여기서, 우리는 거대한 ankyrin-G의 부재로 인해 사전 조립된 AIS가 부족한 해마 뉴런의 축삭 초기 세그먼트(AIS)의 조립 및 구조를 정량적으로 연구하는 프로토콜을 기술하였다.
신경 축 축 하 초기 세그먼트 (AIS) 행동 잠재력의 개시의 사이트 이며 광범위 하 게 그들의 분자 구조대 한 연구 되었습니다., 조립 및 활동 의존가성 가소성. AIS의 마스터 오거나이저인 거대 앙키린-G는 멤브레인 스패닝 전압 게이트 나트륨(VSVG) 및 칼륨 채널(KCNQ2/3)과 L1CAM 세포 접착 분자인 186 kDa neurofascin과 직접 연결됩니다. 거대한 ankyrin-G는 또한 베타-4-spectrin및 microtubule 결합 단백질, EB1/EB3 및 Ndel1을 포함하여 세포질 AIS 분자를 결합하고 모집합니다. 거대한 ankyrin-G는 ankyrin-G 결핍 뉴런에서 AIS 형성을 구출하기에 충분합니다. Ankyrin-G는 또한 AIS를 대상으로 하거나 ankyrin-G-결핍 뉴런에서 AIS를 구출할 수 없는 AIS 대신 수지상 척추에 위치한 작은 190 kDa 이소형을 포함합니다. 여기서, 우리는 ANK3-E22/23-flox마우스에서 배양 해마 뉴런을 사용하여 프로토콜을 설명했는데, 이는 Cre-BFP로 감염될 때 안키린-G의 모든 동위체의 손실을 나타내고 AIS의 형성을 손상시킵니다. 수정된 뱅커 글리아/뉴런 공동 배양 시스템을 결합하여, AIS의 형성을 구출하기에 충분한 480kDa ankyrin-GFP 플라스미드로 안키린-G널 뉴런을 횡단하는 방법을 개발했습니다. 우리는 또한 해마 뉴런 배양에서 발생하는 신경 세포 체로부터AIS 거리의 변화를 처리하기 위해 Salzer와 동료에 의해 개발 된 정량화 방법을 사용합니다. 이 프로토콜을 사용하면 de novo 어셈블리의 정량적 연구와 AIS의 동적 동작을 허용합니다.
축 사 초기 세그먼트는 대부분의 척추 동물 뉴런에서 근위 축 축 에 위치. 기능적으로 AIS는 이 지역의 전압 게이트 나트륨 채널의 고밀도로 인해 작업 전위가 시작되는 곳입니다. 일부 흥분 성 뉴런의 AIS는 또한 GABAergic 시냅스1,2,3형성을통해 억제 인터뉴런에 의해 표적화된다. 따라서 AIS는 세포 신호를 통합하고 뉴런의 흥분성을 조절하는 중요한 사이트입니다. AIS는 일반적으로 길이가 20-60 μm이며 세포 체체의 20 μm 내에 있습니다. AIS의 길이와 위치는 뇌 영역을 통해 뉴런뿐만 아니라 동일한 뉴런4,5의다른 발달 단계에서 다릅니다. 축적된 증거는 AIS의 조성및 위치가 뉴런 활동의 변화에 반응하는데 역동적인 것으로 나타났다4,5,6,7.
480 kDa ankyrin-G는 AIS의 마스터 오거나이저입니다. 480 kDa ankyrin-G는 전압 게이트 나트륨 채널뿐만 아니라 베타4-스펙트린, KCNQ2/3 채널을 포함한 다른 주요 AIS 단백질에 직접 결합하는 멤브레인 관련 어댑터 단백질로 나트륨 채널 활성8,9,및 186 kDa neurofascin, GABAergicssic을 직접 하는 L1CAM입니다. 480 kDa ankyrin-G는 짧은 190 kDa ankyrin-G isoform (ANK 반복, 스펙트럼 결합 도메인, 규제 도메인)에서 발견되는 표준 앙키린 도메인을 공유하지만 척추 동물에서만 발견되며 뉴런(그림 1A)11,12에서구체적으로 표현되는 거대한 엑소로 구별됩니다. 480 kDa ankyrin-G 뉴런 특이 도메인(NSD)은 AIS형성(12)에필요하다. 190 kDa ankyrin-G는 ankyrin-G-null뉴런(12)에서AIS 어셈블리 또는 타겟 AIS를 촉진하지 않는다. 그러나, 190 kDa ankyrin-G는 480 kDa ankyrin-G12를포함하는 AIS에 집중된다. 190kDa ankyrin-G의 이러한 능력은 야생형 뉴런의 사전 조립된 AIS를 표적으로 하는 것이 문헌의 혼란의 원천이었으며 AIS 어셈블리에서 480kDa ankyrin-G의 중요한 전문 기능에 대한 인식을 늦추고 있다. 따라서 사전 조립된 AIS가 부족한 안키린-G-null 뉴런에서 AIS 어셈블리를 연구하는 것이 중요합니다.
