Name: real-time imaging of axonal transport of quantum dot-labeled bdnf in primary neurons
Uploaded: 2014-09-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Real-time Imaging of Axonal Transport of Quantum Dot-labeled BDNF in Primary Neurons at JoVE.com

우리는 기술 지원을 왕위 (바오로) 후진타오, 레이첼 Sinit에게 감사의 말씀을 전합니다. 이 연구는 NIH 보조금 (PN2의 EY016525)에 의해 및 다운 증후군 연구 및 치료 재단과 래리 L. Hillblom 재단에서 자금을 지원합니다.

수술과 동물의 절차는 관리에 대한 NIH 지침 및 실험 동물의 사용에 따라 엄격하게 수행된다. 동물의 사용과 관련된 모든 실험은 UCSD 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인됩니다. 1 플라스미드 복제, 모노 - 비오틴 BDNF의 발현과 정제 (mBtBDNF) 참고 : HEK293FT 셀 (10)의 한 pcDNA3.1 벡터와 같이 발현에 사전 proBDNFavi과 피라의 cDNA를 구축합니다. mBtBDNF 성숙 및 생물학적 활성 monobiotinylated 신경 성장 인자 (mBtNGF) (10)의 제조 이전에 발행 방법에있어서의 Ni-NTA 비드를 사용하여 정제 하였다. 미세 유체 챔버의 2 준비 신경 미세 배양 장치는 유체 적 신경 세포체에서 축삭을 분리하는 것을 가능하게한다. 바로 각 해부하기 전에 갓 코팅 된 커버와 챔버를 조립합니다. 사용되는 미세 유체 챔버이 프로토콜에서 상업적으로 (재료 및 장비의 표 참조) 구입. 핸드 워시와 5-6x까지 다시 상업적으로 구입 한 실. <ol><li> 손세탁 1 % Alconox에서 미세 유체 챔버. 30 분마다 밀리-Q 물로 3 회 씻어. 70 % 에탄올에 다시 손 세척 챔버. </li><li> 층류 후드에서 파라 필름에 건조 챔버를 배치. 방출 및 UV 하에서 20 분 동안 챔버의 양측 소독. 쇼핑몰 실온에서 파라 필름으로 밀봉 멸균 15cm 접시에 멸균 챔버. </li><li> 유리 용기에 24 X 40mm 1 위 유리 커버 슬립을 놓습니다. 밤새 회에 35 % 염산 산에서 커버 슬립을 적 십니다. 다음 날, 30 분 물 각각에 대한 커버 슬립을 세 번 헹군다. </li><li> 100 % 에탄올로 각각의 커버 슬립을 침지하고 분젠 버너 위에 불타는하여 커버 슬립을 하나씩 소독. 멸균 페트리 접시에 건조 된 커버를 저장하고 코팅까지 실온에서 보관하십시오. </li><li> OU를 놓는다15cm 배양 접시에 커버 슬립을 t. 코트 0.01 % 폴리-L-라이신 (PLL)의 0.7 ml의 각각과 커버 슬립을 실온에서 배양 후드. </li><li> 1 시간 후, 커버 슬립에게 멸균 수로 3 회 씻어. 6cm의 배양 접시에 진공과 장소 각 coverslip에 건조 된 커버. </li><li> 미세 유체 챔버를 조립하기 위해, 마이크로 그루브를 만지지 않도록주의 PLL 코팅 된 커버 슬립 위에 하단에 마이크로 그루브면이 챔버를 배치합니다. 부드럽게 챔버는 단단히 밀봉 된 보장하기 위해 피펫 팁과 챔버를 눌렀습니다. </li></ol> 챔버에 3의 연결을 문화의 해부 및 플레이트 <ol><li> 1 % 펜 / 패 혈성 및 10 mM의 HEPES 2 ㎖의 해부 버퍼 (HBSS, 아니 칼슘, 아니 마그네슘을 포함하는 15 ML 원뿔 튜브에 해부 두 E17-E18 쥐의 해마 (뇌의)를 배치합니다. 