Трубопровод с использованием двустороннего в утробе матери электропорации для допроса генетического влияния на поведение грызунов
Summary
Роль недавно обнаруженных связанных с болезнью генов в патогенезах нейропсихиатрических расстройств остается неясной. Модифицированная двусторонняя в утробе матери техника электропорации позволяет передавать гены в больших популяциях нейронов и изучение причинно-следственного воздействия изменений экспрессии генов на социальное поведение.
Abstract
По мере того как исследования ассоциации генома проливают свет на неоднородные генетические основы многих неврологических заболеваний, возрастает необходимость изучения вклада конкретных генов в развитие мозга и функции. Опираясь на мышиные модели для изучения роли конкретных генетических манипуляций не всегда возможно, поскольку трансгенные линии мыши являются довольно дорогостоящими и многие новые болезни связанных генов еще не имеют коммерчески доступных генетических линий. Кроме того, для создания линии мыши могут работать годы разработки и проверки. В утробе электропорации предлагает относительно быстрый и простой метод для манипулирования экспрессией генов в клеточном типе специфическим образом in vivo, что требует только разработки плазмидной ДНК для достижения конкретной генетической манипуляции. Двусторонняя в утробе матери электропорация может быть использована для целевой больших популяций лобной коры пирамидальных нейронов. Сочетание этого метода передачи генов с поведенческими подходами позволяет изучить влияние генетических манипуляций на функцию префронтальных сетей коры и социальное поведение несовершеннолетних и взрослых мышей.
Introduction
Геномные исследования ассоциации (GWAS) привели к открытию новых генов-кандидатов, которыесвязаны с патологиями мозга 1,2,3,4. Эти исследования были особенно полезны в понимании разрушительных нейропсихиатрических расстройств, таких как шизофрения (ССЗ), где исследование новых генов послужило стартовой точкой для новых направлений исследований итерапевтического вмешательства 5,6. Гены, укрывающие риск для СКЗ, проявляют предвзятое выражение в префронтальной коре (ПФУ) во время пренатального и раннего послеродового развития, региона, вовлеченного в патологию нескольких нейропсихиатрическихрасстройств 7. Кроме того, мышиные модели психических расстройств проявляют аномальную активность всетях ПФК 6,8,9. Эти результаты свидетельствуют о том, что гены, связанные с СЗК, могут играть определенную роль в развитии этого региона. Дальнейшее исследование с использованием моделей животных требуется, чтобы понять вклад этих генов-кандидатов в создание связей в ПФУ и определить, имеют ли эти гены причинно-следственную роль в патогенеза нейропсихиатрических расстройств. Методы генетических манипуляций у мышей, которые позволяют изучать изменения экспрессии генов на конкретных нейронных схемах во время пренатального и раннего послеродового развития, являются перспективным методом понимания молекулярных механизмов, которые связывают изменения экспрессии генов с дисфункцией ПФУ.
Генетические линии мыши предлагают метод для изучения влияния конкретных генов на развитие мозга и функции. Однако, полагаясь на трансгенных мышей может быть ограничение, поскольку Есть не всегда коммерчески доступны линии для изучения влияния конкретных генов на развитие нейронных цепей. Кроме того, разработка пользовательских линий мыши может быть чрезвычайно дорогостоящей и трудоемкой. Использование перекрестных генетических стратегий манипуляции, которые сочетают трансгенных мышей с вирусными подходами произвел революциюв понимании мозга 10,11,12. Несмотря на значительный прогресс, вирусные стратегии приходят с определенными ограничениями в зависимости от типа вирусного вектора, в том числе ограничения в упаковочной емкости, которыемогут ограничить вирусное выражение 13 и токсичность клеток, связанных свирусным выражением 14. Кроме того, в большинстве экспериментальных условий, надежная экспрессия генов с использованием адено-ассоциированного вируса (AAVs) требует примерно от 2 до 4недель 15, что делает обычные вирусные стратегии неосуществимыми для манипулирования генами во время раннего послеродового развития.
В утробе электропорации (IUE) является альтернативным подходом, который позволяет быстро и недорогопередачи генов 16,17, что,в сочетании с флуоресцентной маркировки и фармакогенетических или оптогенетических подходов, обеспечивает мощную платформу для вскрытия функции нейронных цепей. Кроме того, с развитием CRISPR-Cas9 гены редактирования генома могут быть переэкспрессированы или точно изменены через клеточный тип конкретных нокдаун или нокаут конкретных генов или через модуляцию промоутеров18,19. Подходы к манипуляции с генами с использованием IUE особенно выгодны, когда влияние генов на нейронные цепи должно быть проверено во время узких оконразвития 20. IUE является универсальной техникой и переэкспрессии может быть легко достигнуто путем вставки гена в вектор выражения под конкретным промоутером. Дополнительный контроль экспрессии генов может быть достигнут путем вождения выражение с помощью промоутеров различных сильных сторон или с помощью неизгладимых промоутеров, способныхвременно контролировать экспрессию генов 21,22. Кроме того, IUE позволяет таргетирование клеток в пределах конкретных корковых слоев, типов клеток и областей мозга, что не всегда возможно с помощьюдругих подходов 5,17. Последние достижения в конфигурации IUE, основанные на использовании трех электродов, который генерирует более эффективное распределение электрического поля, расширили функциональный репертуар этого метода и позволили ученым ориентироваться на новые типы клеток и увеличить эффективность, точность и количество клеток, которые могут бытьнаправлены 23,24. Этот метод был недавно использован для определения причинной роли компонента дополнения 4A (C4A), гена, связанного с СКЗ, в функции PFC и раннегопознания 5.
Представлено здесь экспериментальный трубопровод, который сочетает в себе подходы передачи генов к целевой больших популяций возбуждающей нейронов в лобной коре, в том числе PFC, с поведенческими парадигмами, которые не только позволяют изучать изменения клеточного и окружного уровня, но и позволяет контролировать поведение на протяжении всего раннего послеродового развития и взрослой жизни. Первый описанный метод двустороннего трансфекта больших популяций слоя (L) 2/3 пирамидальных нейронов в лобных корковых областях. Далее, задачи по анализу социального поведения у несовершеннолетних и взрослых мышей изложены. Количество клеток может быть получено после завершения поведенческих задач для количественной оценки степени и расположения трансфекции клеток. Кроме того, количество трансфицированных клеток может быть коррелировано с поведенческими данными, чтобы определить, если большее количество трансфектированных клеток приводит к большим возмущениям в поведении.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом случае описывается конвейер, сочетаемый в манипуляции новыми генами, представляющими интерес для больших популяций лобных корковых нейронов, с поведенческими анализами у мышей. Кроме того, этот трубопровод позволяет продольное исследование поведения у тех же мышей как во время…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Лизу Креце за критически важную обратную связь и редактирование рукописи. Мы благодарим всех научных сотрудников в лаборатории Круз-Мартин, которые были бесценны в оказании помощи в перфузии и подсчета клеток мозга поведения. Мы благодарим Анджея Цветча за вклад в проектирование триполярного электрода, Тодда Блата и Ядро биологической визуализации Бостонского университета для использования конфокального микроскопа. Эта работа была поддержана NARSAD Молодой следователь Грант (AC-M, #27202), Брентон Р. Лутц премии (ALC), И. Олден Макки премии (ALC), NSF NRT UtB: Нейрофотоника Национальной исследовательской стипендии (ALC, #DGE1633516), и Бостонского университета undergraduate Research Opportunities Program (WWY). Спонсоры не играли никакой роли в разработке, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.
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).
