在此,我们演示如何将原代海马神经元的转染与活细胞共聚焦成像相结合,以分析病理蛋白诱导的轴突运输变化,并鉴定介导这些效应的分子机制通路。
方法文章
在此,我们演示如何将原代海马神经元的转染与活细胞共聚焦成像相结合,以分析病理蛋白诱导的轴突运输变化,并鉴定介导这些效应的分子机制通路。
沿轴突进行的货物双向运输对于维持功能性突触、神经连接以及神经元的健康至关重要。在多种神经退行性疾病中,轴突运输受到破坏,而投射神经元尤其脆弱,这是因为它们需要在长距离内运输细胞物质并维持大量的轴突结构。多种与疾病相关蛋白的病理学修饰对运输产生负面影响,包括tau蛋白、β-淀粉样蛋白、α-突触核蛋白、超氧化物歧化酶以及亨廷顿蛋白,这提示了病理蛋白在疾病中发挥毒性的潜在共同机制。研究这些毒性机制的方法对于理解神经退行性疾病并确定潜在的治疗干预手段十分必要。
本实验中,培养的原代啮齿类动物海马神经元被共转染多种质粒,通过活细胞共聚焦成像观察荧光标记的货物蛋白的快速轴突运输,以研究病理蛋白对其影响。首先,从啮齿类动物中分离、解离并培养原代海马神经元。随后,将表达荧光标记货物蛋白以及野生型或突变型tau蛋白(作为病理蛋白的示例)的质粒DNA共同转染至神经元中。在活细胞中,利用可结合神经束蛋白(neurofascin)胞外 结构域(轴突起始段蛋白)的抗体识别轴突,并对选定的轴突区域进行成像,以检测荧光货物蛋白的运输情况。
利用免费提供的 ImageJ 宏工具 KymoAnalyzer,我们对轴突运输的速度、暂停频率和定向 cargo 密度进行了全面表征,这些参数均可能受到病理蛋白存在的影响。通过该方法,我们鉴定出一种与病理性 tau 蛋白表达相关的表型,表现为 cargo 暂停频率增加。此外,可在转染体系中加入基因沉默的 shRNA 载体,以检测其他蛋白在介导运输障碍中的作用。该实验方案易于拓展应用于其他神经退行性疾病相关蛋白,是研究这些蛋白如何破坏轴突运输机制的一种可重复的方法。
神经元依赖于轴突中货物的双向运输,以维持功能性突触和神经连接。轴突运输功能障碍被认为是多种神经退行性疾病发病机制中的关键因素,这些疾病包括阿尔茨海默病(AD)及其他tau蛋白病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和亨廷顿病1,2,3。事实上,多种与疾病相关蛋白的病理学修饰会负面影响运输功能(详见综述4)。开发研究病理蛋白在疾病中发挥毒性作用机制的方法,对于理解神经退行性疾病并确定潜在的治疗干预靶点至关重要。
利用分离的鱿鱼轴浆模型,研究人员在轴突运输领域取得了一系列重要发现,包括传统驱动蛋白的发现、调控马达蛋白的激酶和磷酸酶依赖性通路,以及病理蛋白破坏轴突运输调控的机制4,5。将病理形式的tau蛋白灌注到鱿鱼轴浆中会抑制顺向快速轴突运输(FAT),该效应依赖于tau蛋白磷酸酶激活结构域的暴露,从而激活蛋白磷酸酶1(PP1)6,7,8。PP1进一步激活糖原合成酶激酶3(GSK3),后者磷酸化驱动蛋白轻链,导致其与运输货物解离。阿尔茨海默病(AD)中的另一类病理蛋白是β-淀粉样蛋白(amyloid-β)。寡聚形式的β-淀粉样蛋白通过激活酪蛋白激酶2(casein kinase 2)抑制双向快速轴突运输,该过程同样涉及驱动蛋白轻链的磷酸化9。此外,携带多聚谷氨酰胺扩展的亨廷顿病理蛋白以及与家族性肌萎缩侧索硬化(ALS)相关的SOD1突变体,分别通过c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase)的活性,在鱿鱼轴浆模型中破坏轴突运输10,11。
尽管鱿鱼轴浆模型在研究病理性蛋白对轴突运输影响方面仍具有重要价值,但因设备和样本获取受限,其广泛应用受到限制。我们开发了一种利用活细胞共聚焦显微镜成像技术对啮齿类动物(小鼠和大鼠)原代神经元进行运输检测的方法。该模型基于哺乳动物神经元,采用广泛可得的细胞来源和显微镜系统,具有良好的可调节性和可操作性。例如,可通过表达多种病理性蛋白(如携带与疾病相关的修饰)来鉴定这些蛋白的特定修饰如何影响轴突内的运输过程。同样,也可使用多种荧光标记的货物蛋白来检测货物特异性的变化。此外,通过靶向调控可能介导这些效应的特定蛋白的表达(如基因敲低或过表达),可相对简便地研究其潜在的分子机制。该方法还可轻松适用于来自多种动物模型的原代神经元。