조직을 5 ㎖로 3 배 씻어 해부 최대한 해부 버퍼를 제거합니다. 때마다 버퍼와 신선한 디의 900 μl를 추가ssection 버퍼입니다. </li><li> , 조직을 소화 1X 작업 농도를 확인하기 위해 해부 버퍼에 10 배 트립신 (2.5 %)의 100 μl를 추가합니다. 37 ° C의 물을 욕조에 원뿔 튜브를 놓습니다. 소화 10 분 후, 1 ㎎ / ㎖의 주위에 최종 농도 10 ㎎ / ㎖의 DNase I의 100 μl를 추가합니다. </li><li> 화재 연마 파스퇴르 유리 피펫을 사용하여 부드럽게 아래로 5-10x 피펫 팅에 의해 조직을 씹다. 오른쪽 분쇄 한 후, (10 % FBS, 2 mM의 GlutaMax, 2 % B27와 Neurobasal) 평판 배지 2 ㎖의 트립신으로 급랭. </li><li> 바닥에 정착하기 위해 조직의 파편을 할 수 있도록 5 분 동안 후드 샘플을 둡니다. 조심스럽게 펠릿 세포 5 분 동안 200 XG에 깨끗한 무균 15 ML 원뿔 튜브와 원심 분리기로 상층 액 2 ㎖를 제거합니다. 50 ㎕의 도금 미디어에서 펠렛을 재현 탁 </li><li> 혈구와 세포를 계산합니다. 로드 미세 유체 챔버의 한 구획에 15 ~ 20 ㎕의 세포 현탁액 (~ 40,000 세포). 챔버를 배치배양기에서 10 분 세포가 커버 슬립에 첨부 할 수 있도록합니다. 10 분 후, 챔버의 두 구획을 채우기 위해 더 도금 미디어를 추가 할 수 있습니다. </li><li> 해부의 두 번째 날, 완전히 세포체와 축삭 구획 모두 (2 mM의 GlutaMax, 2 % B27와 Neurobasal) 유지 보수 매체와 도금 미디어를 교체합니다. 해마 신경 세포의 축삭은 3 일에 마이크로 그루브를 건너 일 5-7 사이의 축삭 구획에 도달하기 시작합니다. 이 기간 동안, 보수 신선한 매체 매 24 ~ 48 시간 배양하여 매체의 절반을 대체. </li></ol> QD-BDNF의 4 축삭 전송 <ol><li> , QD-BDNF 축삭 수송의 영상을 살고있는 마이크로 유체 챔버의 세포체와 축삭 구획 모두에서 BDNF 고갈에 앞서 철저히하여 2 시간 동안 BDNF-무료, 무 혈청 Neurobasal 매체 매 30 분 간격으로 두 구획을 씻어. </li><li> BDNF 고갈 동안, QD-BDNF 접합체를 준비합니다. 모노 - 바이오틴 BD의 50 nm의 혼합NF의 neurobasal 매체에서 50 nM의 스트렙 타비 딘 - 컨쥬 게이트 QD655와 다이머 및 60 분 동안 얼음 위에서 배양한다. </li><li> 축삭 함에서 용지를 제거하고 37 ° C에서 4 시간 동안 0.25 nm의 최종 농도로 300 ㎕의 QD-BDNF를 추가합니다. 세포체 납부에 QD-BDNF의 확산을 최소화하기 위해, 항상 축삭 구획보다 세포체 함의 매체의 높은 수준을 유지하는 것이 매우 중요하다. 라이브 영상 전에 배양 한 후 언 바운드 QD-BDNF를 씻으십시오. </li><li> 100X 오일 대물 렌즈가 장착 된 거꾸로 현미경을 사용하여 QD-BDNF 수송의 라이브 영상을 수행하십시오. 범위 및 일정한 온도 (37 ° C) 및 CO 2 (5 %)에 부착 된 환경 챔버를 따뜻하게. QD655 신호를 시각화하기 위해 텍사스 레드 여기 / 방출 큐브 집합을 사용합니다. </li><li> 획득 및 CCD 카메라를 사용하여 2 분의 1에 대한 전체 프레임 / 초의 속도로 중간 축삭 내의 저속 이미지를 캡처. 더 축삭과 함께 사용 마이크로 그루브 그쪽으로t는 QD 따라서 침투에 대한 제어와 같은 신호가 없다. </li><li> 어떤 화상 해석 소프트웨어 또는 NIH ImageJ에 BDNF를 사용 수송 분석. </li></ol>

