JoVE Logo

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

אנו מדווחים על בדיקה פשוטה, יעילה בזמן וספקטרוסקופיה מבוססת תפוקה גבוהה לכימות סיבי אקטין בדגימות ביולוגיות אקס ויוו מרקמות המוח של מכרסמים ונבדקים אנושיים.

Abstract

Actin, המרכיב העיקרי של cytoskeleton, ממלא תפקיד קריטי בשמירה על המבנה והתפקוד העצבי. תחת מצבים פיזיולוגיים, actin מתרחשת בשיווי משקל בשתי צורותיה: כדורית מונומרית (G-actin) וסיבים פולימריים (F- actin). במסופים הסינפטיים, actin cytoskeleton מהווה את הבסיס לפונקציות קריטיות לפני ואחרי סינפטית. יתר על כן, שינויים דינמיים במצב פילמור actin (אינטרקוונהפיכה בין צורות כדוריות חוטית של actin) קשורים קשר הדוק לשינויים הקשורים פלסטיות במבנה ובתפקוד סינפטי. אנו מדווחים כאן על מתודולוגיה מבוססת פלואורסצנטיות שונה כדי להעריך את מצב הפולמליזציה של actin בתנאי ex vivo. ה-assay משתמש בפאלואידין בעל תווית פלואורסצנטית, פלוטוקסין שנקשר במיוחד לסיבי אקטין (F-actin), ומספק מידה ישירה של אקטין סיבי פולימרי. כהוכחה לעיקרון, אנו מספקים ראיות להתאמת ההסתעפות של ההסתעפות הן ברקמת המוח האנושית מכרסמים והן בהומוגנטים שלאחר המוות. באמצעות latrunculin A (תרופה depolymerizes סיבי actin), אנו מאשרים את התועלת של ההסתערות בניטור שינויים ברמות F-actin. כמו כן, אנו מרחיבים את ההסמכה לשברים ביוכימיים של מסופי סינפטית מבודדים שבהם אנו מאשרים פולמריזציה actin מוגברת על ידי גירוי על ידי דפולריזציה עם K חוץ תאי גבוה+.

Introduction

אקטין חלבון Cytoskeletal מעורב בפונקציות תאיות מרובות, כולל תמיכה מבנית, תחבורה סלולרית, תנועתיות תאים וחלוקה. אקטין מתרחשת בשיווי משקל בשתי צורות: אקטין כדורי מונומרי (G-actin) ואקטין סיבי פולימרי (F-actin). שינויים מהירים במצב הפילמור של actin (בין צורות G ו- F) לגרום הרכבה חוט מהיר ופירוק ביסוד תפקידיה הרגולטוריים בפיזיולוגיה התאית. Actin מהווה את המרכיב העיקרי של המבנה cytoskeletal העצבי ומשפיע על מגוון רחב של פונקציות עצביות1,2. יש לציין כי האקטין ציטוסקלטון מהווה חלק בלתי נפרד מהפלטפורמה המבנית של המסופים הסינפטיים. ככזה, הוא דטרמיננטה מרכזית של מורפוגנזה סינפטית ופיזיולוגיה וממלא תפקיד בסיסי בשליטה על הגודל, המספר והמורפולוגיה של הסינפסות3,4,5. בפרט, דינאמי actin polymerization-depolymerization הוא דטרמיננטה מפתח של שיפוץ סינפטי הקשורים פלסטיות סינפטית שבבסיס תהליכי הזיכרון והלמידה. ואכן, הן presynaptic (כגון שחרור נוירוטרנסמיטר6,7,8,9,10) ו פונקציות postsynaptic (פלסטיות הקשורות שיפוץ דינמי11,12,13,14) להסתמך באופן ביקורתי על שינויים דינמיים במצב פולמור של cytoskeleton actin.

בתנאים פיזיולוגיים, רמות F-actin מוסדר באופן דינמי והדוק באמצעות מסלול רב-מודאלי מעורבים שינוי posttranslational4,15,16, כמו גם חלבונים מחייבים actin (ABPs)4,17. ABPs יכול להשפיע על דינמיקה actin ברמות מרובות (כגון ייזום או עיכוב פילמור, גרימת הסתעפות חוטים, ניתוק חוטים לחתיכות קטנות יותר, קידום depolymerization, והגנה מפני דפולימריזציה), והם בתורו תחת שליטה מודולטורית מחמירה רגיש לאותות חוץ תאיים שונים18,19,20. בדיקות רגולטוריות כאלה ברמות מרובות מכתיבות רגולציה קפדנית של דינמיקה actin ב cytoskeleton סינפטית, כוונון עדין מראש ופוסט-סינפטי היבטים של פיזיולוגיה עצבית הן במצב הבסיסי והן במצבים הנגרמים על ידי פעילות.

