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Method Article
DetectSyn es un ensayo fluorescente rápido e imparcial que mide los cambios en el número relativo de sinapsis (compromiso pre y postsináptico) en todos los tratamientos o estados de enfermedad. Esta técnica utiliza una técnica de ligadura de proximidad que se puede utilizar tanto en neuronas cultivadas como en tejido fijo.
Las sinapsis son el sitio de comunicación entre las neuronas. La fuerza del circuito neuronal está relacionada con la densidad sináptica, y la descomposición de las sinapsis es característica de estados de enfermedad como el trastorno depresivo mayor (TDM) y la enfermedad de Alzheimer. Las técnicas tradicionales para investigar los números de sinapsis incluyen la expresión genética de marcadores fluorescentes (por ejemplo, proteína fluorescente verde (GFP)), colorantes que llenan una neurona (por ejemplo, colorante de carbocianina, DiI) y detección inmunofluorescente de marcadores de columna vertebral (por ejemplo, densidad postsináptica 95 (PSD95)). Una advertencia importante a estas técnicas de proxy es que solo identifican cambios postsinápticos. Sin embargo, una sinapsis es una conexión entre un terminal presináptico y una columna vertebral postsináptica. El estándar de oro para medir la formación / eliminación de sinapsis requiere técnicas de microscopía electrónica o tomografía de matriz que consumen mucho tiempo. Estas técnicas requieren capacitación especializada y equipo costoso. Además, solo se puede evaluar un número limitado de neuronas y se utilizan para representar cambios en toda una región del cerebro. DetectSyn es una técnica fluorescente rápida que identifica cambios en la formación o eliminación de sinapsis debido a un estado de enfermedad o actividad farmacológica. DetectSyn utiliza un ensayo de ligadura de proximidad rápida para detectar proteínas pre y postsinápticas yuxtapuestas y microscopía fluorescente estándar, una técnica fácilmente disponible para la mayoría de los laboratorios. La detección fluorescente de la puntería resultante permite un análisis rápido e imparcial de los experimentos. DetectSyn proporciona resultados más representativos que la microscopía electrónica porque se pueden analizar áreas más grandes que un número limitado de neuronas fluorescentes. Además, DetectSyn funciona para neuronas cultivadas in vitro y cortes de tejido fijo. Finalmente, se proporciona un método para analizar los datos recopilados de esta técnica. En general, DetectSyn ofrece un procedimiento para detectar cambios relativos en la densidad de sinapsis a través de tratamientos o estados de enfermedad y es más accesible que las técnicas tradicionales.
Las sinapsis son la unidad fundamental de comunicación entre neuronas1. Muchas sinapsis entre neuronas dentro de las mismas regiones dan lugar a circuitos que median el comportamiento2. Las sinapsis consisten en un terminal presináptico de una neurona que libera neurotransmisores o neuropéptidos que transmiten información a los receptores postsinápticos de otra neurona. La suma de señales presinápticas determina si la neurona postsináptica disparará un potencial de acción y propagará el mensaje a otras neuronas.
La sinaptopatología, la descomposición de las sinapsis, surge en enfermedades y trastornos marcados por la disminución del volumen neural, como la enfermedad de Alzheimer y el trastorno depresivo mayor, lo que resulta en circuitos que ya no funcionan de manera óptima 3,4,5. La restauración de la densidad de la sinapsis probablemente subyace a la eficacia de los posibles tratamientos para estos trastornos. Por ejemplo, recientemente se demostró que el aumento de las sinapsis subyace a la eficacia conductual de los antidepresivos rápidos6. Para detectar rápidamente posibles tratamientos de sinaptopatología, los investigadores requieren técnicas que identifiquen rápidamente los cambios en los números de sinapsis.
Las metodologías actuales consumen mucho tiempo y son costosas (microscopía electrónica, tomografía de matriz), o solo examinan los cambios postsinápticos sin incorporar el compromiso presináptico (análisis de la columna vertebral, inmunofluorescencia / colocalización). Los colorantes como DiI o las proteínas fluorescentes como GFP ayudan a visualizar las neuronas y caracterizar las espinas postsinápticas. Sin embargo, el análisis de la columna vertebral utiliza proporciones definidas por el investigador para determinar la morfología, lo que puede disminuir la reproducibilidad7. Además, todavía se está descubriendo cómo las diferentes clases de columna vertebral se relacionan con las sinapsis funcionales8. La formación de la columna vertebral puede ser transitoria y puede reflejar plasticidad postsináptica, pero estas espinas podrían eliminarse antes de estabilizarse en una sinapsis con una neurona presináptica9.
