Quantum Akson Ulaştırma Gerçek zamanlı Görüntüleme İlköğretim Nöronlar BDNF Dot-etiketli

Özet

BDNF, bir nörotrofik faktör, bir aksonal taşınması birçok nöron popülasyonlarının hayatta kalma ve fonksiyonu için kritik öneme sahiptir. Bazı dejeneratif bozukluklar aksonal yapı ve fonksiyon bozulması ile işaretlenmiştir. Biz birincil nöronları kullanarak mikroakışkan odaları QD-BDNF canlı ticaretini incelemek için kullanılan teknikler gösterdi.

Özet

BDNF nöronal hayatta kalmasını, farklılaşmasını ve fonksiyon bir çok alanda önemli bir rol oynar. Akson yapısal ve fonksiyonel açıkları giderek Alzheimer hastalığı (AH) ve Huntington hastalığı (HD) olmak üzere nörodejeneratif hastalıklar, erken bir özelliği olarak görülmektedir. Henüz tam olarak açıklanamamıştır aksonal yaralanma kaynaklı olduğu mekanizma (ler) idir. Bu biyolojik olarak aktif bir üretmek için yeni bir teknik gelişme rapor BDNF aksonal taşınması takip etmek için kullanılabilir BDNF (mBtBDNF) monobiotinylated. Kuantum nokta-etiketli BDNF (QD-BDNF) mBtBDNF kuantum nokta 655 konjuge tarafından üretildi. Mikroakışkan cihaz nöron hücre gövdeleri aksonlar izole etmek için kullanılmıştır. Aksonal bölmesine QD-BDNF eklenmesi akson BDNF ulaşım canlı görüntüleme izin verdi. Biz, QD-BDNF yaklaşık 1.06 mm / sn bir hızda hareket azından çok az duraklar, retro-esas olarak sadece hareket ettiğini gösterdi. Bu sistem beni araştırmak için kullanılabilirAH veya bozulmuş HD aksonal fonksiyonu gibi başka dejeneratif bozukluklar chanisms.

Giriş

Nöronlar yüksek olan uzun ve genellikle son derece özenli süreçleri kurmak ve nöral devrelerin yapısını ve işlevini korumak için temel olan hücreler polarize. Akson ve sinapsların yük taşıyan hayati bir rol oynar. Hücre soma sentezlenen proteinler ve organelleri nöronal fonksiyonu desteklemek için presinaptik terminale ulaşmak için aksonlar aracılığıyla taşınması gerekir. Buna karşılık, sinyalleri uzak aksonlar transdüse gerekir alınan ve soma aktarıldı. Bu işlemler, nöronal canlı kalmasını, farklılaşmasını ve bakım için çok önemlidir. Bazı nöronlarda aksonal taşınmasının bu mesafeler üzerinden 1.000 'den fazla kez hücre gövdesi çapının yürütülmesi gereken olarak, olasılık bile hali hazırda küçük eksikliklerin belirgin nöronal devre fonksiyonunu etkileyebilir düşünülmüştür.

, Beyin türevli nörotropik faktör (BDNF), büyüme faktörlerinin nörotrofin ailesinin bir üyesi, ma mevcutturhipokampus, serebral korteks ve bazal ön dahil ny beyin bölgeleri,. BDNF, bilişsel devrelerinde katılma nöronların hayatta kalmasını, farklılaşmasını ve fonksiyon destekleyerek idrak ve hafıza oluşumunda önemli bir rol oynar. BDNF, bu mitojen tarafından aktive edilen protein kinaz / hücre dışı sinyal ile düzenlenen protein kinaz (MAPK / ERK), fosfatidilinositol-3-kinaz dahil olmak üzere, TrkB aracılı sinyalleme yolunu aktive akson terminal, kendi reseptörü, tirosin kinaz TrkB bağlanan (PI3K) ve fosfolipaz C-gama (PLCγ). Bu sinyal yolları katılan proteinler daha sonra retrograd nöronal soma taşınır endosome ^1-6 sinyalizasyon BDNF / TrkB oluşturmak için endositik veziküler yapıların üzerine paketlenir.

Mikroakışkan kültür oda normal şartlar altında yanı sıra yaralanma ve hastalık ^7,8 ayarı aksonal biyoloji eğitimi için çok yararlı bir platform. Izole aksonlarlahücre gövdeleri, cihaz aksonlar ^8-10, özellikle taşıma anlaşılmasına bir sağladı. Bu çalışmada kullanılan ve 450 um microgroove bariyerli PDMS göre mikro-akışkan platformlar ticari (Malzemeler tabloya bakınız) satın alınmıştır. BDNF, taşıma incelemek için monobiotinylated BDNF (mBtBDNF) üretimi için yeni bir teknoloji geliştirilmiştir. (Da AviTag olarak da bilinir), biyotin alıcı peptidin, AP yararlandı. Bu, özellikle Escherichia coli enziminin biyotin ligazı, Bira ile biyotine bağlanabilir bir lisin kalıntısı ihtiva eden bir 15 amino asit dizisidir. Bu PCR (Şekil 1 A), fare pre-proBDNF cDNA'nın C terminaline AviTag kaynaşık. Bu yapı, memeli ekspresyon vektörü pcDNA3.1 myc-his vektörü içine klonlandı. Ayrıca, pcDNA3.1 myc-his vektörü içine bakteri, BirA DNA klonlanmıştır. Iki plasmid geçici olarak her iki proteini ifade etmek için HEK293FT hücrelerine eş-transfekte edilmiştir. BirA biotun ligasyonu katalizeözel olarak bir lizin 1 de BDNF C-terminalindeki AviTag içinde ikamet: 1 oranında, BDNF monomer monobiotinylated üretmek. Biyotinile edilmiş, ~ 18 kDa bir moleküler kütleye sahip BDNF olgun geri kazanılmış ve Ni-reçinesi (Şekil 1C) kullanılarak ortamdan saflaştırılmıştır. (Şekil 1D) imüno-benekleme ile değiştirilmemiş BDNF saptamak mümkün ile karar kılındığı üzere BDNF biyotinilasyon, tamamlandı. Streptavidin konjüge kuantum noktaları, QD 655, QD-BDNF yapmak mBtBDNF etiketlemek için kullanıldı. MBtBDNF fosforile TrkB (Şekil 1E) ve rekombinant insan aktive BDNF (rhBDNF) ölçüsünde nörit gelişimini (Şekil 1F) teşvik etmek için mümkün olduğu gibi AviTag varlığı BDNF aktivitesine müdahale etmedi. QD-BDNF QD-BDNF biyoaktif (Şekil 1G) olduğunu belirten, hipokampal aksonlardaki trkB ile birlikte yerleştiğini göstermiştir immünolekeleme. BDNF taşıma incelemek için, QD-BDNF distal akson bölmesine eklenmiştirsıçan E18 hipokampal nöronlar (Şekil 2A) içeren mikrosıvı kültürler. Akson içindeki QD-BDNF retrograd taşıma kırmızı floresan etiketi (Desteklenmesi videolar S1, S2) gerçek-zamanlı canlı görüntüleme tarafından yakalandı. Oluşturulan kymograph analiz ederek, QD-BDNF yaklaşık 1.06 mm / sn (Şekil 3A) bir hızda hareket eden bir retrograd taşınacak gözlenmiştir. GFP veya MCherry etiketli BDNF BDNF aksonal hareketini izlemek için kullanılır olmuştur. Büyük dezavantajı, tek bir molekülün çalışmaları için yeterince parlak değil olmasıdır. Ayrıca, her iki anterograd ve retrograd BDNF hareketlerinin bulunması zor retrograd olarak taşınan, BDNF bir nörotrofinin / reseptör kompleksi olup olmadığını değerlendirmek için yapar.

Bu videoda, biz birincil nöronları kullanarak mikroakışkan odaları QD-BDNF canlı ticaretini incelemek için kullanılan teknikleri göstermek. Ultrabrightness ve kuantum noktaları mak mükemmel fotostabilitees mümkün BDNF ulaşım uzun vadeli izleme gerçekleştirmek için. Bu teknikler, MS, HD ve diğer nörodejeneratif hastalıklar aksonal çalışmalar fonksiyonunun arttırılması için kullanılabilir.

Protokol

Cerrahi ve hayvan prosedürleri Bakımı NIH Kılavuzu'na ve Laboratuvar Hayvanları Kullanımı göre kesinlikle yapılır. Hayvanlarının kullanıldığı bütün deneyler UCSD Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi tarafından onaylanmıştır.

1. Plazmid Klonlama, mono-biyotinlenmiş BDNF sentezlenmesi ve saflaştırılması (mBtBDNF)

NOT: HEK293FT hücrelerde ¹⁰ pcDNA3.1 vektörü ve birlikte açığa içine önceden proBDNFavi ve BirA cDNA Construct. MBtBDNF olgun ve biyolojik olarak aktif monobiotinylated sinir büyüme faktörü (mBtNGF) üretilmesi için ^10, daha önce yayınlanmış bir metoda göre Ni-NTA boncuklar kullanılarak saflaştınlır.

Mikroakışkan Odaları 2. Hazırlık

Mikroakışkan nöron kültür cihazı akışkan nöron hücre gövdeleri aksonlar izole edilmesini mümkün kılar. Sağ her diseksiyon önce taze kaplı lamelleri ile odaları birleştirin. Kullanılan mikroakışkan odalarıBu protokolde ticari (malzeme ve ekipmanın tabloya bakınız) satın alınır. Handwash ve 5-6x kadar yeniden piyasadan satın odaları.

1. El yıkama% 1 Alconox içinde mikroakışkan odaları. 30 dakika her biri için Milli-Q su ile üç kez durulanır. % 70 etanol içinde tekrar el yıkama odaları.
2. Laminer akış kaputu Parafilmlerin üzerinde kurumaya odaları dışarı yatıyordu. Yayar ve UV altında 20 dakika boyunca odacıkların her iki tarafını da sterilize edin. Mağaza oda sıcaklığında Parafilm ile mühürlenmiş steril bir 15 cm çanak odaları sterilize.
3. Cam bir kap içinde 24 x 40 mm 1 numaralı cam lamelleri yerleştirin. Gece boyunca, bir döndürücü üzerinde% 35 hidroklorik asit lamelleri bekletin. Ertesi gün, 30 dakika su ile her biri için lamelleri üç kez yıkayın.
4. % 100 etanol içine Her lamel daldırma ve bir Bunsen beki üzerinde yanan tarafından lamelleri tek tek sterilize edin. Steril bir petri tabağında muhafaza edilir ve kuru lamelleri kaplaması elde edilinceye kadar oda sıcaklığında saklayın.
5. Ou Lay15 cm kültür çanak lamelleri t. Kaplama% 0.01 poli-L-Lisin (PLL), 0.7 ml ile her lamel ve oda sıcaklığında kaputu inkübe edin.
6. 1 saat sonra, lamelleri steril su ile üç kez durulanır. 6 cm kültür kabına vakum ve yerde her lamel ile kuru lamelleri.
7. Mikroakışkan bölmesini monte etmek için, Mikroyivlerin temas etmemek için tedbir ile PLL kaplanmış bir örtücü camın üzerine altındaki microgroove yüzü bölmenin. Yavaşça odası sıkıca kapatılmıştır sağlamak için bir pipet ile odasını basılı.

Chambers 3. Nöronal Kültür Diseksiyon ve Levha

1. % 1 pen / strep, 10 mM HEPES, 2 ml tahlil tamponuna (HBSS, herhangi bir kalsiyum, magnezyum ihtiva eden herhangi bir 15 ml konik bir tüp içinde kesildi iki E17-E18 sıçan hipokampları (bir beyin) yerleştirin. Dokular, 5 ml ile 3 kere yıkayın diseksiyonu mümkün olduğunca diseksiyon tamponu çıkarın. her zaman tampon ve taze di 900 ulssection tamponu.
2. , Doku sindirmek 1x çalışma konsantrasyonunu yapmak için diseksiyon tamponuna 10x tripsin (% 2.5) 100 ul ekleyin. Bir 37 ° C su banyosu içinde konik tüp yerleştirin. Sindirim 10 dakika sonra, 1 mg / ml civarında nihai bir konsantrasyona kadar, 10 mg / ml Dnaz I, 100 ul ilave edin.
3. Bir yangın cilalanmış Pasteur cam pipet kullanarak, hafifçe aşağı ve yukarı pipetlenerek 5-10x dokuyu Karışım. Sağ toz haline getirildikten sonra, (% 10 FBS, 2 mM Glutamax,% 2 ile B27 Neuro temelli) ortam maddesi 2 ml tripsin söndürün.
4. Dibe oturmaya dokuların birikintileri girmesi için 5 dakika için başlık örnek bırakın. Dikkatlice pelet hücreleri 5 dakika 200 x g'de, temiz, steril 15 ml konik bir tüp ve santrifüj içine 2ml'si çıkarın. 50 ul ortam kaplama pelletini
5. Hemositometre ile hücreleri saymak. Yük mikroakışkan odasının bir bölmesine 15-20 ul hücre süspansiyonu (~ 40.000 hücre). Bölmenininkübatör 10 dakika hücreler lamel takmak için izin için. 10 dakika sonra, bölmenin her iki bölümü doldurmak için daha fazla kaplama ortamı eklenir.
6. Diseksiyon ikinci gününde, tamamen bir hücre gövdesi ve akson bölmesinin her iki (2 mM glutamax,% 2 B27 ile Neurobasal) bakım medya ile kaplama ortamı değiştirin. Hipokampal nöronların aksonları, 3. gün Mikroyivlerin çapraz ve günün 5-7 arasındaki akson bölüme ulaşmak başlar. Bu süre boyunca, Bakım ortamının her 24 ~ 48 saat ile kültür ortamının yarısı değiştirin.

QD-BDNF 4. Akson Taşıma

1. , QD-BDNF aksonal taşıma Canlı görüntülemeye mikroakışkan odasının hücre gövdesi ve akson hem bölmelerden BDNF tüketmek için önce iyice ile 2 saat boyunca, BDNF içermeyen serumsuz Neuro temelli ortam her 30 dakikada bir, her iki bölümü ile yıkayın.
2. BDNF tükenmesi sırasında, QD-BDNF eşleniklerini hazırlamak. Mono-biyotinile BD 50 nM karıştırınNF Neurobasal ortam içinde, 50 nM QD655 streptavidin eşlenikleri ile, dimer ve 60 dakika boyunca buz üzerinde inkübe edilir.
3. Akson bölmesinde Ortamı çıkarın ve 37 ° C'de 4 saat boyunca 0.25 nM'lik nihai bir konsantrasyona sahip 300 ul QD-BDNF ekleyin. Hücre gövdesi bölmesine QD-BDNF difüzyon en aza indirmek için, her zaman akson bölmesine göre hücre gövdesi bölmesinde ortamın daha yüksek bir düzeyde tutmak için çok önemlidir. Canlı görüntüleme önce kuluçkadan sonra bağlanmamış QD-BDNF yıkayın.
4. Bir 100X yağ objektif lens ile donatılmış ters bir mikroskop kullanılarak QD-BDNF taşıma canlı görüntüleme yürütmek. Kapsam ve sabit bir sıcaklıkta (37 ° C), _CO2 (% 5), kendisine bağlı kazanı ısıtın. QD655 sinyalini görselleştirmek için Texas kırmızı uyarma / emisyon küpler bir dizi kullanın.
5. Edinme ve CCD kamera kullanarak 2 dakika bir toplam 1 kare / sn hızında orta akson içindeki time-lapse görüntüleri yakalayabilir. Aksonlar ile kullanımı microgrooves That hiçbir QD ve dolayısıyla infiltrasyon için bir kontrol olarak sinyal yok.
6. Herhangi bir görüntü analizi yazılımı veya NIH ImageJ kullanarak BDNF taşıma analiz edin.

Sonuçlar

Üretim ve biyolojik olarak aktif mono-biyotinlenmiş BDNF saflaştırılması

Bir AviTag dizisi (GGGLNDIFEAQKIEWHE) ile birleştirilir BDNF sentezleme vektörü, daha önce yayınlanan bir protokolün ¹⁰ ile tespit edildi. Tam uzunluklu füzyon proteininin moleküler kütlesi yaklaşık 32 kDa (olduğu kestirilmiştir http://ca.expasy.org/tools/pi_tool.html ) 18 kDa (Şekil 1A) tahmin edilen mo...

Tartışmalar

Bu çalışmada, biyolojik olarak aktif bir üretmek için yeni tekniğin gelişimleri, BDNF aksonal taşınması takip etmek için kullanılabilir BDNF (mBtBDNF) monobiotinylated. Kuantum dot streptavidin konjüge proteini ve bir mikroakışkan odacığı kullanılarak, yöntem, bir gerçek zamanlı olarak ve uzamsal ve zamansal çözünürlüğe kadar tek molekül hassasiyet ile primer nöronlarda aksonal taşınması BDNF algılamasını sağlar. Burada kullanılan aletler sağlık ve hastalık nöronlar BDNF / TrkB ...

Malzemeler

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