تحليل شامل لديناميات النسخ من عينات المخ بعد تجربة السلوكية
Summary
This manuscript describes a protocol that applies comprehensive profiling for analysis of transcriptional programs induced in specific brain nuclei of rodents following behavioral paradigms. Herein, this approach is illustrated in the context of profiling genes induced in the nucleus accumbens (NAc) of mice following acute cocaine exposure, utilizing microfluidic qPCR arrays.
Abstract
الترميز الخبرات في الدماغ وترسيخ ذكريات طويلة الأجل تعتمد على النسخ الجيني. تحديد وظيفة الجينات المحددة في تجربة الترميز هي واحدة من الأهداف الرئيسية لعلم الأعصاب الجزيئية. وعلاوة على ذلك، فإن جمعية الوظيفية للجينات محددة مع سلوكيات معينة لها آثار لفهم أساس من الاضطرابات العصبية والنفسية. وقد لوحظ تحريض برامج النسخ قوية في أدمغة الفئران التالية مختلف التلاعب السلوكية. بينما تستخدم بعض العناصر الوراثية متكرر التالية التلاعب سلوكية مختلفة ونوى الدماغ المختلفة، برامج النسخ عموما هي فريدة من نوعها لالمنبهات حمل وهيكل التي يتم دراستها 1،2.
في هذا المنشور، يوصف بروتوكول للالنسخي قوي وشامل من نوى دماغ الفئران ردا على التلاعب السلوكي. وويتجلى البروتوكول في سياق تحليل ديناميات التعبير الجيني في النواة المتكئة التالية تجربة الكوكايين الحادة. لاحقا إلى خبرة محددة في الجسم الحي، يتم تشريح الأنسجة العصبية المستهدفة؛ تليها تنقية RNA، عكس النسخ واستخدام المصفوفات ميكروفلويديك لتحليل شامل لQPCR متعددة الجينات المستهدفة. ويهدف هذا البروتوكول نحو تحليل شامل (50-500 معالجة الجينات) للحد من كميات من المواد ابتداء، مثل الدماغ عينات صغيرة أو حتى الخلايا واحد.
البروتوكول هو الأكثر فائدة لتحليل مواز من عينات متعددة (مثل الخلايا واحدة، التحليل الديناميكي الأدوية التالية، فيروسية أو الاضطرابات السلوكية). ومع ذلك، يمكن للبروتوكول يخدم أيضا لتوصيف وضمان الجودة من قبل عينات للدراسات كامل الجينوم بواسطة ميكروأرس أو RNAseq، وكذلك التحقق من صحة البيانات التي تم الحصول عليها من دراسات كامل الجينوم.
Introduction
تمكن منظمة ديناميكية الدماغ المرونة الإدراكية والسلوكية. يتم ترميز الخبرات من خلال إدخال تعديلات على هيكل وقوة الروابط بين الخلايا العصبية في الدماغ 3. هذا "تعتمد على الخبرة اللدونة" هي نتيجة تحريض أنماط معينة من التعبير الجيني الذي يوفر البروتينات اللازمة لتعديل هيكل متشابك وقوة 4. تحديد الشبكات التنظيمية الجينات التوسط في تكوين الذكريات على المدى الطويل هو أحد الركائز الأساسية لعلم الأعصاب الجزيئية، مع توقع أن تحديد العناصر المهيمنة من برامج النسخ ستوفر نظرة ثاقبة في المبادئ الأساسية التي تنظم تشكيل الذاكرة، فضلا عن أهداف ل علاج الاعصاب والاضطرابات العصبية والنفسية. برامج النسخ تتكشف في موجات محددة زمنيا، وكل منها ترميز جينات شخصية مختلفة، والتي هي مهمة لدمراحل ifferent في تنفيذ نتائج هذا الحدث يشير 1،2. ولذلك فمن المهم لمعالجة الديناميات النسخي على الجدول الزمني المفصل الصدغي، وذلك لتحديد المجموعة الكاملة للجينات التي يسببها، واكتساب نظرة ثاقبة وظيفتها المحتملة وفقا لديناميات تحريض بهم.
