$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Neurony to wysoce spolaryzowane komórki, których długie i często bardzo skomplikowane procesy są fundamentalne dla ustanowienia i utrzymania struktury i funkcji obwodów neuronowych. Akson odgrywa istotną rolę w przenoszeniu ładunków do i z synaps. Białka i organelle syntetyzowane w somie komórki muszą być transportowane przez aksony, aby dotrzeć do zakończenia presynaptycznego w celu wsparcia funkcji neuronalnych. W związku z tym sygnały odbierane w dystalnych aksonach muszą być transdukowane i przekazywane do somy. Procesy te są niezbędne do przetrwania, różnicowania i utrzymania neuronów. Ponieważ transport aksonalny w niektórych neuronach musi odbywać się na odległość ponad 1000 razy większą niż średnica ciała komórki, łatwo można sobie wyobrazić, że nawet niewielkie deficyty mogą znacząco wpłynąć na funkcjonowanie neuronów i obwodów.
Neurotroficzny czynnik pochodzenia mózgowego (BDNF), członek rodziny neurotrofin, jest obecny w wielu obszarach mózgu, w tym w hipokampie, korze mózgowej i podstawie przodomózgowia. BDNF odgrywa kluczową rolę w tworzeniu funkcji poznawczych i pamięci, wspierając przetrwanie, różnicowanie i funkcję neuronów uczestniczących w obwodach poznawczych. BDNF wiąże się ze swoim receptorem, kinazą tyrozynową TrkB, na końcu aksonu, gdzie aktywuje szlaki sygnałowe, w których pośredniczy TrkB, w tym kinazę białkową aktywowaną mitogenem / zewnątrzkomórkową kinazę białkową regulowaną sygnałem (MAPK / ERK), kinazę fosfatydyloinozytolo-3 (PI3K) i fosfolipazę C-gamma (PLCγ). Białka, które uczestniczą w tych szlakach sygnałowych, są upakowane w endocytarnych strukturach pęcherzykowych, tworząc endosom sygnalizacyjny BDNF / TrkB1-6, który jest następnie transportowany wstecznie do somy neuronalnej.
Komora hodowli mikroprzepływowej jest bardzo użyteczną platformą do badania biologii aksonów w normalnych warunkach, jak również w warunkach urazów i chorób7,8. Izolując aksony od ciał komórkowych, urządzenie pozwoliło na zbadanie transportu w aksonach8-10. Platformy mikroprzepływowe oparte na PDMS z barierami mikrorowkowymi 450 μm użyte w tym badaniu zostały zakupione komercyjnie (patrz tabela materiałów). Aby zbadać transport BDNF, opracowaliśmy nowatorską technologię produkcji monobiotynylowanego BDNF (mBtBDNF). Skorzystaliśmy z peptydu akceptora biotyny, AP (znanego również jako AviTag). Jest to sekwencja 15 aminokwasów, która zawiera resztę lizyny, która może być specyficznie ligowana do biotyny przez enzym Escherichia coli ligazę biotyny, BirA. Połączyliśmy AviTag z C-końcem mysiego cDNA pre-pro-BDNF metodą PCR (Figura 1A). Konstrukt został sklonowany do wektora ekspresji ssaków, wektora pcDNA3.1 myc-his. Sklonowaliśmy również bakteryjne DNA BirA do wektora pcDNA3.1 myc-his. Dwa plazmidy były przejściowo kotransfekowane do komórek HEK293FT celu ekspresji obu białek. BirA katalizował ligację biotyny specyficznie do lizyny znajdującej się w AviTag na C-końcu BDNF w stosunku 1:1 w celu wytworzenia monobiotynylowanego monomeru BDNF. Biotynylowany, dojrzały BDNF o masie cząsteczkowej ~18 kDa odzyskano i oczyszczono z pożywki za pomocą żywicy Ni (ryc. 1C). Biotynylacja BDNF była całkowita, co oceniano na podstawie niemożności wykrycia niezmodyfikowanego BDNF za pomocą immunoblottingu (Figura 1D). Sprzężone ze streptawidyną kropki kwantowe, QD 655, użyto do oznaczenia mBtBDNF w celu wytworzenia QD-BDNF. Obecność AviTag nie zakłócała aktywności BDNF, ponieważ mBtBDNF był w stanie aktywować fosforylowany TrkB (Figura 1E) i stymulować wzrost neurytów (Figura 1F) do stopnia rekombinowanego ludzkiego BDNF (rhBDNF). Barwienie immunologiczne wykazało, że QD-BDNF kolokalizował się z TrkB w aksonach hipokampa, co wskazuje, że QD-BDNF jest bioaktywny (Figura 1G). Aby zbadać transport BDNF, QD-BDNF dodano do dystalnego przedziału aksonu kultur mikroprzepływowych zawierających neurony hipokampa E18 szczura (Figura 2A). Transport wsteczny QD-BDNF w aksonach został uchwycony przez obrazowanie na żywo w czasie rzeczywistym czerwonego znacznika fluorescencyjnego (filmy pomocnicze S1, S2). Analizując wygenerowany kimograf, zaobserwowano, że QD-BDNF jest transportowany wstecznie z prędkością ruchu około 1,06 μm / s (ryc. 3A). GFP lub BDNF oznaczone mCherry-tagged zostały użyte do śledzenia ruchu aksonów BDNF. Główną wadą jest to, że nie są wystarczająco jasne do badań pojedynczych cząsteczek. Ponadto obecność zarówno następczych, jak i wstecznych ruchów BDNF utrudnia ocenę, czy transportowany wstecznie BDNF znajdował się w kompleksie neurotrofina/receptor.
W tym filmie pokazujemy techniki używane do badania na żywo transportu QD-BDNF w komorach mikroprzepływowych za pomocą pierwotnych neuronów. Ultrajasność i doskonała fotostabilność kropek kwantowych umożliwia długoterminowe śledzenie transportu BDNF. Techniki te mogą być wykorzystane do wzbogacenia badań nad funkcją aksonów w chorobie Alzheimera, Huntingtona i innych zaburzeniach neurodegeneracyjnych.