在 C. elegans 兴奋性毒性模型中,本方案采用活体成像技术分析坏死性神经变性的调控机制、编码候选介导因子的基因作用以及线粒体的参与。通过细胞解离与分选,特异性获取处于风险中的神经元,用于神经变性与神经保护机制的细胞特异性转录组分析。
方法文章
* These authors contributed equally
在 C. elegans 兴奋性毒性模型中,本方案采用活体成像技术分析坏死性神经变性的调控机制、编码候选介导因子的基因作用以及线粒体的参与。通过细胞解离与分选,特异性获取处于风险中的神经元,用于神经变性与神经保护机制的细胞特异性转录组分析。
兴奋性毒性坏死是神经退行性变的主要形式之一。这种程序性坏死由神经递质谷氨酸在突触部位的积聚及其对突触后受体的过度激活所触发。然而,目前对于导致此类神经退行性变特征性神经元肿胀形态的后续分子事件仍缺乏了解。其他方面,例如特定亚细胞区室的变化,或不同神经元亚型对损伤易感性差异的基础,也尚未得到充分研究。此外,在体外或离体实验体系中,多种因素可能干扰并扭曲此类神经退行性变的自然进程。因此,有必要在活体动物中研究兴奋性毒性坏死,通过监测干预措施对神经元坏死程度的调控作用,利用遗传操作便利且组织透明的模型生物进行实时观察 线虫模型系统 秀丽隐杆线虫. 本方案描述了研究兴奋性毒性坏死的方法 秀丽隐杆线虫 神经元,结合光学、遗传学和分子分析方法。为在 秀丽隐杆线虫,一个 谷氨酸转运蛋白基因的敲除(glt-3) 与神经元致敏的遗传背景相结合(nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)]) 以引起谷氨酸受体的过度刺激及神经元变性。在活体动物中,采用诺马尔斯基微分干涉差(DIC)、荧光及共聚焦显微镜技术,用于量化神经元变性程度、追踪荧光标记蛋白的亚细胞定位,并评估变性神经元中线粒体形态的变化。神经元荧光激活细胞分选(FACS)技术可用于特异性分离处于风险中的神经元,进而对神经元变性进行细胞类型特异性的转录组学分析。结合活体成像与FACS方法,并利用其优势,以及模式生物的遗传可操作性,可深入解析神经变性过程中的分子机制。 秀丽隐杆线虫 模式生物使研究人员能够利用该系统获得样本量大且可重复的数据。这些检测的结果可能转化为神经退行性疾病治疗干预的新靶点。
兴奋性毒性是脑缺血中神经元死亡的主要原因,也是多种神经退行性疾病的重要促成因素1,2,3,4,5,6,7,8,9。脑部供氧血流中断(例如由血栓引起)会导致谷氨酸转运体功能障碍,从而引起突触间隙谷氨酸积聚。过量的谷氨酸会过度激活突触后谷氨酸受体(GluRs),导致大量钙离子(Ca2+)以催化性、非化学计量的方式进入神经元(图1A)。这种有害的钙离子内流会引发进行性的突触后神经退行性变,其形态学和机制学表现从凋亡到程序性坏死不等10,11,12。尽管谷氨酸受体拮抗剂在动物模型中干预成功,但多项旨在阻断Ca2+内流并促进细胞存活的临床试验在临床应用中均告失败13,14,15,16。导致这些失败的一个关键原因可能是:与动物模型不同,临床治疗通常在卒中发生数小时后才开始,此时干预措施会阻断晚期起效的神经保护机制,却无法有效中断谷氨酸受体下游的退行性信号传导14,16,17。另一种基于溶栓治疗的策略,仅能在极为有限的时间窗内实施,导致许多患者(尤其是居家发病且发病时间难以确定者)无法从中获益17。这些挫折凸显了有必要将兴奋性毒性的研究重点转向谷氨酸受体过度激活之后发生的事件,并将随后的退行性级联反应与同时发生的神经保护过程区分开来。这一研究方向有助于预防细胞损伤,并发现可在损伤发生后较晚阶段仍有效给药的药物靶点。
确定兴奋性毒性后续事件的一种方法是研究谷氨酸受体(GluR)过度激活下游的细胞死亡信号通路,例如导致线粒体功能崩溃的相关机制。线粒体生理功能和动态过程的严重障碍是神经退行性变的典型特征,这在兴奋性毒性中尤为明显18,19,20。尽管所有细胞的存活、活动及细胞稳态均依赖于线粒体的功能和可用性,但神经元尤其依赖线粒体产生的能量来支持信号的传递与传导。具体而言,神经元在突触后受体/通道激活后,需消耗约50%与信号相关的能量以恢复静息膜电位21,这一过程高度依赖氧气和葡萄糖。在脑卒中中观察到的葡萄糖和氧气供应减少会导致严重的线粒体改变,进一步降低ATP的生成19,22,23,24。然而,关于导致线粒体崩溃事件序列的研究结果存在争议,尚未达成共识。通过分析线粒体形态有助于理解引发线粒体病变的过程,因为形态是反映神经元健康状况的良好指标25,26,27,28,29。丝状线粒体代表健康的神经元状态,而碎片化的线粒体则提示存在显著的神经元损伤,可能最终导致细胞死亡。在不同遗传条件下对活体动物中的线粒体形态进行分析,有助于聚焦于兴奋性毒性中与线粒体依赖性神经退行性变相关的特定基因和通路。
