Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Burada, fare beyinciğindeki granül nöronların sinaptogenezini, doğum sonrası beyin gelişiminin zaman boyunca, bu hücreler sinaptik yapılarını rafine ettiklerinde ve kendilerini genel beyin devresine entegre etmek için sinapslar oluşturduklarında görselleştirmek için bir yöntem açıklıyoruz.
Nöronlar, diğer hücrelerle uygun bağlantılar kurmak için beyin gelişimi sırasında yapılarında ve işlevlerinde dinamik değişikliklere uğrarlar. Kemirgen beyinciği, zaman içinde tek bir hücre tipi olan serebellar granül nöronun (CGN) gelişimini ve morfogenezini izlemek için ideal bir sistemdir. Burada, gelişmekte olan fare serebellumundaki granül nöron progenitörlerinin in vivo elektroporasyonu, sonraki morfolojik analizler için hücreleri seyrek olarak etiketlemek için kullanılmıştır. Bu tekniğin etkinliği, CGN olgunlaşmasının kilit gelişimsel aşamalarını sergileme yeteneğinde, bu hücrelerin sinaptik girdilerinin çoğunu aldığı özel yapılar olan dendritik pençelerin oluşumuna özel olarak odaklanarak gösterilmiştir. Serebellar gelişim boyunca CGN sinaptik yapılarının anlık görüntülerini sağlamanın yanı sıra, bu teknik, ilgilenilen herhangi bir genin rolünü ve CGN morfolojisi, pençe gelişimi ve sinaptogenezi üzerindeki etkisini incelemek için granül nöronlarını hücre özerk bir şekilde genetik olarak manipüle etmek için uyarlanabilir.
Beyin gelişimi, embriyogenezden doğum sonrası yaşama kadar uzanan uzun bir süreçtir. Bu süre zarfında beyin, sonuçta davranışı yönlendirmek için dendritler ve aksonlar arasındaki sinapsların kablolamasını şekillendiren içsel ve dışsal uyaranların bir kombinasyonunu bütünleştirir. Kemirgen beyinciği, sinapsların nasıl geliştiğini incelemek için ideal bir model sistemidir, çünkü tek bir nöron tipi olan serebellar granül nöronun (CGN) gelişimi, bir progenitör hücreden olgun bir nörona geçerken izlenebilir. Bu, kısmen, serebellar korteksin çoğunluğunun doğum sonrası gelişmesinden kaynaklanmaktadır, bu da doğumdan sonra kolay genetik manipülasyona ve hücre etiketlemesine izin verir1.
Memelilerde, CGN farklılaşması, embriyonik gelişimin sonunda, arka beyindeki proliferatif hücrelerin bir alt kümesinin, beyincikyüzeyinde ikincil bir germinal bölge oluşturmak için eşkenar dörtgen dudağın üzerinden göç etmesiyle başlar 2,3,4. Granül nöron progenitör (GSMH) kimliğine tamamen bağlı olmalarına rağmen, bu hücreler doğum sonrası 14. güne (P14) kadar dış granül tabakasının (EGL) dış kısmında çoğalmaya devam ederler. Bu tabakanın çoğalması, beyinciğin büyük ölçüde genişlemesine neden olur, çünkü bu hücreler sadece CGN5'e yol açar. Yenidoğan CGN'ler EGL'deki hücre döngüsünden çıktıktan sonra, iç granül tabakasına (IGL) doğru içe doğru göç ederler ve beyinciğin moleküler tabakasında çatallanacak ve hareket edecek bir akson bırakarak Purkinje hücrelerine sinaps yapan paralel lifler oluştururlar6. Bu liflerin moleküler tabaka içindeki konumu, hücre döngüsü çıkışının zamanlamasına bağlıdır.