本文介绍了一种活细胞轴突运输检测的详细实验方案,该方法此前已在原代海马神经元中应用,用于证明与额颞叶脑叶变性症(FTLD)相关的突变型tau蛋白(P301L或R5L tau)可双向增加荧光标记的货物蛋白 的暂停频率12。此外,敲低PP1γ亚型可逆转这种暂停效应12。这些结果支持了上述模型,即病理性tau蛋白通过异常激活由PP1启动的信号通路,进而介导轴突运输的破坏6,7,12。在另一项研究中,我们发现tau蛋白在S199/S202/T205位点的模拟磷酸化(与tau蛋白病相关的致病性AT8磷酸化表位)会增加货物蛋白的暂停频率以及顺向运输片段的速度,且这些效应依赖于tau蛋白N端的磷酸酶激活结构域13。这些实例凸显了该模型在揭示病理性蛋白如何干扰哺乳动物神经元中轴突运输机制方面的实用性。
本文详细描述了一种方法,首先从原代小鼠海马神经元的收获、解离和培养开始,随后转染携带与荧光蛋白融合的货物蛋白的神经元,最后进行活细胞成像及图像分析。我们以突变型tau蛋白对囊泡相关蛋白突触素双向运输的影响为例,展示了该方法的应用。然而,该方法中感兴趣的致病蛋白和运输货物蛋白具有可替换性,因此是一种研究轴突运输的通用性技术。
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本方案已获得密歇根州立大学机构动物护理和使用委员会的批准。该方案已成功应用于C57BL/6J背景的Tau基因敲除小鼠和野生型斯普拉格-道利大鼠。其他品系也应适用。
1. 原代海马神经元的分离获取
2. 原代海马神经元的分离与接种
3. 神经元转染
注意:神经元可在体外培养第7天或第8天进行转染,转染效率及物质运输结果无显著差异。上述体积适用于四孔玻璃底培养板,每孔体积为750 µL。本方案描述的是使用脂质转染试剂进行转染的方法。使用前请将培养基和转染试剂恢复至室温。
4. 神经元成像
5. 生成并分析动态图像(Kymographs)
注意:可以使用多种不同的程序生成和分析线扫图(kymograph)。我们简要介绍免费提供的 KymoAnalyzer(v. 1.01)软件,该软件包含六个 ImageJ(v. 1.51n)插件16。这些插件可从恩卡拉萨实验室网站(https://www.encalada.scripps.edu/kymoanalyzer)的开发者处下载。该网站还提供有关此软件使用的更详细说明。
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利用这些方法,我们表征了在野生型或与疾病相关的tau蛋白存在条件下轴突运输的特征,以探究病理型tau蛋白在疾病中引发神经毒性的潜在机制12,13。KymoAnalyzer软件可计算并汇总指定文件夹内所有kymograph图的多种不同参数。运输速率仅在货物运动时计算(即分段速度),同时也计算包含暂停在内的总体速率(即净速度)。货物数量以总量、密度(#tracks/µm)或通量(#tracks∙µm-1∙s-1)表示。运行长度可单独或合并计算,以确定暂停之间移动的平均距离。货物暂停的特征包括持续时间、频率,以及货物处于非运动状态的时间百分比(即移动速度< 0.1 mm/s)。大多数测量参数均分别针对顺向和逆向运输方向进行计算,同时也提供两个方向合并后的总值。此外,还计算运输方向逆转的频率和时间点。综合而言,这些参数可对特定轴突区域内目标蛋白存在下的货物运输进行系统而全面的表征。
我们表达了野生型tau蛋白,发现与表达GF...
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越来越多的证据表明,多种与神经退行性疾病相关的致病蛋白会破坏神经元中的快速轴突运输。这可能是这些疾病中神经毒性的共同机制。为了更好地理解这些蛋白破坏运输过程的机制,我们需要能够回答特定问题的工具和模型。本文所述方法可用于研究致病蛋白如何在啮齿类动物原代海马神经元中对囊泡运输产生负面影响的机制。
原代神经元提供了一个易于操作且仍保持快速轴突运输调控所有功能特性的实验体系。基于脂质体的神经元转染效率通常不高(我们通常观察到每孔有5-15个转染成功的神经元),但相比其他方法仍具有若干优势。首先,相对较低的转染效率使研究者能够清晰地观察来自单个孤立神经元胞体的突起过程。当与轴突初始段(AIS)的活细胞标记物(如neurofascin)联合使用时,可明确识别用于成像的轴突。先前的研究已证明,采用该方法对AIS进行活细胞成像不会影响AIS的功能20。
其次,脂质体转染还允许在几乎所有表达荧光运载蛋白的细胞中实现多个DNA质粒的共转染。这些质粒易于替换,因此可以方便地制备编码同一蛋白不同修饰形...
