خط أنابيب باستخدام ثنائي في القطب الرحمي لاستجواب التأثيرات الوراثية على سلوك القوارض
Summary
لا يزال دور الجينات المرتبطة بالمرض المكتشفة مؤخرًا في التسبب في الاضطرابات العصبية والنفسية غامضًا. تعديل ثنائي في تقنية الكهربائي الرحم يسمح لنقل الجينات في مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية وفحص الآثار المسببة لتغيرات التعبير الجيني على السلوك الاجتماعي.
Abstract
ومع إلقاء دراسات الرابطة على نطاق الجينوم الضوء على الأسس الوراثية غير المتجانسة للعديد من الأمراض العصبية، تزداد الحاجة إلى دراسة مساهمة جينات محددة في نمو الدماغ ووظائفه. والاعتماد على نماذج الماوس لدراسة دور التلاعبات الجينية المحددة ليس ممكنا دائما لأن خطوط الماوس المعدلة وراثيا مكلفة جدا والعديد من الجينات الجديدة المرتبطة بالأمراض ليس لديها حتى الآن خطوط وراثية متاحة تجاريا. بالإضافة إلى ذلك، قد يستغرق سنوات من التطوير والتحقق من صحة لإنشاء خط الماوس. في كهربائي الرحم يوفر طريقة سريعة وسهلة نسبيا لمعالجة التعبير الجيني بطريقة محددة الخلية في الجسم الحي الذي يتطلب فقط تطوير plasmid الحمض النووي لتحقيق التلاعب الجينية معينة. يمكن استخدام ثنائي في كهربائي الرحم لاستهداف مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية الهرمية القشرية الأمامية. الجمع بين هذه الطريقة نقل الجينات مع النهج السلوكية يسمح للمرء لدراسة آثار التلاعب الجيني على وظيفة شبكات قشرة الفص الجبهي والسلوك الاجتماعي للفئران الأحداث والكبار.
Introduction
وقد دفعت دراسات الرابطة على نطاق الجينوم (GWAS) اكتشاف الجينات مرشح رواية التي ترتبط بأمراض الدماغ1,2,3,4. وقد كانت هذه الدراسات مفيدة بشكل خاص في فهم الاضطرابات العصبية والنفسية المدمرة مثل الفصام (SCZ)، حيث كان التحقيق في الجينات الجديدة بمثابة نقطة انطلاق لخطوط جديدة من البحث والتدخل العلاجي5،6. الجينات الإيواء خطر لSCZ تظهر التعبير المتحيزة في قشرة الجبهية (PFC) خلال التنمية قبل الولادة و ما بعد الولادة في وقت مبكر، وهي منطقة متورطة في أمراض العديد من الاضطرابات العصبية والنفسية7. بالإضافة إلى ذلك، نماذج الماوس من الاضطرابات النفسية المعرض نشاط غير طبيعي في شبكات PFC6،8،9. وتشير هذه النتائج إلى أن الجينات المرتبطة بـ SZC قد تلعب دورًا في الأسلاك التنموية لهذه المنطقة. ويلزم إجراء مزيد من التحرّيات باستخدام نماذج حيوانية لفهم مساهمة هذه الجينات المرشحة في إنشاء وصلات في مركبات الكربون الكلورية فلورية وتحديد ما إذا كانت هذه الجينات لها دور مسبب في التسبب في الاضطرابات النفسية العصبية. تقنيات التلاعب الجيني في الفئران التي تسمح لدراسة التغيرات في التعبير الجيني على دوائر عصبية محددة خلال مرحلة ما قبل الولادة والتنمية في وقت مبكر بعد الولادة هي طريقة واعدة لفهم الآليات الجزيئية التي تربط التغيرات التعبير الجيني إلى الخلل PFC.
