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ここでは、初期産後マウスの皮質に移植された皮質間ニューロン前駆体の活性を操作するために化学遺伝学的ツールを使用するように設計されたプロトコルを提示する。
神経の発達は、環境因子と遺伝的要因の複雑な組み合わせによって調節される。各成分の相対的な寄与度を評価することは複雑な作業であり、γ-アミノブチル酸(GABA)作動性皮質間ニューロン(CI)の開発に関しては特に困難である。CIsは大脳皮質の主な抑制性ニューロンであり、個々のピラミッド型ニューロンの活性と神経アンサンブルの振動挙動の両方を調節することによって、ニューロンネットワークにおいて重要な役割を果たします。それらは、子宮エレクトロポレーションアプローチで使用して効率的に標的化することが非常に困難である一過性胚構造(中間および間神経節の発現-MGEおよびCGE)で生成される。インターニューロン前駆体は、皮質回路に統合される前に、通常の胚発生時に長距離を移動します。開発中のネットワークに分散して統合するこの驚くべき能力は、胎児間ニューロン前駆体を出生後早期の宿主皮質に移植することによってハイジャックされうる。ここでは、焦点外生体エレクトロポレーションを用いて胚間ニューロン前駆体の遺伝子改変を可能にするプロトコルを提示する。これらの工学的なニューロン間前駆体は、出生後早期の宿主皮質に移植され、容易に識別可能なCIに成熟する。このプロトコルは、複数の遺伝的にコードされたツールの使用、または細胞間前駆体における特定の遺伝子の発現を調節する能力を、遺伝的変数または環境変数が成熟に及ぼす影響を調べることを可能にする。Cの統合。
ニューロンネットワークの機能は、興奮性投影ニューロンと阻害性インターニューロンのバランスのとれた補体の存在に依存しています。皮質間ニューロン(CI)は哺乳類皮質中のすべてのニューロンの20%しか表さないが、その数または機能の欠損は神経発達障害1、2の病因において重要な役割を果たすと考えられている。CIの開発の研究は、CIがアクセスしにくい一時的な胚構造で生成され、それらはpalliumに到達し、成熟した解剖学的および生理学的に発達する前に長い接線移行に従うので、困難です。プロパティ3.遺伝的および環境的メカニズムの両方がCIの発達を調節することが知られているが、複数の因子の相対的な寄与を研究することは困難であることが証明されている。
CI開発における多くの洞察は、神経節の高虫5,6から前駆体を単離した後、インビトロ培養システムを用いて得られた。これらの方法の大きな利点の1つは、単離された前駆子にラベルを付け、遺伝的に改変し、細胞自律的な変化を検出するために、その分化に詳細に従う可能性です。ただし、これらの方法では、開発中のインターニューロンとアクティブなネットワークとの相互作用に関する情報を提供することはできません。我々は、改変された前駆体を早期出生後皮質に移植することによって、これらのプロトコルを適応させた。胚性神経節の発現から単離されたニューロン間前駆体は、皮質7、8への移植時に生存、分散、宿主ネットワークへの統合を可能にする。この方法は、遺伝的マウスモデルにおけるてんかん発作の重症度を減少させるために用いられており、異なる神経発達障害9、10に対する可能な新しい治療法として提案されている。前のプロトコルは、移植11の前にウイルスベクターでこれらの前駆体をトランスデュースする手順を説明する。ここで説明するプロトコルは、ニューロン間の遺伝的修飾も可能ですが、ウイルスベクターの作成を必要とせず、プラスミドDNAのみを必要とし、柔軟性を大幅に向上させます。いくつかの研究は、結節性神経節(CGE)12における神経細胞間前駆体を遺伝的に改変するために子宮エレクトロポレーションで使用することに成功したと報告したが、この方法は再現が非常に困難であることが証明されている。
代表的な結果セクションでは、移植されたCIにおいてデザイナー薬(DREADDs13)によって排他的に活性化されるデザイナー受容体を発現するこの方法の使用を例示し、最近の出版物14で使用した方法である。ヒトコリン作動性受容体CHRM3に基づく工学的受容体であるhM3D(Gq)を発現し、その特異的リガンドクロザピン-N-オキシド(CNO)と結合しない限り、神経機能に影響を与えない。CNO投与は、細胞を発現するhM3D(Gq)の活性化を選択的にトリガする。この方法を用いて、細胞の自律化と一過性脱分極が、開発14の間にCIのアポトーシスを防ぐのに十分であることを示した。異なる遺伝的にコード化されたツールと組み合わせることで、このプロトコルは、遺伝子発現をアップまたはダウンレギュレートし、ニューロン間分化の異なる段階における細胞活性を可視化または操作する可能性を有する。
