Este protocolo tem como objetivo gerar interneurônios diretamente reprogramados in vivo, usando um sistema viral baseado em AAV no cérebro e um repórter GFP orientado por synapsin FLEX, que permite a identificação celular e análise mais aprofundada in vivo.
Convertendo glia residente no cérebro em neurônios funcionais e subtipo-específicos in vivo fornece um passo em frente para o desenvolvimento de terapias alternativas de reposição celular, criando também ferramentas para estudar o destino da célula in situ. Até à data, foi possível obter neurônios via in vivo reprogramação, mas o fenótipo preciso desses neurônios ou como eles amadurecem não foi analisado em detalhes. Neste protocolo, nós descrevemos uma conversão mais eficiente e uma identificação Cell-specific dos neurônios in vivo reprogramados, usando um sistema viral AAV-baseado do vetor. Também fornecemos um protocolo para avaliação funcional da maturação neuronal das células reprogramadas. Injetando os vetores da aleta-excisão (Flex), contendo os genes reprogramação e do repórter synapsin-conduzidos aos tipos específicos da pilha no cérebro que servem como o alvo para a reprogramação da pilha. Esta técnica permite a fácil identificação de neurônios recém-reprogramados. Os resultados mostram que os neurônios reprogramados obtidos funcionalmente amadurecem ao longo do tempo, recebem contatos sinápticos e mostram Propriedades eletrofisiológicas de diferentes tipos de interneurônios. Usando os fatores de transcrição Ascl1, Lmx1a e Nurr1, a maioria das células reprogramadas tem propriedades de fast-spiking, parvalbumin-contendo interneurônios.
O objetivo geral deste método é converter eficientemente a glia residente cerebral in vivo em neurônios funcionais e subtipo-específicos, como interneurônios expressando parvalbumina. Isto fornece uma etapa para a frente para o desenvolvimento de uma terapia alternativa da recolocação da pilha para doenças de cérebro sem a necessidade para uma fonte de pilha exógena. Ele também cria uma ferramenta para estudar o destino da célula switches in situ.
O cérebro tem apenas uma capacidade limitada para gerar novos neurônios. Conseqüentemente, em doenças neurológicas, há uma necessidade de fontes de pilha exógenas para o reparo do cérebro. Para isso, diferentes fontes de células têm sido submetidas a intensa pesquisa ao longo dos anos, incluindo células do tecido primário, células derivadas da célula-tronco e células reprogramadas1,2,3. A reprogramação direta de células cerebrais residentes em neurônios é uma abordagem recente que poderia fornecer um método atraente para o reparo cerebral, pois usa as próprias células do paciente para gerar novos neurônios dentro do cérebro. Até à data, vários relatórios mostraram in vivo reprogramação através da entrega viral do vetor no cérebro4,5,6,78,9 em diferentes regiões do cérebro, como o córtex, a medula espinhal, o estriado e o midbrain5,10,11, bem como no cérebro intacto e lesionado5,8,11,12. Ambos os neurônios inibitórios e excitatórios foram obtidos4,8, mas o fenótipo preciso ou funcionalidade dessas células ainda não foi analisado em detalhes.
Neste protocolo, nós descrevemos uma reprogramação mais eficiente e uma identificação Cell-specific de neurônios in vivo reprogramados. Nós fornecemos um protocolo para a avaliação funcional da maturação neuronal e da caracterização do phenotype baseada na funcionalidade e em traços immunohistochemical.
Nós usamos um vetor CRE-inducible AAV e um repórter de GFP para identificar os neurônios in vivo reprogramados. Essa escolha de vetores virais tem a vantagem de infectar as células de divisão e não-divisoras do cérebro, aumentando o número de células direcionadas, como alternativa ao uso do retrovírus7,8. Um repórter de FLEX (GFP), orientado por synapsin, específico do neurônio, permitiu-nos detectar especificamente os neurônios recém-gerados. Estudos prévios utilizaram promotores específicos do subtipo para a reprogramação in vivo7,9, que também permitem a expressão de reprogramar genes e repórteres em tipos específicos de células. Entretanto, esse método exige a identificação mais adicional de neurônios reprogramados pela análise pós-morte da coexpressão do repórter e dos marcadores neuronal. O uso de um repórter Neuron-específico, tal como esse descrito nisto, permite uma identificação direta. Isto fornece uma prova direta de uma conversão bem sucedida e permite uma identificação viva da pilha que seja exigida para a electrofisiologia da remendo-braçadeira.