توفر خطوط الماوس الجينية طريقة لدراسة تأثير جينات معينة على نمو الدماغ ووظيفته. ومع ذلك، يمكن أن يكون الاعتماد على الفئران المعدلة وراثيا الحد من حيث لا توجد دائما خطوط متاحة تجاريا لدراسة آثار جينات محددة على تطوير الدوائر العصبية. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون مكلفة للغاية وتستغرق وقتا طويلا لتطوير خطوط الماوس المخصصة. وقد أحدث استخدام استراتيجيات التلاعب الجينية المتعددة التي تجمع بين الفئران المعدلة وراثيا مع النهج الفيروسية ثورة في فهم الدماغ10،11،12. على الرغم من التقدم الكبير، تأتي الاستراتيجيات الفيروسية مع بعض القيود اعتمادا على نوع ناقلات الفيروسية، بما في ذلك حدود في قدرة التعبئة والتغليف التي يمكن أن تحد من التعبير الفيروسي13 وسمية الخلية المرتبطة التعبير الفيروسي14. وعلاوة على ذلك، في معظم الظروف التجريبية، والتعبير الجيني القوي باستخدام الفيروس المرتبط بـ adeno (AAVs) يتطلب ما يقرب من 2 إلى 4 أسابيع15، مما يجعل الاستراتيجيات الفيروسية الروتينية غير قابلة للاستخدام للتلاعب بالجينات أثناء التنمية المبكرة بعد الولادة.
في الكهربائي الرحم (IUE) هو نهج بديل يسمح لنقل الجينات السريعة وغير مكلفة16,17 أنه عندما يقترن مع وضع العلامات الفلورية و الطرق الدوائية أو optogenetic, يوفر منصة قوية لتشريح وظيفة الدوائر العصبية. بالإضافة إلى ذلك، مع تطوير CRISPR-Cas9 جينوم تحرير الجينات يمكن أن يكون أكثر من إفراط أو تغيير بدقة من خلال خلية نوع محددة بالضربة القاضية إلى أسفل أو خروج من جينات محددة أو من خلال تعديل المروجين18،19. نهج التلاعب الجيني باستخدام IUE مفيدة بشكل خاص عندما يكون تأثير الجينات على الدوائر العصبية بحاجة إلى اختبارها خلال النوافذ التنموية الضيقة20. IUE هو تقنية متعددة الاستخدامات ويمكن إنجاز فرط التعبير بسهولة عن طريق إدخال جين في متجه تعبير تحت مروج معين. ويمكن تحقيق سيطرة إضافية على التعبير الجيني عن طريق قيادة التعبير باستخدام المروجين من نقاط القوة المختلفة أو باستخدام المروجين غير قابل للضبط قادرة على السيطرة على التعبير الجيني21،22. بالإضافة إلى ذلك، يسمح IUE باستهداف الخلايا داخل طبقات القشرية وأنواع الخلايا ومناطق الدماغ المحددة، وهو أمر غير ممكن دائمًا باستخدام طرق أخرى5و17. وقد وسعت التطورات الأخيرة في تكوين IUE على أساس استخدام ثلاثة أقطاب كهربائية ، والتي تولد توزيع حقل كهربائي أكثر كفاءة ، ذخيرة وظيفية من هذه الطريقة ، وسمحت للعلماء لاستهداف أنواع الخلايا الجديدة وزيادة الكفاءة والدقة وعدد الخلايا التي يمكناستهدافها 23،24. وقد استخدمت هذه التقنية مؤخرا لتحديد الدور المسبب للمكون المكمل 4A (C4A)، وهو جين مرتبط ب SCZ، في وظيفة PFC والإدراك المبكر5.
يُعرض هنا خط أنابيب تجريبي يجمع بين نُهج نقل الجينات لاستهداف مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية الإثارة في القشرة الأمامية، بما في ذلك PFC، مع النماذج السلوكية التي لا تمكن فقط من دراسة التغيرات على مستوى الخلايا والدوائر، ولكنها تسمح أيضًا بمراقبة السلوك طوال مرحلة التطور المبكر بعد الولادة والبلوغ. وصفت أولا هو وسيلة لتنمبير ثنائيا مجموعات كبيرة من طبقة (L) 2/3 الخلايا العصبية الهرمية في المناطق القشرية الأمامية. بعد ذلك ، يتم تحديد المهام التي يتم بها فحص السلوك الاجتماعي في الفئران الأحداث والبالغين. يمكن الحصول على عدد الخلايا عند الانتهاء من المهام السلوكية لتحديد مدى وموقع نقل الخلايا. وعلاوة على ذلك، يمكن ربط عدد الخلايا التي تُعدّ بالعدوى بالبيانات السلوكية لتحديد ما إذا كان عدد أكبر من الخلايا المُعدّة يؤدي إلى اضطرابات أكبر في السلوك.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا، يتم وصف خط أنابيب يجمع بين التلاعب الجينات الجديدة من الاهتمام في مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية القشرية الأمامية مع المقايسات السلوكية في الفئران. وعلاوة على ذلك، يسمح هذا الأنبوب للدراسة الطولية للسلوك في نفس الفئران أثناء مرحلة ما بعد الولادة المبكرة وفي مرحلة البلوغ. هذه التق?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر ليزا كريتس على ملاحظاتها النقدية وتحريرها للمخطوطة. نشكر جميع مساعدي الأبحاث في مختبر كروز مارتين الذين كانوا لا يقدرون بثمن في المساعدة في الضخ وعد الخلايا من أدمغة السلوك. نشكر أندريه Cwetsch على المدخلات على تصميم القطب الثلاثي، وتود بلوت وجامعة بوسطن البيولوجية التصوير الأساسية لاستخدام المجهر confocal. وقد تم دعم هذا العمل من قبل منحة المحقق الشباب NARSAD (AC-M، #27202)، وجائزة برينتون R. لوتز (ALC)، وجائزة I. Alden Macchi (ALC)، وNSF NRT UtB: زمالة البحوث الوطنية neurophotonics (ALC، #DGE1633516)، وبرنامج فرص البحث الجامعي في جامعة بوسطن (WWY). ولم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة، وجمع البيانات وتحليلها، أو قرار نشرها، أو إعدادها.