動物は、英国動物法(科学的手続き)法(1986年)に従って飼育され、飼育された。
注:pCAGGs-hM3D(Gq)-IRES-RFPコンストラクトの生成のために、hM3D(Gq)配列を含むSalI-StuIフラグメントはプラスミド50463(Addgene)から単離され、発現ベクターpCAGG-RFP(F.ギルモットからの贈り物)に挿入された。XhoI-エコルフ
1. マウス胚皮質スライスの調製
2. 急性脳スライスエレクトロポレーション
3. 細胞移植片の調製
4. 頭蓋内注射
注:以下の手続きは、アニマルハウス施設内の手続き室で行われます。細胞は脳を露出させることなく新生児の子犬の脳に直接注入されるので、無菌状態は70%EtOH溶液で作業スペースを殺菌し、オートクレーブガラス針を使用することによって保たれます。頭蓋内注射には、1)明視野解剖ステレオ顕微鏡、2)マイクロインジェクター、3)マウス回復用の加熱パッドが必要です。
5. クロザピン-N酸化物注射
ここで提示した手順を用いて、出生後初期の皮質間ニューロンの生存が細胞自律的な方法での活動によって調節されるかどうかを試験した。pCAGGs-IRES-GFP(対照)とpCAGGs-hM3D(Gq)-IRES-RFP発現ベクターを用いて、3つの脳スライスエレクトロポレーション実験(12~16胚[E14.5胚])を、各構築物に対して1μg/μLの濃度で行いました。私たちのエレクトロポレーション実験では、ほんの一部(約50%;図 3)GFP+ニューロンの共発現hM3D(RfP+)の、したがってGFP+RFP-集団はDREADDリガンドの効果のための内部制御として役立った。トランスフェクトされた皮質胚間ニューロンを機械的に解離し、得られた細胞懸濁液(8 x 105細胞/μL)をP0-P1野生型マウスの皮質に移植した。脳1人当たり6つの注射を行いました。各実験では、少なくとも6つの新生の子犬が注入された。CNOの投与は、活動依存性タンパク質cFosの発現によって実証されるように、トランスフェクトRFP+細胞の活性を選択的に増加させた(図4)。記載されたプロトコルに従ったCNO処理(1日2回P14-P17を投与)は、GFP+RFP+に対するGFP+RFP+細胞に対する割合の増加をもたらし、車両と比較して(生理食べ物中の0.5%DMSO) 管理されたリッターメイト(図5)。
図1:急性エレクトロポレーション実験に用いられる代表的なテレンスファリックスライス。(A-C)3つの異なるシーケンシャルロストロカウダルレベルで得られたテレンスファリックスライスは、4',6-ダイアミディーノ-2-フェニリンドール(DAPI)で染色した。LGE: 横性神経節の卓越性;MGE: 中間神経節のエミレンス;CGE: 思春期の神経節の発現。スケールバー = 200 μm。黄色のアスタリスクは、各スライスのエレクトロポレーション部位を示します。白い線は神経節の優位性の端を示します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: 実験ワークフローの概略図。(A)マウス脳スライスは適切な構成で電気的にされ、(B)12時間修飾皮質間ニューロン(CI)前駆体が単離され、(C)新生児マウスの子犬のパリウムに移植された(P0−P2)。未熟なCIの活性を修飾するために、細胞移植を受けたP14匹の子犬は、提示されたプロトコルに従って4日間CNOまたは車両を注入した。(A')急性マウス脳スライスエレクトロポレーションセットアップの写真。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3:代表的な急性スライスエレクトロポレーション実験に成功。(A) PCAGGs-IRES-GFP(GFP)とpCAGGs-hM3D(Gq)-IRES-RFP(RFP)プラスミドを共にCGEにトランスフェクトしたE14.5胚脳の代表的な冠状セクションを12時間培養した。このセクションは、GFP(A、B、C)およびRFP(A、B、D)に対して免疫染色されている。パネルAのボックス化された領域は、蛍光レポーター(B)、GFP(C)およびRFPのみ(D)の両方の発現を示すために拡大される。白い線は神経節の優位性の端を示します。B-D:同じ写真、異なるチャンネルまたは2つの異なるチャンネルの組み合わせ。スケールバー = 200 μm (A)、100 μm (B-D)。この図は、Denaxa ら14.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:CNO投与時のM3D(Gq)発現移植CIsの活性の細胞自律的増加。(A-D)P1で移植されたP17マウスの冠状動脈部の代表的な共焦点画像は、pCAGGs-IRES-GFP(GFP)とpCAGGs-hM3D(Gq)-IRES-RFP(RFP)プラスミドの両方でトランスフェクトされ、CNOで処理されたCI前駆体を有する。このセクションは、GFP (A)、RFP (B)、および cFos (C) に対して免疫染色されています。(D) A、BおよびC免疫蛍光(コンボ)の組み合わせ画像。なお、両方のプラスミド(A-Dの白い矢印)を共発現するCIのみが、対GFPプラスミド(A-Dの黄色の矢印)のみを発現するCIと比較してcFos+である。(E)P1で移植したP17マウスのpalliumに見られるcFos+RFP+細胞の定量(全RFP+集団に正規化)を車両またはCNO(N=2)で処理した。 A-D:同じ写真、異なるチャンネル、または3つの異なるチャンネルの組み合わせ。スケールバー = 50 μm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5:細胞自律的に増加するCIsの活性は生存を高める.(A-D)PCAGGs-IRES-GFP(GFP)とpCAGGs-hM3D(GFP)-IRES-RFP(RFP)プラスミドおよび処理された車両(A-B)の両方でトランスフェクトされたCI前駆体を有するP0-P2で移植されたP17マウスの体感覚皮質冠状の代表的な共焦点画像(C-D)。(E)P0-P2で移植したP17マウスの前脳に見られるRFP+細胞の定量(GFP+集団全体に正規化)。 RFP+ (車両) = 47% ± 3%、 CNO = 61% ± 3%、p = 0.01、学生の対サンプル t 検定、n = 3 車両および 3 CNO、脳あたりの最小 150 細胞数。AとB:同じ写真、異なるチャンネル。CとD:同じ写真、異なるチャンネル。スケールバー = 50 μm.この図は、Denaxa ら14.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
表 1: このプロトコルで使用されるメディアに関する追加情報。
ここでは、CI前駆体の活性を遺伝的に改変してCI成熟に及ぼす影響、および/または活動変調されたCIが統合皮質の組み立て/機能に及ぼす影響を研究するために、広くアクセス可能な方法論を説明する。回路。
過去には、私たち自身を含むいくつかの研究室は、投影ニューロン6を遺伝的に改変するために子宮エレクトロポレーション実験を行っていた。しかし、CI前駆体を含む神経節の発現に対する子宮エレクトロポレーションは、電気伝導経路の問題のために非常に困難である。この問題を解決するために、少数のラボが超音波誘導注射を行い、それに続いてエレクトロポレーションを行っています。このプロトコルは、科学コミュニティの大半がアクセス可能なこれらの方法論に代わるものです。
このプロトコルの最も困難な側面の1つは、通常、目盛り解析が行われる場合(実験設計に非常に依存するが、通常はP17より古い)、宿主皮質で生き残る細胞の数を成熟段階まで最大化することである。調査者が注意すべき3つの重要なステップがあります:(1)エレクトロポレーションの効率。これは、DNAプラスミドの純度を確保することによって最大化することができます。この手順には、高品質のDNAプラスミド(A260/A280比1.9~2.0)のみを使用してください。塩化セシウムDNA精製を用いることで、このような高品質なDNA製剤を得ます。もう一つの重要な要因は、目的の遺伝子の発現を駆動するプロモーターです。我々は、鶏b-アクチンプロモーターから成るpCAGGベクターが非常に強力であり、エレクトロポレーション効率を劇的に高めることができることを見出した。(2) 開始ドナー胚の数。同じ段階の胚の多数(12-16)が電気的であることを確認することが重要です。この数は、より多くの実験者が胚の解剖と断面を一緒に行っている場合、胚皮質スライスが得られ、電気的に、できるだけ早くインキュベーターに移ることが重要である場合に増加させることができる。(3)成熟期まで移植細胞生存の可能性が高いことを確認するために、各子犬に大量の細胞を注入することが重要です。さらに、低密度細胞製剤は細胞と培地との不均一な混合を引き起こし、移植された脳に有意な変動を生じるため、移植が成功する可能性が劇的に向上します15.