另一种确定可能调控兴奋性毒性神经变性程度的后续事件的方法,是研究能够减轻兴奋性毒性部分效应的转录水平神经保护机制14,16。然而,关键神经保护转录因子缺乏特异性,且实验设计存在差异,这些因素阻碍了明确鉴定核心神经保护程序(尤其是在调控性坏死中)的努力取得成功。
因此,在研究兴奋性毒性中的下游死亡信号通路以及转录介导的神经保护作用时,研究者在实验结果的观察上遇到了巨大的困难并存在广泛争议。这些争议很可能源于使用离体(ex vivo)或体外(in vitro)的兴奋性毒性模型,以及不同实验设计特异性所带来的变异性。因此,聚焦于识别高度保守的核心机制,并在活体(in vivo)条件下对其进行研究,具有重要意义。线虫 C. elegans 作为一种简单的模式系统,因其具备强大且多样化的研究工具、核心细胞死亡通路的高度保守性,以及对其神经系统结构和连接关系的详尽了解,成为一种尤为有效的研究体系30,31,32,33。事实上,Driscoll 实验室在线虫机械感受神经元坏死性神经退行的遗传学分析方面所开展的开创性工作,充分展示了这一研究策略的强大优势34。尤为重要的是,在兴奋性毒性的研究中,线虫中信号通路的保守性涵盖了谷氨酸能神经传递的所有主要组分35,36。
线虫兴奋性毒性模型建立在这些开创性研究的基础之上,使研究人员能够研究类似于中风及其他受谷氨酸依赖性神经毒性影响的神经退行性疾病中发生的生化过程。为了在C. elegans中诱导兴奋性毒性条件,该实验方法采用一种兴奋性毒性品系,该品系结合了谷氨酸转运蛋白基因的敲除 (glt-3)以及神经元致敏的遗传背景(nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)]),从而导致谷氨酸受体(GluR)的过度刺激和神经元退变37。该兴奋性毒性品系使30个特定的(表达glr-1的)神经元暴露于兴奋性毒性所致的神经退变中,这些神经元位于谷氨酸能突触连接的突触后。在这30个易损神经元中,随着动物发育进程,个别神经元会发生坏死(具有一定的随机性,同时部分偏好特定神经元38),与此同时,细胞残骸也逐渐被清除。结合多种突变品系的可获得性,该方法可用于研究影响神经退变和神经保护的多条信号通路。这些方法已被用于分析兴奋性毒性神经退变中部分下游的死亡信号级联39以及转录调控因子38,40。与其他线虫坏死性神经退变情况类似41,线虫的兴奋性毒性神经退变不涉及经典的细胞凋亡过程40。
本文方法学论文描述了在 C. elegans 中诱导、量化和操控兴奋性毒性坏死性神经退行性变的基本系统。此外,本文概述了目前用于简化线虫兴奋性毒性特定方面研究的两个主要实验方案。通过使用荧光报告基因和活体实时成像,研究人员可在兴奋性毒性神经退行性变的线虫模型中研究线粒体的参与及其动态变化。为确定特定神经保护性转录因子的作用,研究者可采用细胞类型特异性表达的荧光标记物,将线虫解离为单个细胞,并利用流式细胞术(FACS)分离出易受兴奋性毒性导致坏死的特定神经元。这些经细胞类型特异性分离的神经元随后可用于携带关键转录因子突变品系的RNA测序分析。综合而言,这些方法可使研究人员在活体条件下以高度清晰和精确的方式解析兴奋性毒性所致神经退行性变及神经保护的分子机制。
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1. 用于研究兴奋性毒性神经变性的菌株 & 神经保护
2. 培养基与动物饲养
3. 利用诺马尔斯基微分干涉差(DIC)显微技术定量分析头部退化神经元并进行评分
4. 特定退化头部神经元的鉴定
5. 利用报告基因菌株的荧光显微镜技术对神经元线粒体形态进行活体成像
6. 神经元线粒体形态学评分 & 定量分析
7. 用于神经退行风险神经元FACS分析的线虫解离缓冲液与试剂制备
8. 神经元特异性 FACS 的年龄同步化
9. 用于流式细胞术的完整线虫细胞解离
10. 用于鉴定的流式细胞仪操作修改 秀丽隐杆线虫 神经元
11. FACS 门控策略
