Bij het volgen van de bovenstaande stappen zijn de weefselmonsters in de microcentrifugebuizen klaar voor en compatibel met MS-monstervoorbereiding. Na monstervoorbereiding verkregen we ~5-7 μg peptiden per monster van SEZ of MEZ per muis. De uiteindelijke hoeveelheden van de peptiden kunnen echter afhangen van de MS-bereidingsmethode. In de onderstaande proteoomvergelijkingen werden eiwitidentificatie en kwantificeringsdiepte (500-1.000 eiwitten per monster) verhoogd door de peptidespectra computationeel te matchen met peptidespectrabibliotheken die voor elk weefselgebied waren gemaakt25,27. Met name de verliesvrije nanofractioneringsmethode die hier wordt gebruikt voor het maken van de peptidespectrabibliotheken is momenteel niet commercieel beschikbaar. De ruwe MS-gegevens werden geanalyseerd met behulp van de MaxQuant-software28, waardoor massanauwkeurigheden werden bereikt in het bereik van de delen per miljard29. De Max Quant-omgeving maakt matching tussen MS-runs mogelijk. Eiwitrijkdom werd gekwantificeerd met behulp van een labelvrij kwantificeringsalgoritme30. Immunohistochemische kleuring werd uitgevoerd op vers ingevroren weefsels en uitgevoerd zoals eerder gemeld25 (zie de tabel met materialen).
Cryo-sectie-dissectie
De volledige SEZ en MEZ van volwassen muizen (n = 4) werden verkregen met behulp van CSD (zie figuur 1 en protocol). De somatosensorische cortex (Cx) werd ontleed met een chirurgische schaar. Nog eens 4 muizen werden op dezelfde manier ontleed; het ontleedde weefsel werd echter samengevoegd tot één monster per regio om de proteoombibliotheek (10.923 geïdentificeerde eiwitten) te creëren voor verhoogde eiwitidentificatie en kwantificering in de individuele monsters25. In de vier individuele monsters (gemiddelde ± SD) werden 6.673 ± 317,4 eiwitten gekwantificeerd in de SEZ en 6.747 ± 37,7 in de MEZ. Alle MS proteomics-gegevens werden gedeponeerd in het ProteomeXchange Consortium via de PRIDE31-partnerrepository en het toetredingsnummer voor de hier gerapporteerde proteomen is ProteomeXchange: PXD016632 (http://proteomecentral.proteomexchange.org).
Vergelijking met wholemount dissectie
Wholemount dissectie werd uitgevoerd volgens een standaard protocol26. Wholemount-dissectie onthulde een vergelijkbaar aantal eiwitten (ongeveer 6.000 voor SEZ en 6.000 voor Cx, n = 4 per groep) in vergelijking met CSD25. Een van de beoogde verbeteringen van het gebruik van CSD voor de SEZ, in plaats van een wholemount dissectieprotocol, is de vermindering van potentiële striatale besmetting. In SEZ-monsters die besmet zijn met weefsel uit een andere regio, kunnen gedetecteerde kandidaat-eiwitten niet aan een regio worden toegewezen, omdat significante verrijking het gevolg kan zijn van het gebied van belang en de contaminator. Immunohistochemisch werden de myeline-geassocieerde glycoproteïne (MAG) positieve myelinerijke interne capsules van het striatum geïdentificeerd in de wholemount-monsters, maar zelden in de CSD-monsters (figuur 2A). De striatale contaminatie in de wholemount-monsters kon worden bevestigd door de verrijking van myeline-eiwitten in de SEZ te identificeren in vergelijking met de somatosensorische cortex (Cx) Grijze Stof (GM) monsters (figuur 2B). Merk op dat grote delen van de Cx GM, vooral de bovenste Cx-lagen, nietmyeliniseerd zijn32.
Omdat grote vezelbundels door het striatum gaan, resulteerde besmetting door dit gebied in de verrijking van myeline-eiwitten in vergelijking met de Cx. De myeline-eiwitten die werden gebruikt als markers voor striatale besmetting in de SEZ-monsters waren het myelinebasiseiwit (MBP), het myeline-geassocieerde glycoproteïne (MAG), het proteolipide-eiwit 1 (Plp1) en het 2',3'-cyclisch-nucleotide 3'-fosfodiësterase (Cnp). Alle myelinemarkerereiwitten waren significant verrijkt in de SEZ in vergelijking met de Cx. Omgekeerd leverden vergelijkingen voor de vier myelinemarkereleiwitten in de CSD-dataset geen significante verschillen op bij het vergelijken van SEZ met Cx (figuur 2B). Proteomische gegevens van het striatum33 ondersteunen de hypothese dat de verrijking van myeline-eiwitten in de SEZ-monsters van de wholemount dissectie werd veroorzaakt door de besmetting met striatale weefsels. Vandaar dat de CSD besmetting door striatale weefsels (rijk aan compacte myeline) grotendeels voorkwam in vergelijking met een wholemount dissectie.