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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+sensitivity+of+striatal+neurons+to+axonal+transport+defects+induced+by+mutant+huntingtin.">Enhanced sensitivity of striatal neurons to axonal transport defects induced by mutant huntingtin.</a> The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 28, 13662-13672 (2008).</li><li>Rong, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+intracellular+trafficking+of+huntingtin-associated+protein-1+is+critical+for+TrkA+protein+levels+and+neurite+outgrowth.">Regulation of intracellular trafficking of huntingtin-associated protein-1 is critical for TrkA protein levels and neurite outgrowth.</a> The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26, 6019-6030 (2006).</li></ol>

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

본 연구에서 우리는 생물학적 활성을 생산하는 신규 한 방법의 개발을보고, BDNF의 축삭 수송을 추적하는 데 사용될 수 BDNF (mBtBDNF)를 monobiotinylated. 양자점 스트렙에 단백질 컨쥬 게이트, 및 마이크로 유체 챔버를 사용함으로써, 상기 방법은 하나는 실시간 및 시공간 해상도와 단일 분자 감도 차와 뉴런의 BDNF의 축삭 전송을 검출 할 수있다. 여기에서 사용 된 도구는 건강과 질병에서 신경 세포에서 B...

신경 세포는 고도의 그 긴 종종 고도로 정교한 프로세스 확립 및 신경 회로의 구조와 기능을 유지하기위한 기본이되는 셀을 편광된다. 축삭과 시냅스에서화물을 운반하는 중요한 역할을한다. 소마 세포에서 합성 된 단백질은 신경 세포 소기관 및 기능을 지원하는 시냅스 전 말단에 도달하는 축삭을 통해 전송 될 필요가있다. 대응하여, 신호는 말단 축색 돌기가 형질 도입 될 필요가 수신 및 소마로 반송. 이러한 프로세스는 신경 세포의 생존, 분화 및 유지 관리에 필수적이다. 일부 신경 축삭에서 그 전송을 통해 거리보다 1000 배 세포체의 직경을 수행해야에서 가능성 용이 심지어 작은 결손이 현저하고 신경 회로 기능에 영향을 미칠 수 있다는 것을 구상한다. 뇌 유래 신경 영양 인자 (BDNF), 성장 인자의 뉴로 트로 가족의 일원은, 엄마의 존재해마, 대뇌 피질과 기저 전뇌를 포함하여 뉴욕의 뇌 영역. BDNF는인지 회로에 참여하는 신경 세포의 생존, 분화 및 기능을 지원하여인지와 기억 형성에 중요한 역할을한다. BDNF는 그것이 미토 겐 활성화 단백질 키나아제 / 세포 외 신호 - 조절 된 단백질 키나제 (MAPK / ERK), 포스파티딜 이노시톨 3 - 키나제 포함 TrkB-매개 신호 전달 경로를 활성화 축삭 말단, 수용체, 티로신 키나아제 TrkB에 바인딩 (PI3K) 및 포스 포 리파제 C-감마 (PLCγ). 이러한 신호 전달 경로에 참여하는 단백질은 다음 역행 신경 소마로 이송하는 엔도 좀 1-6 신호 BDNF / TrkB를 형성하는 세포 내 이입 기공 구조에 포장됩니다. 마이크로 유체 문화 실 정상 조건에서뿐만 아니라 부상과 질병 7,8의 설정에서 축삭 생물학 연구를위한 매우 유용한 플랫폼이다. 분리 축삭으로세포 기관에서, 장치는 축삭 8-10에 구체적으로 교통을 연구하는 일을 허용했다. 본 연구에 사용 된 450 μm의 마이크로 그루브 장벽 PDMS 기반의 미세 유체 플랫폼은 상용 (재료 표 참조)을 구입 하였다. BDNF 전송을 조사하기 위해, 우리는 monobiotinylated BDNF (mBtBDNF)를 생산하는 새로운 기술을 개발했다. 우리는 (또한 AviTag라고도 함) 비오틴 수용체 펩타이드, AP를 이용했다. 그것은 특히 대장균 효소 리가 비오틴, 피라 의해 바이오틴에 결찰 될 수 리신 잔기를 포함하는 15 개의 아미노산 서열이다. 우리는 PCR (도 1a)에 의해 마우스 cDNA를 미리 proBDNF의 C-말단에 융합 AviTag. 구조체는 포유류 발현 벡터, 한 pcDNA3.1-myc의 자기 벡터에 클로닝 하였다. 또한 한 pcDNA3.1-myc의 자기 벡터에 피라 세균의 DNA를 클로닝. 두 플라스미드 모두 단백질을 일시적으로 발현하는 HEK293FT 세포로 공동 - 형질 감염시켰다. 피라는 비오의 결찰 촉매특히 라이신이 일에서 BDNF의 C-말단에 AviTag 내에 상주에서 : 1의 비율로 BDNF의 단량체를 monobiotinylated 생성한다. 비오틴은 ~ 18 kDa의 분자량의 BDNF와 성숙 회수 및 Ni-수지 (도 1C)를 사용하여 미디어에서 정제 하였다. (그림 1D)를 발현 수준에 의해 수정되지 않은 BDNF 감지 할 수없는 심판으로 BDNF의 바이오 티 닐화는 완전했다. 스트렙 타비 딘 결합 된 양자점, QD 655는 QD-BDNF를 만들기 위해 mBtBDNF 라벨을 사용 하였다. mBtBDNF이 인산화 TrkB (그림 1E)를 활성화하고 재조합 인간 BDNF (rhBDNF)의 정도에 신경 돌기의 파생물 (그림 1 층)을 자극 할 수 있다는 AviTag의 존재는 BDNF의 활동을 방해하지 않았다. QD-BDNF는 QD-BDNF는 생리 활성 (그림 1G) 인 것을 나타내는, 해마 축삭에서 TrkB와 colocalized 것으로 나타 면역 염색. BDNF 전송을 연구하기 위해, QD-BDNF는 원위부 축삭 구획에 추가쥐 E18 해마 신경 세포 (그림 2A)를 포함하는 마이크로 유체 문화. 축삭 내 QD-BDNF 역행 전송은 적색 형광 태그 (지원 영상 S1, S2)의 실시간 라이브 영상에 의해 체포됐다. 생성 kymograph를 분석함으로써, QD-BDNF는 약 1.06 μM / 초 (도 3a)의 이동 속도로 역행 수송 될 것으로 관찰되었다. GFP 또는 mCherry - 태그 BDNF는 BDNF의 축삭 이동을 추적하는 데 사용되었다. 주요 단점은 단일 분자 연구에 충분히 밝은하지 수 있다는 점을들 수있다. 또한, 선행 성 모두와 역행 BDNF 움직임의 존재 어려운 역행 수송 BDNF는 뉴로 트로 / 수용체 복합체에 참여할지 여부를 평가하기 위해 만든다. 이 비디오에서는, 우리는 차 신경 세포를 사용하여 미세 유체 챔버에서 QD-BDNF의 라이브 인신 매매를 검사하는 데 사용되는 기술을 보여줍니다. ultrabrightness 및 양자점 살려 우수한 광 안정성에스 것이 가능 BDNF 수송의 장기 추적을 수행 할 수 있습니다. 이 기술은 AD, HD, 및 다른 신경 퇴행성 질환에서 축삭의 기능 연구를 향상시키기 위해 이용 될 수있다.