Materials
| 13mm Silk Black Braided Suture | Havel's | SB77D | Suture skin |
| Adson Forceps | F.S.T. | 11006-12 | IUE |
| C270 Webcam | Logitech | N/A | Record behavior |
| Electroporator | Custom-built | N/A | See Figure 1 and 2 and Bullmann et al, 2015 |
| EZ-500 Spin Column Plasmid DNA Maxi-preps Kit, 20preps | Bio Basic Inc. | BS466 | Pladmid preparation |
| Fast Green FCF | Sigma | F7252-5G | Dye for DNA solution |
| Fine scissors- sharp | F.S.T. | 14060-09 | IUE |
| Fisherbrand Gauze Sponges | Fisher Scientific | 1376152 | IUE |
| Gaymar Heating/Cooling | Braintree | TP-700 | Heating Pad |
| Glass pipette puller | Sutter Instrument, | P-97 | IUE |
| Glass pipettes | Sutter Instrument, | BF150-117-10 | IUE |
| Hair Removal Lotion | Nair | N/A | Hair removal |
| Hartman Hemostats | F.S.T. | 13002-10 | IUE |
| Open field maze- homemade acrylic arena | Custom-built | N/A | 50 × 50 × 30 cm length-width-height |
| pCAG-GFP | Addgene | 11150 | Mammalian expression vector for expression of GFP |
| Picospritzer III | Parker Hannifin | N/A | pressure injector |
| Retractor – 2 Pronged Blunt | F.S.T. | 17023-13 | IUE |
| Ring forceps | F.S.T. | 11103-09 | IUE |
| Sterilizer, dry bead | Sigma | Z378569 | sterelize surgical tools |
| SUTURE, 3/0 PGA, FS-2, VIOLET FOR VET USE ONLY | Havel's | HJ398 | Suture muscle |
| Water bath | Cole-Parmer | EW-12105-84 | warming sterile saline |
References
- Yang, Y., et al. Genetic association and meta-analysis of a schizophrenia GWAS variant rs10489202 in East Asian populations. Translational Psychiatry. 8 (1), 144 (2018).
- Schizophrenia Working Group of the Psychiatric Genomics Consortium. Biological insights from 108 schizophrenia-associated genetic loci. Nature. 511 (7510), 421-427 (2014).
- Howard, D. M., et al. Genome-wide meta-analysis of depression identifies 102 independent variants and highlights the importance of the prefrontal brain regions. Nature Neuroscience. 22 (3), 343-352 (2019).
- Grove, J., et al. Identification of common genetic risk variants for autism spectrum disorder. Nature Genetics. 51 (3), 431-444 (2019).
- Comer, A. L., et al. Increased expression of schizophrenia-associated gene C4 leads to hypoconnectivity of prefrontal cortex and reduced social interaction. PLoS Biology. 18 (1), 3000604 (2020).
- Chini, M., et al. Resolving and Rescuing Developmental Miswiring in a Mouse Model of Cognitive Impairment. Neuron. 105 (1), 60-74 (2020).
- Clifton, N. E., et al. Dynamic expression of genes associated with schizophrenia and bipolar disorder across development. Translational Psychiatry. 9 (1), 74 (2019).
- Oberlander, V. C., Xu, X., Chini, M., Hanganu-Opatz, I. L. Developmental dysfunction of prefrontal-hippocampal networks in mouse models of mental illness. European Journal of Neurosciences. 50 (6), 3072-3084 (2019).
- Batista-Brito, R., et al. Developmental Dysfunction of VIP Interneurons Impairs Cortical Circuits. Neuron. 95 (4), 884-895 (2017).
- Luo, L., Callaway, E. M., Svoboda, K. Genetic Dissection of Neural Circuits: A Decade of Progress. Neuron. 98 (2), 256-281 (2018).
- DeNardo, L., Luo, L. Genetic strategies to access activated neurons. Current Opinion in Neurobiology. 45, 121-129 (2017).
- Huang, Z. J., Zeng, H. Genetic approaches to neural circuits in the mouse. Annual Reviews in Neurosciences. 36, 183-215 (2013).
- Wu, Z., Yang, H., Colosi, P. Effect of genome size on AAV vector packaging. Molecular Therapy. 18 (1), 80-86 (2010).
- Callaway, E. M., Luo, L. Monosynaptic Circuit Tracing with Glycoprotein-Deleted Rabies Viruses. Journal of Neurosciences. 35 (24), 8979-8985 (2015).
- Cruz-Martín, A., et al. A dedicated circuit links direction-selective retinal ganglion cells to the primary visual cortex. Nature. 507 (7492), 358-361 (2014).
- Saito, T. In vivo electroporation in the embryonic mouse central nervous system. Nature Protocols. 1 (3), 1552-1558 (2006).
- Cruz-Martín, A., Crespo, M., Portera-Cailliau, C. Delayed stabilization of dendritic spines in fragile X mice. Journal of Neurosciences. 30 (23), 7793-7803 (2010).
- Zhang, J. H., Adikaram, P., Pandey, M., Genis, A., Simonds, W. F. Optimization of genome editing through CRISPR-Cas9 engineering. Bioengineered. 7 (3), 166-174 (2016).
- Strecker, J., et al. RNA-guided DNA insertion with CRISPR-associated transposases. Science. 365 (6448), 48-53 (2019).
- Cruz-Martín, A., Crespo, M., Portera-Cailliau, C. Glutamate induces the elongation of early dendritic protrusions via mGluRs in wild type mice, but not in fragile X mice. PLoS One. 7 (2), 32446 (2012).
- LoTurco, J., Manent, J. B., Sidiqi, F. New and improved tools for in utero electroporation studies of developing cerebral cortex. Cerebral Cortex. 19, 120-125 (2009).
- Kolk, S. M., de Mooij-Malsen, A. J., Martens, G. J. Spatiotemporal Molecular Approach of in utero Electroporation to Functionally Decipher Endophenotypes in Neurodevelopmental Disorders. Frontiers in Molecular Neurosciences. 4, 37 (2011).
- Szczurkowska, J., et al. Targeted in vivo genetic manipulation of the mouse or rat brain by in utero electroporation with a triple-electrode probe. Nature Protocols. 11 (3), 399-412 (2016).
- dal Maschio, M., et al. High-performance and site-directed in utero electroporation by a triple-electrode probe. Nature Communications. 3, 960 (2012).
- Zhan, Y., et al. Deficient neuron-microglia signaling results in impaired functional brain connectivity and social behavior. Nature Neurosciences. 17 (3), 400-406 (2014).
- Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neurosciences. 21 (9), 1281-1289 (2018).
- Bullmann, T., Arendt, T., Frey, U., Hanashima, C. A transportable, inexpensive electroporator for in utero electroporation. Development Growth and Differentiation. 57 (5), 369-377 (2015).
- Li, Z., et al. Genome-wide association analysis identifies 30 new susceptibility loci for schizophrenia. Nature Genetics. 49 (11), 1576-1583 (2017).
- Ripke, S., et al. Genome-wide association analysis identifies 13 new risk loci for schizophrenia. Nature Genetics. 45 (10), 1150-1159 (2013).
- De Marco Garcia, N. V., Fishell, G. Subtype-selective electroporation of cortical interneurons. Journal of Visualized Experiment. (90), e51518 (2014).
- Borrell, V., Yoshimura, Y., Callaway, E. M. Targeted gene delivery to telencephalic inhibitory neurons by directional in utero electroporation. Journal of Neuroscience Methods. 143 (2), 151-158 (2005).
- Soma, M., et al. Development of the mouse amygdala as revealed by enhanced green fluorescent protein gene transfer by means of in utero electroporation. Journal of Comparative Neurology. 513 (1), 113-128 (2009).
