Summary

High-Resolution Kwantitatieve immunogoud Analyse van membraanreceptoren op het netvlies Ribbon Synapses

Published: February 18, 2016
doi:

Summary

The postembedding immunogold method is one of the most effective ways to provide high-resolution analyses of the subcellular localization of specific molecules. Here we describe a protocol to quantitatively analyze glutamate receptors at retinal ribbon synapses.

Abstract

Retinal ganglion cells (RGCs) receive excitatory glutamatergic input from bipolar cells. Synaptic excitation of RGCs is mediated postsynaptically by NMDA receptors (NMDARs) and AMPA receptors (AMPARs). Physiological data have indicated that glutamate receptors at RGCs are expressed not only in postsynaptic but also in perisynaptic or extrasynaptic membrane compartments. However, precise anatomical locations for glutamate receptors at RGC synapses have not been determined. Although a high-resolution quantitative analysis of glutamate receptors at central synapses is widely employed, this approach has had only limited success in the retina. We developed a postembedding immunogold method for analysis of membrane receptors, making it possible to estimate the number, density and variability of these receptors at retinal ribbon synapses. Here we describe the tools, reagents, and the practical steps that are needed for: 1) successful preparation of retinal fixation, 2) freeze-substitution, 3) postembedding immunogold electron microscope (EM) immunocytochemistry and, 4) quantitative visualization of glutamate receptors at ribbon synapses.

Introduction

Glutamaat is de belangrijkste exciterende neurotransmitter in de retina 1. Retinale ganglioncellen (RGC's), het ontvangen glutamaat synaptische input van bipolaire cellen 2, zijn de output vormen van de retina die visuele informatie naar de hersenen sturen. Fysiologische studies toonden aan dat synaptische excitatie van RGC postsynaptisch wordt gemedieerd door NMDA-receptoren (NMDARs) en AMPA receptoren (AMPARs) 3,4,5. Hoewel prikkelende postsynaptische stromingen (EPSCs) in RGC worden gemedieerd door AMPARs en NMDARs 3,5,6,7,8, spontane miniatuur EPSCs (mEPSCs) op RGC vertonen slechts een AMPARs-gemedieerde component 4,5,9. Echter, het verminderen glutamaat opname onthulde een NMDAR component spontane EPSCs 5 suggereert dat NMDARs op RGC dendrieten buitenzijde van exciterende synapsen kunnen bevinden. Membraan-geassocieerde guanylate kinases (MAGUKs), zoals PSD-95 dat cluster neurotransmitter receptoren, met inbegrip van glutamaat receptoren en ionkanaals bij synaptische plaatsen, vertonen ook duidelijke subsynaptic expressiepatronen 10,11,12,13,14.

In de afgelopen decennia, confocale immunohistochemie en pre-inbedding elektronenmicroscoop (EM) immunohistochemie werden gebruikt om het membraan receptor expressie te bestuderen. Hoewel confocale immunokleuring onthult brede patronen van receptor expressie, de lagere resolutie niet mogelijk is om te onderscheiden subcellulaire locatie. Pre-inbedding EM studies in zoogdieren netvlies geven aan dat NMDAR subeenheden aanwezig in postsynaptische elementen op kegel bipolaire cel lint synapsen 15,16,17 zijn. Dit is in duidelijke tegenstelling tot fysiologische gegevens. Echter diffusie van reactieproduct een bekende artefact in de pre-inbedding immunoperoxidase methode. Daarom is deze benadering niet geven meestal statistisch betrouwbare gegevens en kunnen onderscheid tussen lokalisatie uitsluiten synaptische membraan versus extrasynaptic membraan 18,19,20,21. OpAnderzijds fysiologische en anatomische gegevens in overeenstemming met een lokalisatie van synaptische AMPARs op RGC 3,5,7,9,22. Aldus glutamaatreceptoren en MAGUKs bij retinale lint synaps gelokaliseerd niet alleen de postsynaptische maar ook de perisynaptic of extrasynaptic membraancompartimenten. Echter, een hoge-resolutie kwantitatieve analyse van deze membraaneiwitten in een retinale lint synaps nog steeds nodig.