<table><tbody><tr><td>Platinum pfx DNA polymerase&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>11708021</td><td></td></tr><tr><td>EcoRI&amp;nbsp;</td><td>Fermentas</td><td>FD0274</td><td></td></tr><tr><td>BamHI&amp;nbsp;</td><td>Fermentas</td><td>FD0054</td><td></td></tr><tr><td>HEK293FT cells</td><td>Invitrogen</td><td>R70007</td><td></td></tr><tr><td>DMEM-high glucose media</td><td>Mediatech</td><td>10-013-CV</td><td></td></tr><tr><td>D-biotin&amp;nbsp;</td><td>Sigma</td><td>B4639</td><td></td></tr><tr><td>TurboFect&amp;nbsp;</td><td>Fermentas</td><td>R0531</td><td></td></tr><tr><td>PMSF&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Sigma</td><td>P7626</td><td></td></tr><tr><td>Aprotinin</td><td>Sigma</td><td>A6279</td><td></td></tr><tr><td>Ni-NTA resins</td><td>Qiagen</td><td>30250</td><td></td></tr><tr><td>Protease inhibitors cocktail</td><td>Sigma</td><td>&amp;nbsp;S8820</td><td></td></tr><tr><td>Silver staining kit&amp;nbsp;</td><td>G-Biosciences</td><td>786-30</td><td></td></tr><tr><td>Human recombinant BDNF</td><td>Genentech</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Microfluidic chambers</td><td>Xona</td><td>SND450</td><td></td></tr><tr><td>24 x 40 mm No. 1 glass coverslips&amp;nbsp;</td><td>VWR</td><td>48393-060</td><td></td></tr><tr><td>Poly-L-Lysine&amp;nbsp;</td><td>Cultrex</td><td>3438-100-01</td><td></td></tr><tr><td>HBSS</td><td>Gibco</td><td>14185-052</td><td></td></tr><tr><td>DNase I</td><td>Roche</td><td>10104159001</td><td></td></tr><tr><td>Trypsin</td><td>Gibco</td><td>15090-046</td><td></td></tr><tr><td>Neurobasal&amp;nbsp;</td><td>Gibco</td><td>21103-049</td><td></td></tr><tr><td>FBS&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>16000-044</td><td></td></tr><tr><td>GlutaMax&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>35050-061</td><td></td></tr><tr><td>B27&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Gibco</td><td>17504-044</td><td></td></tr><tr><td>QD655-streptavidin conjugates</td><td>Invitrogen</td><td>&amp;nbsp;Q10121MP</td><td></td></tr><tr><td>anti-Avi tag antibody</td><td>GenScript</td><td>A00674</td><td></td></tr><tr><td>streptavidin-agarose beads&amp;nbsp;</td><td>Life Technology</td><td>&amp;nbsp;SA100-04</td><td></td></tr><tr><td>Trichloroacetic acid</td><td>Sigma</td><td>T6399</td><td></td></tr><tr><td>HRP-streptavidin&amp;nbsp;</td><td>Thermo Scientific</td><td>N100</td><td></td></tr><tr><td>anti-pTrkB antibody</td><td>a generous gift from Dr M. Chao of NYU</td><td></td><td></td></tr><tr><td>anti-TrkB antibody</td><td>BD Science</td><td>610101</td><td></td></tr></tbody></table>

real-time imaging of axonal transport of quantum dot-labeled bdnf in primary neurons

BDNF는 신경 세포의 생존, 분화 및 기능의 몇 가지 측면에서 중요한 역할을한다. 축색 돌기의 구조 및 기능 적자는 점점 알츠하이머 병 (AD)와 헌팅턴 병 (HD)을 포함한 신경 퇴행성 질환의 초기 기능으로 볼 수 있습니다. 아직까지 불분명 축삭 손상이 유발되는 메커니즘 (들)입니다. 우리는 생물학적 활성을 생산하는 신규 한 방법의 개발을보고, BDNF의 축삭 수송을 추적하는 데 사용될 수 BDNF (mBtBDNF)는 monobiotinylated. 양자점 표지 BDNF (QD-BDNF)가 mBtBDNF에 양자점 655 공역에 의해 제작되었다. 미세 유동 장치는 신경 세포체에서 축삭을 분리하는데 사용되었다. 축삭 구획 QD-BDNF의 추가 축삭에서 BDNF 수송의 라이브 영상을 허용했다. 우리는 QD-BDNF는 약 1.06 μm의 / sec의 이동 속도에서 거의 일시 정지와 역행 본질적으로 독점적으로 이동 있음을 보여 주었다. 이 시스템은 저를 조사하는 데 사용할 수 있습니다AD 또는 HD에서 중단 축삭의 기능뿐만 아니라 다른 퇴행성 질환의 chanisms.