בהתחשב בתפקידים החשובים של actin בפיזיולוגיה העצבית, אין זה מפתיע כי מספר מחקרים סיפקו ראיות לשינויים בדינמיקה actin כמו אירועים פתוגניים קריטיים הקשורים למגוון רחב של הפרעות נוירולוגיות כולל ניוון עצבי, מחלות פסיכולוגיות, כמו גם מחלות נוירו-התפתחותיות3,21,22,23,24,25,26,27. למרות שפע של נתוני מחקר המצביעים על תפקידי מפתח של actin בפיזיולוגיה עצבית ופתופיזיולוגיה, עם זאת, פערים משמעותיים עדיין נשארים בהבנת הדינמיקה actin, במיוחד על cytoskeleton סינפטית. דרושים מחקרים נוספים כדי להבין טוב יותר את האקטין העצבי ואת השינויים שלו בתנאים פתולוגיים. תחום מרכזי אחד של מיקוד בהקשר זה הוא הערכת מצב פולמור actin. יש ערכות מסחריות מערביות מבוססות סופג (G-Actin / F-Actin בערכה ביוכימית vivo assay; Cytoskeleton SKU BK03728,29) ו מבחנים תוצרת בית להערכת רמות F-actin6. עם זאת, מכיוון שאלה דורשים בידוד ביוכימי של F-actin ו- G-actin ומכיוון שהכימות הבא שלהם מבוסס על פרוטוקולים immunoblotting, הם יכולים להיות זמן רב. אנו מדווחים בזאת על בדיקה מבוססת ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית שהותאמה ממחקר קודם30 עם שינויים שניתן להשתמש בהם כדי להעריך הן את רמות הבסיס של F-actin, כמו גם שינויים דינמיים בפירוק ההרכבה שלה. יש לציין כי שינינו ביעילות את הפרוטוקול המקורי הדורש דגימות המתאימות ל- 1 מ"ל cuvette לפורמט הלוח הנוכחי של 96 באר. הפרוטוקול שהשתנה ולכן הפחית באופן משמעותי את כמות הרקמה / מדגם הנדרש עבור ההסתעפות. כמו כן, אנו מספקים ראיות כי הפרוטוקול מתאים לא רק רקמת המוח הומוגנטים, אלא גם שברים תת תאיים כגון מסופים סינפטיים מבודדים (סינפטוזומים סינפטונוזומים). לבסוף, ניתן להשתמש במד"א עבור רקמות מוח של מכרסמים שזה עתה נותחו ודגימות מוח אנושיות מאוחסנות לטווח ארוך לאחר המוות. יש לציין, בעוד ההסתעפות מוצגת בהקשר עצבי, זה יכול להיות מורחב כראוי לסוגי תאים אחרים ותהליכים פיזיולוגיים הקשורים אליהם.

Protocol

כל ההליכים הניסיוניים בוצעו בהתאם לתקנות ועדת האתיקה של אוניברסיטת אוטגו בטיפול ובשימוש בחיות מעבדה (פרוטוקול אתיקה מס'. AUP95/18 ו- AUP80/17) ובית המחוקקים של ניו זילנד. רקמות המוח האנושי התקבלו מהבנק לרקמות נוירולוגיות של בית החולים Clínic-IDIBAPS BioBank בברצלונה, ספרד. כל פרוטוקולי איסוף הרקמות אושרו על ידי ועדת האתיקה של בית החולים קלניק, ברצלונה, והסכמה מדעת התקבלה מהמשפחות.

1. הכנת מאגרים ריאגנטים

  1. הכן את המאגרים הבאים להומוגניזציה של רקמת המוח והכנת שבר מועשר של מסופים סינפטיים:
    מאגר הומוגניזציה: 5 מ"מ HEPES, pH 7.4 בתוספת 0.32 M סוכרוז
    מאגר ההשעיה: 5 מטר טריס, pH 7.4 בתוספת סוכרוז 0.32 M
    חיץ כביסה: 5 מ"מ טריס, pH 8.1
    1.2 מ' סוכרוז
    1.0 מ' סוכרוז
    0.85 מ' סוכרוז
  2. הוסיפו תערובת ביתית או מסחרית של מעכבי פרוטאז ופוספטאז.
    הערה: השתמשנו בגרסה נטולת EDTA של תערובת מעכבי פרוטאז מלאה (טבליה אחת לכל חיץ 10 מ"ל) וקוקטייל מעכבי פוספטאז הרביעי (1:100; נפח: נפח).
  3. הכן את המאגרים והריאגנטים הבאים עבור הקיבעון, ההחלחלה והאיגוד של הפאלוקדין:
    מאגר קרבס: 118.5 מ"מ NaCl, 4.7 mM KCl, 1.2 mM MgCl2, 2 mM CaCl2, 0.1 מ"מ KH2PO4, 5 מ"מ NaHCO3, 10 מ"מ גלוקוז, 20 מ"מ HEPES, pH 7.4
    1 M KCl
    25% גלוטרדהיד (פתרון מניות)
    מאגר קרבס המכיל 0.1% טריטון X-100 ו 1 מ"ג / מ"ל NaBH4
    400x אלקסה פלואור 647 פאלודין ב DMSO
    מאגר קרבס המכיל סוכרוז 0.32 M
    50 מיקרומטר לטרונגולין A ב- DMSO (פתרון מלאי)
    1 M KCl (פתרון מניות)
    התראה: Phalloidin הוא רעיל (LD50 = 2 מ"ג / קילוגרם) ויש לטפל בו בזהירות. שאיפה של גלוטרלדהיד היא רעילה ויש לטפל בה במכסה המנוע של אדים.
  4. אחסן את המאגרים ב 4 °C (60 °F) ו phalloidin ו latrunculin A ב -20 °C (70 °F) לאחסון לטווח ארוך.
    הערה: אחסון מאגרים לטווח ארוך אינו מומלץ. ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