Hier hebben we een postembedding EM immunogold techniek om de subsynaptic lokalisatie van NMDAR subeenheden, Ampar subeenheden en PSD-95, gevolgd door een schatting van het aantal, de dichtheid en de veranderlijkheid van deze eiwitten bij synapsen op rat RGC onderzoeken geëtiketteerd met choleratoxine subunit B (CTB) retrograde tracing methoden.

Protocol

Zorg en behandeling van de dieren waren in overeenstemming met de NIH Animal Care and Guidelines gebruik Comite. Postnatale dag (P) 15-21 Sprague-Dawley ratten geïnjecteerd met 1-1,2% CTB bilateraal door de superieure colliculus, werden gehandhaafd op een 12: 12-uur licht: donker cyclus. 1. netvliesweefsel Fixatie Monteer de volgende materialen en hulpmiddelen: een dissectie microscoop, 2 tangen met zeer fijne tips, schaar, cellulose filterpapier, kunststof pipet en een microscoo…

Representative Results

De hier gepresenteerde resultaten tonen opvallend anders subsynaptic lokalisatie patronen van gluA 2/3 en NMDARs op RGC dendrieten in rat retina, zoals eerder beschreven 24,25. 77% van gluA 2/3 immunogold deeltjes RGC dendritische profielen bevinden zich binnen de PSD (figuur 1A), vergelijkbaar met de meeste centrale synapsen. Werden echter NMDARs ofwel synaptisch of extrasynaptically gelegen. 83% van GluN2A immunogold deeltjes werden gelokaliseerd in de PSD <…

Discussion

We hebben beschreven vier technieken voor een succesvolle kwantitatieve post-inbedding immunogold EM: 1) korte en zwakke fixatie, 2) te bevriezen-substitutie, 3) post-inbedding immunogoudkleuring, en 4) kwantificering.

EM immunogoud maakt de detectie van specifieke eiwitten in ultradunne weefselcoupes. Antilichamen gelabeld met gouddeeltjes kunnen direct worden gevisualiseerd middels EM. Terwijl krachtig in het opsporen van de subsynaptic lokalisatie van een membraan receptor, kan EM immunog…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de Intramurale Programma's van het Nationaal Instituut voor Neurologische Aandoeningen en Stroke (NINDS) en het National Institute on Doofheid en andere Communication Disorders (NIDCD), van de National Institutes of Health (NIH). Wij danken de NINDS EM-faciliteit en de NIDCD geavanceerde imaging kern (code # ZIC DC 000081-03) voor hulp.

Materials

Paraformaldehyde EMS 15710
Glutarldehyde EMS 16019
NaH2PO4 Sigma S9638
Na2HPO4 Sigma 7782-85-6
CaCl2 Sigma C-8106
BSA Sigma A-7030
Triton X-100 Sigma T-8787
NaOH Sigma 221465
NaN3 JT Baker V015-05
Glycerol Gibco BRL 15514-011
Lowicryl HM 20 Polysciences 15924-1
Tris-Base Fisher BP151-500
Tris Fisher 04997-100
Anti-GluN2A Millipore AB1555P Dilution 1/50
Anti-GluN2B Millipore AB1557P Dilution 1/30
Anti-GluA2/3 Millipore AB1506 Dilution 1/30
Anti-PSD-95 Millipore MA1–046 Dilution 1/100
Donkey anti-rabbit IgG-10 nm gold particles EMS 25704 Dilution 1/20
Donkey anti-mouse IgG-10 nm gold particles EMS 25814 Dilution 1/20
Donkey anti-mouse IgG-5 nm gold particles EMS 25812 Dilution 1/20
Donkey anti-goat IgG-18 nm gold particles Jackson ImmunoResearch 705-215-147 Dilution 1/20
Formvar-Carbon coated nickel-slot grids. EMS FCF2010-Ni
Uranyl acetate EMS 22400-1
Methanol EMS 67-56-1
Lead citrate Leica
Leica EM AFS Leica
Leica EM CPC Leica
Ultromicrotome Leica
JEOL 1200 EM JEOL
liquid nitrogen  Roberts Oxygen
Propane Roberts Oxygen
CTB List Biological Laboratories 104 1-1.2%
Anti-CTB List Biological Laboratories 703 Dilution 1/4000

Referenzen

  1. Copenhagen, D. R., Jahr, C. E. Release of endogenous excitatory amino acids from turtle photoreceptors. Nature. 341, 536-539 (1989).
  2. Wässle, H., Boycott, B. B. Functional architecture of the mammalian retina. Physiol. Rev. 71, 447-480 (1991).
  3. Mittman, S., Taylor, W. R., Copenhagen, D. R. Concomitant activation of two types of glutamate receptor mediates excitation of salamander retinal ganglion cells. J. Physiol. 428, 175-197 (1990).
  4. Matsui, K., Hosoi, N., Tachibana, M. Excitatory synaptic transmission in the inner retina: paired recordings of bipolar cells and neurons of the ganglion cell layer. J. Neurosci. 18, 4500-4510 (1998).
  5. Chen, S., Diamond, J. S. Synaptically released glutamate activates extrasynaptic NMDA receptors on cells in the ganglion cell layer of rat retina. J. Neurosci. 22, 2165-2173 (2002).
  6. Diamond, J. S., Copenhagen, D. R. The contribution of NMDA and non-NMDA receptors to the light-evoked input-output characteristics of retinal ganglion cells. Neuron. 11, 725-738 (1993).
  7. Lukasiewicz, P. D., Wilson, J. A., Lawrence, J. E. AMPA-preferring receptors mediate excitatory synaptic inputs to retinal ganglion cells. J. Neurophysiol. 77, 57-64 (1997).
  8. Higgs, M. H., Lukasiewicz, P. D. Glutamate uptake limits synaptic excitation of retinal ganglion cells. J. Neurosci. 19, 3691-3700 (1999).
  9. Taylor, W. R., Chen, E., Copenhagen, D. R. Characterization of spontaneous excitatory synaptic currents in salamander retinal ganglion cells. J. Physiol. 486, 207-221 (1995).
  10. Kennedy, M. B. Origin of PDZ (DHR, GLGF) domains. Trends. Biochem. Sci. 20, 350 (1995).
  11. Kim, E., Sheng, M. PDZ domain proteins of synapses. Nat. Rev. Neurosci. 5, 771-781 (2004).
  12. Migaud, M., et al. Enhanced long-term potentiation and impaired learning in mice with mutant postsynaptic density-95 protein. Nature. 396, 433-439 (1998).
  13. Aoki, C., et al. Electron microscopic immunocytochemical detection of PSD-95, PSD-93, SAP-102, and SAP-97 at postsynaptic, presynaptic, and nonsynaptic sites of adult and neonatal rat visual cortex. Synapse. 40, 239-257 (2001).
  14. Davies, C., Tingley, D., Kachar, B., Wenthold, R. J., Petralia, R. S. Distribution of members of the PSD-95 family of MAGUK proteins at the synaptic region of inner and outer hair cells of the guinea pig cochlea. Synapse. 40, 258-268 (2001).
  15. Hartveit, E., Brandstätter, J. H., Sassoè-Pognetto, M., Laurie, D. J., Seeburg, P. H., Wässle, H. Localization and developmental expression of the NMDA receptor subunit NR2A in the mammalian retina. J. Comp. Neurol. 348, 570-582 (1994).
  16. Fletcher, E. L., Hack, I., Brandstätter, J. H., Wässle, H. Synaptic localization of NMDA receptor subunits in the rat retina. J. Comp. Neurol. 420, 98-112 (2000).
  17. Pourcho, R. G., Qin, P., Goebel, D. J. Cellular and subcellular distribution of NMDA receptor subunit NR2B in the retina. J. Comp. Neurol. 433, 75-85 (2001).
  18. Ottersen, O. P., Landsend, A. S. Organization of glutamate receptors at the synapse. Eur. J. Neurosci. 9, 2219-2224 (1997).
  19. Petralia, R. S., Wenthold, R. J., Ariano, M. A. Glutamate receptor antibodies: Production and immunocytochemistry. Receptor Localization: Laboratory Methods and Procedures. , 46-74 (1998).
  20. Petralia, R. S., Wenthold, R. J. Immunocytochemistry of NMDA receptors. Methods. Mol. Biol. 128, 73-92 (1999).