생산 및 생물 학적 활성 모노 - 바이오틴 BDNF의 정화 AviTag 순서 (GGGLNDIFEAQKIEWHE)와 융합 BDNF의 발현 벡터는 이전에 발행 된 프로토콜 (10)에 따라 작성되었습니다. 전체 길이 융합 단백질의 분자량은 ~ 32 kDa의이 (것으로 예측 하였다 <a href="http://ca.expasy.org/tools/pi_tool.html" target="_blank">http://ca.expasy.org/tools/pi_tool.html</a> ) 18 kDa의 (도 1a)의 예측 된 분자량을 가진 성...

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Real-time Imaging of Axonal Transport of Quantum Dot-labeled BDNF in Primary Neurons

BDNF, 신경 영양 인자의 축삭 수송은 여러 신경 인구의 생존과 기능을 위해 중요하다. 일부 퇴행성 질환은 축삭 구조와 기능의 장애로 표시됩니다. 우리는 차 신경 세포를 사용하여 미세 유체 챔버에서 QD-BDNF의 라이브 인신 매매를 검사하는 데 사용되는 기술을 보여 주었다.

양자의 축삭 교통 수단의 실시간 이미징 차 뉴런에서 BDNF를 도트 표지

BDNF plays an important role in several facets of neuronal survival, differentiation, and function. Structural and functional deficits in axons are ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

15.1K 조회수.  University of California, San Diego.  BDNF, 신경 영양 인자의 축삭 수송은 여러 신경 인구의 생존과 기능을 위해 중요하다. 일부 퇴행성 질환은 축삭 구조와 기능의 장애로 표시됩니다. 우리는 차 신경 세포를 사용하여 미세 유체 챔버에서 QD-BDNF의 라이브 인신 매매를 검사하는 데 사용되는 기술을 보여 주었다. 

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Live Imaging of Dense-core Vesicles in Primary Cultured Hippocampal Neurons

Observing and characterizing dynamic cellular processes can yield important information about cellular activity that cannot be gained from static images.  Vital fluorescent probes, particularly green fluorescent protein (GFP) have revolutionized cell biology stemming from the ability to label specific intracellular compartments and cellular structures. For example, the live imaging of GFP (and its spectral variants) chimeras have allowed for a dynamic 
analysis of the cytoskeleton, organelle transport, and membrane dynamics in a multitude of organisms and cell types [1-3].  Although live imaging has become prevalent, this approach still poses many technical challenges, particularly in primary cultured neurons.  One challenge is the expression of GFP-tagged proteins in post-mitotic neurons; the other is the ability to capture fluorescent images while minimizing phototoxicity, photobleaching, 
and maintaining general cell health.  Here we provide a protocol that describes a lipid-based transfection method that yields a relatively low transfection rate (~0.5%), however is ideal for the imaging of fully polarized neurons.  A low transfection rate is essential so that single axons and dendrites can be characterized as to their orientation to the cell body to confirm directionality of transport, i.e., anterograde v. retrograde.  Our approach to imaging 
GFP expressing neurons relies on a standard wide-field fluorescent microscope outfitted with a CCD camera, image capture software, and a heated imaging chamber. We have imaged a wide variety of organelles or structures, for example, dense-core vesicles, mitochondria, growth cones, and actin without any special optics or excitation requirements other than a fluorescent light source. Additionally, spectrally-distinct, fluorescently 
labeled proteins, e.g., GFP and dsRed-tagged proteins, can be visualized near simultaneously to characterize co-transport or other coordinated cellular events.  The imaging approach described here is flexible for a variety of imaging applications and can be adopted by a laboratory for relatively little cost provided a microscope is available.

Live cell imaging is of particular utility when studying the dynamics of organelle trafficking. Here we describe a protocol for live imaging of dense-core vesicles in cultured neurons using wide-field fluorescence microscopy. This protocol is flexible and can be adapted to image other organelles such as mitochondria, endosomes, and peroxisomes.

기본 교양 Hippocampal 신경에 덴스 코어 Vesicles의 라이브 영상

Observing and characterizing dynamic cellular processes can yield important information about cellular activity that cannot be gained from static images.  ...

연구

생물학

Time-lapse Live Imaging and Quantification of Fast Dendritic Branch Dynamics in Developing Drosophila Neurons

Highly motile dendritic filopodia are widely present in neurons at early developmental stages. These exploratory dynamic branches sample the surrounding environment and initiate contacts with potential synaptic partners. Although the connection between dendritic branch dynamics and synaptogenesis is well established, how developmental and activity-dependent processes regulate dendritic branch dynamics is not well understood. This is partly due to the technical difficulties associated with the live imaging and quantitative analyses of these fine structures using an in vivo system. We established a method to study dendrite dynamics using Drosophila larval ventral lateral neurons (LNvs), which can be individually labeled using genetic approaches and are accessible for live imaging. Taking advantage of this system, we developed protocols to capture branch dynamics of the whole dendritic arbor of a single labeled LNv through time-lapse live imaging. We then performed post-processing to improve image quality through drift correction and deconvolution, followed by analyzing branch dynamics at the single-branch level by annotating spatial positions of all branch terminals. Lastly, we developed R scripts (Supplementary File) and specific parameters to quantify branch dynamics using the coordinate information generated by the terminal tracing. Collectively, this protocol allows us to achieve a detailed quantitative description of branch dynamics of the neuronal dendritic arbor with high temporal and spatial resolution. The methods we developed are generally applicable to sparsely labeled neurons in both in vitro and in vivo conditions.

