本研究提出了一种利用多孔膜插入物分离轴突mRNA的稳健方法,实现了神经元与神经突的整体分离及RNA纯化。结合RTddPCR,该方法实现了低拷贝转录本的绝对定量,促进了mRNA转运和局部翻译的研究,具有高灵敏度、可重复性和广泛的实验应用性。
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本研究提出了一种利用多孔膜插入物分离轴突mRNA的稳健方法,实现了神经元与神经突的整体分离及RNA纯化。结合RTddPCR,该方法实现了低拷贝转录本的绝对定量,促进了mRNA转运和局部翻译的研究,具有高灵敏度、可重复性和广泛的实验应用性。
mRNA在神经元内定位和翻译的空间动力学对神经元功能的多种机制至关重要,包括神经元连接性、突触可塑性和损伤反应。由于神经元极性极大,许多功能依赖轴突局部翻译特定转录本的能力。然而,定量这些亚细胞RNA群体在技术上仍然具有挑战性。本文介绍了一种可重复的方法,用于从培养的啮齿动物神经元中获得独立的体细胞和轴突富集区室,并定量区室特异性的mRNA表达。初代啮齿动物胚胎或成体神经元在具有1-3微米孔膜的插入物上进行培养。这些膜仅允许轴突进入,允许体细胞和轴突间室物理分离。随后从全神经元和轴突富集部分分离出RNA,进一步用于逆转录酶滴子数字PCR(RTddPCR)及基因特异性引物。该系统提供了亚细胞区间间的绝对定量比较,实现对局部转录本的高灵敏度检测。该方法测量稳态RNA丰度,便于观察轴突RNA随时间变化,以应对神经营养因子、应激或损伤模型。物理区室化与RTddPCR分析的结合减少了交叉污染,并获得稀有转录本的精确拷贝数,提供高灵敏度、可重复性,并检测到控制轴突生长和再生的低拷贝数mRNA。该方法同样适用于下游测试,如测量蛋白质合成、研究RNA稳定性,以及使用siRNA或阻断特定蛋白质的药物进行扰动实验。重要的是,该技术可以适配于不同的神经元亚型、发育阶段或损伤模型。总体而言,这种方法是一种灵活、灵敏且可重复的方式,用于研究轴突mRNA定位的分子基础及其对神经元功能和疾病机制的影响。
神经元是生物学中结构最复杂、极化程度最高的细胞之一。它们的工艺很长,有时能达到超过一米的距离。这种极性以不同方式复杂化了细胞的通讯和蛋白质稳态。为满足这些要求,一种更精细的方法是将mRNA运输到轴突和树突等偏远区室,以调节方式促进其对局部信号1、2、3的翻译。局部翻译使轴突能够以时空方式合成蛋白质。这一过程对轴突发育、突触可塑性、损伤后的再生以及对发育和细胞外刺激的反应至关重要,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15。
分析轴突中定位mRNA的功能对于理解其在正常神经功能及病理生理中的作用至关重要。轴突mRNA翻译失调已被发现与多种神经退行性疾病有关,如肌萎缩侧索硬化症(ALS)17,18,19、脊髓性肌萎缩症(SMA)20,21和阿尔茨海默病(AD)22。损伤后的轴突再生高度依赖于细胞骨架蛋白、信号分子和受体3,23,24,25,26,27,28的快速、精确翻译。尽管有这些新颖的概念,该学科在有效定量和捕获轴突特异性mRNA群体方面仍面临挑战。
轴突转录组学的一个挑战是让体细胞和轴突干净地分离。由于大多数mRNA在体细胞中富集,即使是细胞体中的少量污染,也可能影响评估特定mRNA轴突含量的结果。传统技术,包括微流控腔室29、30、31、32 或坎佩诺腔室33,能够实现轴突方向生长并明确分离两个区室,但轴突产额可能过低,不适合进行如体体RNA测序(RNA-seq)、RNA共免疫沉淀后再测序RNA测序或定量聚合酶链反应(qPCR)等生化研究。尽管大量RNA测序和qPCR有益,但通常缺乏准确识别轴突中低拷贝转录本所需的灵敏度,导致对生理重要物种的错误估计。
为应对这些挑战,我们和其他人使用透水膜插入物进行轴突和体形34,35,36,37,38,39,40,41的物理分离。这些插入物允许神经元在微孔表面发育,轴突可以通过它们延伸到底部腔室,但不能进入体细胞。这种基本但有效的结构使得培养大量神经元成为可能,且体细胞和轴突物理上有明确的分离。基于膜的方法重要之处在于它避免了微流控器件带来的技术难题,并提供了大量可用于分子和生化研究的轴突材料。插入系统也易于处理机械损伤等领域,使其在许多与神经修复相关的实验环境中非常有用。本文所述的方法通过优化培养条件、调整膜孔特性,并结合基于逆转录酶滴子数字PCR(RTddPCR)的低产率轴突RNA样本验证,进一步优化神经元产率和纯度。