La colocalización proporciona un mejor indicador de las sinapsis que el análisis de la columna vertebral porque se puede inmunotintar las proteínas presinápticas y postsinápticas. Sin embargo, las proteínas sinápticas pueden producir valores bajos de colocalización porque las proteínas se yuxtaponen y pueden no superponerse consistentemente. Por lo tanto, debido a que las proteínas no están totalmente superpuestas, las técnicas de colocalización pueden no medir con precisión los cambios en la formación de sinapsis debido a esta información faltante. Finalmente, aunque tanto la microscopía electrónica (EM) como la tomografía de matriz proporcionan imágenes de alta resolución de sinapsis, consumen mucho tiempo. La EM requiere además equipo especializado, y los investigadores están limitados a pequeños volúmenes de tejido para cualquier experimento dado. Si bien la tomografía de matriz proporciona elegantemente la capacidad de detectar muchas proteínas en secciones ultrafinas y se puede combinar con EM10, esta técnica puede ser demasiado laboriosa y estar más allá del alcance de los experimentos que necesitan escanear rápidamente en busca de cambios en la formación de sinapsis.
DetectSyn es una aplicación específica del ensayo de ligadura de proximidad Duolink. El ensayo de PLA permite la detección general de interacciones proteína-proteína. DetectSyn une las medidas postsinápticas proxy amplificando una señal fluorescente emitida por proteínas pre y postsinápticas etiquetadas dentro de los 40 nm entre sí. Si las proteínas sinápticas están dentro de los 40 nm, como dentro de una hendidura sináptica, entonces los anticuerpos secundarios, que contienen sondas de ADN, se hibridarán en ADN circular. Este ADN circular hibridado expresa una sonda fluorescente, que luego se amplifica y detecta con técnicas estándar de microscopía fluorescente (ver Figura 1). Crucialmente, a diferencia de la EM y la tomografía de matriz, esta técnica no requiere equipo especializado y toma aproximadamente la misma cantidad de tiempo que la inmunohistoquímica estándar. La accesibilidad de esta técnica, por lo tanto, permite a los investigadores fuera de las instituciones intensivas en investigación participar en la investigación sinaptopatología. Además, esta técnica puede examinar los cambios en la densidad sináptica en múltiples regiones del cerebro dentro de un solo experimento, ofreciendo una representación más holística de los cambios sinápticos debido a una enfermedad o tratamiento.
El aislamiento de células y tejidos de animales se realizó de acuerdo con la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud y fue aprobado por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de Wake Forest
NOTA: Este protocolo se utiliza en muestras ya tratadas y fijadas según paradigmas y requisitos experimentales específicos. Para fines de demostración, la formación de sinapsis debido al tratamiento antidepresivo rápido se utiliza para resaltar esta técnica de detección de sinapsis6. Las neuronas previamente cultivadas en cápsulas, tratadas, fijadas en paraformaldehído al 4% (PFA) y almacenadas en solución salina tamponada con 1x fosfato (PBS) se utilizarán para resaltar los procedimientos in vitro. Se utilizará tejido del hipocampo previamente cortado (25 μm de espesor) de ratones tratados, perfundido transcárdicamente con PBS helado y PFA al 4%, y luego almacenado en crioprotector para resaltar los procedimientos de rebanada. Consulte11,12 para obtener más información sobre cómo cultivar neuronas o perfundir roedores transcárdicos. Consulte la Figura 1 para obtener una representación gráfica de este procedimiento.
Figura 1: Representación gráfica del ensayo DetectSyn. Después de permeabilizar las membranas celulares, los anticuerpos primarios para Synapsin1 y PSD95 se unen a estas proteínas sinápticas. Los secundarios con etiquetas de oligonucleótidos se unen a los anticuerpos primarios. Si Synapsin1 y PSD95 están dentro de los 40 nm, como en una sinapsis, entonces los oligonucleótidos interactúan y se amplifica una etiqueta fluorescente. Esta señal fluorescente puede ser fotografiada a través de microscopía estándar y analizada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
1. Enjuague las muestras
2. Bloquear y permeabilizar muestras
3. Incubar muestras en anticuerpos primarios
4. Lavar las muestras, luego incubar en anticuerpos secundarios
5. Ligadura
6. Amplificación
7. Montaje
8. Obtener imágenes digitales con un microscopio confocal
9. Análisis
Los datos modificados de Heaney et al.6 se presentan para demostrar un experimento en el que se espera una mayor formación de sinapsis (consulte6 para obtener más información y una discusión más profunda del mecanismo). Anteriormente, se demostró que los antidepresivos rápidos requieren la activación del receptor metabotrópico inhibidor, GABAB (gamma-aminobutyric acid subtype B), para serefectivos 13. Además, los datos anteriores indicaron ...