Time-lapse Live Imaging and Quantification of Fast Dendritic Branch Dynamics in Developing Drosophila Neurons

Here, we describe the method we employed to image highly motile dendritic filopodia in a live preparation of the Drosophila larval brain, and the protocol we developed to quantify time-lapse 3D imaging datasets for quantitative assessments of dendrite dynamics in developing neurons.

초파리 뉴런 개발시 빠른 수지상 분지 역학의 시간 경과 라이브 이미징 및 정량화

Highly motile dendritic filopodia are widely present in neurons at early developmental stages. These exploratory dynamic branches sample the surrounding ...

신경과학

3D Particle Tracking for Noninvasive In Vivo Analysis of Synaptic Microtubule Dynamics in Dendrites and Neuromuscular Junctions of Drosophila

Microtubules (MTs) play critical roles in neuronal development, but many questions remain about the molecular mechanisms of their regulation and function. Furthermore, despite progress in understanding postsynaptic MTs, much less is known about the contributions of presynaptic MTs to neuronal morphogenesis. In particular, studies of in vivo MT dynamics in Drosophila sensory dendrites yielded significant insights into polymer-level behavior. However, the technical and analytical challenges associated with live imaging of the fly neuromuscular junction (NMJ) have limited comparable studies of presynaptic MT dynamics. Moreover, while there are many highly effective software strategies for automated analysis of MT dynamics in vitro and ex vivo, in vivo data often necessitate significant operator input or entirely manual analysis due to inherently inferior signal-to-noise ratio in images and complex cellular morphology. &#160;To address this, this study optimized a new software platform for automated and unbiased in vivo particle detection. Multiparametric analysis of live time-lapse confocal images of EB1-GFP labeled MTs was performed in both dendrites and the NMJ of Drosophila larvae and found striking differences in MT behaviors. MT dynamics were furthermore analyzed following knockdown of the MT-associated protein (MAP) dTACC, a key regulator of Drosophila synapse development, and identified statistically significant changes in MT dynamics compared to wild type. These results demonstrate that this novel strategy for the automated multiparametric analysis of both pre- and postsynaptic MT dynamics at the polymer-level significantly reduces human-in-the-loop criteria. The study furthermore shows the utility of this method in detecting distinct MT behaviors upon dTACC-knockdown, indicating a possible future application for functional screens of factors that regulate MT dynamics in vivo. Future applications of this method may also focus on elucidating cell type and/or compartment-specific MT behaviors, and multicolor correlative imaging of EB1-GFP with other cellular and subcellular markers of interest.&#160;

This study presents a noninvasive intravital neuronal imaging strategy combined with a new software strategy to achieve automated, unbiased tracking and analysis of in vivo microtubule (MT) plus-end dynamics in the sensory dendrites and the neuromuscular junctions of Drosophila.

Microtubules (MTs) play critical roles in neuronal development, but many questions remain about the molecular mechanisms of their regulation and function. ...

An Improved Protocol to Purify and Directly Mono-Biotinylate Recombinant BDNF in a Tube for Cellular Trafficking Studies in Neurons

Recombinant BDNF containing an Avi sequence (BDNFAvi) is produced in HEK293 cells and then cost-effectively purified by affinity chromatography. A reproducible protocol was developed to directly&#160;mono-biotinylate BDNFAvi with the enzyme BirA in a tube. In this reaction, mono-biotinylated BDNFAvi retains its biological activity.
Neurotrophins are target-derived growth factors playing a role in neuronal development and maintenance. They require rapid transport mechanisms along the endocytic pathway to allow long-distance signaling between different neuronal compartments. The development of molecular tools to study the trafficking of neurotrophins has enabled the precise tracking of these proteins in the cell using in vivo recording. In this protocol, we developed an optimized and cost-effective procedure for the production of mono-biotinylated BDNF. A recombinant BDNF variant containing a biotinylable avi sequence (BDNFAvi) is produced in HEK293 cells in the microgram range and then purified in an easily scalable procedure using affinity chromatography. The purified BDNF can then be homogeneously mono-biotinylated by a direct in vitro reaction with the enzyme BirA in a tube. The biological activity of the mono-biotinylated BDNF (mbtBDNF) can be conjugated to streptavidin-conjugated to different fluorophores. BDNFAvi and mbtBDNF retain their biological activity demonstrated through the detection of downstream phosphorylated targets using western blot and activation of the transcription factor CREB, respectively. Using streptavidin-quantum dots, we were able to visualize mbtBDNF internalization concomitant with activation of CREB, which was detected with a phospho-CREB specific antibody. In addition, mbtBDNF conjugated to streptavidin-quantum dots was suitable for retrograde transport analysis in cortical neurons grown in microfluidic chambers. Thus, in tube produced mbtBDNF is a reliable tool to study physiological signaling endosome dynamics and trafficking in neurons.

Recombinant BDNF containing an Avi sequence (BDNFAvi) is produced in HEK293 cells in a cost-effective manner and is purified by affinity chromatography. BDNFavi is then directly mono-biotinylated with the enzyme BirA in a tube. BDNFavi and mono-biotinylated BDNFavi retain their biological activity when compared to commercially available BDNF.

뉴런의 세포 인신 매매 연구를 위한 튜브에서 정제하고 직접 모노 바이오티니레이트 BDNF를 정화하는 향상된 프로토콜

Recombinant BDNF containing an Avi sequence (BDNFAvi) is produced in HEK293 cells and then cost-effectively purified by affinity chromatography. A ...

Imaging and Analysis of Neurofilament Transport in Excised Mouse Tibial Nerve

Neurofilament protein polymers move along axons in the slow component of axonal transport at average speeds of ~0.35-3.5 mm/day. Until recently the study of this movement in situ was only possible using radioisotopic pulse-labeling, which permits analysis of axonal transport in whole nerves with a temporal resolution of days and a spatial resolution of millimeters. To study neurofilament transport in situ with higher temporal and spatial resolution, we developed a hThy1-paGFP-NFM transgenic mouse that expresses neurofilament protein M tagged with photoactivatable GFP in neurons. Here we describe fluorescence photoactivation pulse-escape and pulse-spread methods to analyze neurofilament transport in single myelinated axons of tibial nerves from these mice ex vivo. Isolated nerve segments are maintained on the microscope stage by perfusion with oxygenated saline and imaged by spinning disk confocal fluorescence microscopy. Violet light is used to activate the fluorescence in a short axonal window. The fluorescence in the activated and flanking regions is analyzed over time, permitting the study of neurofilament transport with temporal and spatial resolution on the order of minutes&#160;and microns, respectively. Mathematical modeling can be used to extract kinetic parameters of neurofilament transport including the velocity, directional bias and pausing behavior from the resulting data. The pulse-escape and pulse-spread methods can also be adapted to visualize neurofilament transport in other nerves. With the development of additional transgenic mice, these methods could also be used to image and analyze the axonal transport of other cytoskeletal and cytosolic proteins in axons.

We describe fluorescence photoactivation methods to analyze the axonal transport of neurofilaments in single myelinated axons of peripheral nerves from transgenic mice that express a photoactivatable neurofilament protein.

절제된 마우스 티비알 신경에 있는 신경필라멘트 수송의 화상 진찰 그리고 분석

Neurofilament protein polymers move along axons in the slow component of axonal transport at average speeds of ~0.35-3.5 mm/day. Until recently the study ...

Time-Lapse Imaging of Neuronal Arborization using Sparse Adeno-Associated Virus Labeling of Genetically Targeted Retinal Cell Populations

Discovering mechanisms that pattern dendritic arbors requires methods to visualize, image, and analyze dendrites during development. The mouse retina is a powerful model system for the investigation of cell type-specific mechanisms of neuronal morphogenesis and connectivity. The organization and composition of retinal subtypes are well-defined, and genetic tools are available to access specific types during development. Many retinal cell types also constrain their dendrites and/or axons to narrow layers, which facilitates time-lapse imaging. Mouse retina explant cultures are well suited for live-cell imaging using confocal or multiphoton microscopy, but methods optimized for imaging dendrite dynamics with temporal and structural resolution are lacking. Presented here is a method to sparsely label and image the development of specific retinal populations marked by the Cre-Lox system. Commercially available adeno-associated viruses (AAVs) used here expressed membrane-targeted fluorescent proteins in a Cre-dependent manner. Intraocular delivery of AAVs in neonatal mice produces fluorescent labeling of targeted cell types by 4-5 days post-injection (dpi). The membrane fluorescent signals are detectable by confocal imaging and resolve fine branch structures and dynamics. High-quality videos spanning 2-4 h are acquired from imaging retinal flat-mounts perfused with oxygenated artificial cerebrospinal fluid (aCSF). Also provided is an image postprocessing pipeline for deconvolution and three-dimensional (3D) drift correction. This protocol can be used to capture several cellular behaviors in the intact retina and to identify novel factors controlling neurite morphogenesis. Many developmental strategies learned in the retina will be relevant for understanding the formation of neural circuits elsewhere in the central nervous system.

Here, we present a method for investigating neurite morphogenesis in postnatal mouse retinal explants by time-lapse confocal microscopy. We describe an approach for sparse labeling and acquisition of retinal cell types and their fine processes using recombinant adeno-associated virus vectors that express membrane-targeted fluorescent proteins in a Cre-dependent manner.

유전자 표적화된 망막 세포 집단의 희소 아데노-연관 바이러스 표지를 이용한 뉴런 수목화의 타임랩스 이미징

Discovering mechanisms that pattern dendritic arbors requires methods to visualize, image, and analyze dendrites during development. The mouse retina is a ...