2. הומוגניזציה של רקמת המוח

  1. הומוגניזציה של רקמת מוח החולדה ההקפאה או שזה עתה נותחה בעשרה כרכים של חיץ הומוגניזציה בצינור זכוכית פוטר-Elvehjem ועלי על הקרח.
    הערה: הומוגניזציה אופטימלית מושגת על ידי 15-20 משיכות של העלי ביד עבור רקמות המוח. הומוגניזציה מוצלחת יכולה להיות מאושרת על ידי זרימה חלקה של ההשעיה דרך צינור הזכוכית. ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
  2. לקבוע את ריכוז החלבון הומוגנט באמצעות מבחני ברדפורד31.
    הערה: ניתן להשתמש גם במטענים חלופיים תוצרת בית או מסחרית להערכת חלבונים.
  3. לדלל דגימות הומוגניות מאגר קרבס בריכוז של 2-3 חלבון מ"ג / מ"ל בנפח של 50 μL.
    הערה: בחלק מהניסויים שלנו, אנו דגירה הומוגנטים עם 2 μM latrunculin A או DMSO (פקדים) ב 37 °C (69 °F) עבור 1 שעות. בשביל זה, homogenates הם resuspended ב 48 μL של מאגר קרבס, ו 2 μL של 50 μM latrunculin A או 2 μL של DMSO מתווסף. עוד יותר עבור immunoblotting, כמות קטנה של מדגם (10 מיקרוגרם) נאסף לאחר הדגירה.
  4. תקן את הדגימות ההומוגניות (סעיף 5).

3. הכנת מסופי עצבים מבודדים

  1. הכנת סינפטוזומים
    הערה: ניתן להשתמש גם בפרוטוקולים חלופיים32,33 עבור סינפטוזומים.
    1. המוח צנטריפוגה הומוגנית ב 1,200 x גרם במשך 10 דקות ב 4 מעלות צלזיוס.
    2. השלך את גלולה, שהוא השבר הגרעיני הגולמי.
    3. צנטריפוגה נוספת supernatant (S1) הושג בשלב 3.1.1 ב 12,000 x גרם במשך 15 דקות ב 4 °C (69 °F).
    4. הסר את supernatant (S2), שהוא שבר ציטוזולי מסיס.
    5. Resuspend גלולה (P2) שהושג בשלב 3.1.3, המהווה את השבר הסינפטוזולמי הגולמי במאגר resuspension.
      הערה: נפח מאגר ההשעיה תלוי בכמות הרקמה ההתחלתית ובכמות גלולה המתקבלת. לדוגמה, כאשר מתחילים עם 150-300 מ ג של רקמות המוח, גלולה המתקבל ניתן להשהות ב 200 μL של מאגר ההשעיה.
    6. טען את הסינפטוזומים הגולמיים שהושקעו מחדש על שיפוע סוכרוז לא רציף העשוי מנפחים שווים של 0.85-1.0-1.2 M סוכרוז.
      הערה: בדרך כלל אנו משתמשים 1 מ"ל כל פתרון סוכרוז (עבור 150-300 רקמת מ"ג). זה יכול להיות שונה על פי כמויות רקמה גדולות יותר. מעברי צבע רציפים יכולים להתבצע באמצעות מזרק 25G לחוץ על הקיר הפנימי של צינור ultracentrifuge ושכבות עדינות של שכבות סוכרוז.
    7. צנטריפוגה ב 85,000 x גרם עבור 2 שעות ב 4 מעלות צלזיוס.
      הערה: בגלל המהירות הגבוהה של צנטריפוגה, ultracentrifuge מסוגל ליצור ואקום כדי להפחית את החימום נדרש.