여기서, 안키린-G13(도 1B)의모든 등색을 제거하는 ANK3-E22/23-flox 마우스로부터 배양된 해마 뉴런을 사용하여 AIS의 조립 및 구조를 연구하는 방법을 제시한다. AIS가 조립되기 전에 Cre-BFP 구조로 뉴런을 변형시킴으로써, 우리는 완전히 AIS(도 1B, 도 2)가부족한 ankyrin-G-결핍 뉴런을 생성했습니다. AIS의 조립은 Cre-BFP 플라스미드와 480 kDa ankyrin-G-GFP 플라스미드의 공동 변환에 따라 완전히 구출된다. 이 방법은 사전 조립되지 않은 AIS 환경에서 AIS 어셈블리를 연구하는 방법을 제공합니다. 또한 이전에 배아일 18뉴런을 위해 설계된 항생제를 사용하지 않고 게리 뱅커로부터 글리아-뉴런 공동 배양 시스템을 수정하여 산후 마우스 뉴런에 적용하고 AIS14,15의변이를 정상화하기 위해 여러 뉴런으로부터 AIS 측정을 평균하는 AIS 수량 방법을 적용하였다.
참고: 산후 0일 ANK3-E22/23f/f 마우스에서 해마 뉴런의 이 배양 방법은 게리 뱅커의 glia/neuron 공동 배양 시스템에서 채택된다. 따라서 멸균 도구를 사용하여 깨끗한 후드에서 해부 후 모든 단계를 수행하는 것이 중요합니다. 이 프로토콜은 최대 1개월이 소요됩니다. 워크플로가 그림 3에표시됩니다. 이 프로토콜은 듀크 대학의 동물 지침을 따릅니다.
1. 커버립 및 뉴런 도금 접시 준비
2. 글리아 세포 피더 요리 준비 (문화일 2 주 전)
3. 문화 해마 뉴런
참고: 모든 단계는 실온에서 수행됩니다.
4. 뉴런 개발의 초기 단계에서 Ankyrin-G의 녹아웃에 의해 AIS의 중단
5. 축축기 초기 세그먼트의 정량화
실험의 완전한 세트는 음성 제어로 Cre-BFP 만 트랜스페션을 포함해야, Cre-BFP 플러스 480 kDa ankyrin-G 는 양성 제어로 공동 트랜스페이션및 기술 제어로 비 이상 감염 상태를 포함한다. Cre-BFP 전용 대조군에서, 전감염된 뉴런은 ankyrin-G(ankG), 베타4-스펙트린(β4), 신경파신(Nf) 및 전압 게이트 나트륨 채널(VSVG)(도 4A)16을포함한 AIS 마커의 축적이 부족하다. 대조적으로, Cre 및 480 kDa ankyrin-G 공동 트랜스감염 뉴런은 AIS마커(도 4B)의현재에 의해 밝혀진 AIS를 완전히 조립하였다. 비감염 된 요리와 비교하여 문화의 질을 확인하는 것이 중요합니다. 건강에 해로운 뉴런은 단종 또는 자궁 외 AIS(도 4C)와같은 비정상적인 AIS 구조를 표시하는 경향이 있습니다.
그런 다음 안키린-G 인간 신경발달 장애 돌연변이(ankG-K2864N)가 AIS 어셈블리(도5)에어떻게 영향을 미치는지 평가하는 예를 보여주었다. 3 div ANK3-E22/23f/f 뉴런은 Cre-BFP 및 야생형 480 kDa ankyrin-G(ankG-WT) 또는 480kDa ankyrin-G 바링 인간 돌연변이(ankG-K2864)로 전염되었다. 뉴런은 div7에서 고정되어 ankyrin-G에 얼룩졌습니다. 이미지는 동일한 커버립에 10-15 개의 전과 된 뉴런과 10-15 제어 뉴런에서 수집되었으며 최대 강도 프로젝션으로 처리되었습니다. 그런 다음 표시된 대로 AIS에서 선을 그리고 선 전체의 평균 강도를 측정합니다. AIS 강도를 평균화 한 후, 우리는 축축한 축하에 소마에서 AIS 강도를 플롯. AIS 농축 단백질은 일반적으로 근위 축축에서 신호의 빠른 증가와 해축 축하에 신호의 느린 감소를 보여주었다. 인간 돌연변이와 ankyrin-G에 의해 조립 된 AIS는 신호의 증가 및 감소를 보였다. 그러나 비트랜스감염된 AIS와 정렬될 때 돌연변이 곡선이 더 넓고 곡선의 피크가 낮아 AIS의 구조 변화를 암시합니다. 야생형 앙키린-G는 AIS를 비트랜스감염된 것과 밀접하게 정렬하여 조립했다.
그림 1: ANK3-E22/23-flox의 게놈 편집. (A) 3 안키린-G 동위형성에 대한 단백질 도메인의 회로도 표현. 표준 도메인에서 엑슨 22 및 23 인코딩 된 영역의 위치는 대시 라인에 의해 지적된다. (B) ANK3-E22/23-플록스마우스내 LoxP 부위의 위치는 삼각형으로 표시된다. Cre 재조합의 현재에서, 엑슨(22)과 23은 삭제되고 안키린-G의 모든 3개 동소형태의 발현을 상실하게 한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: CRE 재조합의 현재ANK3-E22/23-flox 뉴런에서 AIS의 손실. 다이어그램은 3div에서 Cre transfection와 ANK3-E22/23f /f 뉴런에 비해 야생 형 뉴런에서 ankyrin-G 발현 및 AIS 어셈블리의 시간 프레임을 보여줍니다.
그림 3: 프로토콜 워크플로우입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: ANK3-E22/23-플록스 뉴런에서 480kDa AnkG에 의한 AIS의 완전한 구조는 Cre로 감염되었다. ANK3-E22/23f/f 마우스의 3개의 디브 뉴런은 Cre-BFP(A) 또는 Cre-BFP 및 야생형 480kDa ankyrin-G-GFP(B)로 전염되었다. 뉴런은 7디브에서 고정되어 앙키린-G(ankG), β4-스펙트린(β4), 신경파신(Nf), 전압 계각 나트륨 채널(VSVG)에 대해 염색하였다. 백색 화살표 머리는 전염된 뉴런의 AIS를 가리킵니다. 스케일 바는 20 μm입니다. 이 수치는 양 외16에서적응되었다. (C) tdTM및 480 kDa ankyrin-G-GFP로 감염된 2개의 건강에 해로운 뉴런이 나타났다. 골재의 형성 (흰색과 확대에 동그라미) 건강에 해로운 뉴런의 표시입니다. 상단: 480 kDa ankyrin-G는 비 AIS 영역(흰색 화살표 헤드로 가리켜 서 있다)에 표시됩니다. 아래쪽: 뉴런형성 3 AIS 및 소마에 ankyrin-G의 자궁 내 축적. 스케일 바는 20 μm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: AIS 구조 변화의 정량화. ANK3-E22/23f/f 마우스의 div3뉴런은 Cre-BFP 및 야생형 480kDa ankyrin-G 또는 480kDa ankyrin-G-K-K2864N으로 전염되었다. 7 div에서, 뉴런은 안키린-G를 위해 고정되고 얼룩졌습니다. 대표적인 이미지는 AIS에서 ankyrin-G 신호를 보여줍니다. 녹색 선과 노란색 선은 AIS 강도 측정을 위한 선이 그려진 위치를 나타냅니다. 백색 대시 선은 전염된 뉴런의 세포 본체를 동그라미로 했습니다. 스케일 바는 20 μm입니다. 두 조건에 대한 평균 AIS 강도는 단독으로 거리를 플로팅하고 비트랜스감염 된 세포 (n =10)와 정렬됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
AIS의 조립은 480 kDa ankyrin-G에 의해 조직된다. 그러나, ankyrin-G는 AIS 어셈블리의 구조 기능 분석의 해석에 어려움을 초래할 수 있는 야생형 뉴런의 AIS를 표적으로 할 수 있는 짧은 동소형을 갖는다. 여기서 우리는 AIS의 드 노보 조립의 연구를 허용하는 ANK3-E22/23-flox 마우스에서 뉴런을 사용하는 방법을 제시한다. 3 div에서 Cre-BFP와 변형함으로써, 우리는 ankyrin-G의 모든 내인성 동소형을 제거합니다. 우리는 또한 AIS의 형성을 구출하기 위해 480 kDa ankyrin-G를 공동 변환 할 수 있습니다. 이를 통해 깨끗한 시스템에서 AIS 형성을 연구할 수 있습니다. 신경교 세포 과잉 성장의 합병증없이 생존력을 향상시키는 뱅커 배양 시스템을 추가로 채택함으로써, 우리는 AIS 차원의 정량적 측정을위한 충분한 뉴런을 제공하는 높은 형질 효율에 도달 할 수 있습니다.
이 프로토콜에는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 AIS의 조립을 방지하고 가장 높은 트랜스펙트 효율에 도달할 만큼 충분히 늦아야 하는 트랜스페션을 수행하는 가장 좋은 시간 창을 고려하는 것입니다. 우리는 0 div 전기 화 환포를 시도했는데, 이는 Cre-BFP만으로 약 10 %의 트랜스페션 효율을 제공했지만 0 div에서 480 kDa Ankyrin-G를 횡단 할 수는 없었습니다. 우리는 플라스미드 (약 20 kb)의 큰 크기 때문이라고 의심합니다. 1 차 배양 해마 뉴런은 3-5 일 사이에 있는 형질 전환에 대한 좁은 창이 있습니다. AIS에서 ankyrin-G의 축적은 3 div에서 시작됩니다. 우리가 3 div에서 Cre-BFP를 변형할 때, 어떤 AIS 형성도 전염된 뉴런에서 보이지 않았다(도 4A). 우리는 18mm 커버슬립에서 480 kDa ankyrin-G로 감염된 10-20 개의 뉴런을 얻을 수 있었습니다. 또한, 동시 경질 구조 실험을 위해서는 모든 DNA가 동일한 프로모터하에서 생성되어야 하며 Cre-BFP 및 480 kDa ankyrin-G-GFP의 비율은 일치해야 한다. 이 실험에서, 우리는 치킨 베타 액틴 프로모터를 사용했다.
또 다른 중요한 단계는 은행 문화를 수정하는 것입니다. 은행 배양은 배아 쥐 뉴런을 배양하기 위해 개발되었다. 더 민감한 마우스 산후 해마 뉴런을 지원하기 위해, 우리는 트립시화 효율을 개선하기 위해 작은 조각으로 해마를 자르는 단계를 포함한다. 질산 치료 후 KOH 치료를 추가하면 유리 커버립의 독성이 더욱 감소하여 뉴런이 더 잘 부착되고 성장하는 데 도움이 됩니다.
남은 과제는 안키린-G의 발현 수준을 제어하는 방법입니다. 복용량 화면 은 트랜스 포 에 사용 하는 플라스미드의 최적의 금액을 결정 하는 데 도움이. 앞으로, 발현의 수준을 제어 하기 위해 신경 특정 프로모터를 사용 하 여 하는 것이 좋습니다. 현재 데이터 분석은 AIS의 위치를 측정하지 못했습니다. 이 기능은 나중에 포함되어야 합니다.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
우리는 신경 배양 프로토콜에 대한 제안에 대한 박사 게리 뱅커 에게 감사드립니다. 이 작품은 하워드 휴즈 의학 연구소에 의해 지원됩니다, NIH에서 보조금, 조지 바스 겔러는 교수를 부여 (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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