DetectSyn es un ensayo rápido que utiliza un ensayo de ligadura de proximidad para detectar proteínas dentro de los 40 nm entre sí, lo que permite la detección de la formación de sinapsis. Esta técnica mejora los ensayos fluorescentes actuales, que sirven solo como mediciones proxy para la formación de sinapsis. DetectSyn detecta cambios cuantificables en las proteínas sinápticas localizadas dentro de los 40 nm, es decir, dentro de la hendidura sináptica, entre sí. Además, DetectSyn es más rentable y lleva m...
Los autores no reportan ningún conflicto de intereses.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud NINDS R01 NS105005 (KRG) y NS105005-03S1 (KRG), el Departamento de Defensa USAMRMC W81XWH-14-1-0061 (KRG), NIAAA R01AA016852, NIAAA T32AA007565 (CFH), y una subvención de FRAXA Research (CFH) y la Asociación de Alzheimer, AARG-NTF-21-852843 (KRG), AARF-19-614794-RAPID (KRG).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10x PBS | Fisher Scientific | BP39920 | PBS made in house works, as well. |
24 well plates | Fisher Scientific | FB012929 | For tissue slices, pre-sterilized plates may be unnecessary. |
50 mL conical tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
Aluminium foil | Fisher Scientific | 15-078-290 | |
Chicken anti-MAP2 antibody | Abcam | ab5392 | |
Clear nail polish | Fisher Scientific | NC1849418 | Other clear nail polish works, as well. |
Cold block | Fisher Scientific | 13131012 | |
Computer workstation | HP | ||
Confocal or fluorescent microscope | Nikon | A1R HD25 | |
Donkey anti-chicken FITC | Fisher Scientific | SA1-72000 | |
Duolink donkey anti-Mouse PLUS | Sigma | DUO92001 | |
Duolink donkey anti-Rabbit MINUS | Sigma | DUO92005 | |
Duolink In Situ Detection Reagents Far Red | Sigma | DUO92013 | Contains ligation stock, amplification stock, ligase, and polymerase. |
Duolink In Situ Mounting Medium with DAPI | Sigma | DUO82040 | |
Duolink In Situ Wash Buffers, Fluorescence | Sigma | DUO82049 | Contains Wash Buffer A and Wash Buffer B; dilute Wash Buffer B to 1% in diH20 for 1% Wash Buffer B. |
Fine-tipped paintbrush | Fisher Scientific | NC9691026 | Sable hair, size 00 or 000, can also find at craft stores |
Fisherbrand Cover Glasses: Rectangles | Fisher Scientific | 12545MP | Cover glass is unnecessary for cultured neurons already on glass coverslips. |
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides | Fisher Scientific | 1255015 | For cultured neurons already on glass coverslips, Superfrost slides may be unnecessary. |
Freezer, -20°C | VWR | 76449-108 | |
Glass coverslips | Fisher Scientific | 125480 | |
Glycine | Fisher Scientific | BP381-1 | |
Image processing software | e.g. NIS Elements, ImageJ | ||
Incubator | Fisher Scientific | 15-015-2633 | |
Large petri dish, 100mm | Fisher Scientific | FB0875712 | |
Molecular grade water | Fisher Scientific | BP24701 | |
Mouse anti-Synapsin1 antibody | Synaptic Systems | 106-011 | |
Normal donkey serum | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
Orbital shaker | Fisher Scientific | 02-106-1013 | |
Parafilm | Fisher Scientific | 13-374-10 | |
Pipette tips | Fisher Scientific | 02-707-025 | |
Pipettes | Fisher Scientific | 14-388-100 | Working volumes range from 3 µL to 500 µL |
Plastic pasteur pipette | Fisher Scientific | 02-708-006 | |
Precision tweezers/foreceps | Fisher Scientific | 12-000-122 | |
Rabbit anti-PSD95 antibody | Abcam | ab18258 | Other antibody pairs may work, as well, with optimization. |
Refrigerator | VWR | 76470-402 | |
Small petri dish, 60 mm | Fisher Scientific | FB0875713A | |
Timer | Fisher Scientific | 14-649-17 | |
Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-100 |
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