ここで説明するプロトコルは、細胞自律的な方法でCI生存を調節する活動の役割を調査するために調整された。CNO注射を行うためのP14-P17時間枠は、公開されたデータに従って特異的に選択され、移植されたCI前駆子の細胞死のピークがこの期間16の間に起こることを示す。したがって、この時間枠またはCNO注射の頻度は、他の細胞型または脳領域に当てはまらず、研究者は特定の実験目的に従ってこれらのパラメータを調整する必要があります。最後に、ここでは、CIの頭蓋内注射に関する方法論は、P0-P5の子犬に対してのみ実行可能です(マウスラインの背景にも依存します)。原則として、P5上の任意の注射は、頭蓋骨15の間引きまたは除去を必要とします。
このプロトコルの主な利点の 1 つは、新しい遺伝子組み換えツールを使用して、異なる分化のさまざまな段階で、開発中のネットワークに統合する際に、シスの活動を視覚化または操作する機能です。新しい遺伝的にコードされた電圧およびカルシウムセンサー、ならびに新しい化学遺伝学および光遺伝学的ツールの発見のペースで、このプロトコルは、研究者がAddgeneなどのプラスミドリポジトリにリリースの数週間以内にそれらを使用することを可能にします。
著者は何も開示していない。
この作品は、ERCスターターグラント(282047)、ウェルカムトラスト調査賞(095589/Z/11/Z)、FP7 EC DESIRE助成金、JBリスター研究所賞の支援を受けました。V.P.の研究室での仕事はBBSRC(BB/L022974/1)、英国医学研究評議会(MRC)、フランシス・クリック研究所(MRC、がん研究英国、ウェルカム・トラストから資金を受け取る)によって支えられています。M.D.ラボでの研究は、ギリシャの研究を支援する財団のイニシアチブの一環として、スタブロス・ニアルコス財団からB.S.R.C.「アレクサンダー・フレミング」への助成金を通じて可能になりました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Medium/Supplements | |||
B-27 | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 175040-044 | |
DMEM/F12 | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 21331-020 | |
DNAse | SIGMA | DN15-100MG | |
FBS | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 10270-098 | |
100x Glutamine | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 35050-061 | |
L15 | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 11415-049 | |
MEM alpha, GlutaMAX | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 32561-029 | |
Neurobasal medium | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 21103-049 | Neuron basic medium |
100x P/S | GIBCO (ThermoFisher Scientific) | 15140-122 | |
Equipment | |||
Electroporator | BTX | ECM 830 generator | |
Injector for acute slice electroporation | Eppendorf | FemtoJet Microinjector | |
Injector for cell transplantation (I) | Visual Sonics | Vevo Injector System | |
Injector for cell transplantation (II) | WPI | NANOLITER2010 | |
Magnetic Stand | WPI | M10L Magnetic Stand | |
Kite Manual Micromanipulator | WPI | KITE-M3-R | |
Platinum Elecrode (I) | Protech International Inc. | CUY-700-1 | |
Platinum Elecrode (II) | Protech International Inc. | CUY-700-2 | |
Steel Base Plate | WPI | 5479 | |
Vibratome | Leica | VT1200S | |
Other Material | |||
Glass capillaries for electroporation | VWR | 1B100-4 | |
Glass capillaries for cell transplantation | Visual Sonics | provided by Visual Sonics | |
Nuclepore 8 µm whatman membrane | SLS | 110414 | |
Organ tissue culture dishes | BD Biosciences (Falcon) | 353037 |
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