الإدمان على المخدرات هو شكل قوي من الخبرة التي تعتمد على اللدونة الناجمة عن الآثار طويلة الأمد لتعاطي المخدرات على الدوائر العصبية في الدماغ 5،6. الأولي، والتعرض الحاد للأدوية قد يؤدي إلى تطوير إدمان والانتقال إلى استخدام المزمن. المعلومات السياقية هي عنصر حاسم في تطوير الإدمان. يتم تعيين منبهات البيئية المرتبطة المخدرات أهمية كبيرة في أذهان متعاطي المخدرات. معلومات سياقية تذكير لمتعاطي المخدرات من الخبرة الماضية المخدرات يمكن أن تحدث انتكاسة لحنين المخدرات حتى بعد فترات طويلة من الامتناع عن التعرض للمخدرات 7،8.وبالتالي فإن التحدي الكبير السريرية في الإدمان – الميل المدمنين إلى الانتكاس حتى بعد فترة طويلة من أعراض الانسحاب وقد تراجعت 9.
التوعية السلوكية لالكوكايين هو نموذج بسيط من الخبرة الكوكايين مفيدة في دراسة آليات الإدمان على المخدرات. في هذا النموذج على نطاق واسع درس لتوعية طويلة الأمد الناجمة عن التعرض المزمن لتعاطي المخدرات، واعتادوا القوارض أول من الحقن المالحة (داخل الصفاق، IP) في بيئة جديدة (دائرة مفتوحة في المجال الذي يتم رصد النشاط الحركي لهم) ؛ ثم، فإنهم يتلقون حقن يومية من الكوكايين في غرف الحقل مفتوحة أثناء نشاطهم ويتم رصد 10 (الشكل 1). هذا النموذج السلوكي النتائج عادة في توعية قوية للسلوك الحركي (8-12 أضعاف فوق النشاط الأساسي) 11، الذي يحتفظ به لمدة أشهر بعد التوقف عن حقن الكوكايين، مما يدل على تشكيل بيرفأثر الذاكرة asive من تجربة المخدرات.
الدوائر العصبية الثواب، والمشاركة بشكل طبيعي في تعزيز السلوكيات الأساسية لنجاح أي الأنواع (مثل التغذية والجنس)، واستغلالها من قبل تعاطي المخدرات لتعزيز السلوكيات المرتبطة المخدرات 12،13. ويبدو أن الآليات الجزيئية والخلوية التي يتم من خلالها تعزيز تجربة تعاطي المخدرات لتكون مشابهة إلى الآليات الكامنة وراء تشكيل ذكريات التعريفي أو الدلالي في هياكل الدماغ الأخرى 14. ولذلك، فإن متانة نموذج التوعية السلوكية تجعل من نظام نموذجا جذابا لدراسة آليات تعتمد على خبرة اللدونة.
النواة المتكئة (NAC) هي تكامل المركزي للدائرة الإثابة في الدماغ، وقد ارتبطت بشكل واسع مع تطور إدمان 5،6. تشكيل الإدمان يعتمد على النسخ الجديدة من البروتينات في النواة المتكئة، وقوية فيويلاحظ الدرفلة الجديد من برامج النسخ هيكلة بوضوح في تجربة رنا التالية الكوكايين 15-19. الرد النسخي الحادة للتعرض الكوكايين من المرجح أن تعمل على مستويات متعددة من أجل التكيف مع التحفيز تحريض قوي وتوجيه إنتاج بروتينات جديدة هي المسؤولة عن التغييرات الهيكلية والكهربية الناجمة عن التعرض للدواء 6،19-22.
من أجل تعزيز دراسة الآليات الجزيئية التي تعتمد على خبرة من اللدونة في الدماغ، يوصف بروتوكول لتحليل شامل لديناميات النسخ في عينات أنسجة المخ التالية التلاعب السلوكي. ويتضح البروتوكول في سياق التجربة السلوكية درس في المختبر الدقيقي – التوعية السلوكية على الكوكايين، وذلك باستخدام المصفوفات الحيوية ميكروفلويديك لتحليل النسخي. بروتوكول صفها من الواضح لا تقتصر على دراسة رانه النواة المتكئة في سياق التوعية السلوكية، ولكن يمكن تطبيقها على عدد كبير من النماذج السلوكية ومناطق الدماغ. في الواقع، يمكن تطبيق هذا البروتوكول لأنسجة الجسم خارج الدماغ، ومجموعة متنوعة من الخبرات أو التلاعب الكائن الحي دراستها.
يتم تقسيم البروتوكول تقريبا إلى أربعة الخطوات. في الخطوة الأولى، يخضع الحيوان إلى النموذج السلوكي. في الخطوة الثانية الأنسجة هي microdissected. في الخطوة الثالثة – يتم تنقيته، عكس كتب مرنا وبحثها، وفي الخطوة الأخيرة يتم تحليل البيانات.
في سياق دراسة ديناميات النسخي، وتوقيت دقيق وتعريف للتجربة وربما المعلمات التجريبية أهم السيطرة عليها. لهذا السبب، النموذج السلوكي لدينا من خيار هو أن من التوعية السلوكية لالكوكايين، وهو النظام الذي يتيح مستوى عال من السيطرة المجرب على مدى المعلمات من بتجاربم. تتوفر النماذج السلوكية الإضافية التي تمكن توقيت دقيق ومعالجة نماذج مختلفة من التي تعتمد على خبرة اللدونة أو تشكيل الذاكرة. وتشمل هذه النماذج تكييف الخوف 23، والإثراء البيئي الحاد 24،25، رواية استكشاف الكائن 26 و تجربة بصرية التالية تربية الظلام 27. لا يزال والتوعية السلوكية لالكوكايين هو التلاعب السلوكي القوي باستمرار، وخلق أثر الذاكرة انتشارا للغاية والتي تستمر لعدة أشهر بعد تجربة الكوكايين 28.
ومقطوع الدماغ، تليها تسليخ مجهري اليدوي النواة المتكئة. لقد كانت تجربتنا أن تسليخ مجهري اليدوي من شرائح الدماغ بسرعة إعداد يوفر الأسلوب الأكثر موثوقية وسرعة استخراج الأنسجة ذات الصلة إلى النموذج السلوكي، وذوي الخبرة، حدود الأنسجة تصبح واضحة ومعترف بها بسهولة. بدلا من ذلك، يمكن أن يكون شرائح غرامة preparالطبعه، تليها الليزر التقاط تسليخ مجهري. على الرغم من أن هذه الطريقة تمكن محددة للغاية ترسيم المنطقة من اهتمام، أنها بطيئة (وبالتالي المخاطرة بفقدان ومرنا عطوب)، مملة وتتطلب معدات مخصصة مكلفة (المجهر مزودة الإعداد الليزر التقاط). بروتوكول تعريفها هنا يمكن أيضا أن تتكيف مع وحيدة الخلية تحليل النسخي، بواسطة الشفط اليدوي للسيتوبلازم الخلايا التي تم تحديدها بصريا باستخدام ماصات التصحيح 29. من المهم أن نلاحظ أن بروتوكول وصف يوفر المتوسط السكان، في حين أنه من المرجح جدا أنه في معظم الحالات، فقط جزء من السكان من الخلايا داخل الأنسجة وتشارك فعليا في الاستجابة لهذه التجربة. ومن مصلحة لمحة النسخ بطريقة انتقائية من داخل السكان خلية معينة الاستجابة للتجربة، ولكن مناقشة هذه النهج هو أبعد من النطاق الحالي.
لتنقية مرنا، عكس النسخ، وQPCR الاستعلام، والأنسجةتعطل بتمريرها من خلال إبر رفيعة، تليها استخدام مجموعات المتاحة تجاريا (لمزيد من المعلومات، انظر الجدول 8). يتم اختيار من الخبرة مع هذه المنهجيات، والتي تضمن موثوقية استخراج الحمض النووي الريبي عالية الجودة ونتائج قوية من التطبيقات المصب.
بينما يوصف بروتوكول للالإنتاجية العالية QPCR استخدام المصفوفات الحيوية، وعينات يمكن بحثها للتعبير الجينات باستخدام نقطة النهاية PCR، وانخفاض الإنتاجية QPCR، ميكروأرس التعبير الجيني أو تسلسل عميق. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن مرنا تم الحصول عليها من نوى الدماغ التالية النماذج السلوكية في كثير من الأحيان كميات الحد من تفضيل عالية الإنتاجية QPCR استخدام المصفوفات الحيوية. توفر المصفوفات الحيوية منصة تتيح تحليل شامل كفاءة النصوص من عدد كبير من العينات موازية في تجربة واحدة. بعد الاستحواذ الأولي لنظام ميكروفلويديك (عادة إلى بو المؤسسيrchase)، والتجارب غير مكلفة نسبيا لتشغيل. بعد هذا التحليل، مزيد من الاستعلام من العينات يمكن تنفيذها باستخدام منصات أكثر تكلفة للبحث عن نسخ جديدة (عن طريق ميكروأرس أو RNAseq) مع صفائف ديناميكية توفر مرجع شامل لضمان الجودة. أخيرا، لتحليل البيانات، وتستخدم نهج القياسية. مؤشرات محددة بشأن القضايا التي قد تنشأ ستناقش في نص البروتوكول.
هذا البروتوكول هو الأنسب للمحققين المهتمة في إجراء تحقيق شامل في نظام اهتمامهم، ودراسة الظروف ومكررات متعددة. البروتوكول هو أيضا الأنسب للمحققين الذين شحذ بالفعل في (من خلال ميكروأري أو RNAseq التجارب) على مجموعة فرعية من الجينات 50-500 المصالح، التي ترغب في الاستعلام مرارا وتكرارا.
Protocol
Representative Results
Discussion
توصيف ناجح في التعبير الجيني من أنسجة المخ التالية النماذج السلوكية يعتمد على: 1) التعامل مع الحذر من الفئران خلال النموذج السلوكي. 2) تشريح سريع ودقيق للأنسجة المصالح؛ 3) تدابير RNA آمن لضمان سلامة RNA. و4) التخطيط الدقيق الاشعال وتخطيط التجريبي وكذلك الدقة والاهتمام بالت…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work has been funded by the Israel Science Foundation Grant (ISF # 393/12), Israel Centers of Research Excellence Grant (I-CORE 1796/12), German-Israel Foundation Grant (GIF # 2299-2291.1/2011) and the Marie Curie Career Integration Grant (FP7-PEOPLE-2013-CIG #618201). Initial steps in the project were funded by an AXA postdoctoral fellowship to AC. We acknowledge the generous startup funds provided by the Edmond and Lily Safra Center for Brain Sciences.
Critical reading by members of the Citri lab is greatly appreciated.
Materials
| Virusol | Oriek Medical | J29D | |
| Isoflurane, USP 100% | MINRAD INC | NDC 60307-110-25 | |
| RNeasy plus Universal Mini Kit | QIAGENE | 73404 | |
| QIAshredder | QIAGENE | 79654 | |
| High Capacity cDNA Reverse Transcription kit | Invitrogene | AB-4368814 | |
| TE Buffer | Invitrogene | 1355656 | |
| Behaviour Chamber (MDF; 50X45cm) | Self assembled | ||
| Inner Perspex box (30X30cm) | Self assembled | ||
| camera and video recorder | Campden Inst | CMD-80051 | |
| Media Recorder software | Noldus | NDS-NMR3-00M | |
| Iris Scissors | FST | FST-14062-09 | |
| Sagital Brain slicer with a 0.5mm section | Brain Tree Scientific | BS-AL-505S | |
| Bioanalyzer | Agilent Technologies | The Agilent 2100 Bioanalyzer | |
| Thermal cycler | Bio-Rad | 1852048 | |
| Inverted microspun spatula | Bochem Instrument GmbH | 3213 | |
| Biomark HD Reader | Fluidigm | BMHD-BMKHD | |
| Dynamic array Chip for 96.96gene expression | Fluidigm | BMK-M-96.96 |
References
- Amit, I., et al. A module of negative feedback regulators defines growth factor signaling. Nature genetics. 39, 503-512 (2007).
- Citri, A., Yarden, Y. EGF-ERBB signalling: towards the systems level. Nature reviews. Molecular cell biology. 7, 505-516 (2006).
- Holtmaat, A., Svoboda, K. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nature reviews. Neuroscience. 10, 647-658 (2009).
- Kleim, J. A., Jones, T. A. Principles of experience-dependent neural plasticity: implications for rehabilitation after brain damage. Journal of speech, language, and hearing research. 51, S225-S239 (2008).
- Kauer, J. A., Malenka, R. C. Synaptic plasticity and addiction. Nature reviews. Neuroscience. 8, 844-858 (2007).
- Grueter, B. A., Rothwell, P. E., Malenka, R. C. Integrating synaptic plasticity and striatal circuit function in addiction. Current opinion in neurobiology. 22, 545-551 (2012).