    8. לאסוף את השבר הסינפטוזומלי בממשק בין 1.0 ו 1.2 M סוכרוז באמצעות קצה צינור μL 200.
    9. לשטוף את השבר הסינפטומלי עם חיץ כביסה קר כקרח על ידי צנטריפוגה ב 18,000 x גרם במשך 10 דקות ב 4 מעלות צלזיוס.
      הערה: לשטיפה, שבר סינפטוזומלי המתקבל בממשק של 1.0 ו 1.2 M סוכרוז נאסף בצינור טרי 1.5 מ"ל, ונפח שווה של חיץ כביסה מתווסף, הבטחת הסרת סוכרוז גבוה מהבינוני.
    10. לשטוף את גלולה סינפטוזומלית שוב עם חיץ הומוגניזציה קר כקרח ב 12,000 גרם במשך 10 דקות ב 4 מעלות צלזיוס.
    11. התחדשו בסינפטוזומים במאגר הומוגניזציה על קרח.
      הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול לזמן קצר כאן.
    12. לקבוע את ריכוז החלבון באמצעות מבחני ברדפורד.
    13. Resuspend הסינפטוזומים במאגר קרבס בריכוז של 2-3 חלבון מ"ג / מ"ל בנפח של 50 μL (47.5 μL אם סינפטוזומים הם להיות depolarized על ידי KCl; ראה סעיף 4).
      הערה: עבור ההשעיה מחדש, השבר הסינפטוזולי מסתובב לראשונה ב- 12,000 x g למשך 5 דקות ב- 4 °C (60 °F) וה- supernatant (חיץ) מוסר. גלולה סינפטוזומלית הוא לאחר מכן resuspended במאגר קרבס על ידי צינור עדין באמצעות קצה צינור 200 μL.
    14. המשך עם דה-פולריזציה (סעיף 4).
  2. הכנת סינפטונורוסומים
    הערה: פרוטוקולים חלופיים34,35 עבור synaptoneurosomes ניתן להשתמש גם.
    1. מעבירים את המוח הומוגנית דרך מסנן רשת רטוב מראש של גודל נקבובית 100 מיקרומטר במחזיק מסנן באמצעות מזרק 1 מ"ל.
      הערה: הרטבה מראש של כל המסננים חשובה כדי למנוע אובדן מדגם ויש לעשות זאת באמצעות מאגר הומוגניזציה. לצורך כך, מאגר הומוגניזציה מועבר דרך המסננים במחזיק המסנן באמצעות מזרק של 1 מ"ל עד שהמאגר זורם החוצה.
    2. לאסוף את הסינון (F1) בצינור מראש מצונן 1.5 מ"ל על קרח.
    3. חזור על התהליך (שלבים 3.2.1 ו- 3.2.2) עבור שבר F1 כדי להשיג את הסינון השני (F2).
    4. להעביר F2 filtrate דרך מסנן נטו של גודל נקבובית 5 מיקרומטר.
    5. לאסוף את הסינון (F3) בצינור מראש מצונן 1.5 מ"ל על קרח.
    6. צנטריפוגה סינון F3 ב 1,500 x גרם במשך 10 דקות ב 4 מעלות צלזיוס.
    7. Resuspend גלולה (synaptoneurosomes) במאגר קרבס על קרח בריכוז של 2-3 חלבון מ"ג / מ"ל בנפח של 50 μL (47.5 μL אם סינפטוזומים הם להיות depolarized על ידי KCl; ראה סעיף 4).
      הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול לזמן קצר כאן.
    8. להעריך את ריכוז החלבון באמצעות מבחני ברדפורד.
    9. המשך עם דה-פולריזציה (סעיף 4).