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作者声明无利益冲突。
感谢Chelsea Tiernan和Kyle Christensen在开发和优化本实验方案部分环节中所做的努力。本研究工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)资助项目R01 NS082730(N.M.K.)、R01 AG044372(N.M.K.)、R01 AG067762(N.M.K.)和F31 AG074521(R.L.M.);美国国立卫生研究院/国家老龄化研究所密歇根阿尔茨海默病研究中心资助项目5P30AG053760(N.M.K.和B.C.);美国国防部卫生事务助理部长办公室通过同行评审阿尔茨海默病研究项目资助W81XWH-20-1-0174(B.C.);阿尔茨海默病协会研究资助20-682085(B.C.);以及Secchia家族基金会(N.M.K.)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.4% 台盼蓝 | Gibco | 15250-061 | |
| 1.7 mL 微量离心管 | DOT | RN1700-GMT | |
| 2.5% 胰蛋白酶 | Gibco | 15090-046 | |
| 3 mL 带 21 G 针头的注射器 | Fisher | 14-826-84 | |
| 10 mL 塑料注射器 | Fisher | 14-823-2A | |
| 14 G 针头 | Fisher | 14-817-203 | |
| 15 G 针头 | Medline | SWD200029Z | |
| 16 G 针头 | Fisher | 14-817-104 | |
| 18 G 针头 | Fisher | 14-840-97 | |
| 22 G 针头 | Fisher | 14-840-90 | |
| 32% 多聚甲醛 | Fisher | 50-980-495 | |
| AlexaFluor 647 山羊抗兔 IgG (H+L) | Invitrogen | A21244 | RRID:AB_2535813 |
| 两性霉素 B | Gibco | 15290-026 | |
| Arruga 微型胚胎囊钳,弯型;4" | Roboz | RS-5163 | 高压灭菌 |
| B-27 补充剂 (50x),无血清 | Gibco | A3582801 | |
| BioCoat 24 孔多聚赖氨酸培养板 | Fisher | 08-774-124 | |
| 硼酸 | Sigma | B6768-1KG | |
| 氯化钙 | Sigma | C7902 | |
| Castroviejo 3 1/2" 长 8 x 0.15 mm 角度尖头剪刀 | Roboz | RS-5658 | 高压灭菌 |
| 细胞计数装置 | 自动或手动 | ||
| 配备活细胞培养室附件的共聚焦显微镜 | |||
| 共聚焦成像软件 | |||
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma | G7528 | |
| DNase I (Worthington) | Fisher | NC9185812 | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Gibco | 14200-075 | |
| EGTA | Fisher | O2783-100 | |
| Fatal-Plus 溶液 | Vortech Pharmaceuticals, LTD | NDC 0298-9373-68 | 戊巴比妥钠;也可使用其他经批准的安乐死方法 |
| 胎牛血清 | Invitrogen | 16000044 | |
| 庆大霉素试剂溶液 | Gibco | 15710-072 | |
| GlutaMAX | Gibco | 35050-061 | 谷氨酰胺替代物 |
| 汉克氏平衡盐溶液 | Gibco | 24020-117 | |
| ImageJ 版本 1.51n | ImageJ | Life-Line 版本 2017 年 5 月 30 日:https://imagej.net/software/fiji/downloads | |
| KymoAnalyzer (版本 1.01) | Encalada 实验室 | 软件包包含全部 6 个宏:https://www.encalada.scripps.edu/kymoanalyzer | |
| Lipofectamine 3000 | Invitrogen | 100022050 | 需与 P3000 转染增强试剂共同使用 |
| 氯化镁 | Fisher | AC223211000 | |
| MES 一水合物 | Sigma | M8250 | |
| 微型解剖剪刀 3.5" 直型尖/尖 | Roboz | RS-5910 | 高压灭菌 |
| Neurobasal Plus 培养基 | Gibco | A3582901 | |
| Neurofascin (A12/18) 小鼠 IgG2a | 加州大学戴维斯分校/美国国立卫生研究院 NeuroMab | 75-172 | RRID:AB_2282826;250 ng/mL;适用于大鼠神经元,不适用于小鼠神经元 |
| Neurofascin 186 (D6G60) 兔 IgG | Cell Signaling | 15034 | RRID:AB_2773024;500 ng/mL;适用于小鼠神经元,尚未在大鼠神经元中测试 |
| 新生小牛血清 | Gibco | 16010-167 | |
| Opti-MEM | Gibco | 31985-062 | |
| P3000 | Invitrogen | 100022057 | |
| 培养皿,100 x 10 mm 玻璃 | Fisher | 08-748B | 用于解剖;高压灭菌 |
| 培养皿,100 x 20 mm 玻璃 | Fisher | 08-748D | 用于放置子宫角;高压灭菌 |
| 多聚-D-赖氨酸 | Sigma | P7886-100MG | |
| 聚丙烯锥形离心管 (15 mL) | Fisher | 14-955-238 | |
| 聚丙烯锥形离心管 (50 mL) | Fisher | 14-955-238 | |
| 氯化钾 | Fisher | P217-500 | |
| 乙酸钠 | Sigma | S5636 | |
| 十水合四硼酸钠 | VWR | MK745706 | |
| 直刃手术剪,钝/尖 | Fisher | 13-810-2 | 高压灭菌 |
| 注射器滤器,0.22 µm | VWR | 514-1263 | |
| 齿状拇指敷料钳,4.5" | Roboz | RS-8100 | 高压灭菌 |
| µ-Slide 4 孔玻璃底培养皿 | Ibidi | 80427 |
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