Onbevooroordeelde proteoomanalyse van niet-gedissocieerd weefsel kan interessante extracellulaire eiwitten onthullen. Met verbeterde dissectie met behulp van de CSD werden extracellulair geassocieerde eiwitten significant verrijkt in de monsters in vergelijking met de wholemount-monsters (figuur 2C, annotatieverrijkingstest). De CSD en wholemount dissectie vertonen een vergelijkbare verrijking van de genontologie (GO) termen "extracellulair vesiculair exosoom" en "extracellulair gebiedsdeel". De GO-term "Matrisome-associated" is echter iets meer verrijkt in de CSD dan in de hele ontleding. Dienovereenkomstig bleken het ECM-kruisbindende enzym en de onlangs ontdekte neurogeneseregulator transglutaminase-2 (Tgm2) verrijkt te zijn in de SEZ in vergelijking met Cx met behulp van de CSD25. Daarentegen werd geen verschil gevonden tussen SEZ- en Cx-monsters verkregen door de wholemount-dissectie (figuur 2D). Proteomische gegevens van het striatum33 ondersteunen de hypothese dat de detectie van de neurogeneseregulator Tgm2 door wholemount dissectie werd belemmerd door de besmetting met striataal weefsel. Daarom is de cryo-sectie-dissectie over het algemeen een succesvolle maar ook noodzakelijke verbetering van de standaarddissectie voor nichespecifieke proteoomanalyse.
Vergelijking met Laser-capture-microscopie
De voorste helft van de SEZ en de MEZ van 3 volwassen muizen werden verkregen voor LCM (figuur 3A ). Over het algemeen vertoont de LCM-methode enkele nadelen, met name met betrekking tot weefselverstoring en efficiëntie. Om het gebied van belang onder de dissectiemicroscoop te visualiseren, is achtergrondkleuring nodig, waarbij mogelijk kleine of oplosbare eiwitten van belang worden weggespoeld, bijvoorbeeld groeifactoren, cytokines of ECM-regulatoren zoals enzymen. Bovendien brengen dia's tijdens het verwijderen van laserverwijdering wisselende tijden door bij kamertemperatuur. Bovendien kan de laser zelf interessante eiwitten denatureren.
CSD heeft een aanzienlijk voordeel ten opzichte van LCM met betrekking tot de tijd en moeite die nodig is om de dissectie uit te voeren: stap 1 van het protocol moet op dezelfde manier worden uitgevoerd voor zowel CSD als LCM; zonder deze stap blijven ventriculaire wanden hechten, waardoor de scheiding van MEZ- en SEZ-monsters moeilijk wordt. Aangezien de CSD-secties (100 μm) 6-7 keer dikker zijn dan de maximale dikte34 van de LCM-secties (15 μm), zullen stap 2 (sectie van de hersenen) en stap 3 (het verwijderen van de MEZ en SEZ uit elke coronale sectie) minstens 6-7 keer langer duren voor LCM. De noodzakelijke achtergrondkleuring en het instellen van de lasermicroscoop zal extra tijd in beslag nemen. Hier duurde het drie keer langer om 50% van de SEZ en MEZ van 3 dieren door LCM te oogsten in vergelijking met 100% van de SEZ en MEZ van 4 dieren door CSD, wat een achtvoudig snelheidsvoordeel van CSD vormt. Kortom, LCM vereist niet alleen een aanzienlijke hoeveelheid extra inspanning, maar het weefsel wordt ook onderworpen aan een aanzienlijk langere periode van manipulatie en temperatuurveranderingen die de dynamiek en betrouwbaarheid van gegevens die door latere analyse worden gegenereerd, in gevaar kunnen brengen.