12. 对分选后的神经元进行显微镜观察,以验证FACS设门策略的有效性
13. 利用质量控制自动化电泳系统进行RNA提取及RNA质量定量
注意:所有 RNA 操作均需格外小心,以避免受到 RNase 污染(包括试剂和耗材的仔细准备,以及遵循最佳的 RNase 安全操作规范)。
注意:所有涉及含有苯酚和/或氯仿样品的操作步骤均须在通风橱中进行。
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兴奋性毒性线虫模型及空泡变性神经元的鉴定
此处展示的数据引自先前发表的研究37,38。为模拟兴奋性毒性诱导的神经变性,将谷氨酸转运蛋白基因敲除(glt-3)与神经元致敏的转基因背景(nuIs5 [Pglr-1::GαS(Q227L); Pglr-1::GFP])相结合。该转基因结构在表达谷氨酸受体1(GLR-1,AMPA受体的关键亚基)的神经元中表达,并通过这些相同神经元中表达的GFP荧光进行追踪。使用微分干涉差显微镜(DIC)观察变性神经元,其表现为肿胀的空泡(图1B)。当nuIs5转基因结构与glt-3 ko组合时,头部死亡神经元的数量显著增加。当敲除所有在这些细胞中介导谷氨酸诱导电流的谷氨酸受体(GluRs)时,该数量大幅减少,提示存在谷氨酸依赖性的神经变性,这...
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尽管普遍存在的争议和失败表明,兴奋性毒性是一种极难解析的过程,但在秀丽线虫中对兴奋性毒性的分析提供了一种极具吸引力的策略,可用于阐明这种关键神经退行性病变中保守的神经元死亡通路。研究者可以依赖该系统中丰富的研究工具,尤其是线虫的通体透明特性(便于进行活体分析)以及大量可存活的突变体(可从秀丽线虫遗传中心(CGC)免费获取,或通过EMS诱变、CRISPR等技术在实验室内部制备)。此外,由于线虫神经系统中特定神经元的功能已被充分描述,其鉴定相对简便,这进一步推动了研究进展。事实上,目前研究者已能够识别并量化特定神经元的退变过程38,并针对这些神经元开展线粒体损伤或转录组学分析。这有助于揭示赋予特定细胞类型独特易损性或抗性的细胞类型特异性机制。
秀丽隐杆线虫(C. elegans)研究中可用的强大分子工具以及该模式生物在遗传操作上的便利性,使研究人员能够更深入地探究兴奋性毒性过程中导致神经元细胞死亡及其保护机制的生物学基础。此外,线虫的通体透明特性还允许在活体动物中研究兴奋性毒性特定背景下动态的生物学过程,例如线粒体形态的...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Mano实验室和Li实验室(现任及前任)所有成员的帮助与支持。感谢罗格斯大学(Rutgers Univ.)Monica Driscoll博士在开创线虫坏死性神经退行性变分析方面的工作以及持续的支持;感谢纽约市立学院(CCNY)Chris Li博士提供的支持与建议;感谢纽约市立学院流式细胞术核心设施的Jeffery Walker、纽约市立学院的Bao Voung以及洛克菲勒大学分选核心设施(Rockefeller Univ. Sorting Facility Core)的Stanka Semova在细胞分选方面的实践支持与指导;感谢罗格斯大学Chris Rongo博士提供的试剂;感谢范德堡大学(Vanderbilt Univ.)David Miller博士、普林斯顿大学(Princeton Univ.)Coleen Murphy博士、Shai Shaham博士、Menachem Katz博士 & 凯瑟琳·瓦兰达斯(以上三人均为洛克菲勒大学) 秀丽隐杆线虫 解离方案。
Mano 实验室获得了美国国立卫生研究院国家神经疾病与卒中研究所(NIH NINDS)的资助(项目编号:NS096687、NS098350、NS116028),资助对象为 I.M.,此外还通过美国国立卫生研究院 U54 CCNY-MSKCC 合作项目(项目编号:CA132378/CA137788)获得资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 用于荧光成像的倒置显微镜 | 蔡司 | Axiovert 200 M | |
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