续监测小鼠从早期出生后发育阶段直至成年期的行为表现。首先描述了一种双侧转染额叶皮层区域第2/3层(L2/3)大量锥体神经元的方法。随后,概述了用于检测幼年及成年小鼠社交行为的任务范式。在完成行为学任务后,可通过细胞计数来量化转染细胞的数量及其分布位置。此外,还可将转染细胞的数量与行为学数据进行相关性分析,以确定转染细胞数量的增加是否会导致更显著的行为改变。
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所有实验方案均根据美国国立卫生研究院(NIH)动物研究指南进行,并经波士顿大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准。
1. DNA 溶液的制备
2. 购买或繁殖配准孕鼠
3. 三叉电极的设计与组装
4. 手术准备
5. 体内电穿孔手术
6. 通过母婴互动任务检测早期社交行为
注意:本方案改编自先前的出版物5,25。应在小鼠出生后第18至21天进行此操作。
7. 成年个体社会行为任务的检测
8. 分析行为学数据
9. 转染细胞数量的特征分析:事后细胞计数
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定制电穿孔仪及三叉电极的成功研发与应用。
针对子宫内电穿孔转染(IUE),基于先前报道的设计27,构建了一种低成本的定制电穿孔仪(图1A 和 图2)。三叉电极的制备方法如下23,24:使用塑料镊子,在叉尖处连接两个负极,正极则连接在牙刷柄末端(图1B)。电穿孔仪和三叉电极均经过测试,以确保其功能正常。IUE操作包括暴露子宫角、注射质粒DNA并对每个胚胎进行电穿孔(图1C)。如图所示,三叉电极可较为方便地用双手持握(图1B,右),利用叉尖稳定胚胎头部。通过IUE将GFP标记于L2/3层前额叶皮层(PFC)的锥体细胞胞体及其突起,从而证实了基...
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本文描述了一种结合在大量前额叶皮层神经元中操控新感兴趣基因与小鼠行为学检测的技术流程。此外,该流程允许对同一批小鼠在出生后早期发育阶段及成年期进行纵向行为学研究。该技术避免了依赖遗传动物模型所带来的高昂时间与经济成本。本方案的优势在于,可用于研究近期全基因组关联研究(GWAS)已发现新遗传关联的神经发育性和神经精神类疾病28,29。尽管该方法可实现兴奋性神经元的细胞类型特异性转染,但其局限性在于较难靶向其他脑细胞类型,如中间神经元或胶质细胞。然而,已有多个研究提出经改进的方法以靶向其他脑细胞类型30,31。此外,通过调整电极相对于胚胎头部的位置并改变宫内电转(IUE)的时间,还可实现对其他脑区的双侧转染,包括海马、杏仁核、小脑以及视觉、体感和运动皮层24,32。同时,在不同发育阶段进行宫内...
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作者声明无竞争利益。
感谢 Lisa Kretsge 对手稿提出的宝贵反馈意见和编辑帮助。感谢 Cruz-Martín 实验室的所有研究助理,他们在灌注实验和行为学相关脑组织的细胞计数工作中提供了不可或缺的支持。感谢 Andrzej Cwetsch 在三极电极设计方面提供的建议,以及 Todd Blute 和波士顿大学生物学成像中心提供共聚焦显微镜的使用支持。本研究得到了 NARSAD 青年研究者奖(AC-M,编号 #27202)、Brenton R. Lutz 奖(ALC)、I. Alden Macchi 奖(ALC)、美国国家科学基金会 NRT UtB:神经光子学国家研究奖学金(ALC,编号 #DGE1633516)以及波士顿大学本科生研究机会项目(WWY)的资助。资助机构在研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿撰写过程中均未参与。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 13毫米丝线黑色编织缝合线 | Havel's | SB77D | 缝合皮肤 |
| 艾德森镊子 | F.S.T. | 11006-12 | 宫内电穿孔(IUE) |
| C270网络摄像头 | 罗技 | N/A | 记录行为 |
| 电穿孔仪 | 定制组装 | N/A | 参见图1、图2及Bullmann等,2015年 |
| EZ-500离心柱质粒DNA大提试剂盒,20次 | Bio Basic Inc. | BS466 | 质粒制备 |
| 快绿FCF染料 | 西格玛 | F7252-5G | 用于DNA溶液的染色剂 |
| 精细剪刀—锋利型 | F.S.T. | 14060-09 | 宫内电穿孔(IUE) |
| 费舍品牌纱布海绵 | 费舍科学公司 | 1376152 | 宫内电穿孔(IUE) |
| Gaymar加热/冷却系统 | Braintree | TP-700 | 加热垫 |
| 玻璃毛细管拉制仪 | Sutter Instrument, | P-97 | 宫内电穿孔(IUE) |
| 玻璃毛细管 | Sutter Instrument, | BF150-117-10 | 宫内电穿孔(IUE) |
| 脱毛乳液 | Nair | N/A | 脱毛 |
| 哈特曼止血钳 | F.S.T. | 13002-10 | 宫内电穿孔(IUE) |
| 旷场迷宫—自制亚克力实验箱 | 定制组装 | N/A | 50 × 50 × 30 cm(长×宽×高) |
| pCAG-GFP | Addgene | 11150 | 用于表达绿色荧光蛋白(GFP)的哺乳动物表达载体 |
| Picospritzer III压力微注射仪 | Parker Hannifin | N/A | 压力注射器 |
| 牵开器—双齿钝头 | F.S.T. | 17023-13 | 宫内电穿孔(IUE) |
| 环形镊 | F.S.T. | 11103-09 | 宫内电穿孔(IUE) |
| 干珠灭菌器 | 西格玛 | Z378569 | 手术器械灭菌 |
| 缝合线,3/0 PGA,FS-2,紫色,仅限兽用 | Havel's | HJ398 | 缝合肌肉 |
| 水浴锅 | Cole-Parmer | EW-12105-84 | 加热无菌生理盐水 |
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