4. דה-פולריזציה בתיווך KCl של מסופים סינפטיים מבודדים

  1. סינפטוזומים/סינפטונוסומים שווים ב-37 מעלות צלזיוס למשך 5-10 דקות.
  2. לעורר סינפטוזומים / synaptoneurosomes על ידי הוספת KCl כדי להגדיל K חוץ תאי+ ל 50 מ"מ עבור 30 s ב 37 °C (69 °F) ולהוסיף נפח שווה של מאגר קרבס ערכת הבקרה unstimulated בהתאמה.
    הערה: לדוגמה, להוסיף 2.5 μL של 1 M KCl כדי סינפטוזומים resuspended ב 47.5 μL של מאגר קרבס; ולהוסיף 2.5 μL של מאגר קרבס לסינפטוזום בקרת unstimulated בהתאמה. לניסויים שבהם מספר רב של דגימות מעורבות, להמשיך עם לא יותר מ 2 דגימות בכל פעם, כך זמן depolarization לא יעלה על 30 s.
  3. לסיים את הגירוי על ידי הוספת גלוטרלדהיד (סעיף 5).

5. קיבוע וכתמי פאלודין של דגימות

  1. הוסף גלוטרלדהיד לדגימות הומוגניות/סינפטוסומליות/סינפטונוסומליות לריכוז סופי של 2.5% למשך 2-3 דקות בטמפרטורת החדר.
    הערה: הוספנו 6 μL של 25% פתרון glutaraldehyde כך הריכוז הסופי של glutaraldehyde ב 50 דגימות μL (הומוגנטים / סינפטוזומים / synaptoneurosomes) היה ca. 2.5%. קיבוע הוא קריטי צריך להיות מהיר ולכן מיד לאחר הוספת glutaraldehyde, המדגם צריך להיות מערבולת נמרצת.
  2. משקעים את הדגימות ב 20,000 x g במשך 5 דקות.
  3. הסר את העל-טבעי.
    הערה: להשליך את supernatant במכסה המנוע אדים כמו glutaraldehyde רעיל.
  4. לחלחל גלולה על ידי ההשעיה ב 100 μL של מאגר קרבס המכיל 0.1% טריטון X-100 ו 1 מ"ג / מ"ל NaHB4 עבור 2-3 דקות בטמפרטורת החדר.
  5. משקעים את הדגימות ב 20,000 x g במשך 5 דקות.
  6. הסר את מאגר החימול.
  7. לשטוף את גלולה עם 200 μL של מאגר קרבס על ידי צנטריפוגה ב 20,000 x g במשך 5 דקות.
  8. Resuspend ולהכתים את גלולה עם 1x Alexa Fluor 647 Phalloidin (המתאים 500 μU) ב 100 μL של מאגר קרבס במשך 10 דקות בחושך בטמפרטורת החדר.
    הערה: זנים אחרים של אנלוגים פאלודין פלואורסצנטי זמינים מסחרית וניתן להחליף אותם במהלך ההסתעפות. ריכוז של פאלודין ואת נפח המדגם הכולל של הדגירה ייתכן שיהיה שונה בהתאם לכמות וסוג של רקמה / מדגם נבדק תנאים אופטימליים צריך להיות סטנדרטי בהתאם.
  9. צנטריפוגה דגימות מוכתמות ב 20,000 x g במשך 5 דקות.
  10. הסר את הפאלוקדין הבלתי מאוגד (על-טבעי).
  11. לשטוף את המדגם עם 200 μL של מאגר קרבס על ידי צנטריפוגה ב 20,000 x g במשך 5 דקות.
  12. Resuspend ב 200 μL של מאגר קרבס המכיל 0.32 M סוכרוז.
    הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול לזמן קצר כאן.

6. ניתוח פלואורומטרי ופיזור אור

  1. לוותר על אלקסה פלואור 647 דגימות מוכתמות פאלודין בצלחת שחורה 96-באר.
  2. למדוד את עוצמת הפלואורסצנטיות באורך גל עירור של 645 ננומטר ואורך גל פליטה של 670 ננומטר בקורא צלחת בטמפרטורת החדר.
  3. מעבירים את הדגימות מהצלחת השחורה של 96 באר לצלחת ה-96 באר השקופה באמצעות 200 טיפים לצינור μL.
  4. למדוד את פיזור האור ב 540 ננומטר כדי לתקן עבור כל ההפסדים שעלולים להתרחש במהלך השלבים הקודמים של קיבעון, חדירה וכתמים.
    הערה: וריאציות בחומר ביולוגי שנשמר בדגימות המוכתמות עשויות להיות בולטות יותר עבור כמויות קטנות יותר של חומר התחלתי (ראה דיון).
  5. כלול קבוצה של אלקסה פלואור 647 פאלודין במאגר קרבס בריכוזים שונים (0.05x, 0.1x, 0.25x, 0.35x, 0.75x, 0.5x ו 1x המתאימים 25, 50, 125, 175, 250, 375 ו 500 μU) עבור כל אצווה של ההסתערות כעקומה סטנדרטית.
    הערה: זהו שלב אופציונלי ואינו משפיע על תוצאות הבדיקה במיוחד כאשר רמות F-actin באות לידי ביטוי באופן יחסי (סעיף 7). ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

7. ניתוח נתונים

  1. כמות F-actin בדגימות היא פרופורציונלית ישירות לעוצמת הפלואורסצנטיות של פאלודין מאוגד. אקספרס במונחים מוחלטים של יחידות של פאלודין מאוגד מחושב מן העקומה הליניארית של תקן פאלודין מתויג.
    הערה: כדוגמה, ראו איורים 2A-B, 3A, 4A-B ואיור משלים 2.
  2. רמות F-actin אקספרס כשבר של דגימות הבקרה.
    הערה: כדוגמה, ראה איורים 5A-B.

תוצאות

ליניאריות של ההסתעפות להערכת רמות F-actin
ראשית, נקבעה עקומה סטנדרטית לעלייה הליניארית בפלואורסצנטיות של אלקסה פלואור 647 פאלודין וחזרה על עצמה בכל קבוצת ניסויים(איור 1). כדי לחקור את הטווח הליניארי של ההסתעפות, עובדו כמויות שונות של הומוגנטים במוח ממכרסמים (איו...

Discussion

ההסתייגות המתוארת כאן, המותאמת למעשה ממחקר קודם30 עם שינויים, מעסיקה פלוטוקסין, פאלודין מתויג עם תווית פלואורסצנטית. אנלוגים פאלודין פלואורסצנטי נחשבים תקן הזהב עבור כתמי סיבי actin ברקמות קבועות47,48,49. למעשה, הם הכלים העתיקים ב?...