  21. Nusser, Z. AMPA and NMDA receptors: similarities and differences in their synaptic distribution. Curr. Opin. Neurobiol. 10, 337-341 (2000).
  22. Qin, P., Pourcho, R. G. Localization of AMPA-selective glutamate receptor subunits in the cat retina: a light- and electron-microscopic study. Vis. Neurosci. 16, 169-177 (1999).
  23. Zhang, J., Wang, H. H., Yang, C. Y. Synaptic organization of GABAergic amacrine cells in salamander retina. Visual. Neurosci. 21, 817-825 (2004).
  24. Zhang, J., Diamond, J. S. Distinct perisynaptic and synaptic localization of NMDA and AMPA receptors on ganglion cells in rat retina. J. Comp. Neurol. 498, 810-820 (2006).
  25. Zhang, J., Diamond, J. S. Subunit- and Pathway-Specific Localization of NMDA Receptors and Scaffolding Proteins at Ganglion Cell Synapses in Rat Retina. J. Neurosci. 29, 4274-4286 (2009).
  26. Peters, A., Palay, S., Webster, H. . The fine structure of the nervous system: neurons and their supporting cells, 3rd ed. , (1991).
  27. Baude, A., Nusser, Z., Roberts, J. D. B. The metabotropic glutamate receptor (mGluR1) is concentrated at perisynaptic membrane of neuronal subpopulations as detected by immunogold reaction. Neuron. 11, 771-787 (1993).
  28. Van Lookeren Campagne, M., Oestreicher, A. B., van der Krift, T. P., Gispen, W. H., Verkleij, A. J. Freeze-substitution and Lowicryl HM20 embedding of fixed rat brain: Suitability for immunogold ultrastructural localization of neural antigens. J. Hist. Cyt. 39, 1267-1279 (1991).
  29. Matsubara, A., Laake, J. H., Davanger, S., Usami, S., Ottersen, O. P. Organization of AMPA receptor subunits at a glutamate synapse: A quantitative immunogold analysis of hair cell synapses in the rat organ of Corti. J. Neurosci. 16, 4457-4467 (1996).
  30. Petralia, R. S., et al. Organization of NMDA receptors at extrasynaptic locations. Neurowissenschaften. 167, 68-87 (2010).
  31. Merighi, A., Polak, J. M., Priestley, J. V. Post-embedding electron microscopic immunocytochemistry. Electron Microscopic Immunocytochemistry: Principles and Practice. , 51-87 (1992).
  32. Ottersen, O. P., Takumi, Y., Matsubara, A., Landsend, A. S., Laake, J. H., Usami, S. Molecular organization of a type of peripheral glutamate synapse: the afferent synapses of hair cells in the inner ear. Prog. Neurobiol. 54, 127-148 (1998).
  33. Nusser, Z., Lujan, R., Laube, G., Roberts, J. D., Molnar, E., Somogyi, P. Cell type and pathway dependence of synaptic AMPA receptor number and variability in the hippocampus. Neuron. 21, 545-559 (1998).
  34. Takumi, Y., Ramirez-Leon, V., Laake, P., Rinvik, E., Ottersen, O. P. Different modes of expression of AMPA and NMDA receptors in hippocampal synapses. Nat. Neurosci. 2, 618-624 (1999).
  35. Grimes, W. N., et al. Complex inhibitory microcircuitry regulates retinal signaling near visual threshold. J. Neurophysiol. 114, 341-353 (2015).
  36. Sassoe-Pognetto, M., Ottersen, O. P. Organization of ionotropic glutamate receptors at dendrodendritic synapses in the rat olfactory bulb. J. Neurosci. 20, 2192-2201 (2000).
check_url/de/53547?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Zhang, J., Petralia, R. S., Wang, Y., Diamond, J. S. High-Resolution Quantitative Immunogold Analysis of Membrane Receptors at Retinal Ribbon Synapses. J. Vis. Exp. (108), e53547, doi:10.3791/53547 (2016).

View Video