同样重要的是确保轴突分数纯净。我们只有在小心移除上表面残留的体细胞物质后,才从下腔室提取轴突。引物验证显示轴突标志物富集强烈,体细胞标记几乎无或可忽略。分子确认进一步强化了这一区别:轴突组分富含公认的轴突mRNA,如 Gap43,而 Actγ42表达较低。这表明插入系统产生的轴突样本中体细胞含量极低,适合进一步检查。
在分离富集轴突组分后,接下来的难关是测量极低拷贝数的mRNA。轴突分数起始物稀少,轴突中低拷贝数mRNA的存在,推动了传统逆转录酶定量PCR(RT-qPCR)的灵敏性极限,后者采用标准曲线进行定量。此外,RT-qPCR也无法提供特定转录本的绝对拷贝数。而RTddPCR则将cDNA样本分离成数千个滴滴,这有助于利用泊松统计获得精确的转录本计数。这使得即使单个纳克总RNA5、6、7、43中只有少量转录本,也能可靠地找到转录本。
在本稿中,我们提供了一种简化的方法,包括在插入片段上培养不同的成体或胚胎啮齿动物神经元、从全神经元与轴突富集室分离RNA、检测轴突纯度,以及基于RTddPCR的mRNA绝对定量。这些方法可用于确定特定mRNA的水平,这些mRNA在基础条件下定位于轴突,以及它们在轴突切断或生长因子刺激或神经毒性信号下的变化。通过结合蛋白质共免疫沉淀,还可以评估轴突核蛋白(RNP)复合物的动态。例如,我们广泛使用该方法研究存在于轴突活性Ras GTP酶蛋白结合蛋白1(G3BP1)颗粒中的mRNA。G3BP1是应激颗粒44的核心成分,我们之前的研究显示它抑制轴突蛋白合成,进而阻断周周神经系统和中枢神经系统的轴突再生5。此外,该方法还可用于研究轴突翻译失调在多种病理生理条件下的作用,包括ALS、SMA和AD。
本研究的目标是创建并测试一种敏感、可重复且可扩展的轴突mRNA测量方法。通过结合基于切片的区隔培养物与基于RTddPCR的定量,我们为该领域提供了轴突转录组学长期存在的问题解决方案。该方法不仅将促成本地翻译的重要发现,还将为聚焦神经修复和神经退行性退行性治疗的转化研究奠定基础。
1. 准备插入片段以进行细胞播种
2. 从6孔插入物中收集神经元亚细胞片段
3. RNA的分离与定量
4. cDNA合成
5. 引物设计与验证
注意:RTddPCR引物设计通常遵循定量qPCR相同的原则,但需额外注意以确保正负滴的清晰分离。使用NEB、IDT或ThermoFisher的引子设计工具来促进这一过程。成功的RTddPCR检测以高特异性和强健扩增为特征,从而在扩增(阳性)和未扩增(阴性)滴之间产生明显的分离。以下 NCBI RefSeq 入场编号用于设计 PCR 引子:
行动加速度:NM_001127449.1
前进1:卡格特克塔卡格格特格
背面1:CCAACTCAAGGCAAGTAACAAC
扩容体长度:98
前进2:GTAGTGATCTGTGAGGAGGATT
背面2:GACTTTCCCCACCCTGTTAGAC
扩容长度:118
Gap43:NM_017195.3
前锋1:GGAAATTCTTGCACTGTACCC
背面1:GACTCCTCAGAGAGAGACAT
Amplicon长度:122
前进2:卡格特格
背面2:CATTGCACACACACACTTGG
扩增体长度:116
6. RTddPCR
注意:按照制造商说明及Das等人(2022)43之前描述的RTddPCR进行RTddPCR作,只需做少量调整以提高检测复现性。
原胚胎啮齿动物皮层神经元、海马神经元和BFCNs在PLL涂层的1微米插入片上结合得很牢固,并在体 外 (DIV)内将神经元跨膜延伸5-7天。到了11 DIV,文化网络已密集。对于成年大鼠DRG,在PLL涂层的3微米插入件上加一层层粘连蛋白,有助于实现相当的轴突延伸5 DIV。这些观察确认插入片段能够支持长期神经元生长,并为下游RNA提取提供足够的轴突材料。如果需要扩展,我们会结合多个内衬材料,以提供足够的材料。
从单个插入片段中提取TRIzol可获得足够的RNA,用于逆转录和后续的ddPCR。RiboGreen定量确认了整神经元组分的RNA产率稳定(212.85 ng/插入片),而神经突起组分的RNA产率较低(42.75 ng/插入片)(见图2)。我们通常从整个神经元组分获得约5-7倍的RNA,而神经突富集组则是RNA。
所有引物在RTddPCR实验前均经过验证。对于每个目标转录本,至少会订购两组引物,并利用传统PCR检测同一神经元样本生成的cDNA检测。选择产生最强且特异性条带的引物对进行RTddPCR(见图3A)。例如,我们为 Gap43选择了引子集1。对于结果不明确的情况,如 Actγ所得,我们会进行梯度PCR以优化退火温度(见图3B)。这确保了仅使用经过充分验证的引子进行绝对定量,从而降低了液滴分离过程中出现伪影的可能性。
刮除和拭子程序能可靠地分离体细胞和神经神经腔室。从整个神经元组分分离出的RNA表现出转录本富集,如Actγ 46,47,48,49(见图4)。相比之下,轴突/神经突片段产生的总RNA显著较低,符合其体积受限,但显示出已知定位于远端突起的转录本富集,如Gap43(见图4)。在插入片段被小心处理并以最佳密度进行板化时,对体细胞限制转录本的交叉检测极少表明区室纯度很高。
积极结果的特征包括:(1)神经元形态完整且轴突延伸清晰,(2)区室干净分离且无膜破裂,(3)经验证的引物能明显区分正负液滴,以及(4)轴突转录本的强RTddPCR信号。次优实验会导致RNA产率低、神经突组分中体球斑标记的交叉污染,或RTddPCR伪影,如引子二聚化导致的液滴“降雨”增加。这些问题通常与膜状结构损坏、刮除压力过大或底火退火温度优化不足有关。

图1:利用膜插入物进行区室特异性RNA分离概述。 啮齿动物神经元在孔径1-3微米的半透插入件上培养,允许神经突伸展同时限制体细胞。在整神经元制备中,使用无菌刮刀刮除上部细胞,沉淀后浸入TRIzol中进行RNA分离、cDNA合成和RTddPCR的溶解。插入膜上残留的细胞残渣则用无菌棉签清除。在神经突体制备中,插入膜仅含神经元体时被倒置并用手术刀切割,直接浸入TRIzol,随后进行RNA分离、cDNA合成和RTddPCR。 请点击此处查看该图的更大版本。

图2:使用RiboGreen测定法绘制的标准RNA浓度曲线。 (A) 通过RiboGreen RNA定量测定法在稀释系列RNA标准中测量了荧光强度。线性回归分析显示RNA浓度与荧光信号之间存在强相关性(R² = 0.9956)。R²值接近1,显示出RiboGreen检测在RNA定量上的优异线性和可靠性。(B) 利用方程(y=19.738x + 14.905)计算每个组分的总RNA。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:通过PCR和琼脂糖凝胶电泳进行引物验证。 (A) 利用cDNA进行 Actγ 和 Gap43 的PCR扩增产物在2%琼脂糖凝胶上分辨,以评估引物特异性。对每个基因,测试了两组独立引子组(组1和组2)。DNA尺寸标记(梯形图)显示在相邻的通道中,标有分子量(10 kb、0.5 kb、0.1 kb)。预期大小的不同单条带确认了所选引物组的成功扩增和特异性。(B) 使用 Actγ 引物组2,在温度梯度(55-65°C)上进行PCR扩增,以确定最佳退火温度。扩增产物在2%琼脂糖凝胶上与DNA梯(2号通道,尺寸标示)上分辨。在测试范围内观察到预期大小的稳定单条带,最强的放大出现在55°C,表明这是该引物组的最佳温度。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:选定转录本的RTddPCR分析及mRNA拷贝的定量。(A,B)代表性的一维振幅图,显示(A)Actγ和(B)Gap43的滴滴分离情况。每个点代表一个液滴,蓝色水滴表示正放大,灰色水滴表示负信号放大。Y轴表示振幅,X轴表示ddPCR板上的孔位。阳(蓝色)和负(灰色)滴滴的清晰分离,确认了用指示引物组检测目标转录本的稳健性。(C)总结Actγ和Gap43转录本在全神经元和神经突组分中,每μL和每ng的拷贝数。通过使用ddPCR滴滴计数绝对定量(见面板A、B)估算拷贝数。请点击此处查看该图的放大版本。
可重复性有几个关键步骤。嵌件涂层必须均匀,以促进神经元的粘附;涂层不完整会导致神经元/轴突生长不良。细胞板密度同样重要,因为密度过高会增加树突交叉,而稀疏的板状结构则产生的轴突RNA不足。刮擦-拭子过程必须非常精确:压力过低会导致体细胞污染,压力过大则可能损坏插入件。