Farklılaşan CGN'ler önce paralel liflerini moleküler tabakanın altına doğru bırakırken, daha sonra farklılaşan CGN'lerin aksonları ilk 7,8'de kümelenir. CGN hücre gövdeleri IGL'ye ulaştığında, dendritleri detaylandırmaya ve yakındaki inhibitör ve uyarıcı nöronlarla sinapslar oluşturmaya başlarlar. Bir CGN'nin olgun dendritik ağacı, dört ana süreçle kalıplaşmış bir mimari sergiler. CGN olgunlaşması boyunca, bu dendritlerin sonundaki yapılar, postsinaptik proteinlerle zenginleştirilmiş bir pençe oluşturur 9,10. Dendritik pençeler olarak adlandırılan bu özel yapılar, sinapsların çoğunu granül nöronlar üzerinde içerir ve hem pons'tan kaynaklanan yosunlu lif innervasyonlarından uyarıcı girdileri hem de lokal Golgi hücrelerinden inhibitör girdileri almak için önemlidir. Tamamen yapılandırıldıktan sonra, CGN'lerin sinaptik bağlantıları, bu hücrelerin pre-serebellar çekirdeklerden gelen girdileri, serebellar korteksten derin serebellar çekirdeklere yansıtan Purkinje hücrelerine aktarmasına izin verir.
GSMH'lerin doğum sonrası in vivo elektroporasyonu, viral enfeksiyon ve transgenik fare çizgilerinin üretilmesi gibi diğer etiketleme tabanlı yöntemlere göre avantajlıdır, çünkü istenen yapıların ekspresyonu hızlı bir zaman çizelgesinde elde edilebilir ve yöntem, hücre özerk etkilerini incelemede yararlı olan küçük bir hücre popülasyonunu hedefler. Bu yöntem, CGN'lerin morfolojik gelişimini incelemek için önceki çalışmalarda kullanılmıştır; Bununla birlikte, bu çalışmalar ya tek bir zaman noktasına ya da kısa bir zaman penceresine odaklanmıştır 9,10,11,12,13. Bu etiketleme yöntemi, doğum sonrası yaşamın ilk üç haftasında CGN farklılaşmasının tüm zaman seyri boyunca meydana gelen CGN morfolojisindeki değişiklikleri belgelemek için görüntü analizi ile eşleştirildi. Bu veriler, serebellar devrelerin yapımının altında yatan CGN dendrit gelişiminin dinamiklerini ortaya koymaktadır.
NOT: Tüm prosedürler Duke Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanan protokoller kapsamında gerçekleştirilmiştir.
1. İn vivo elektroporasyon veya IVE için DNA hazırlığı (ameliyattan 1 gün önce)
Şekil 1: Ara parça kullanılarak enjeksiyon derinliğinin 1,5 mm ile sınırlandırılması. (A) 11,2 mm'lik bir segment, bir tıraş bıçağı kullanılarak bir yükleme pipeti kesilir. (B) Ara parça, Hamilton şırıngasının ucuna (toplam uzunluk 1,27 cm veya 0,5 inçtir) takılır ve yapıştırıcı veya parafilm ile sabitlenir. Açıkta kalan uç 1,5 mm uzunluğunda olmalıdır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
2. Yedi günlük postnatal farelerde granül nöron progenitörlerinin in vivo elektroporasyonu
NOT: Tüm elektroporasyon ameliyatları steril ve yüksek havalandırmalı bir cerrahi süitte gerçekleştirildi ve tüm personel eldiven, yüz maskesi, saç başlığı, önlük ve ayakkabı kılıfları dahil olmak üzere eksiksiz kişisel koruyucu ekipman giydi. Alternatif olarak, ameliyatlar havalandırılan ve steril bir başlıkta gerçekleştirilebilir.
Şekil 2: P7 wildtype fare yavrularında granül nöron progenitörlerinin in vivo serebellar elektroporasyonu. (A) Yavrular, DNA çözeltisinin enjeksiyonu boyunca anestezi sağlamak için 0.8L / dak oranında verilen% 4 izofluran ile uyuşturulur. İzofluran 0.8 L / dak oranında verilir. (B) Fareyi betadin ve% 70 etanol ile 3 kez sterilize ettikten sonra, kulakların mesafesini kapsayan ve arka beyni ortaya çıkaran bir kesi yapılır. (C) Enjeksiyon bölgesi için bir dönüm noktası olan kafatası üzerindeki beyaz bir sınırın büyütülmüş bir görüntüsü. DNA yapısı, işaretin 1 mm yukarısına enjekte edilmelidir; noktalı çizgiler sınırı ana hatlarıyla belirtir ve siyah ok enjeksiyon bölgesini gösterir. Serebellar vermisin sırtları görülebilir ve enjeksiyon bölgesini bulmak için yararlı olabilir. (D) Verimli elektroporasyon için Tweezer tipi elektrot oryantasyonu. Ayrıca (+) uç, elektrik darbelerinin uygulanmasından önce negatif yüklü DNA'yı serebellar parankim'e çekmek için aşağı doğru yönlendirilmelidir. (E) % 0.02'lik Hızlı Yeşil boyanın 1 μL'lik test enjeksiyonu, enjeksiyonun 5-7 lobülleri arasındaki serebellar vermisin ortasına lokalize olduğunu gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
3. Elektroporatörlü CGN'lerin immünohistokimyası
4. CGN'lerin morfolojik analizleri - üç boyutlu (3D) rekonstrüksiyon ve yüzey alanı ve hücresel hacim
Şekil 3: İmmünohistokimyasal analiz ve elektroporat granül nöronların üç boyutlu rekonstrüksiyonu. P7 CD-1 fareleri, GFP'yi ifade eden bir yapı ile elektroporate edildi. Beyinler toplandı ve morfolojik analiz için immünohistokimya, konfokal mikroskopi ve 3D rekonstrüksiyona tabi tutuldu. (A) 10 DPI farenin elektroporasyonundan görüntü işlemesine kadar zaman çizelgesi. (B) Elektroporated beyincik 10-DPI sagital kesitinin maksimum projeksiyon görüntüsü; beyaz çizgiler serebellar katmanları sınırlar ve ölçek çubuğu 25 μm'dir. (C) Tek bir elektroporated granül nöronun maksimum projeksiyon görüntüsü 10-DPI ve buna karşılık gelen 3D iz, ölçek çubuğu 10 μm'dir. (D) 3D-rekonstrüksiyonları FIJI eklentisi Basit Nörit Tracer kullanılarak oluşturulmuştur. Tüm ölçümler, hücre doldurma sinyalini takip ederek z-yığını boyunca izlendi. Şaft ve pençe ölçümleri her dendrit için ayrı ayrı izlendi; noktalı çizgi, mevcut düzlem içindeki dendrit kısmını gösterir. Kısaltmalar: 3D = üç boyutlu; GFP = yeşil floresan protein; DPI = enjeksiyondan sonraki günler; PSD-95 = postsinaptik yoğunluk proteini 95; GSMH'ler = granül nöron progenitörleri; PFA = paraformaldehit. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Serebellar gelişim sırasında granül nöron morfolojisinin analizi. (A) 3-DPI ila 14-DPI (doğum sonrası yaş P10 ila P21), çekirdekler (mavi) ve GFP (yeşil) arasındaki elektroporated CGN'lerin maksimum projeksiyon görüntüleri; ok uçları bireysel dendriti gösterir ve ölçek çubuğu 10 μm'dir. (B) Ortalama dendrit sayısı. (
Serebellar granül nöronlar, memeli beynindeki en bol nöronlardır ve kemirgen beynindeki toplam nöron popülasyonunun neredeyse% 60-70'ini oluşturur 1,14. Beyincik, hücresel proliferasyon, göç, dendrit oluşumu ve sinaps gelişimi mekanizmalarını aydınlatmak için yaygın olarak kullanılmıştır 6,9,10,11,15,16,17,18,19,20 ...
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Çalışma, NIH hibeleri R01NS098804 (A.E.W.), F31NS113394 (U.C.) ve Duke Üniversitesi'nin Yaz Sinirbilim Programı (D.G.) tarafından desteklendi.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Betadine | Purdue Production | 67618-150-17 | |
Cemented 10 µL needle | Hamilton | 1701SN (80008) | 33 gauge, 1.27 cm (0.5 in), 4 point style |
Chicken anti-GFP | Millipore Sigma | AB16901 | Our lab uses this antibody at a 1:1000 concentration |
Cotton-tip applicator | |||
Donkey anti-chicken Cy2 | Jackson ImmunoResearch | 703-225-155 | Our lab uses this antibody at a 1:500 concentration |
Ethanol (200 proof) | Koptec | V1016 | |
Electroporator ECM 830 | BTX Harvard Apparatus | 45-0052 | |
Fast Green FCF | Sigma | F7252-5G | |
FUGW plasmid | Addgene | 14883 | |
Glass slides | VWR | 48311-703 | Superfrost plus |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
Heating pad | Softheat | ||
Hoescht 33342 fluorescent dye | Invitrogen | 62249 | |
Imaris | Bitplane | ||
Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | |
Micro cover glass | VWR | 48382-138 | |
Nail polish | Sally Hansen | Color 109 | |
Normal goat serum | Gibco | 16210064 | |
O.C.T. embedding compound | Tissue-Tek | 4583 | |
Olympus MVX10 Dissecting Scope | Olympus | MVX10 | |
P200 pipette reach tip | Fisherbrand | 02-707-138 | Used for needle spacer |
Parafilm | Bemis | PM-996 | |
PBS pH 7.4 (10x) | Gibco | 70011-044 | |
Simple Neurite Tracer | FIJI | https://imagej.net/Simple_Neurite_Tracer:_Basic_ Instructions | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Surgical tools | RWD Life Science | Small scissors and tweezers | |
Triton X-100 | Roche | 11332481001 | non-ionic detergent |
Tweezertrodes | BTX Harvard Apparatus | 45-0489 | 5 mm, platinum plated tweezer-type electrodes |
Ultrapure distilled water | Invitrogen | 10977-015 | |
Vectashield mounting media | Vectashield | H1000 | |
Vetbond tissue adhesive | 3M | 1469SB | |
Zeiss 780 Upright Confocal | Zeiss | 780 |
An erratum was issued for: Utilizing In Vivo Postnatal Electroporation to Study Cerebellar Granule Neuron Morphology and Synapse Development. A figure was updated.
Figure 2 was updated from:
Figure 2: In vivo cerebellar electroporation of granule neuron progenitors in P7 wildtype mouse pups. (A) Pups are anesthetized with 4% isoflurane delivered at a rate of 0.8L/min to ensure anesthesia throughout the injection of the DNA solution. Isoflurane is delivered at a rate of 0.8 L/min. (B) After sterilizing the mouse 3 times with betadine and 70% ethanol, an incision is made that spans the distance of the ears, revealing the hindbrain. (C) A magnified image of a white demarcation on the cranium, a landmark for the injection site. DNA construct should be injected within 1 mm above the mark; dotted lines outline the demarcation, and black arrow denotes the injection site. The ridges of the cerebellar vermis may be visible and can be useful for finding the injection site. (D) Tweezer-type electrode orientation for efficient electroporation. Plus (+) end must be oriented downwards to pull negatively charged DNA into the cerebellar parenchyma prior to administration of electrical pulses. (E) Test injection of 1 µL of a 0.02% Fast Green dye shows injection is localized to the middle of the cerebellar vermis between lobules 5-7. Please click here to view a larger version of this figure.
to:
Figure 2: In vivo cerebellar electroporation of granule neuron progenitors in P7 wildtype mouse pups. (A) Pups are anesthetized with 4% isoflurane delivered at a rate of 0.8L/min to ensure anesthesia throughout the injection of the DNA solution. Isoflurane is delivered at a rate of 0.8 L/min. (B) After sterilizing the mouse 3 times with betadine and 70% ethanol, an incision is made that spans the distance of the ears, revealing the hindbrain. (C) A magnified image of a white demarcation on the cranium, a landmark for the injection site. DNA construct should be injected within 1 mm above the mark; dotted lines outline the demarcation, and black arrow denotes the injection site. The ridges of the cerebellar vermis may be visible and can be useful for finding the injection site. (D) Tweezer-type electrode orientation for efficient electroporation. Plus (+) end must be oriented downwards to pull negatively charged DNA into the cerebellar parenchyma prior to administration of electrical pulses. (E) Test injection of 1 µL of a 0.02% Fast Green dye shows injection is localized to the middle of the cerebellar vermis between lobules 5-7. Please click here to view a larger version of this figure.
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır