הפקה ובידוד של אקסונים מסנסורי ביוכימית ניתוח באמצעות מסננים נקבוביים
Summary
This article describes a neuronal culture system that can be used to obtain large quantities of pure axonal samples for biochemical and immunocytochemical analyses. This technique will allow an improved understanding of normal axonal physiology and signaling pathways leading to neurodegeneration.
Abstract
Neuronal axons use specific mechanisms to mediate extension, maintain integrity, and induce degeneration. An appropriate balance of these events is required to shape functional neuronal circuits. The protocol described here explains how to use cell culture inserts bearing a porous membrane (filter) to obtain large amounts of pure axonal preparations suitable for examination by conventional biochemical or immunocytochemical techniques. The functionality of these filter inserts will be demonstrated with models of developmental pruning and Wallerian degeneration, using explants of embryonic dorsal root ganglion. Axonal integrity and function is compromised in a wide variety of neurodegenerative pathologies. Indeed, it is now clear that axonal dysfunction appears much earlier in the course of the disease than neuronal soma loss in several neurodegenerative diseases, indicating that axonal-specific processes are primarily targeted in these disorders. By obtaining pure axonal samples for analysis by molecular and biochemical techniques, this technique has the potential to shed new light into mechanisms regulating the physiology and pathophysiology of axons. This in turn will have an impact in our understanding of the processes that drive degenerative diseases of the nervous system.
Introduction
תא אקסון של נוירונים מראה מידה רבה של עצמאות תפקודית מתא somato-הדנדריטים. בנוירונים הקרנה, אקסונים מכילים את רוב 1,2 החלבון העצבי. חקר הפיסיולוגיה והפתופיזיולוגיה של אקסונים צבר תאוצה בקהילת מדעי המוח, כי מחקרים שנעשה לאחרונה הראו כי תפקוד לקוי של אקסון המוקדם נראה כי תכונה משותפת של מחלות ניווניות והפרעות נוירופסיכיאטריות 3. סביר להניח כי הבנה טובה יותר של מנגנוני אקסון בלעדי בתנאים נורמלים ופתולוגית שתשפוך אור על האירועים המוקדמים המניע את חוסר תפקוד.
הפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד להשתמש בתרבות מוסיף נושאות קרום נקבובי (מסנן) כדי להשיג כמויות גדולות של חומר אקסון טהור כי הוא מתאים ביוכימי וimmunocytochemical מנתח. השימוש במסנן מוסיף ללמוד הביולוגיה אקסון יושמה לראשונה על ידי דייל ועמיתים 4 ופותחו עוד יותר על ידי Twiss ועמיתים 5 לתצורתו הנוכחית. הטכניקה היא כעת בשימוש שוטף על ידי קבוצות לימוד היבטים שונים של אקסון והביולוגיה דנדריט, עם שינויים קלים בכל מקרה כדי להתאים לאוכלוסייה של נוירונים למדו, הטיפולים שבוצעו ואת הסוג של ניתוחים ביוכימיים המשמשים 6-9. הפרוטוקול הנוכחי אינו מתכוון להכיל את כל החלופות למגוון כה רחב של יישומים, אלא מספק גישה פשוטה, שמתאימה למרבית היישומים. בפרט, הפרוטוקול המתואר כאן משתמש בציפוי משולש למיקסום תשואת אקסון עבור ניתוחים ביוכימיים והוא מתאים ביותר ללמוד אקסון ציפויי ניוון-אחר המתוארים בספרות המיוצר פחות אקסונים שיחזרו ולהידרדר מהר יותר כאשר נשללו מגורמים תזונתיים 9.
בהליך זה, גופי תא עצביים נותרו מבודדים על גבי עלי לעשות סינוןאקסונים ile לעבור הדרך הנקבוביות ולגדול לאורך המשטח התחתון שלה. אקסונים טהורים (ללא גליה ומזהמים גוף תא עצביים) הגדלים על המשטח התחתון של המסנן יכולים להיות שנאספו עבור ניתוחים ביוכימיים או יכולים להיות קבוע באתר ונבחנו על ידי טכניקות immunocytochemical 9. ההליך מסתמך על השימוש בתאי עצב תחושתי עובריים מהגרעינים הגבי שורש (DRG). DRGs עוברי נמצא בשימוש נרחב ללמוד ביולוגיה אקסון בגלל neurites מהתאים אלה עוברות צמיחה מהירה וחזקה במבחנה, כאשר נשמר בגורם גדילה עצבי (NGF), וכי הם במהירות לעבור ניוון כאשר נשללו של גורם זה. כמו כן, הנוירונים DRG חסרי דנדריטים, כך שכל neurites שנאסף על ידי בשיטה זו הן אך ורק אקסונים.
מוסיף מסנן מייצג יתרון גדול בהשוואה לגישות אחרות המשמשות ללמוד אקסונים. מחקרים להסתמך על השימוש במיקרוסקופ לבדל תהליכים המתרחשים בתא סומה מאלוxons לספק מידע ביוכימי מוגבל. כדוגמא נוספת, מערכות ממודרות תרבות (למשל, תאי Campenot 10 או מכשירי microfluidic 11) שימושיות לגישות הדמיה ולטיפול בהפרש של תאי תאים אלא לספק רק כמויות קטנות של חומר באקסון המונעות את השימוש בטכניקות אלה לניתוחים ביוכימיים אשר דורשים כמויות גדולות היחסי של מדגם. יתר על כן, השימוש בם דורש הכשרה משמעותית, כמו גם התקנים מיוחדים, והם גוזלים זמן. גישה אחרת המשמשת לעתים קרובות לבודד את האקסונים מ explants היא להסיר באופן ידני מרכז explant (המכיל גופי תא עצביים) לפני איסוף דגימת אקסון. למרות שזה יכול לייצר כמויות גדולות של תכשירים מועשר האקסון, ניתן עטפו אקסונים בתכשיר זה בגליה ומהירות הסרת הגופים של 20 explant ברציפות מ -6 בארות (כדוגמא לניסוי מינימאלי) היא זמן רב ועל גבול כדאיות.
לעומת זאת, בשיטה המוצגת כאן מייצרת הכנות אקסון שופעים וטהורות, כי אז יכול להיות מנותחת על ידי כמעט כל טכניקה ביוכימיים המשמש בדרך כלל כדי לנתח lysates כל התא, כמו כתם מערבי, immunoprecipitation 6, כתם צפוני 5 ספקטרומטריית מסה 6, טיהור RNA 7,12,13, בין יתר. יתר על כן, הפרוטוקול יכול להיות מיושם על Immunofluorescence טכניקות (IF), כפי שאפשר לתקן אקסונים גדל בצד התחתון של המסנן כדי לבחון אותם עוד יותר על ידי אם. גישה זו מאוד מקלה על הניתוח של תהליכי אקסון ספציפי מכיוון שאין גופי תא בהכנה הסופית. זהו יתרון משמעותי שכן אות גבוהה immunofluorescent מגופי תא לעתים קרובות פוגעת בבחינה וניתוח של אותות חלשים שמקורם במבנים דקים כגון אקסונים.
שני יישומים של שיטת התרבות ללמוד ar ניוון אקסוןדואר תאר; מודל של גיזום התפתחותיים ומודל של ניוון הנגרם פגיעה (המכונות ניוון Wallerian כ). המודלים של גיזום התפתחותי מבוסס על העובדה שתאי עצב תחושתי in vivo להתחרות על הגבלת סכומי NGF-derived יעד ואלו שלא הצליחו לקבל מספיק מנוון תמיכת נוירוטרופי 14. תופעה זו יכולה להיות חיקה בתרבויות DRG העובריים על ידי נסיגת NGF מהתקשורת והתרבות, אשר, כפי שקורה בvivo, יוזם ניוון אקסון אחריו הרס גוף תא. למודל ניוון Wallerian, הצד העליון של המסנן עם גופי התא שרוט משם. אקסונים שצמחו על הצד התחתון של המסנן להיות מופרד פיזי מהגופים התא ולאחר מכן לעבור את התהליך המהיר וסטריאוטיפי ניווניות המכונה ניוון Wallerian 15, על שמו של א 'וולר שדיווח על התופעה ראשונה בשנת 1850 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרמטרים חשובים לקחת בחשבון בעת התאמת טכניקה זו כוללים את האוכלוסייה העצבית שתילמד, מצע, גודל נקבובית של המסנן ועל פני שטח. כל הפרמטרים הללו ישפיעו על הספציפיות, איכות וכמות של הכנת neurite שהושגה, ויש לשקול בזהירות על ידי משתמש הקצה. בדוגמאות שהוצגו בפרוטוקול זה, השימ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This project was supported by grant MOP62827 from the Canadian Institutes of Health Research.
Materials
| CD-1 mouse, E13 timed pregnancy | Charles River | In house timed pregnancies can be done by mating mice and checking for vaginal plugs (Day E0) | |
| Falcon Cell Culture Inserts | Corning | 353102 | 1 µm pore size, fits 6-well receiving plate |
| Falcon Cell Culture Companion Plates | Corning | 353502 | Receiving plates for inserts |
| Poly-D-Lysine | Sigma-Aldrich | P6407 | Used at 1 mg/ml in water. Can re-use once. |
| Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | Used at 10 ug/ml in water. Take 100X stock from -80 °C and thaw overnight at 4 °C |
| PureCol Bovine Collagen Solution | Advanced Biomatrix | 5005-B | |
| Leibovitz's L-15 Medium | Invitrogen | 11415-064 | Can be replaced by DMEM. |
| Neurobasal Medium | Invitrogen | 21103-049 | |
| B-27 Serum-Free Supplement | Invitrogen | 17504-044 | |
| 5-Fluoro-2′-deoxyuridine (FDU) | Sigma-Aldrich | F0503 | |
| NGF (2.5S, beta subunit) | Cedarlane | CLMCNET-001 | |
| Anti-NGF Antibody | Prepared in-house | – | As described in: Acheson, A., Barker, P.A., Alderson, R.F., Miller, F.D. & Murphy, R.A. Detection of brain-derived neurotrophic factor-like activity in fibroblasts and Schwann cells: inhibition by antibodies to NGF. Neuron.7, 265-75, (1991) |
| Alomone Labs | AN-240 | Commercial option | |
| Anti-Tubulin Antibody | Millipore | MAB5564 | |
| Alexa Fluor 488 Goat Anti-Mouse Antibody | Invitrogen | A-11029 | |
| DRG culture medium | |||
| Neurobasal Medium 2 % B27 Neurobasal Supplement 2 mM l-Glutamine 1 % Penicillin-Streptomysin 10 µM FDU 15 ng/ml NGF (bottom compartment only) |
|||
| 1X Laemmli Sample Buffer | |||
| 10 % SDS 0.5 M DTT 0.5 M Tris (pH 6.8) 5 % Glycerol 0.01 % (w/v) Bromophenol blue |
References
- Conde, C., Caceres, A. Microtubule assembly, organization and dynamics in axons and dendrites. Nat. Rev. Neurosci. 10, 319-332 (2009).
- Rasband, M. N. The axon initial segment and the maintenance of neuronal polarity. Nat. Rev. Neurosci. 11, 552-562 (2010).
- Lingor, P., Koch, J. C., Tonges, L., Bahr, M. Axonal degeneration as a therapeutic target in the CNS. Cell Tissue Res. 349, 289-311 (2012).
- Torre, E. R., Steward, O. Demonstration of local protein synthesis within dendrites using a new cell culture system that permits the isolation of living axons and dendrites from their cell bodies. J. Neurosci. 12, 762-772 (1992).
- Zheng, J. Q., et al. A functional role for intra-axonal protein synthesis during axonal regeneration from adult sensory neurons. J. Neurosci. 21, 9291-9303 (2001).
- Willis, D., et al. Differential transport and local translation of cytoskeletal, injury-response, and neurodegeneration protein mRNAs in axons. J. Neurosci. 25, 778-791 (2005).
- Poon, M. M., Choi, S. H., Jamieson, C. A., Geschwind, D. H., Martin, K. C. Identification of process-localized mRNAs from cultured rodent hippocampal neurons. J. Neurosci. 26, 13390-13399 (2006).
- Schoenmann, Z., et al. Axonal degeneration is regulated by the apoptotic machinery or a NAD+-sensitive pathway in insects and mammals. J. Neurosci. 30, 6375-6386 (2010).
- Unsain, N., Higgins, J. M., Parker, K. N., Johnstone, A. D., Barker, P. A. XIAP regulates caspase activity in degenerating axons. Cell Rep. 4, 751-763 (2013).
- Ure, D. R., Campenot, R. B. Retrograde transport and steady-state distribution of 125I-nerve growth factor in rat sympathetic neurons in compartmented cultures. J. Neurosci. 17, 1282-1290 (1997).
- Taylor, A. M., et al. Axonal mRNA in uninjured and regenerating cortical mammalian axons. J. Neurosci. 29, 4697-4707 (2009).
- Minis, A., et al. Subcellular transcriptomics-Dissection of the mRNA composition in the axonal compartment of sensory neurons. Dev. Neurobiol. , (2013).
- Niekerk, E. A., et al. Sumoylation in axons triggers retrograde transport of the RNA-binding protein La. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 12913-12918 (2007).
- Huang, E. J., Reichardt, L. F. Neurotrophins: roles in neuronal development and function. Annu. Rev. Neurosci. 24, 677-736 (2001).
- Vargas, M. E., Barres, B. A. Why is Wallerian degeneration in the CNS so slow. Annu. Rev. Neurosci. 30, 153-179 (2007).
- Waller, A. Experiments on the Section of the Glossopharyngeal and Hypoglossal Nerves of the Frog, and Observations of the Alterations Produced Thereby in the Structure of Their Primitive Fibres. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 140, 423-429 .
- Albuquerque, C., Joseph, D. J., Choudhury, P., MacDermott, A. B. Dissection, Plating, and Maintenance of Dorsal Root Ganglion Neurons for Monoculture and for Coculture with Dorsal Horn Neurons. Cold Spring Harbor Protocols. , (2009).
- Leach, M. K., et al. The culture of primary motor and sensory neurons in defined media on electrospun poly-L-lactide nanofiber scaffolds. J Vis Exp. (48), (2011).
- Sasaki, Y., Araki, T., Milbrandt, J. Stimulation of nicotinamide adenine dinucleotide biosynthetic pathways delays axonal degeneration after axotomy. J. Neurosci. 26, 8484-8491 (2006).
