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Qui, abbiamo descritto un protocollo per studiare quantitativamente l'assemblaggio e la struttura dei segmenti iniziali di axon (AIS) dei neuroni ippocampali che mancano di AIS pre-assemblato a causa dell'assenza di un anchirina-G gigante.
I segmenti iniziali dell'assone neuronale (AIS) sono siti di iniziazione di potenziali d'azione e sono stati ampiamente studiati per la loro struttura molecolare, assemblaggio e plasticità dipendente dall'attività. L'anchirina gigante-G, il principale organizzatore dell'AIS, si associa direttamente ai canali del sodio gated al sodio (VSVG) e del potassio (KCNQ2/3), nonché alla neurofascina da 186 kDa, una molecola di adesione cellulare L1CAM. L'anchirina gigante-G si lega e recluta anche molecole di AIS citoplasmatiche tra cui beta-4-spectrin, e le proteine leganti i microtubuli, EB1/EB3 e Ndel1. L'anchirina gigante-G è sufficiente per salvare la formazione di AIS in neuroni carenti di anchirina-G. L'anchirina-G include anche un isoforma più piccolo da 190 kDa situato alle spine dendritiche invece dell'AIS, che non è in grado di mirare all'AIS o di salvare l'AIS in neuroni carenti di anchirina-G. Qui, abbiamo descritto un protocollo che utilizza neuroni ippocampali coltivati da topi ANK3-E22/23-flox, che, se trasfettato con Cre-BFP mostrano la perdita di tutta l'isoforma di anchirina-G e compromettono la formazione di AIS. Combinato un sistema di co-coltura Banker glia/neurone modificato, abbiamo sviluppato un metodo per trasfetto i neuroni nulli anchirina-G con un plasmide anchirina-G-GFP da 480 kDa, che è sufficiente per salvare la formazione di AIS. Utilizziamo inoltre un metodo di quantificazione, sviluppato da Salzer e colleghi per affrontare la variazione della distanza AIS dai corpi cellulari neuronali che si verifica nelle colture neuronali ippocampali. Questo protocollo consente studi quantitativi sull'assemblaggio de novo e sul comportamento dinamico dell'AIS.
Il segmento iniziale dell'assone si trova all'assone prossimale nella maggior parte dei neuroni vertebrati. Funzionalmente, AIS è il luogo in cui vengono avviati potenziali d'azione a causa dell'alta densità dei canali del sodio gated di tensione in questa regione. L'AIS di alcuni neuroni eccitatori è anche preso di mira da internauri inibitori formando sinapsi GABAergiche1,2,3. Pertanto, AIS è un sito critico per integrare la segnalazione cellulare e modulare l'eccitabilità dei neuroni. AIS è normalmente lungo 20-60 μm e si trova entro 20 μm dal corpo cellulare. La lunghezza e la posizione dell'AIS varia nei neuroni tra le regioni cerebrali, così come in diversi stadi di sviluppo dello stessoneurone 4,5. Le prove accumulate hanno suggerito che la composizione e la posizione dell'AIS sono dinamiche nel rispondere al cambiamento dell'attivitàneuronale4,5,6,7.
480 kDa ankyrin-G è il master organizer di AIS. 480 kDa anchirina-G è una proteina adattatore associata alla membrana che si lega direttamente ai canali del sodio gated di tensione e ad altre principali proteine AIS tra cui beta4-spectrina, canali KCNQ2/3 che modulano l'attività del canale del sodio8,9e 186 kDa neurofascina, un L1CAM che dirige le sinapsi GABAergice all'AIS2,10. 480 kDa ankyrin-G condivide domini di anchirina canonica trovati nel breve isoforma anchirina-G da 190 kDa (ANK ripete, dominio legante spectrin, dominio regolatore), ma si distinguono per un esone gigante che si trova solo nei vertebrati ed è specificamente espresso nei neuroni(Figura 1A)11,12. Il dominio specifico del neurone anchirina-G da 480 kDa (NSD) è necessario per la formazioneDIA 12. L'anchirina-G da 190 kDa non promuove l'assemblaggio AIS o l'AIS bersaglio nei neuroni anchirina-G-null12. Tuttavia, 190 kDa anchirina-G sono concentrati nell'AIS contenente 480 kDa anchirina-G12. Questa capacità dell'anchirina-G da 190 kDa di colpire l'AIS pre-assemblato dei neuroni di tipo selvatico è stata una fonte di confusione nella letteratura e ha rallentato l'apprezzamento delle funzioni critiche specializzate dell'anchirina-G da 480 kDa nell'assemblaggio AIS. Pertanto, è fondamentale studiare l'assemblaggio AIS in neuroni anchirina-G-null che mancano di un AIS pre-assemblato.
Qui presentiamo un metodo per studiare l'assemblaggio e la struttura dell'AIS utilizzando neuroni ippocampali coltivati da topi ANK3-E22/23-flox che elimina tutte le isoforme di anchirina-G13 (Figura 1B). Trasfettando i neuroni con un costrutto Cre-BFP prima che l'AIS sia assemblato, abbiamo generato neuroni carenti di anchirina-G completamente privi di AIS (Figura 1B, Figura 2). L'assemblaggio dell'AIS è completamente salvato a seguito della co-trasfezione di 480 kDa anchirina-G-GFP plasmide con un plasmide Cre-BFP. Questo metodo consente di studiare l'assembly AIS in un ambiente AIS non preassemblato. Abbiamo anche modificato il sistema di co-coltura glia-neurone da Gary Banker senza utilizzare antibiotici, precedentemente progettato per i neuroni del giorno embrionale 18, perl'applicazioneai neuroni del topo postnatale e adattato un metodo di quantificazione AIS alle misurazioni medie AIS da più neuroni per normalizzare la variazione di AIS 14,15.
NOTA: Questo metodo di coltura dei neuroni ippocampali dai topi ANK3-E22/23f/f postnatali è adattato dal sistema di co-coltura glia/neurone di Gary Banker. Pertanto, è fondamentale eseguire tutti i passaggi dopo la dissezione in una cappa pulita utilizzando strumenti sterilizzati. Questo protocollo richiede fino a 1 mese. Il flusso di lavoro viene visualizzato nella figura 3. Il protocollo segue le linee guida sugli animali della Duke University.
1. Preparazione di coverlips e piatti di placcatura neuronale
2. Preparazione di piatti di alimentazione a celle glia (2 settimane prima del giorno della coltura)
3. Cultura neuroni ippocampali
NOTA: Tutti i passaggi vengono eseguiti a temperatura ambiente.
4. Interruzione dell'AIS da parte del knockout di Ankyrin-G nella fase precedente dello sviluppo dei neuroni
5. Quantificazione del segmento iniziale di Axon
Una serie completa di esperimenti dovrebbe includere la trasfezione solo Cre-BFP come controllo negativo, Cre-BFP più 480 kDa di co-trasfezione anchirina-G come controllo positivo e una condizione non trasfettata come controllo della tecnica. Nel controllo solo Cre-BFP, i neuroni trasfetti mancano dell'accumulo di marcatori AIS, tra cui anchirina-G (ankG), beta4-spectrina (β4), neurofascina (Nf) e canali di sodio gated di tensione (VSVG)(Figura 4A)16. Al contrario, i neuroni co-trasfetati Cre e 480 kDa ankyrin-G hanno completamente assemblato l'AIS rivelato dal presente dei marcatori AIS (Figura 4B). È importante confermare la qualità della cultura confrontandola con i piatti non trasfetturati. I neuroni malsani tendono a mostrare una struttura AIS anomala, come l'AIS fuori produzione o ectopica (Figura 4C).
Poi abbiamo mostrato un esempio di valutazione di come una mutazione del disturbo del neurosviluppo umano anchirina-G (ankG-K2864N) influenzi l'assemblaggio AIS(Figura 5). 3 div ANK3-E22/23f/f neuroni sono stati trasfetati con Cre-BFP e wildtype 480 kDa ankyrin-G (ankG-WT) o 480 kDa anchirina-G che barano la mutazione umana (ankG-K2864). I neuroni sono stati fissati a div7 e macchiati per l'anchirina-G. Le immagini sono state raccolte da 10-15 neuroni trasfettati e 10-15 neuroni di controllo sugli stessi coprispavimenti ed elaborate con proiezione di massima intensità. Quindi disegniamo una linea all'AIS come mostrato e misuriamo l'intensità media attraverso la linea. Dopo aver mediato l'intensità AIS, tracciamo l'intensità AIS dal soma all'assone distale. La proteina arricchita di AIS normalmente mostrava un rapido aumento del segnale dall'assone prossimale e una lenta diminuzione del segnale all'assone distale. L'AIS assemblato da anchirina-G con mutante umano mostrò un aumento e una diminuzione del segnale. Ma quando è allineata con l'AIS non trasfettata, la curva mutante è più ampia, e il picco della curva è inferiore suggerendo un cambiamento di struttura dell'AIS. Il tipo selvaggio ankyrin-G assemblato AIS strettamente allineato con quello non trasfetto.
Figura 1: L'editing genomico di ANK3-E22/23-flox. (A) Rappresentazione schematica dei domini proteici per 3 isoforme anchirina-G. La posizione delle regioni codificate exon 22 e 23 nel dominio canonico è puntata dalla linea del trattino. (B) La posizione dei siti LoxP nei topi ANK3-E22/23-flox è indicata dal triangolo. Nel presente di Cre ricombinasi, l'esone 22 e 23 viene cancellato e causa perdita l'espressione di tutte e 3 le isoforme di anchirina-G. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Perdita di AIS nei neuroni ANK3-E22/23-flox nel presente della ricombinazione cre. Un diagramma mostra l'ora dell'espressione anchirina-G e l'assemblaggio AIS nei neuroni di tipo selvaggio rispetto ai neuroni F/F ANK3-E22/23 con trasfezione Cre a 3 div.
Figura 3: Flusso di lavoro del protocollo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Un salvataggio completo di AIS di 480kDa AnkG nei neuroni ANK3-E22/23-flox trasfettato con Cre. 3 neuroni div di topi ANK3-E22/23f/f sono stati trasfetati con Cre-BFP (A) o con un Cre-BFP e un tipo selvaggio 480 kDa anchirina-G-GFP (B). I neuroni sono stati fissati a 7 div e macchiati per i canali del sodio anchirina-G (ankG), β4-spectrin (β4), neurofascina (Nf) e tensione gated sodium channels (VSVG). La testa di freccia bianca punta all'AIS di un neurone trasfetto. La barra di scala è di 20 μm. Questa cifra è stata adattata da Yang et al16. (C) Sono stati mostrati due neuroni malsani trasfettato con tdTM e 480 kDa anchirina-G-GFP. La formazione di aggregati (cerchiati in bianco e ingranditi) è un segno di neuroni malsani. In alto: 480 kDa anchirina-G si presenta nella regione non AIS (puntata da punte di freccia bianche. Fondo: Neurone formato 3 AIS e accumulo ectopico di anchirina-G su soma. La barra di scala è di 20 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Quantificazione dei cambiamenti strutturali dell'AIS. I neuroni div3 dei topi ANK3-E22/23f/f sono stati trasfetati con Cre-BFP e anchirina-G di tipo selvatico 480 kDa o anchirina-G-K2864N da 480 kDa. A 7 div, i neuroni erano fissi e macchiati per l'anchirina-G. Le immagini rappresentative mostrano il segnale anchirina-G all'AIS. La linea verde e la linea gialla indicano dove è stata tracciata la linea per la misurazione dell'intensità AIS. La linea del trattino bianco circondava il corpo cellulare del neurone trasfetto. La barra di scala è di 20 μm. L'intensità media AIS per entrambe le condizioni viene tracciata da sola e allineata con le celle non trasfette (n=10). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
L'assemblaggio dell'AIS è organizzato da 480 kDa ankyrin-G. Tuttavia, l'anchirina-G ha isoforme più corte che possono colpire l'AIS dei neuroni di tipo selvatico, il che può portare a difficoltà nell'interpretazione delle analisi struttura-funzione dell'assemblaggio AIS. Qui presentiamo un metodo che utilizza neuroni di topi ANK3-E22/23-flox che consente lo studio dell'assemblaggio de novo dell'AIS. Transfettando con Cre-BFP a 3 div, eliminiamo tutte le isoforme endogene di anchirina-G. Potremmo anche co-trasfetto 480 kDa ankyrin-G per salvare la formazione di AIS. Ciò consente lo studio della formazione ais in un sistema pulito. Adottando ulteriormente il sistema di coltura Banker che migliora la vitalità senza complicazioni di sovrase crescita delle cellule gliali, potremmo raggiungere un'elevata efficienza di trasfezione, che ci fornisce abbastanza neuroni per la misurazione quantitativa delle dimensioni AIS.
Ci sono diversi passaggi critici in questo protocollo. Il primo passo critico è considerare il miglior lacito di tempo per eseguire la trasfezione, che deve essere abbastanza presto per impedire l'assemblaggio di AIS e abbastanza tardi da raggiungere la massima efficienza di trasfezione. Abbiamo provato la trasfezione per elettroporazione a 0 div, che ha dato circa il 10% di efficienza di trasfezione solo con Cre-BFP, ma non siamo mai stati in grado di trasfezionare 480 kDa Ankyrin-G a 0 div. Sospettiamo che sia dovuto alle grandi dimensioni del plasmide (circa 20 kb). I neuroni ippocampali coltivati primari hanno una finestra stretta per la trasfezione, che è compresa tra 3-5 giorni. L'accumulo di anchirina-G all'AIS parte da 3 div. Quando trasfetteiamo Cre-BFP a 3 div, non è stata osservata alcuna formazione AIS nei neuroni trasfettati (Figura 4A). Potremmo ottenere 10-20 neuroni trasfettato con 480 kDa anchirina-G da un coverslip da 18 mm. Inoltre, per l'esperimento di salvataggio della co-trasfezione, tutto il DNA deve essere generato sotto lo stesso promotore e il rapporto tra Cre-BFP e 480 kDa ankyrin-G-GFP deve essere abbinato. In questo esperimento, abbiamo usato il promotore beta-actina di pollo.
Un altro passo fondamentale è la modifica della cultura banchiere. La cultura di Banker è stata sviluppata per coltivare neuroni di ratto embrionali. Per supportare meglio il neurone ippocampale postnatale del topo più sensibile, includiamo un passaggio di taglio degli ippocampi in pezzi più piccoli per migliorare l'efficienza di tripsicinazione. L'aggiunta del trattamento koh dopo il trattamento con acido nitrico ha ulteriormente ridotto la tossicità dai coprispacchi di vetro, che aiutano i neuroni ad attaccarsi e crescere meglio.
Una sfida rimanente è come controllare il livello di espressione di ankyrin-G. Uno schermo di dosaggio ha contribuito a determinare la quantità ottimale di plasmide utilizzato per la trasfezione. In futuro, è meglio usare un promotore specifico per i neuroni per controllare il livello di espressione. L'analisi dei dati corrente non ha misurato la posizione dell'AIS. Questa funzione dovrebbe essere inclusa in futuro.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamo il Dr. Gary Banker per il suggerimento sul protocollo sulla cultura neuronale. Questo lavoro è sostenuto dall'Howard Hughes Medical Institute, una borsa di studio della NIH e una cattedra dotata di George Barth Geller (V.B.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10xHBSS | Thermo Fisher Scientific | 14065-056 | |
18mm coverglass (1.5D) | Fisher Scientific | 12-545-84-1D | |
190kDa ankyrin-G-GFP | Addgene | #31059 | |
2.5% Tripsin without phenol red | Thermo Fisher Scientific | 14065-056 | |
480kDa ankyrin-G-GFP | lab made | Provide upon request | |
ANK3-E22/23f/f mice | JAX | Stock No: 029797 | B6.129-Ank3tm2.1Bnt/J; |
B27 serum-free supplement | Thermo Fisher Scientific | A3582801 | |
Boric acid | Sigma-Aldrich | B6768 | |
Cell strainer with 70-mm mesh | BD Biosciences | 352350 | |
Ceramic coverslip-staining rack | Thomas Scientific | 8542E40 | |
Cre-BFP | Addgene | #128174 | |
D-Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
DMEM | Thermo Fisher Scientific | 11995073 | |
GlutaMAX-I supplement | Thermo Fisher Scientific | A1286001 | |
Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher Scientific | 11668030 | |
MEM with Earle’s salts and L-glutamine | Thermo Fisher Scientific | 11095-080 | |
Neurobasal Medium | Thermo Fisher Scientific | 21103-049 | |
Nitric acid 70% | Sigma-Aldrich | 225711 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Thermo Fisher Scientific | 31985062 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Penicillin-streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Poly-L-lysine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 26124-78-7 | |
Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich | 1310-58-3 |
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