Method Article
蛋白质合成是细胞的关键生物过程。在大脑中,它是自适应变化所必需的。测量完整大脑中蛋白质合成率需要仔细的方法学考虑。这里我们介绍了L-[1-14C]-亮细胞定量自射方法,用于测定体内脑蛋白合成的区域速率。
蛋白质合成是神经元功能发育和维护所必需的,并参与神经系统的适应性变化。此外,人们认为神经系统蛋白质合成障碍可能是某些发育障碍的核心表型。准确测量动物模型中脑蛋白合成率对于了解这些疾病非常重要。我们开发的方法被设计用于研究醒着、有行为的动物。它是一种定量的自动放射学方法,因此可以同时产生大脑所有区域的速率。该方法基于示踪氨基酸L-1-14 C+-亮氨酸的使用,以及L-亮氨酸在大脑中行为的动力学模型。我们选择L-1-14 C+-亮氨酸作为示踪剂,因为它不会导致外在标记的代谢产物。它要么被整合到蛋白质中,要么被快速代谢,产生14CO2,在大脑中大量未标记的CO2中稀释。 该方法和模型还允许从组织蛋白解基中提取的无标记亮氨酸对蛋白质合成的组织前体池的贡献。该方法具有空间分辨率,可确定细胞和神经层以及下丘脑和颅神经核的蛋白质合成率。为了获得可靠且可重复的定量数据,必须遵循程序细节。这里我们介绍了定量自放射学L-1-14 C+-亮氨酸法的详细程序,用于确定体内蛋白质合成的区域速率。
蛋白质合成是神经系统长期适应性变化的重要生物过程。抑制蛋白质合成会阻止无脊椎动物和脊椎动物的长期记忆储存2。蛋白质合成对于维持某些形式的长期强效 (LTP) 和长期抑郁症 (LTD) 3、发育过程中的神经元存活率4以及神经元及其一般维持的后期阶段至关重要突触连接5.大脑蛋白质合成率的测量可能是研究适应性变化以及与学习和记忆相关的神经发育障碍和紊乱的重要工具。
我们已经开发出一种量化清醒动物体内脑蛋白合成率的方法,它与其他估计脑组织外体或体外制剂速率的技术具有固有的优势。最重要的是适用于清醒动物大脑中完整大脑的测量。这是一个关键的考虑因素,因为它允许具有突触结构和功能的测量,而不必担心验尸后的效果。此外,我们采用的定量自动放射学方法实现了高度的空间定位。虽然14C的能量是,我们不能本地化示踪剂在亚细胞或细胞水平,我们可以测量速率的细胞层和小大脑区域,如下丘脑核,大约25μm分辨率7。
用放射性追踪器进行体内测量的一个挑战是确保测量的放射性标签是在感兴趣的反应产物中,而不是未反应的标记前体或其他无关标记的代谢产物6。我们选择L-1-14 C+-亮氨酸作为示踪氨基酸,因为它要么被整合到蛋白质中,要么迅速代谢成14CO2,在大脑中未标记的CO2大池中稀释,因为高速率能量代谢8.此外,任何14C未纳入蛋白质主要存在作为自由[14 C]-亮氨酸,在60分钟的实验期间,几乎完全从组织6清除。蛋白质然后固定到组织与形式素,然后用水冲洗,以去除任何免费的 [14C]-亮氨酸之前,自体。
另一个重要考虑因素是组织蛋白解中未标记氨基酸稀释前体氨基酸池特定活性的问题。我们已经表明,在成年大鼠和小鼠中,大脑中蛋白质合成的前体亮氨酸池中约有40%来自来自蛋白质分解6的氨基酸。这必须包括在脑蛋白合成(rCPS)的区域速率的计算中,并且必须在可能改变这种关系的研究中得到确认。该方法的理论基础和假设已在其他地方详细介绍。本文着重论述了该方法应用的程序问题。
该方法已用于测定地松鼠9,绵羊10,河河猴11,大鼠12,13,14,15,16的rCPS,17,18,19,20,21、一种小鼠模型的管状硬化复合22,小鼠模型脆弱的X综合征23,24,25,26,脆弱的X预突变小鼠27,和苯丙酮尿的小鼠模型28。在本手稿中,我们介绍了使用体内自放射学 L-1-14 C+-亮氨酸法测量rCPS 的程序。我们在醒着的控制鼠标的大脑区域中呈现rCPS。我们还证明,在体内对一种翻译抑制剂的抗声霉素的分管,可以消除大脑中的蛋白质合成。
注:所有动物程序均获得国家精神卫生动物护理和使用委员会的批准,并按照国家卫生研究院《动物护理和使用指南》进行。
图 1中提供了该协议的概述。
1. 分别在股骨静脉和动脉中植入导管,分别用于给导管和采集时导动脉血样。在给动剂前至少22小时完成手术。手术大约需要1小时才能完成。
2. 制备L-+1-14 C_亮氨酸溶液用于注射和16%(w/v)5-硫酸(SSA)二水合物溶液,用于脱蛋白血浆样品。在SSA溶液中,还包括0.04 mM诺列辛和1μCi/mL[H3]亮氨酸作为氨基酸分析和酸溶性血浆馏分示剂浓度的内部标准。将 SSA 储存在 4°C 下长达两个月。
3. 静脉注射L-+1-14 C_leucine,并收集动脉血样。
4. 分析血浆样品中亮氨酸和L-+1-14 C_亮氨酸的浓度。
5. 进行定量自成像。
6. 分析图像。
注意:建议使用市售的图像分析程序,以及 CCD 摄像机和具有均匀照明的荧光灯盒。CCD相机可检测到发光膜中的相对光学密度。
7. rCPS 的计算。通过以下公式计算每个 ROI 中的 rCPS:
其中 P*(T) 是 ROI 中14C 的加权平均组织浓度,Cp(t) 和 C=p(t) 是当时未标记和标记的亮氨酸的动脉血浆浓度,t,T 是动物死亡的时间( 约60分钟),α是来自血浆的组织前体池中的亮氨酸部分。在一个单独的实验中进行α的评估。* 已在 WT、Fmr1 敲除、Tsc +/-和 PKU小鼠6、22、25、28 中进行了评估。如果实验涉及可能影响蛋白质合成、降解或代谢率的遗传或药理学变化,则应在新的条件下进行评估。
这里展示了一个代表性的实验,演示了蛋白质合成抑制剂先前对rCPS的影响。正常盐水中的苯二恶客在开始rCPS测定前30分钟给一只成年C57/BL6雄性野生型小鼠皮下(100毫克/千克)施用。与车辆处理的对照动物相比,异种素治疗的效果表明,在异种霉素处理小鼠中,rCPS几乎无法检测到(图4)。这些数据表明,体内自放射学L-1-14 C+-亮氨酸法测量大脑中蛋白质合成率的验证。
我们在大脑的四个级别上提出了L-[1-14 C]-亮素自射量图,以演示该方法的分辨率(图5)。图中所示为嗅球中的细胞层(图5A和B)、海马(图5C)和小脑(图5G)。下丘脑核(图5D),庞(图5E和F)和脑干(图5H)也清楚地出现在自动放射图中。 我们还显示了典型对照动物前额皮层(5.88 nmol/g/min)和背海马(5.35 nmol/g/min)(图6B)中蛋白质合成的定量区域速率。
图 1:表示整个 rCPS 协议步骤的架构。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:暴露股动脉和股骨静脉的图像。股动脉平行地平行地位于股骨静脉上方。股骨静脉也比股动脉更红。请点击此处查看此图的较大版本。
图3:rCPS实验推荐的动物外壳设置图像。它采用一个清晰的圆柱形动物外壳,旋转附属件连接到弹簧系绳上。请点击此处查看此图的较大版本。
图4:与使用异种霉素(100毫克/千克,皮下)治疗的动物相比,汽车处理动物(A)的代表性图像在示踪剂(B)前30分钟。蛋白质合成率与图像中的黑暗程度成正比。Anisomycin 大大降低了蛋白质合成的测量速率,表明该方法的特异性。A 右上角的刻度条表示 1 mm,适用于两个图像。请点击此处查看此图的较大版本。
图5:在嗅球(A、B)、下丘脑(C、D)、庞氏(E、F)、小脑(G)和脑干(G、H)水平上,从醒着的老鼠身上的数字化自动放射图。较暗的区域具有较高的 rCPS。面板 G 中的比例尺适用于面板 A、C、E 和 G。 右侧的自动放射线(B、D、F 和 H)是从左侧图像上指定的区域放大的图像,面板 H 中的刻度条适用于面板 B, D、 F 和 H. 缩写如下: FrA, 前额关联皮层;OB,嗅球;AO,前嗅核;Gl,球状层;EPl,外部有机形态层;BLA,巴索边杏仁核;py,金字塔状细胞层;dHi,背海马;DG,变性陀螺;MHb, 中联法本拉;Rt, 水底状细胞核;VMH,腹腔中下丘脑核;弧形,弧形核;EW,埃丁格-威斯特法尔核;R,红色核;PN,蓬丁核;ML,分子层;GL,粒度层;Pc,Purkinje细胞层;库,库尼特核;AP,区域后雷玛;10、背运动核的迷走;12、低光泽核。请点击此处查看此图的较大版本。
图6:从觉醒行为控制小鼠在前额皮质(A)和背海马(B)的水平进行数字化自动放射报。脑蛋白合成率根据右侧显示的色条在图像中进行颜色编码。A 左下角的刻度条表示 1 mm,适用于两个图像。请点击此处查看此图的较大版本。
提出了一种定量测定实验动物体内脑蛋白合成(rCPS)区域速率的方法。与现有方法的方法,这种方法具有相当大的优势:1.测量是在清醒的有行为动物中进行的,因此它们反映了大脑中正在进行的过程。2. 测量是通过定量自辐射法进行的,能够同时确定大脑所有区域和分区域的rCPS。3. 该方法的动力学模型考虑到从组织蛋白降解中产生的未标记氨基酸的回收可能性及其对蛋白质合成前体池的影响6。
此方法的主要限制是既耗时又苛刻。虽然使用更简单、更高的吞吐量方法很诱人,但必须承认获得的数据的局限性。
由于在完整小鼠中测量 rCPS 的复杂性,因此可能会遇到维持正常生理状态、收集足够的血液样本以及避免可能干扰的情况。静脉和动脉导管的手术植入具有挑战性。与任何外科手术一样,尤其是处理细腻的血管,动物有死亡的内在风险。对我们来说,这是罕见的(约1%)。在随后的22小时恢复期间,偶尔(约4%)动物会拔掉导管。在测量过程中,导管是专利和动物处于正常生理状态,这一点很重要。根据我们最近的经验,在大约2%的动物中不能采集动脉血液,大约1%的动物有低血球(<40%)或动脉血压低(<85毫米汞柱),表明手术和/或恢复期间失血。
在为自光成像准备大脑截面时,必须确保截面厚度为 20 μm,因为这是已校准的 14 C_甲基丙烯酸酯标准的截面厚度。小心确保良好的质量部分,即没有撕裂,褶皱或气泡,因为这些缺陷将干扰自动放射分析。我们用手而不是自动胶片处理器来开发自动放射膜,因为我们发现,在自动处理后,背景光学密度可能参差不齐,这可能会影响定量。
在rCPS的方程中,我们包括一个因素,lambda (+),即来自动脉血浆的亮氨酸的馏分,其余部分来自从组织蛋白降解6中衍生的氨基酸的回收。我们在WT和Fmr1 KO(易碎X型)C57Bl/6J小鼠的单独实验中对α进行了评估,并表明其值为0.603。* 的值可能因物种、遗传背景或基因突变的存在而异。因此,如果为其他模型设计蛋白质合成实验,则需要先对α进行评估,然后才能获得精确的测量。
我们在神经发育障碍的基因小鼠模型方面的研究表明,这种方法揭示了这些模型中rCPS的变化,在某些情况下,对药理学治疗的反应22,23,25,26.可以想象,rCPS测量也可能监测大脑在诸如阿尔茨海默氏病、帕金森病、脆弱的X震颤性失常综合征、创伤性脑损伤等条件下的退行性变化。这些模型,有可能跟踪早期退行性的变化,也可能对早期干预的反应。rCPS方法可与免疫性化学在平行部分一起使用,以进一步检查特定的大脑变化25。总之,定量自放射L-1-14 C+-亮氨酸法是准确测定体内rCPS值的理想选择。与现有方法一起,它在准确性和对体内条件的适用性方面具有相当大的优势。
提交人没有利益冲突可披露。
作者感谢曾燕夏对小鼠的基因分型,汤姆·伯林的氨基酸和薄膜的加工,和梅琴进行一些rCPS实验。这项研究得到了NIMH的内学研究计划,ZIA MH00889的支持。RMS 还得到了自闭症讲博士后奖学金 8679 和 FRAXA 博士后奖学金的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Mice | The Jackson Laboratory | 003024 | Fmr1 knockout breeding pairs |
Anisomycin | Tocris Bioscience | 1290 | |
Microhematocrit Tubes | Drummond Scientific | 1-000-3200-H | capillary tubes |
Critoseal Capillary Tube Sealant | Leica Microsystems | 39215003 | sealant putty |
Glass vial inserts | Agilent | 5183-2089 | used to collect blood samples |
Digi-Med Blood Pressure Analyzer | Micro-Med Inc. | BPA-400 | blood pressure analyzer |
Bayer Breeze 2 Blood Glucose Monitoring System | Bayer Breeze | 9570A | glucose meter |
Gastight syringe | Hamilton Co. | 1710 | tuberculin glass syringe |
HeatMax HotHands-2 Hand Warmers | HeatMax | Model HH2 | warming pads |
Heparin Lock Flush Solution | Fresenius Kabi USA, LLC | 504505 | heparin saline |
Clear animal container | Instech | MTANK/W | animal enclosure |
Spring tether | Instech | PS62 | catheter tube/rodent attachment |
Swivel | Instech | 375/25 | hooks to spring tether |
Swivel arm and mount | Instech | SMCLA | hooks to swivel and animal enclosure |
Tether button | Instech | VAB62BS/22 | attaches to bottom of spring tether |
Stainless steel tube | Made in-house | N/A | used to snake catheters through mouse |
Matrx VIP 3000 | Matrx | 91305430 | isoflurane vaporizer |
Isoflurane | Stoelting Co. | 50207 | isoflurane/halothane adsorber |
Clippers | Oster Finisher | Model 59 | |
Surgical skin hooks | Made in-house (??) | N/A (??) | |
0.9% Sodium Chloride Saline | APP Pharmaceuticals LLC | 918610 | |
Forceps | Fine Science Tools | 11274-20 | |
Surgical scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | |
Microscissors | Fine Science Tools | 15000-00 | |
UNIFY silk surgical sutures | AD Surgical | #S-S618R13 | 6-0 USP, non-absorbable |
PE-8 polyethylene tubing | SAI Infusion Technologies | PE-8-25 | |
Syringe | Becton Dickinson and Co. | 309659 | 1cc/mL |
PE-10 polyethylene tubing | Clay Adams | 427400 | |
MCID Analysis | Imaging Research Inc. | Version 7.0 | optical density analysis |
Gelatin-coated slides (75x25mm) | FD Neurotechnologies | PO101 | |
Cryostat | Leica | CM1850 | |
Super RX-N medical x-ray film | Fuji | 47410-19291 | |
Hypercassettes (8x10 in) | Amersham Pharmacia Biotech | 11649 | |
[1-14C]leucine | Moravek | MC404E | |
Microcentrifuge tube | Sarstedt Aktiengesellschaft & Co. | 72.692.005 | used to deproteinize blood samples |
Glass pasteur pipette | Wheaton | 357335 | |
Glass wool | Sigma-Aldrich | 18421 | |
Nitrogen | NIH Supply Center | 6830009737285 | |
Scintillation fluid | CytoScint | 882453 | |
Liquid scintilllation counter | Packard Tri-Carb | 2250CA | |
Amino acid analyzer | Pickering Laboratories | Pinnacle PCX | |
HPLC unit | Agilent Technologies | 1260 Infinity | include 1260 Bio-Inert Pump |
Surgical microscope | Wild Heerbrugg | M650 | |
Sulfosalicylic acid | Sigma-Aldrich | MKBS1634V | 5-sulfosalicylic acid dihydrate |
Norleucine | Sigma | N8513 | |
1.0 N HCl | Sigma-Aldrich | H9892 | |
[H3]leucine | Moraevk | MC672 | |
Falcon tube | Thermo Scientific | 339652 | 50 mL conical centrifuge tubes |
Stopwatch | Heuer Microsplit | Model 1000 | 1/100 min |
Euthanasia Solution | Vet One | H6438 | |
Northern Light Precision Illuminator | Imaging Research Inc. | Model B95 | fluorescent light box |
Micro-NIKKOR 55mm f/2.8 | Nikon | 1442 | CDD camera |
请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形
请求许可This article has been published
Video Coming Soon
版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。