- Robinson, T. E., Kolb, B. Structural plasticity associated with exposure to drugs of abuse. Neuropharmacology. 47, 33-46 (2004).
- Koob, G. F., et al. Neurobiological mechanisms in the transition from drug use to drug dependence. Neuroscience and biobehavioral reviews. 27, 739-749 (2004).
- Hyman, S. E., Malenka, R. C., Nestler, E. J. Neural mechanisms of addiction: the role of reward-related learning and memory. Annual review of neuroscience. 29, 565-598 (2006).
- Beurrier, C., Malenka, R. C. Enhanced inhibition of synaptic transmission by dopamine in the nucleus accumbens during behavioral sensitization to cocaine. The Journal of neuroscience. 22, 5817-5822 (2002).
- Robinson, T. E., Berridge, K. C. The psychology and neurobiology of addiction: an incentive-sensitization view. Addiction. 95, S91-S117 (2000).
- Boening, J. A. Neurobiology of an addiction memory. Journal of neural transmission. 108, 755-765 (2001).
- Everitt, B. J., Robbins, T. W. Neural systems of reinforcement for drug addiction: from actions to habits to compulsion. Nature neuroscience. 8, 1481-1489 (2005).
- Volkow, N. D., Fowler, J. S., Wang, G. J. The addicted human brain: insights from imaging studies. The Journal of clinical investigation. 111, 1444-1451 (2003).
- Carlezon, W. A., et al. Regulation of cocaine reward by CREB. Science. 282, 2272-2275 (1998).
- Hope, B., Kosofsky, B., Hyman, S. E., Nestler, E. J. Regulation of immediate early gene expression and AP-1 binding in the rat nucleus accumbens by chronic cocaine. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89, 5764-5768 (1992).
- Hope, B. T., et al. Induction of a long-lasting AP-1 complex composed of altered Fos-like proteins in brain by chronic cocaine and other chronic treatments. Neuron. 13, 1235-1244 (1994).
- Pulipparacharuvil, S., et al. Cocaine regulates MEF2 to control synaptic and behavioral plasticity. Neuron. 59, 621-633 (2008).
- Robison, A. J., Nestler, E. J. Transcriptional and epigenetic mechanisms of addiction. Nature reviews. Neuroscience. 12, 623-637 (2011).
- Hyman, S. E., Malenka, R. C. Addiction and the brain: the neurobiology of compulsion and its persistence. Nature reviews. Neuroscience. 2, 695-703 (2001).
- Nestler, E. J. The neurobiology of cocaine addiction. Science & practice perspectives / a publication of the. National Institute on Drug Abuse, National Institutes of Health. 3, 4-10 (2005).
- Robbins, T. W., Everitt, B. J. Neurobehavioural mechanisms of reward and motivation. Current opinion in neurobiology. 6, 228-236 (1996).
- Kaplan, G. B., Moore, K. A. The use of cognitive enhancers in animal models of fear extinction. Pharmacology, biochemistry, and behavior. 99, 217-228 (2011).
- Chauvet, C., Goldberg, S. R., Jaber, M., Solinas, M. Effects of environmental enrichment on the incubation of cocaine craving. Neuropharmacology. 63, 635-641 (2012).
- Nithianantharajah, J., Hannan, A. J. Enriched environments, experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nature reviews. Neuroscience. 7, 697-709 (2006).
- Silingardi, D., et al. ERK pathway activation bidirectionally affects visual recognition memory and synaptic plasticity in the perirhinal cortex. Frontiers in behavioral neuroscience. 5, 84 (2011).
- Tropea, D., Majewska, A. K., Garcia, R., Sur, M. Structural dynamics of synapses in vivo correlate with functional changes during experience-dependent plasticity in visual cortex. The Journal of neuroscience. 30, 11086-11095 (2010).
- Steketee, J. D., Kalivas, P. W. Drug wanting: behavioral sensitization and relapse to drug-seeking behavior. Pharmacological reviews. 63, 348-365 (2011).
- Citri, A., Pang, Z. P., Sudhof, T. C., Wernig, M., Malenka, R. C. Comprehensive qPCR profiling of gene expression in single neuronal cells. Nature protocols. 7, 118-127 (2012).