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הנוירולוגית של ניו זילנד (1835-PG), המועצה לחקר הבריאות של ניו זילנד (#16-597) והמחלקה לאנטומיה, אוניברסיטת אוטגו, ניו זילנד. אנו חייבים לבנק הרקמות הנוירולוגיות של HCB-IDIBAPS BioBank (ספרד) עבור רקמות המוח האנושי. אנו מודים לג'יאקסיאן ג'אנג על עזרתה בהקלטה ועריכה של הסרטון.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
3.5 mL, open-top thickwall polycarbonate tubeBeckman Coulter349622For gradient centrifugation (synaptosome prep)
Alexa Fluor 647 PhalloidinThermo Fisher ScientificA22287F-actin specific ligand
Antibody against  b-actinSanta Cruz BiotechnologySc-47778For evaluation of total actin levels by immunoblotting
Antibody against GAPDHAbcamAb181602For evaluation of GAPDH levels by immunoblotting
Bio-Rad Protein Assay Dye Reagent ConcentrateBio-Rad5000006Bradford based protein estimation
Calcium chloride dihydrate (CaCl2·2H2O)Sigma-AldrichC3306Krebs buffer component
cOmplete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor CocktailSigma-Aldrich4693159001For inhibition of endogenous protease activity during sample preparation
Corning 96-well Clear Flat Bottom PolystyreneCorning3596For light-scattering measurements
D-(+)-GlucoseSigma-AldrichG8270Krebs buffer component
Dimethyl sulfoxideSigma-AldrichD5879Solvent for phalloidin and latrunculin A
Fluorescent flatbed scanner (Odyssey Infrared Scanner)Li-Cor BiosciencesFor detection of immunoreactive signals on immunoblots
Glutaraldehyde solution (25% in water) Grade IISigma-AldrichG6257Fixative
HEPESSigma-AldrichH3375Buffer ingredient for sample preparation and Krebs buffer component
Latrunculin ASigma-AldrichL5163Depolymerizer of actin filaments
Magnesium chloride hexahydrate (MgCl2·6H2O)Sigma-AldrichM2670Krebs buffer component
Microplates
Mitex membrane filter 5 mmMilliporeLSWP01300Preparation of synaptoneurosomes
Nunc F96 MicroWell Black PlateThermo Fisher Scientific237105For fluorometric measurements
Nylon net filter 100 mmMilliporeNY1H02500Preparation of synaptoneurosomes
Phosphatase Inhibitor Cocktail IVAbcamab201115For inhibition of endogenous phosphatase activity during sample preparation
Potassium chloride (KCl)Sigma-AldrichP9541Krebs buffer component and for depolarization of synaptic terminals
Potassium phosphate monobasic ((KH2PO4)Sigma-AldrichP9791Krebs buffer component
Sodium borohydride (NaBH4)Sigma-Aldrich71320Component of Permeabilization buffer
Sodium chloride (NaCl)LabServ (Thermo Fisher Scientific)BSPSL944Krebs buffer component
Sodium hydrogen carbonate (NaHCO3)LabServ (Thermo Fisher Scientific)BSPSL900Krebs buffer component
SpectraMax i3xMolecular DevicesFor fluorometric measurements
SucroseFisher ChemicalS/8600/60Buffer ingredient for sample preparation
Swimnex Filter HolderMilliporeSx0001300Preparation of synaptoneurosomes
Tissue grinder 5 mL Potter-ElvehjemDuran Wheaton Kimble358034For tissue homogenization
Triton X-100Sigma-AldrichX100Component of Permeabilization buffer
Trizma baseSigma-AldrichT6066Buffer ingredient for sample preparation

References

  1. Penzes, P., Rafalovich, I. Regulation of the actin cytoskeleton in dendritic spines. Advances in Experimental Medicine and Biology. 970, 81-95 (2012).
  2. Venkatesh, K., Mathew, A., Koushika, S. P. Role of actin in organelle trafficking in neurons. Cytoskeleton. 77 (3-4), 97-109 (2020).
  3. Shirao, T., González-Billault, C. Actin filaments and microtubules in dendritic spines. Journal of Neurochemistry. 126 (2), 155-164 (2013).
  4. Bertling, E., Hotulainen, P. New waves in dendritic spine actin cytoskeleton: From branches and bundles to rings, from actin binding proteins to post-translational modifications. Molecular and Cellular Neuroscience. 84, 77-84 (2017).
  5. Bellot, A., et al. The structure and function of actin cytoskeleton in mature glutamatergic dendritic spines. Brain Research. 1573, 1-16 (2014).
  6. Wolf, M., et al. ADF/Cofilin controls synaptic actin dynamics and regulates synaptic vesicle mobilization and exocytosis. Cerebral Cortex. 25 (9), 2863-2875 (2015).
  7. Morales, M., Colicos, M. A., Goda, Y. Actin-dependent regulation of neurotransmitter release at central synapses. Neuron. 27 (3), 539-550 (2000).
  8. Doussau, F., Augustine, G. J. The actin cytoskeleton and neurotransmitter release: An overview. Biochimie. 82 (4), 353-363 (2000).
  9. Sakaba, T., Neher, E. Involvement of actin polymerization in vesicle recruitment at the calyx of held synapse. Journal of Neuroscience. , (2003).
  10. Lee, J. S., Ho, W. K., Lee, S. H. Actin-dependent rapid recruitment of reluctant synaptic vesicles into a fast-releasing vesicle pool. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2012).
  11. Rust, M. B., et al. Learning, AMPA receptor mobility and synaptic plasticity depend on n-cofilin-mediated actin dynamics. EMBO Journal. 29, 1889-1902 (2010).
  12. Bosch, M., et al. Structural and molecular remodeling of dendritic spine substructures during long-term potentiation. Neuron. 82, 444-459 (2014).
  13. Hanley, J. G. Actin-dependent mechanisms in AMPA receptor trafficking. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 381 (2014).
  14. Kasai, H., Fukuda, M., Watanabe, S., Hayashi-Takagi, A., Noguchi, J. Structural dynamics of dendritic spines in memory and cognition. Trends in Neurosciences. 33, 121-129 (2010).
  15. Terman, J. R., Kashina, A. Post-translational modification and regulation of actin. Current Opinion in Cell Biology. 25 (1), 30-38 (2013).
  16. Wilson, C., Terman, J. R., González-Billault, C., Ahmed, G. Actin filaments-A target for redox regulation. Cytoskeleton. 73, 577-595 (2016).
  17. Borovac, J., Bosch, M., Okamoto, K. Regulation of actin dynamics during structural plasticity of dendritic spines: Signaling messengers and actin-binding proteins. Molecular and Cellular Neuroscience. 91, 122-130 (2018).
  18. Saneyoshi, T., Hayashi, Y. The Ca2+ and Rho GTPase signaling pathways underlying activity-dependent actin remodeling at dendritic spines. Cytoskeleton. 69 (8), 545-554 (2012).
  19. Mizuno, K. Signaling mechanisms and functional roles of cofilin phosphorylation and dephosphorylation. Cellular Signalling. 25 (2), 457-469 (2013).
  20. Dos Remedios, C. G., et al. Actin binding proteins: Regulation of cytoskeletal microfilaments. Physiological Reviews. 83 (2), 433-473 (2003).
  21. Bamburg, J. R., Bernstein, B. W. Actin dynamics and cofilin-actin rods in Alzheimer disease. Cytoskeleton. 73 (9), 477-497 (2016).
  22. Penzes, P., VanLeeuwen, J. E. Impaired regulation of synaptic actin cytoskeleton in Alzheimer's disease. Brain Research Reviews. 67 (1-2), 184-192 (2011).
  23. Pelucchi, S., Stringhi, R., Marcello, E. Dendritic spines in Alzheimer's disease: How the actin cytoskeleton contributes to synaptic failure. International Journal of Molecular Sciences. 21 (3), 908 (2020).
  24. Kounakis, K., Tavernarakis, N. The Cytoskeleton as a Modulator of Aging and Neurodegeneration. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1178, 227-245 (2019).
  25. Nishiyama, J. Plasticity of dendritic spines: Molecular function and dysfunction in neurodevelopmental disorders. Psychiatry and Clinical Neurosciences. 73 (9), 541-550 (2019).
  26. Michaelsen-Preusse, K., Feuge, J., Korte, M. Imbalance of synaptic actin dynamics as a key to fragile X syndrome. Journal of Physiology. 596 (14), 2773-2782 (2018).
  27. Hensel, N., Claus, P. The Actin Cytoskeleton in SMA and ALS: How Does It Contribute to Motoneuron Degeneration. Neuroscientist. 24 (1), 54-72 (2018).
  28. Kommaddi, R. P., et al. Aβ mediates F-actin disassembly in dendritic spines leading to cognitive deficits in alzheimer's disease. Journal of Neuroscience. 38 (5), 1085-1099 (2018).
  29. Kommaddi, R. P., et al. Glutaredoxin1 Diminishes Amyloid Beta-Mediated Oxidation of F-Actin and Reverses Cognitive Deficits in an Alzheimer's Disease Mouse Model. Antioxidants and Redox Signaling. 31 (18), 1321-1338 (2019).
  30. Bernstein, B. W., Bamburg, J. R. Cycling of actin assembly in synaptosomes and neurotransmitter release. Neuron. 3 (2), 257-265 (1989).
  31. Sapan, C. V., Lundblad, R. L., Price, N. C. Colorimetric protein assay techniques. Biotechnology and applied biochemistry. 29 (2), 99-108 (1999).
  32. Kolodziej, A., et al. High resolution quantitative synaptic proteome profiling of mouse brain regions after auditory discrimination learning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54992 (2016).