引物验证是另一个关键步骤。为每个转录本运行两组独立引物可以选择最可靠的引物组合,而梯度PCR则可以进一步优化退火温度。这种做法减少引物-二聚体的形成,提高液滴的清晰度,并确保在生物复制体间实现可重复的定量。虽然这种方法实现了高区室纯度,但体细胞材料中的痕迹污染仍无法完全排除。轴突RNA产率本质上较低,限制了需要大量输入的分析范围,如全转录组测序。该方法的一个关键局限是无法处理远端轴突与近端轴突的转录本定位问题。尽管在某些条件下曾报道胶质或内皮通过膜孔的延伸,但我们的培养系统将这一可能性降至最低。在成人DRG培养中,添加胞嘧啶β-D-阿拉伯呋喃苷(Ara-C)5,7以及在其他神经元培养物(皮层、海马和BFCNs)中使用无血清培养基5,45有效限制胶质和内皮细胞的增殖。此外,这里使用的刚性聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二甲酸乙二酯(PC/PET)膜不具弹性,且不允许细胞主动迁移。此外,我们在DRG培养中使用3微米孔径插入物,以允许大直径轴突通过。相比之下,对于皮层或BFCN培养,我们使用1微米孔径的插入物,这进一步限制了胶质细胞的迁移。这些特性使我们的设备区别于基于PDMS的微器件,后者支持通过柔性孔隙实现内皮迁移。与之前的报告34、35、36、40一致,本研究的分子验证证实轴突转录本(如Gap43)富集强烈,体细胞标记(如Actγ)检测极少,支持穿过膜的物质的神经元特异性。由于物理限制并不能完全消除胶质细胞迁移,研究人员也应将Gfap作为负性标记。
与微流控设备相比,插入系统更简单、更具可扩展性,并兼容常规培养工作流程。它避免了专用设备,同时实现了可重复的轴突-体体分离。通过将插入片段与RTddPCR结合,该方法既可接近性又高灵敏度,能够绝对定量通常低于qPCR检测阈值的转录本。该方案非常适合探测轴突转录本定位的变化,评估对发育性、神经毒性或损伤刺激的局部翻译,以及研究与神经退行性疾病或神经发育障碍相关的RNA运输缺陷。未来的改进可能包括多重RTddPCR技术以同时定量多个mRNA,或与低输入RNA测序方法整合以扩大转录组覆盖范围。此外,将该系统适应人类iPSC衍生神经元,可能将其应用于疾病建模和再生研究。
PKS拥有美国关于G3BP1细胞通透肽用于轴突再生和神经退行性的专利。其他作者声明没有利益冲突。
该工作得到了默金周围神经病变与神经再生中心(P.K.S.)的资助。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 6孔板细胞培养插入件,1.0 μm 孔径,无菌 | 科宁 | 353102 | 消耗品 |
| 6孔板细胞培养插入片,3.0 μm 孔径,无菌 | 细胞治疗 | 230603 | 消耗品 |
| 带窄刃的细胞升降机 | VWR | 76036-006 | 消耗品 |
| CELLSTAR 6孔组织培养板 | VWR | 82050-842 | 消耗品 |
| ddPCR 96-井板及nbsp; | 生物辐射 | 12001925 | 消耗品 |
| ddPCR滴读器油及nbsp; | 生物辐射 | 1863004 | 试剂 |
| QX200/QX100 液滴发生器的 DG8 墨盒 | 生物辐射 | 1864008 | 消耗品 |
| 层叠蛋白 | Gibco/Fisher 科学 | 23017-015 | 试剂 |
| LunaScript RT 超级混音套件 | NEB | E3010L | 试剂 |
| 用于荧光的96孔黑板微板 | 赛莫飞舍尔 | M33089 | 消耗品 |
| PCR板热封,锡箔,可穿透 | 生物辐射 | 1814040 | 消耗品 |
| 聚赖氨酸 | 西格玛 | P1274 | 试剂 |
| PTC Tempo 96 热循环器 | 生物辐射 | 12015382 | 装备 |
| QuantaSoft 软件 | 生物辐射 | PCR数据分析软件 | |
| Quant-it RiboGreen 试剂和 RNA 检测套件 | 赛莫飞舍尔 | R11490 | 试剂 |
| QX200 ddPCR EvaGreen 超级混合 | 生物辐射 | 1864034 | 试剂 |
| QX200 液滴生成油,适用于 EvaGreen | 生物辐射 | 1864005 | 试剂 |
| QX200 液滴发生器 | 生物辐射 | 17005227 | 装备 |
| QX200 液滴读取器 | 生物辐射 | 17005228 | 装备 |
| 三硫试剂 | Invitrogen | 15-596-026 | 试剂 |
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