De MS-resultaten van CSD werden vergeleken met de resultaten van de laser capture microdissectie (LCM). Beide datasets werden gekoppeld aan de proteomische bibliotheek die werd gegenereerd door CSD-monsters te poolen. Gemiddeld leverde LCM 3.441 ± 270,0 en 3.613 ± 238,7 individuele eiwitten in respectievelijk de SEZ- en mediale ventriculaire zone (figuur 3B). Gezien het opmerkelijke verschil in eiwitidentificatie vertoonde de principal component analysis (PCA) een duidelijke scheiding volgens de dissectiemethode (component 1: 62,7%, niet getoond). Component 2 vertoonde de grootste scheiding voor SEZ en MEZ onder de LCM-monsters (8,5%, figuur 3C). Component 3 lijkt ook LCM en CSD te scheiden; dit verschil kan echter het gevolg zijn van methodische verschillen in plaats van het aantal geïdentificeerde eiwitten (6,4%). Niettemin bleef de algehele regionale scheiding opvallend duidelijk voor de cryo-dissectiegegevens en veel beter dan voor LCM. Deze discrepantie in gegevensdynamica kan het gevolg zijn van verschillende tijden doorgebracht door de monsters bij kamertemperatuur tijdens de laserdissectie of een hogere gevoeligheid van klein weefsel komt neer op variabiliteit in de daaropvolgende proteomics-protocollen en massaspectrometriemetingen.
Om te zoeken naar verschillen in het proteoomprofiel van de ECM, werd een 2D-annotatieverrijkingstest tussen CSD en LCM uitgevoerd voor de SEZ en MEZ (figuur 3D). Het berekenen van de relatieve verrijking van GO-termen tussen LCM- en CSD-monsters maakt de vergelijking van de relatieve proteoomdynamiek van de ECM-eiwitclusters tussen de twee methoden mogelijk, ondanks de ongelijke hoeveelheid weefsel en de verschillen in het dissectieprotocol. De plots laten een goede correlatie zien tussen LCM en CSD. De annotaties "extracellulair regiodeel" en "extracellulair membraangebonden organel" zijn op dezelfde manier verrijkt in zowel methoden als regio's. Vandaar dat de toegenomen tijdsvraag van LCM niet lijkt te worden gecompenseerd door een relatief hogere gevoeligheid voor ECM-geassocieerde eiwitten. In plaats daarvan biedt CSD een robuustere identificatie / kwantificering bij het vergelijken van de monstergegevens voor de neurogenese en SEZ-geassocieerde ECM-eiwitten Tgm2, Trombospondin-4 (Thbs4), S100a6 en Tenacin-C (Tnc) (Figuur 3E). In het geval van TnC vertoonde alleen CSD, hoewel gekwantificeerd in alle monsters, verrijking voor SEZ in vergelijking met MEZ. Niettemin vertoonden de SEZ-geassocieerde basale membraaneiwitten Nidogen-1 (Nid1), Laminine subunit beta-2 (Lamb2) en keldermembraanspecifiek heparansulfaat proteoglycaankerneiwit (Hspg2)35 een nog robuustere verrijking in de SEZ (vergeleken met MEZ) in de LCM-monsters dan in de CSD-monsters (niet getoond). Daarom kan CSD weefselmonsters leveren die een nauwkeurig en diep kwantitatief proteoom bieden voor SEZ-karakterisering binnen een redelijk tijdsbestek, zonder zich zorgen te maken over gecompromitteerde weefselintegriteit of eiwitverlies.
Statistiek
Statistische tests, 2D-annotatieverrijkingstests en PCA werden uitgevoerd in de Perseus-omgeving. Eiwitten werden in de analyse opgenomen als voor elke methode in ten minste één monster een geldige waarde werd gedetecteerd. Eiwitrijkdom en getalvergelijkingen werden gevisualiseerd met behulp van data-analysesoftware (zie de tabel met materialen). Een op permutatie gebaseerde controle van de false discovery rate (FDR) (FDR was ingesteld op 0,05, 250 randomisaties) werd gebruikt voor eiwitvergelijkingen. Voor de 2D-annotatieverrijkingstests36 zijn de weergegeven GO-termen aanzienlijk verrijkt (FDR werd ingesteld op 0,02 met behulp van de Benjamini-Hochberg FDR-controlemethode).

Figuur 1: De Cryo-Sectie-Dissectie methode. (A) Overzicht van het betreffende gebied: de laterale ventrikel met de neurogene SEZ en de niet-neurogene MEZ. Neuroblasten immunogekleurd met Dcx. (B) Stapsgewijze verwijdering van de OB, de voorste pool, de cortex en corpus callosum boven de ventrikels en de choroïde plexus: 1. plaatsing in dissectiemedium, 2. verwijdering van OB, 3. verwijdering van de voorste pool van de cortex, 4. sagittale incisies van de ventriculaire top, 5. verwijdering van de ventriculaire top, 6. verspreiding van de ventriculaire wanden. (C) 100 μm coronale plakjes van de vers ingevroren muizenhersenen, (1.) vóór en (2.) na het verwijderen van de ventriculaire wanden met een ijskoud scalpel. Schaalstaven = 4 mm (D) Kleuring van een coronale sectie van een laterale ventrikel (GFAP: groen; DAPI: blauw), met de SEZ en MEZ ontleed met de CSD. Schaalbalken = 300 μm (A), 200 μm (D). Afkortingen: CSD = cryo-section dissectie; SEZ = subependymale zone; MEZ = mediale ependymale zone; dcx = dubbelcortine; OB = olfactorische bol; GFAP = gliaal fibrillair zuur eiwit; DAPI = 4′,6-diamidino-2-fenylindool. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Superieure dissectieprecisie met de cryosectie-dissectie in vergelijking met wholemount-dissectie. (A) Immunohistochemisch beeld van een SEZ-monster verkregen door wholemount-dissectie (links). De opname van myelinerijk striataal weefsel wordt gevisualiseerd door kleuring tegen MAG (groen). Kleuring van een SEZ ontleed met de CSD (rechts). Bij CSD is bijna alle striatale myeline (kleuring tegen MAG, groen) uitgesloten van het monsterlint. Kernen werden gevisualiseerd met behulp van DAPI (blauw). (B) Vergelijking van myelinemarkerverrijking in SEZ versus Cx van wholemount (MBP: p = 0,0074; MAG: p = 0,0016; Plp1: p = 0,0011; CNP: p = 0,0029) en CSD (MBP: p = 0,0667; MAG: p = 0,0236; Plp1: p = 0,3420; CNP: p = 0,1842). C) 2D-annotatieverrijkingstest waarbij de wholemount-SEZ wordt vergeleken met de CSD-SEZ-monsters. De GO-termen extracellulaire ruimte en matrisome-geassocieerd zijn meer verrijkt in de CSD-gegevens dan in de wholemount-gegevens. (D) De eiwitrijkdom van de NSC-regulator Tgm225 uitgezet voor de gehele ontleding en de CSD. Tgm2 is significant verrijkt in de SEZ in vergelijking met de Cx in CSD (CSD: p = 0,0029; Hele berg: p = 0,1775). Voor B en D: Als referentie, proteoomgegevens van Sharma et al.33 met metingen van striatum en cortex uitgezet voor de overeenkomstige eiwitten weergegeven in de wholemount- en CSD-monsters. Schaalbalken = 200 μm (A). Afkortingen: CSD = cryo-section dissectie; SEZ = subependymale zone; MAG = myeline-geassocieerd glycoproteïne; Cx = somatosensorische cortex; MBP = myeline basiseiwit; Plp1 = proteolipide-eiwit 1; CNP = 2',3'-cyclisch-nucleotide 3'-fosfodiësterase; GO = gen ontologie; NSC = neurale stamcel; Tgm2 = tranglutaminase 2; DAPI = 4′,6-diamidino-2-fenylindool; LFQ = labelvrije kwantificering. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Verbeterde extracellulaire eiwitkwantificering met cryo-sectie-dissectie in vergelijking met LCM. (A) Cresylvioletkleuring van een laterale ventrikel voor en na laseropname van de SEZ en MEZ (links). Ter vergelijking, de CSD-incisie van de SEZ en MEZ (rechts). Schaalstaven = 150 μm. (B) Vergelijking van het aantal gedetecteerde eiwitten in de SEZ- en MEZ-monsters van CSD en LCM. De gegevens worden gepresenteerd als gemiddelde ± SD. (C) Hoofdcomponentenanalyse van de SEZ- en MEZ-monsters waarbij CSD en LCM worden vergeleken (component 2: 8,5% van de variantie; component 3: 6,4%). (D) 2D-annotatieverrijking van de cryo-sectie- en laser-ontleedde MEZ (boven) en SEZ (onder). De GO-termen extracellulair organel en extracellulair gebiedsdeel zijn aanzienlijk verrijkt (rode stippen). (E) Abundanties van extracellulaire SEZ-geassocieerde markereiwitten in SEZ en MEZ voor LCM (Tnc: p = 0,3789) en de CSD-monsters (Tgm2: p = 0,2940; S100a6: p = 0,0218; THBS4: p = 0,3941; Tnc: p = 0,0004). Afkortingen: CSD = cryo-section dissectie; LCM = laser-capture-microdissectie; SEZ = subependymale zone; MEZ = mediale ependymale zone; GO = gen ontologie; Tnc = Tenacin-C; Tgm2 = transglutaminase 2; S100a6 = S100 calciumbindend eiwit A6; THBS4 = trombospondin-4; LFQ = labelvrije kwantificering. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.