A reprogramação direta in vivo pode ser alcançada usando vetores AAV FLEX em estirpes de rato expressando CRE. É importante notar que as diferenças entre as cepas de mouse em relação à eficácia de reprogramação têm sido observadas. Para a reprogramação in vivo no striatum, a linha do mouse NG2-CRE provou ser a mais eficiente quando comparada com outras cepas. Antes de começar a usar uma nova estirpe animal, é importante verificar as diretrizes do provedor de mouse sobre a expressão CRE ao longo do tempo, como a idade dos animais muitas vezes impacta a especificidade desta expressão protéica. Em nossos estudos, os animais com mais de 12 semanas de idade não foram utilizados para a reprogramação in vivo, pois havia um risco para a expressão de CRE em células que não NG2 glia. A presença constante e a monitoração de animais do controle injetados somente com a construção de Synapsin-FLEX-GFP são aconselhadas. Isto permite a monitorização dos animais para células GFP-positivas que não devem estar presentes se não forem utilizados genes de reprogramação (ALN).
Para identificar os neurônios recém-reprogramados, um método de identificação neurônio-específico como o descrito neste protocolo é de extrema importância. Isto permite uma identificação e uma distinção apropriadas dos neurônios reprogramados das pilhas circunvizinhas endógenas que é da relevância particular quando reprogramação em uma região homotópicas.
Também é importante direcionar a estrutura correta para a injeção viral. Conseqüentemente, a cirurgia Stereotaxic para a injeção viral é importante e precisa de ser aproximado com exatidão, especial ao alvejar estruturas menores do cérebro.
Temos mostrado anteriormente11 que não é confiável para prever o resultado da reprogramação in vivo com base em experimentos de reprogramação in vitro usando os mesmos fatores de reprogramação. Por conseguinte, todos os factores de interesse necessitam de ser testados in vivo. Em nossas mãos, muitas combinações de fatores diferentes dão o mesmo subtipo de neurônios (ou seja, interneurônios11 in vivo), apesar do fato de que esses genes têm sido implicados no desenvolvimento de outros neurônios.
A braçadeira de remendo da inteiro-pilha para neurônios reprogramados é uma técnica delicada e o processamento do tecido é importante para um bom resultado. A perfusão com solução de Krebs gelada melhora a qualidade do tecido. Além disso, os neurônios corrigidos precisam ser tratados com cuidado. Mesmo se a maturação e a identidade fenotípica de neurônios reprogramados podem ser um tanto avaliados usando a braçadeira de remendo da inteiro-pilha, estas pilhas não são inteiramente comparáveis a suas contrapartes endógenas. Outros tipos de análise, como sequenciamento do genoma (por exemplo, sequenciamento de RNA) devem ser usados para confirmar ainda mais a identidade da célula reprogramada.
A técnica descrita aqui é poderia ser considerada para o desenvolvimento de terapias futuras onde a recolocação neuronal é precisada no cérebro. Embora a reprogramação in vivo ainda esteja em seus estágios iniciais e a tradução em humanos ainda não esteja prevista, essa técnica pode fornecer um método para avaliar a função gênica exógena no cérebro e estudar a maturação celular in vivo.
The authors have nothing to disclose.
A Marcella Birtele foi financiada pelo programa Horizonte 2020 da União Europeia (2020-MSCA-ITN-2015) no âmbito das redes de formação inovadoras Marie Skłodowska-Curie e da Convenção de subvenção n. º 676408. Daniella Rylander Ottosson foi financiada pelo Conselho de pesquisa Sueco (2017-01234).
REAGENTS FOR AAV5 CLONING AND VIRAL VECTOR PREPARATION | |||
pAAV-CA-FLEX | AddGene | 38042 | |
Ascl1 | AddGene | 67291 | NM_008553.4 |
Lmx1a | AddGene | 33013 | NM_0033652.5 |
Nurr1 | AddGene | 35000 | NM_013613.2 |
GFP-syn | AddGene | 30456 | |
LoxP (FLEX) sequence 1 | GATCTccataacttcgtataaagtatcctatac gaagttatatcaaaataggaagaccaatgcttc accatcgacccgaattgccaagcatcaccatcg acccataacttcgtataatgtatgctatacgaa gttatactagtcccgggaaggcgaagacgcgga agaggctctaga |
||
LoxP (FLEX) sequences 2 | tactagtataacttcgtataggatactttatac gaagttatcattgggattcttcctattttgatc caagcatcaccatcgaccctctagtccacatct caccatcgacccataacttcgtatagcatacat tatacgaagttatgtccctcgaagaggttcgaa ttcgtttaaacGGTACCCTCGAC |
||
pDP5 | Plasmid Factory | PF435 | |
pDP6 | Plasmid Factory | PF436 | |
Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | |
FBS (Fetal bovine serum) | Thermo Fisher Scientific | 10500064 | |
Penicillin streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium)+ Glutamax | Thermo Fisher Scientific | 61965026 | |
DPBS (Dulbecco's Phosphate Buffer Saline) | Thermo Fisher Scientific | 14190094 | |
HEK293 cells | Thermo Fisher Scientific | 85120602-1VL | |
Flasks | BD Falcon | 10078780 | 175 cm2 |
Tris H-CL | Sigma Aldrich | 10812846001 |
For TE buffer use 10 mM, pH 8.0; for lysis buffer use 50mM, pH 8.5; for IE buffer use 20 mM, pH 8.0; for elution buffer use 20 mM, pH 8.0
|
EDTA | EDTA: Invitrogen | EDTA: AM9260G |
For TE buffer use 1 mM EDTA
|
Ultrapure water |
see Ultrapure water system
|
||
CaCl2 | SigmaAldrich | C5080 | 2.5 M |
Dulbecco´s phosphate-buffered saline (DPBS) | Thermo Fisher Scientific | 14190136 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 |
FOR HBS use 140 mM; for Lysis Buffer use 150 mM; for IE buffer use 15 mM; for elution buffer use 250 mM
|
MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266-100G |
For lysis Buffer: 1 mM
|
Ultracentrifuge sealing tubes | Beckman Coulter | Quick-Seal® Polypropylene Tube | |
OptiPrep™ Density Gradient Medium | Sigma Aldrich | D1556-250ML | |
10-mL syringe-18G needle | BD | 305064 | |
Laboratory glass bottles | VWR | ? | |
Anion exchange filter | PALL laboratory | MSTG25Q6 |
Acrodisc unit with Mustang Q membrane
|
Centrifugal filter unit | Merck | Z740210-24EA |
Amicon Ultra-4 device
|
Endotoxin-Free Plasmid DNA Isolation Kits | Thermo Fisher Scientific | A33073 | |
Na2PO4 | Sigma-Aldrich | S7907 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H7523 | 15 mL |
Falcon tube | Thermo Fisher Scientific | Corning 352196 | |
Falcon tube | Thermo Fisher Scientific | Corning 352070 | |
Glass Vials | Novatech | 30209-1232 |
CGGCCTCAGFGAGCGA
|
Forward Primer for Inverted Terminal Repeat (ITR) sequence |
GGAACCCCTAGTGATGGAGTT
|
||
Reverse Primer for Inverted Terminal Repeat (ITR) sequence |
CACTCCCTCTCTGCGCGCTCG
|
||
5´FAM / 3´BHQ1 probe | Jena Bioscience | ||
0.22 mm filter | Merck | SLGV004SL | Millex-GV filter |
EQUIPMENT AAV5 VIRAL VECTOR PREPARATION | |||
Freezer -20 °C | |||
Freezer -80 °C | |||
Fridge +4 °C | |||
AAV viral room | |||
Ultrapure Water system | Merck | Milli-Q® IQ 7000 | |
Vortex mixer | VWR | 444-0004 | |
Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Beckman Optima LE-80K Ultracentrifuge | |
Autoclave | Tuttnauer | 2540 EL | |
Polymerase Chain Reaction (PCR) | BioRad | C1000 Touch Thermal Cycler | |
Quantitative PCR (qPCR) | Roche | LightCycler® 480 System | |
Centrifuge | Thermo Fisher Scientific | Sorvall ST16 | |
Water Bath | Thermo Fisher Scientific | TSGP02 | |
ANIMAL MODEL | |||
NG2-Cre mice | Jackson | NG2-CrexB6129, Stock #008533 | |
REAGENTS FOR INJECTION OF REPROGRAMMING FACTORS INTO THE BRAIN | |||
Water | |||
Saline | Apoteket AB | 70% | |
Ethanol | Solveco | ||
Isolfurane | Apoteket AB |
Dilute to 1% solution with warm water.
|
|
Virkon | Viroderm | 7511 | |
Pentobarbital | Apoteket AB | P0500000 |
i.p. for terminal procedure at the dose of 60 mg/ml.
|
Sucrose | Merck | S0389-500G | |
Trypan Blu | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | |
Retrobeads | Lumafluor | R170 | |
Buprenorphine | Apoteket AB | ||
EQUIPMENT FOR INJECTION OF REPROGRAMMING FACTORS INTO THE BRAIN |
From RSG Solingen.
|
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Scissors | VWR | 233-1552 | From Biochem. |
Tweezers | VWR | 232-0007 | |
Forcep | VWR | 232-0120 | |
Scalpel holder | VWR | RSGA106.621 | Number 20. |
Scalpel | VWR | RSGA106.200 | |
Stereotaxic frame | Stoelting Europe | 51500D | |
Mouse ear bars | Stoelting Europe | 51648 | 5 ul |
Syringe with Removable needle | Hamilton Company | 65 |
0,75 inner diameter and 1.5 outer diameter.
|
Glass capilaries | Stoelting | 50811 | |
Glass capillary puller | Sutter company | P-1000 | |
Dental drill | Agnthos AB | 1464 | |
Shaver | Agnthos AB | GT420 | |
Isoflurane Chamber and pump | Agnthos AB | 8323101 | 2 mL |
Syringes | Merck | Z118400-30EA | 25G |
Needles | Merck | Z192414 Aldrich | |
Mouse and neonatal rat adaptor for stereotaxic fram | Stoelting | 51625 | |
Heating pad | Braintree scientific, inc | 53800M |
From Covidien 2187.
|
Cotton gauze | Fisher Scientific | 22-037-902 | |
Rubber tube | Elfa Distrelec | HFT-A-9.5/4.8 PO-X BK 150 | |
Cotton swabs | Fisher Scientific | 18-366-473 | |
REAGENTS FOR WHOLE-CELL PATCH CLAMP RECORDINGS | |||
NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
NaH2PO4-H2O | Sigma-Aldrich | S9638 | |
MgCl2-6 H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
CaCl2-6 H2O | Sigma-Aldrich | C8106 | |
MgSO4-7 H2O | Sigma-Aldrich | 230391 | |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 |
see Ultrapure Water system
|
Ultrapure Water | Prepare 1 or 2M. | ||
KOH | Sigma-Aldrich | P5958-500G | |
K-D-gluconate | Sigma-Aldrich | G4500 Sigma | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9541 | |
KOH-EGTA (Etilene glycol-bis-N-tetracetic acid) | Sigma-Aldrich | E3889 Sigma | |
KOH- Hepes acid (N-2-hydroxyethylpiperazine-N’-2-ethanesulfonic acid) | Sigma-Aldrich | H7523 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 | |
Mg2ATP | Sigma-Aldrich | A9187 | |
Na3GTP | Sigma-Aldrich | G8877 | |
Biocytin | Sigma-Aldrich | B4261 | |
Picrotoxin | Merck | P1675 Sigma | |
CNQX | Merck | C239 Sigma | |
Ice | |||
EQUIPMENT FOR WHOLE-CELL PATCH CLAMP RECORDINGS | |||
Borosilicate glass pipette | Sutter Company | B150-86-10 | |
Glass capillary puller | Sutter company | P-1000 | |
Vibratome | Leica | Leica VT1000 S | |
WaterBath | Thermo Fisher Scientific | TSGP02 | |
Clampfit software | Molecular Devices | ||
Multiclamp software | Molecular Devices | ||
REAGENTS FOR IMMUNOHISTOCHEMISTRY |
Use at a concentration of 4%. CAUTION: PFA is a potent fixative. Avoid ingestion and contact with skin.
|
||
Paraformaldehyde (PFA) | Merck Millipore | 1040051000 |
Use at a concentration of 0.1%.
|
Triton X-100 | Fisher Scientific | 10254640 |
Donkey.Use at a concentration of 1 : 400.
|
Serum | Merck Millipore | S30-100ML |
Reconstitute the powder in Milli-Q water to 1 mg/mL. Aliquot and store at -20°C, light sensitive. Use at a concentration of 1 : 500.
|
4′,6-Diamidino-2′-phenylindole dihydrochloride (DAPI) | Sigma Aldrich | D9542 |
1: 600 in KPBS-T.
|
streptavidin- Cy3 | Thermo Fisher Scientific | 434315 | 1:5000, rabbit. |
Anti-GAD65/67 | Abcam | 1:2000, mouse. | |
Anti-PV | Sigma | P3088 | 1:200, goat. |
Anti-Chat | Merk | AB143 | 1:5000, rabbit. |
Anti-NPY | Immunostar | 22940 | |
K2HPO4 | Sigma-Aldrich | P3786 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 | |
KH2PO4 | Sigma-Aldrich | NIST200B | 1:1000, chicken. |
Anti-GFP | Abcam | ab13970 | |
Mounting solution | Merck | 10981 |
Polyvinyl alcohol mounting medium with DABCO®, antifading
|
OCT | Agar Scientific | ||
Glycerol | Sigma-Aldrich | G9012-100ML | |
Distilled water | |||
Anti-freeze solution | Tissue Pro Technology | AFS05-1000N, 1000 mL/ea. | |
EQUIPMENT FOR IMMUNOHISTOCHEMISTRY | |||
Inverted fluorescence microscope | Leica | DMI6000 B | |
Confocal microscope | Leica | TCS SP8 laser scanning confocal microscope. | |
Prism | GraphPad | ||
Microtome | Leica | SM2010R |