Expanding the Toolkit for In Vivo Imaging of Axonal Transport

Axonal transport maintains neuronal homeostasis by enabling the bidirectional trafficking of diverse organelles and cargoes. Disruptions in axonal transport have devastating consequences for individual neurons and their networks, and contribute to a plethora of neurological disorders. As many of these conditions involve both cell autonomous and non-autonomous mechanisms, and often display a spectrum of pathology across neuronal subtypes, methods to accurately identify and analyze neuronal subsets are imperative.
This paper details protocols to assess in vivo axonal transport of signaling endosomes and mitochondria in sciatic nerves of anesthetized mice. Stepwise instructions are provided to 1) distinguish motor from sensory neurons in vivo, in situ, and ex vivo by using mice that selectively express fluorescent proteins within cholinergic motor neurons; and 2) separately or concurrently assess in vivo axonal transport of signaling endosomes and mitochondria. These complementary intravital approaches facilitate the simultaneous imaging of different cargoes in distinct peripheral nerve axons to quantitatively monitor axonal transport in health and disease.

Expanding the Toolkit for In Vivo Imaging of Axonal Transport

Using transgenic fluorescent mice, detailed protocols are described to assess in vivo axonal transport of signaling endosomes and mitochondria within motor and sensory axons of the intact sciatic nerve in live animals.

축삭 수송의 생체 내 이미징을위한 툴킷 확장

Axonal transport maintains neuronal homeostasis by enabling the bidirectional trafficking of diverse organelles and cargoes. Disruptions in axonal ...

Measuring Axonal Cargo Transport in Mouse Primary Cortical Cultured Neurons

Neuronal cells are highly polarized cells that stereotypically harbor several dendrites and an axon. The length of an axon necessitates efficient bidirectional transport by motor proteins. Various reports have suggested that defects in axonal transport are associated with neurodegenerative diseases. Also, the mechanism of the coordination of multiple motor proteins has been an attractive topic. Since the axon has uni-directional microtubules, it is easier to determine which motor proteins are involved in the movement. Therefore, understanding the mechanisms underlying the transport of axonal cargo is crucial for uncovering the molecular mechanism of neurodegenerative diseases and the regulation of motor proteins. Here, we introduce the entire process of axonal transport analysis, including the culturing of mouse primary cortical neurons, transfection of plasmids encoding cargo proteins, and directional and velocity analyses without the effect of pauses. Furthermore, the open-access software "KYMOMAKER" is introduced, which enables the generation of a kymograph to highlight transport traces according to their direction and allow easier visualization of axonal transport.

The present protocol describes the whole procedure of analysis for axonal transport. In particular, the calculation of transport velocity, not including the pausing, and the visualization method using open-access software "KYMOMAKER" are shown here.

Neuronal cells are highly polarized cells that stereotypically harbor several dendrites and an axon. The length of an axon necessitates efficient ...

<meta charset="utf8"></head><body>Live-Cell Imaging을 통한 Primary Hippocampal Neurons의 단백질 시각화

Using Live&#45;Cell Imaging to Measure the Effects of Pathological Proteins on Axonal Transport in Primary Hippocampal Neurons

Bidirectional transport of cargos along the axon is critical for maintaining functional synapses, neural connectivity, and healthy neurons. Axonal transport is disrupted in multiple neurodegenerative diseases, and projection neurons are particularly vulnerable because of the need to transport cellular materials over long distances and sustain substantial axonal mass. Pathological modifications of several disease-related proteins negatively affect transport, including tau, amyloid-&#946;, &#945;-synuclein, superoxide dismutase, and huntingtin, providing a potential common mechanism by which pathological proteins exert toxicity in disease. Methods to study these toxic mechanisms are necessary to understand neurodegenerative disorders and identify potential therapeutic interventions.
Here, cultured primary rodent hippocampal neurons are co-transfected with multiple plasmids to study the effects of pathological proteins on fast axonal transport using live-cell confocal imaging of fluorescently-tagged cargo proteins. We begin with the harvest, dissociation, and culturing of primary hippocampal neurons from rodents. Then, we co-transfect the neurons with plasmid DNA constructs to express fluorescent-tagged cargo protein and wild-type or mutant tau (used as an exemplar of pathological proteins). Axons are identified in live cells using an antibody that binds an extracellular&#160;domain of neurofascin, an axon initial segment protein, and an axonal region of interest is imaged to measure fluorescent cargo transport.
Using KymoAnalyzer, a freely available ImageJ macro, we extensively characterize the velocity, pause frequency, and directional cargo density of axonal transport, all of which may be affected by the presence of pathological proteins. Through this method, we identify a phenotype of increased cargo pause frequency associated with the expression of pathological tau protein. Additionally, gene-silencing shRNA constructs can be added to the transfection mix to test the role of other proteins in mediating transport disruption. This protocol is easily adaptable for use with other neurodegenerative disease-related proteins and is a reproducible method to study the mechanisms of how those proteins disrupt axonal transport.

<meta charset="utf8"></head><body>저자 스포트라이트: 신경퇴행성 질환에서 병리학적 단백질이 축삭 수송에 미치는 영향 이해

Here, we demonstrate how to combine transfection of primary hippocampal rodent neurons with live-cell confocal imaging to analyze pathological protein-induced effects on axonal transport and identify mechanistic pathways mediating these effects.

양자의 축삭 교통 수단의 실시간 이미징 차 뉴런에서 BDNF를 도트 표지

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