  33. Byun, Y. G., Chung, W. S. A novel in vitro live-imaging assay of astrocyte-mediated phagocytosis using pH indicator-conjugated synaptosomes. Journal of Visualized Experiments. (132), e56647 (2018).
  34. Chmielewska, J. J., Kuzniewska, B., Milek, J., Urbanska, K., Dziembowska, M. Neuroligin 1, 2, and 3 Regulation at the Synapse: FMRP-Dependent Translation and Activity-Induced Proteolytic Cleavage. Molecular Neurobiology. 56 (4), 2741-2759 (2019).
  35. Kuzniewska, B., Chojnacka, M., Milek, J., Dziembowska, M. Preparation of polysomal fractions from mouse brain synaptoneurosomes and analysis of polysomal-bound mRNAs. Journal of Neuroscience Methods. 293, 226-233 (2018).
  36. Fischer, M., Kaech, S., Knutti, D., Matus, A. Rapid actin-based plasticity in dendritic spines. Neuron. 20 (5), 847-854 (1998).
  37. Caesar, M., Felk, S., Aasly, J. O., Gillardon, F. Changes in actin dynamics and F-actin structure both in synaptoneurosomes of LRRK2(R1441G) mutant mice and in primary human fibroblasts of LRRK2(G2019S) mutation carriers. Neuroscience. 284, 311-324 (2015).
  38. Star, E. N., Kwiatkowski, D. J., Murthy, V. N. Rapid turnover of actin in dendritic spines and its regulation by activity. Nature Neuroscience. 5, 239-246 (2002).
  39. Okamoto, K. I., Nagai, T., Miyawaki, A., Hayashi, Y. Rapid and persistent modulation of actin dynamics regulates postsynaptic reorganization underlying bidirectional plasticity. Nature Neuroscience. 7, 1104-1112 (2004).
  40. Bernstein, B. W., Dewit, M., Bamburg, J. R. Actin disassembles reversibly during electrically induced recycling of synaptic vesicles in cultured neurons. Molecular Brain Research. 53 (1-2), 236-250 (1998).
  41. Ahmad, F., Liu, P. Synaptosome as a tool in Alzheimer's disease research. Brain Research. 1746, 147009 (2020).
  42. Ahmad, F., et al. Isoform-specific hyperactivation of calpain-2 occurs presymptomatically at the synapse in Alzheimer's disease mice and correlates with memory deficits in human subjects. Scientific Reports. 8 (1), 13119 (2018).
  43. Ahmad, F., et al. Reactive Oxygen Species-Mediated Loss of Synaptic Akt1 Signaling Leads to Deficient Activity-Dependent Protein Translation Early in Alzheimer's Disease. Antioxidants and Redox Signaling. 27 (16), 1269-1280 (2017).
  44. Ahmad, F., et al. Developmental lead (Pb)-induced deficits in redox and bioenergetic status of cerebellar synapses are ameliorated by ascorbate supplementation. Toxicology. 440, 152492 (2020).
  45. Ahmad, F., Salahuddin, M., Alsamman, K., Herzallah, H. K., Al-Otaibi, S. T. Neonatal maternal deprivation impairs localized de novo activity-induced protein translation at the synapse in the rat hippocampus. Bioscience Reports. 38 (3), 0118 (2018).
  46. Ahmad, F., Salahuddin, M., Alsamman, K., Almulla, A. A., Salama, K. F. Developmental lead (Pb)-induced deficits in hippocampal protein translation at the synapses are ameliorated by ascorbate supplementation. Neuropsychiatric Disease and Treatment. 14, 3289-3298 (2018).
  47. Melak, M., Plessner, M., Grosse, R. Actin visualization at a glance. Journal of Cell Science. 130 (3), 525-530 (2017).
  48. Adams, A. E. M., Pringle, J. R. Staining of actin with fluorochrome-conjugated phalloidin. Methods in Enzymology. 194, 729-731 (1991).
  49. Belin, B. J., Goins, L. M., Mullins, R. D. Comparative analysis of tools for live cell imaging of actin network architecture. BioArchitecture. 4 (6), 189-202 (2014).
  50. Wulf, E., Deboben, A., Bautz, F. A., Faulstich, H., Wieland, T. Fluorescent phallotoxin, a tool for the visualization of cellular actin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 76, 4498-4502 (1979).
  51. Taffarel, M., de Souza, M. F., Machado, R. D., de Souza, W. Localization of actin in the electrocyte of Electrophorus electricus L. Cell and Tissue Research. 242, 453-455 (1985).
  52. Glebov, O. O. Distinct molecular mechanisms control levels of synaptic F-actin. Cell Biology International. 44 (1), 336-342 (2020).
  53. Dancker, P., Löw, I., Hasselbach, W., Wieland, T. Interaction of actin with phalloidin:. Polymerization and stabilization of F-actin. BBA - Protein Structure. , (1975).
  54. Lengsfeld, A. M., Löw, I., Wieland, T., Dancker, P., Hasselbach, W. Interaction of phalloidin with actin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 71 (7), 2803-2807 (1974).
  55. Coluccio, L. M., Tilney, L. G. Phalloidin enhances actin assembly by preventing monomer dissociation. Journal of Cell Biology. 99, 529-535 (1984).
  56. Colicos, M. A., Collins, B. E., Sailor, M. J., Goda, Y. Remodeling of synaptic actin induced by photoconductive stimulation. Cell. 107 (5), 605-616 (2001).
  57. Lemieux, M. G., et al. Visualization of the actin cytoskeleton: Different F-actin-binding probes tell different stories. Cytoskeleton. 71, 157-169 (2014).
  58. Bubb, M. R., Senderowicz, A. M. J., Sausville, E. A., Duncan, K. L. K., Korn, E. D. Jasplakinolide, a cytotoxic natural product, induces actin polymerization and competitively inhibits the binding of phalloidin to F-actin. Journal of Biological Chemistry. , (1994).
  59. Holzinger, A. Jasplakinolide: an actin-specific reagent that promotes actin polymerization. Methods in molecular biology. 269, 14869-14871 (2009).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

172F actinA

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved