Method Article
הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטה לדמיין ולמדוד טבעות אקטין ורכיבים אחרים של השלד התקופתי של הממברנה של המקטע הראשוני של האקסון באמצעות נוירונים היפוקמפליים חולדה מתורבתת ומיקרוסקופיית תאורה מובנית 3D (3D-SIM).
המגזר הראשוני של האקסון (AIS) הוא האתר שבו פוטנציאל פעולה ליזום ומהווה מסנן תחבורה ומחסום דיפוזיה התורמים לשמירה על הקוטביות העצבית על ידי מיון מטען סומטו-דנדריטי. שלד תקופתי ממברנה (MPS) הכולל טבעות אקטין תקופתיות מספק פיגום לעיגון חלבוני AIS שונים, כולל חלבונים מבניים ותעלות יונים שונות. למרות גישות פרוטאומיות האחרונות זיהו מספר ניכר של רכיבי AIS חדשניים, פרטים על המבנה של MPS ואת התפקידים של מרכיביו בודדים חסרים. המרחק בין טבעות אקטין בודדות ב- MPS (~ 190 ננומטר) מחייב העסקה של טכניקות מיקרוסקופיות ברזולוציית-על כדי לפתור את הפרטים המבניים של ה- MPS. פרוטוקול זה מתאר שיטה לשימוש בתאי עצב היפוקמפוס חולדה מתורבתת כדי לבחון את הלוקליזציה המדויקת של חלבון AIS ב- MPS ביחס לטבעות אקטין תת-ממברניות באמצעות מיקרוסקופיית תאורה מובנית בתלת-ממד (3D-SIM). בנוסף, מתוארת גם גישה אנליטית להערכה כמותית של תקופתיות של רכיבים בודדים ואת מיקומם ביחס לטבעות אקטין.
פלח האקסון ההתחלתי (AIS) הוא אזור קצר וייחודי של האקסון הפרוקסימלי של נוירונים בעלי חוליות1. ה- AIS כולל מסנן תחבורה ומחסום דיפוזיה החיוני לשמירה על הקוטביות העצבית על ידי מיון מטען סומטו-דנדריטי2,3,4,5,5,6,7. בנוסף, המבנה הייחודי של AIS מאפשר לו להכיל אשכולות של תעלות יונים מגודרות מתח המאפשרים את תפקידו כאתר של ייזום פוטנציאלי פעולה8. קומפלקס מבני יציב מאוד עומד בבסיס הפונקציות הייחודיות של ה- AIS. מחקרים בעשור האחרון חשפו את נוכחותו של שלד תקופתי ממברנה (MPS) המכיל טבעות אקטין המחוברות על ידי ספקרין ומספק פיגומים לעיגון חלבוני AIS שונים9,10.
המרחק בין טבעות אקטין ב- MPS (~ 190 ננומטר)9,10 הוא תחת מגבלת הרזולוציה של מיקרוסקופיית אור קונבנציונלית. ניסיונות מוקדמים להשתמש במיקרוסקופיה אלקטרונית כדי לדמיין את ה- MPS לא הצליחו, שכן הליכי ההכנה הקשים המעורבים לא הצליחו לשמר את המבנה של MPS. לכן, טכניקות מיקרוסקופיות ברזולוציית-על הוכיחו את עצמן לא יסולא בפז בהבהרת חלק מהפרטים המבניים של MPS11. עם זאת, ההבנה של קומפלקס מבני AIS, הזהות והפונקציות של מרכיביו, ואת הרגולציה המרחבית שלה עדיין אינם שלמים. מחקרים פרוטאומיים אחרונים הצליחו ליצור רשימה גדולה של חלבונים המתאימים ל- AIS קרוב לרכיבים מבניים של AIS12,13. ובכל זאת, פרטים על תפקידם ומיקומם המדויק במתחם AIS חסרים. לפיכך, טכניקות מיקרוסקופיות ברזולוציית-על משמשות ככלי חיוני לבחינת המיקומים המדויקים של חלבונים אלה ביחס לרכיבי MPS אחרים ולחקור את תפקידיהם. מספר טכניקות מיקרוסקופיה אור יכול להשיג רזולוציות גבוהות יותר מאשר מגבלת עקיפה של אור, חלקם אפילו מסוגל לוקליזציה של מולקולות בודדות. עם זאת, רבות מטכניקות אלה דורשות בדרך כלל פלואורופורים מיוחדים או מאגרי הדמיה, ורכישת תמונה היא לעתים קרובות אינטנסיבית בזמן14.
מיקרוסקופיית תאורה מובנית תלת-ממדית (3D-SIM), בשל קלות השימוש שלה ודרישות פשוטות להכנת מדגם, אינה דורשת ריאגנטים מיוחדים להדמיה או הכנה מדגמית, פועלת היטב עם מגוון רחב של פלואורופורים ודגימות, ניתן ליישם אותה בקלות בצבעים מרובים, ומסוגלת להדמיית תאים חיים15. בעוד שהרזולוציה הטובה ביותר האפשרית SIM מציעה (~ 120 ננומטר) נמוכה בהשוואה לטכניקות רבות אחרות של רזולוציית-על, היא מספיקה עבור יישומים רבים (לדוגמה, לפתרון הרכיבים של MPS בתאי עצב). לכן, חשוב לשקול את הדרישה ליישומים ספציפיים כדי לקבוע אם SIM הוא בחירה מתאימה או אם יש צורך ברזולוציה גבוהה עוד יותר. כאן, פרוטוקול מתואר לשימוש בנוירונים היפוקמפוסים מתורבתים ומיקרוסקופיית תאורה מובנית 3D (3D-SIM) כדי לבחון את המיקום והארגון של חלבוני AIS putative ביחס לטבעות actin ב- MPS, כפי שיושם ב Abouelezz et al.16
נוירונים ההיפוקמפוס העיקריים המשמשים בניסויים אלה נקצרו16 מהיום העוברי 17 עוברי חולדה Wistar משני המינים תחת ההנחיות האתיות של אוניברסיטת הלסינקי והחוק הפיני.
1. הכנה לדוגמה
2. הדמיה
3. ניתוח תמונה
באמצעות נוירונים היפוקמפוס חולדה מתורבתת 3D-SIM, פרוטוקול מתואר לדמיין ולמדוד טבעות אקטין ורכיבים אחרים של MPS ב- AIS. שחזורים של ערימות תמונות הראו מחזוריות ברורה של טבעות אקטין (איור 2A). בידיים שלנו, המרחק הבין-שיא הממוצע של טבעות אקטין ב- MPS, שדמיינו באמצעות אלקסה 488-מתויג phalloidin, היה 190.36 ± 1.7 ננומטר (ממוצע ± SEM). זה עולה בקנה אחד עם המרחק הממוצע שדווח בעבר של ~ 190 ננומטר בין טבעות אקטין ב- MPS. באופן דומה, נוגדן G אנטי-אנקרין שימש לדמיין אנקרין G (איור 2B). colocalization של ankyrin G ו- F-actin נבדק ב- AIS באמצעות הליך ניתוח colocalization כדי לחשב את ה- PCC של לוקליזציה משותפת19,20,21. ה- PCC של colocalization של פלורסצנטיות אנקירין G ו- F-actin היה 0.36 ± 0.03 (ממוצע ± SEM, איור 2B). כמו אנקירין G וטבעות actin לקשור βIV-ספקטרין בתחומים שונים, הם אינם מראים colocalization משמעותי. נתונים אלה הותאמו מאבולז ואח' 16
איור 1: ייצוג סכמטי של הפרוטוקול להכנה מדגמית להדמיית 3D-SIM. נוירונים בהיפוקמפוס נקצרים מעוברי חולדה, מנותקים, ומותר להם לגדול על כיסויי זכוכית בתרבות במשך 14 יום. לאחר מכן התאים קבועים ומוכתמים באמצעות פאלואידין מתויג ונוגדנים מתאימים, ולאחר מכן מותקנים על שקופיות זכוכית להדמיית 3D-SIM. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: שחזור תלת-ממדי-SIM של השלד התקופתי של הממברנה (MPS) במקטע הראשוני של האקסון (AIS). (A) F-actin (ירוק) ו-ankyrin G (מגנטה) מציגים התפלגות קבועה ב- AIS, המודמית על-ידי 3D-SIM. סרגל קנה מידה = 1 מיקרומטר. (B) מקדמי המתאם של פירסון (PCC) של colocalization של ankyrin G עם F-actin ב- MPS ב- AIS. PCC הממוצע של ankyrin G היה 0.36 (עיגול שחור). יהלומים אפורים מייצגים תאים בודדים (n = 16), קו האמצע מייצג את החציון, קווי שגיאה מייצגים את האחוזונים ה-25 וה-75. הנתונים מותאמים מ Abouelezz et al.16פלאש לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
הפרוטוקול המתואר כאן מספק שיטה להדמיה ומדידה של חלבוני MPS באמצעות טכניקת פתרון העל. כאשר טבעות actin ורכיבי MPS אחרים מציגים תקופתיות של ~ 190 nm9,10, גישות הדמיה קונבנציונליות מוגבלות עקיפה אינן יכולות לחשוף את פרטי ה- MPS. מספר הגדרות מיקרוסקופיה עשויות לפתור מבנים מוגבלים בעקיפה ברזולוציית-על, ו-SIM מייצג אפשרות חזקה ולא מסובכת. חשוב לציין, SIM תואם לפלורופורים הנפוצים ביותר, ומספק גמישות משמעותית. יתר על כן, SIM יעיל בהדמיית מבנים עמומים פוטנציאליים ב- MPS, כגון טבעות actin בתאי עצב שטופלו בלטרונקולין22, כמו גם נוירונים חיים15.
היבט חיוני להצלחת פרוטוקול זה הוא שמירה על שלמות ה- MPS מלכתחילה. השלבים הקריטיים ביותר להדמיית SIM מוצלחת מתרחשים במהלך הכנת מדגם. לדוגמה, קיבוע מתון (4% PFA במשך 12 דקות בטמפרטורת החדר) וחדירות חזקה (1% טריטון-X למשך 10 דקות) מספקים את התוצאות הטובות ביותר. חשוב לזכור כי טיפולים קשים שעשויים להידרש להכנות ספציפיות עשויים להיות בעלי השפעה שלילית על השלמות המבנית של MPS. לכן, אולי עדיף לשקול שינוי טיפולים כאלה כדי למקסם את השימור של MPS.
הגורם המכריע השני שיש לקחת בחשבון בעת הכנת דגימות להדמיה הוא למקסם את צפיפות התוויות. באופן אידיאלי, כל מולקולה תהיה מתויגת ומזוהה. לדוגמה, נוגדן אנטי-אנקירין G המשמש בניסוי זה משמש בדרך כלל כדי לתייג את AIS. הוא מספק ביצועים יוצאי דופן במיקרוסקופיה פלואורסצנטית קונבנציונלית, גם כאשר נעשה שימוש בדילול של 1:1000 ודגר רק 1 שעה בטמפרטורת החדר. עם זאת, כדי להשיג צפיפות תיוג טובה עבור מיקרוסקופיה ברזולוציה סופר, זה יעיל מאוד להשתמש 5-פי 5 ריכוז (1:200) ולדגור את הנוגדן לילה ב 4 °C (60 °F). בעוד הדרישות הספציפיות עבור כל נוגדן או טכניקת תיוג ישתנו ויש לקבוע באופן ניסיוני, זה אולי מועיל כדי לזכור את זה.
בנוסף, חשוב לציין כי השגת יחס אות לרעש גבוה משאילה את עצמה היטב לשחזורי SIM מדויקים ומוצלחים. כלל אצבע טוב הוא שתבנית הרשת צריכה להיות גלויה בתמונות הבודדות לאחר הפעלת שיטת ה- SIM. עם זאת, זה לא תמיד אפשרי.
לבסוף, חשוב לציין כי SIM הוא בין טכניקות פתרון העל החלשות ביותר בפתרון כוח14. לכן, בעוד זה בדרך כלל מספיק לחשיפת תקופתיות וארגון כולל של חלבוני MPS, זה באופן משמעותי פחות מסוגל לספק פרטים על האינטראקציות שלהם מאשר מיקרוסקופיה שחזור אופטי סטוכסטי (STORM)10. יתר על כן, התועלת של הטכניקה המתוארת כאן מוגבלת לחקר חלבונים שעבורם קיים נוגדן ספציפי בעל ביצועים טובים. עם זאת, זה יכול להיות עקף חלקית באמצעות ביטוי אקסוגני של חלבונים מתויגים15.
למחברים אין מה לחשוף.
ד"ר פירטה חוטואלינן מוכרת על הערותיה הביקורתיות, שלא יסולא בפז על הכנת כתב היד הזה. ד"ר רימנטה מינקביצ'ין מוכרת על עזרתה בהכנת התרבויות העצביות ששימשו לניסויים המקוריים. כל ההדמיה בוצעה ביחידת ההדמיה הביו-רפואית. עבודה זו נתמכה על ידי האקדמיה של פינלנד (D.M., SA 266351) ותוכנית הדוקטורט מוח ונפש (A.A.)
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24-well plates | Corning | 3524 | |
4% Paraformaldehyde | |||
Alexa-488 Phalloidin | ThermoFisher | A12379 | |
Alexa-647 anti-mouse | ThermoFisher | A31571 | |
Anti-Ankyrin G antibody | UC Davis/NIH NeuroMab Facility, Clone 106/36 | 75-146 | |
Anti-MAP2 antibody | Merck Millipore | AB5543 | |
B-27 | Invitrogen | 17504044 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | BioWest | P6154 | |
Deltavision OMX SR | GE Healthcare Life Sciences | N/A | |
Fiji software package | ImageJ | ||
GNU Octave | GNU | ||
High performance coverslips | Marienfeld | 117530 | |
Immersion Oil Calculator | Cytiva Life Sciences | https://tinyurl.com/ImmersionOilCalculator | |
L-Glutamine | VWR | ICNA1680149 | |
MATLAB R2020a | Mathworks | ||
Neurobasal media | Invitrogen | 21103049 | |
OMX SR | Delta Vision OMX | ||
Primocin | InvivoGen | ant-pm-1 | |
ProLong Gold mounting media | Invitrogen | P10144 | |
softWoRx Deconvolution | Cytiva Life Sciences | ||
Superfrost Slides | Epredia | ISO 8037/1 | |
TetraSpeck microspheres 0.1 µm | ThermoFisher | T7279 | |
Triton-X | Sigma | X100 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved