Quantum Akson Ulaştırma Gerçek zamanlı Görüntüleme İlköğretim Nöronlar BDNF Dot-etiketli
Summary
BDNF, bir nörotrofik faktör, bir aksonal taşınması birçok nöron popülasyonlarının hayatta kalma ve fonksiyonu için kritik öneme sahiptir. Bazı dejeneratif bozukluklar aksonal yapı ve fonksiyon bozulması ile işaretlenmiştir. Biz birincil nöronları kullanarak mikroakışkan odaları QD-BDNF canlı ticaretini incelemek için kullanılan teknikler gösterdi.
Abstract
BDNF nöronal hayatta kalmasını, farklılaşmasını ve fonksiyon bir çok alanda önemli bir rol oynar. Akson yapısal ve fonksiyonel açıkları giderek Alzheimer hastalığı (AH) ve Huntington hastalığı (HD) olmak üzere nörodejeneratif hastalıklar, erken bir özelliği olarak görülmektedir. Henüz tam olarak açıklanamamıştır aksonal yaralanma kaynaklı olduğu mekanizma (ler) idir. Bu biyolojik olarak aktif bir üretmek için yeni bir teknik gelişme rapor BDNF aksonal taşınması takip etmek için kullanılabilir BDNF (mBtBDNF) monobiotinylated. Kuantum nokta-etiketli BDNF (QD-BDNF) mBtBDNF kuantum nokta 655 konjuge tarafından üretildi. Mikroakışkan cihaz nöron hücre gövdeleri aksonlar izole etmek için kullanılmıştır. Aksonal bölmesine QD-BDNF eklenmesi akson BDNF ulaşım canlı görüntüleme izin verdi. Biz, QD-BDNF yaklaşık 1.06 mm / sn bir hızda hareket azından çok az duraklar, retro-esas olarak sadece hareket ettiğini gösterdi. Bu sistem beni araştırmak için kullanılabilirAH veya bozulmuş HD aksonal fonksiyonu gibi başka dejeneratif bozukluklar chanisms.
Introduction
Nöronlar yüksek olan uzun ve genellikle son derece özenli süreçleri kurmak ve nöral devrelerin yapısını ve işlevini korumak için temel olan hücreler polarize. Akson ve sinapsların yük taşıyan hayati bir rol oynar. Hücre soma sentezlenen proteinler ve organelleri nöronal fonksiyonu desteklemek için presinaptik terminale ulaşmak için aksonlar aracılığıyla taşınması gerekir. Buna karşılık, sinyalleri uzak aksonlar transdüse gerekir alınan ve soma aktarıldı. Bu işlemler, nöronal canlı kalmasını, farklılaşmasını ve bakım için çok önemlidir. Bazı nöronlarda aksonal taşınmasının bu mesafeler üzerinden 1.000 'den fazla kez hücre gövdesi çapının yürütülmesi gereken olarak, olasılık bile hali hazırda küçük eksikliklerin belirgin nöronal devre fonksiyonunu etkileyebilir düşünülmüştür.
, Beyin türevli nörotropik faktör (BDNF), büyüme faktörlerinin nörotrofin ailesinin bir üyesi, ma mevcutturhipokampus, serebral korteks ve bazal ön dahil ny beyin bölgeleri,. BDNF, bilişsel devrelerinde katılma nöronların hayatta kalmasını, farklılaşmasını ve fonksiyon destekleyerek idrak ve hafıza oluşumunda önemli bir rol oynar. BDNF, bu mitojen tarafından aktive edilen protein kinaz / hücre dışı sinyal ile düzenlenen protein kinaz (MAPK / ERK), fosfatidilinositol-3-kinaz dahil olmak üzere, TrkB aracılı sinyalleme yolunu aktive akson terminal, kendi reseptörü, tirosin kinaz TrkB bağlanan (PI3K) ve fosfolipaz C-gama (PLCγ). Bu sinyal yolları katılan proteinler daha sonra retrograd nöronal soma taşınır endosome 1-6 sinyalizasyon BDNF / TrkB oluşturmak için endositik veziküler yapıların üzerine paketlenir.
Mikroakışkan kültür oda normal şartlar altında yanı sıra yaralanma ve hastalık 7,8 ayarı aksonal biyoloji eğitimi için çok yararlı bir platform. Izole aksonlarlahücre gövdeleri, cihaz aksonlar 8-10, özellikle taşıma anlaşılmasına bir sağladı. Bu çalışmada kullanılan ve 450 um microgroove bariyerli PDMS göre mikro-akışkan platformlar ticari (Malzemeler tabloya bakınız) satın alınmıştır. BDNF, taşıma incelemek için monobiotinylated BDNF (mBtBDNF) üretimi için yeni bir teknoloji geliştirilmiştir. (Da AviTag olarak da bilinir), biyotin alıcı peptidin, AP yararlandı. Bu, özellikle Escherichia coli enziminin biyotin ligazı, Bira ile biyotine bağlanabilir bir lisin kalıntısı ihtiva eden bir 15 amino asit dizisidir. Bu PCR (Şekil 1 A), fare pre-proBDNF cDNA'nın C terminaline AviTag kaynaşık. Bu yapı, memeli ekspresyon vektörü pcDNA3.1 myc-his vektörü içine klonlandı. Ayrıca, pcDNA3.1 myc-his vektörü içine bakteri, BirA DNA klonlanmıştır. Iki plasmid geçici olarak her iki proteini ifade etmek için HEK293FT hücrelerine eş-transfekte edilmiştir. BirA biotun ligasyonu katalizeözel olarak bir lizin 1 de BDNF C-terminalindeki AviTag içinde ikamet: 1 oranında, BDNF monomer monobiotinylated üretmek. Biyotinile edilmiş, ~ 18 kDa bir moleküler kütleye sahip BDNF olgun geri kazanılmış ve Ni-reçinesi (Şekil 1C) kullanılarak ortamdan saflaştırılmıştır. (Şekil 1D) imüno-benekleme ile değiştirilmemiş BDNF saptamak mümkün ile karar kılındığı üzere BDNF biyotinilasyon, tamamlandı. Streptavidin konjüge kuantum noktaları, QD 655, QD-BDNF yapmak mBtBDNF etiketlemek için kullanıldı. MBtBDNF fosforile TrkB (Şekil 1E) ve rekombinant insan aktive BDNF (rhBDNF) ölçüsünde nörit gelişimini (Şekil 1F) teşvik etmek için mümkün olduğu gibi AviTag varlığı BDNF aktivitesine müdahale etmedi. QD-BDNF QD-BDNF biyoaktif (Şekil 1G) olduğunu belirten, hipokampal aksonlardaki trkB ile birlikte yerleştiğini göstermiştir immünolekeleme. BDNF taşıma incelemek için, QD-BDNF distal akson bölmesine eklenmiştirsıçan E18 hipokampal nöronlar (Şekil 2A) içeren mikrosıvı kültürler. Akson içindeki QD-BDNF retrograd taşıma kırmızı floresan etiketi (Desteklenmesi videolar S1, S2) gerçek-zamanlı canlı görüntüleme tarafından yakalandı. Oluşturulan kymograph analiz ederek, QD-BDNF yaklaşık 1.06 mm / sn (Şekil 3A) bir hızda hareket eden bir retrograd taşınacak gözlenmiştir. GFP veya MCherry etiketli BDNF BDNF aksonal hareketini izlemek için kullanılır olmuştur. Büyük dezavantajı, tek bir molekülün çalışmaları için yeterince parlak değil olmasıdır. Ayrıca, her iki anterograd ve retrograd BDNF hareketlerinin bulunması zor retrograd olarak taşınan, BDNF bir nörotrofinin / reseptör kompleksi olup olmadığını değerlendirmek için yapar.
Bu videoda, biz birincil nöronları kullanarak mikroakışkan odaları QD-BDNF canlı ticaretini incelemek için kullanılan teknikleri göstermek. Ultrabrightness ve kuantum noktaları mak mükemmel fotostabilitees mümkün BDNF ulaşım uzun vadeli izleme gerçekleştirmek için. Bu teknikler, MS, HD ve diğer nörodejeneratif hastalıklar aksonal çalışmalar fonksiyonunun arttırılması için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, biyolojik olarak aktif bir üretmek için yeni tekniğin gelişimleri, BDNF aksonal taşınması takip etmek için kullanılabilir BDNF (mBtBDNF) monobiotinylated. Kuantum dot streptavidin konjüge proteini ve bir mikroakışkan odacığı kullanılarak, yöntem, bir gerçek zamanlı olarak ve uzamsal ve zamansal çözünürlüğe kadar tek molekül hassasiyet ile primer nöronlarda aksonal taşınması BDNF algılamasını sağlar. Burada kullanılan aletler sağlık ve hastalık nöronlar BDNF / TrkB …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz kendi teknik yardım için Yue (Pauline) Hu, Rachel Sinit teşekkür etmek istiyorum. Çalışma NIH hibe (PN2 EY016525) tarafından ve Down Sendromu Araştırma ve Tedavi Vakfı ve Larry L. Hillblom Vakfı fon tarafından desteklenmektedir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number |
| Platinum pfx DNA polymerase | Invitrogen | 11708021 |
| EcoRI | Fermentas | FD0274 |
| BamHI | Fermentas | FD0054 |
| HEK293FT cells | Invitrogen | R70007 |
| DMEM-high glucose media | Mediatech | 10-013-CV |
| d-biotin | Sigma | B4639 |
| TurboFect | Fermentas | R0531 |
| PMSF | Sigma | P7626 |
| aprotinin | Sigma | A6279 |
| Ni-NTA resins | Qiagen | 30250 |
| protease inhibitors cocktail | Sigma | S8820 |
| silver staining kit | G-Biosciences | 786-30 |
| human recombinant BDNF | Genentech | |
| Microfluidic chambers | Xona | SND450 |
| 24×40 mm No. 1 glass coverslips | VWR | 48393-060 |
| poly-L-Lysine | Cultrex | 3438-100-01 |
| HBSS | Gibco | 14185-052 |
| DNase I | Roche | 10104159001 |
| Trypsin | Gibco | 15090-046 |
| Neurobasal | Gibco | 21103-049 |
| FBS | Invitrogen | 16000-044 |
| GlutaMax | Invitrogen | 35050-061 |
| B27 | Gibco | 17504-044 |
| QD655-streptavidin conjugates | Invitrogen | Q10121MP |
| anti-Avi tag antibody | GenScript | A00674 |
| streptavidin-agarose beads | Life Technology | SA100-04 |
| trichloroacetic acid | Sigma | T6399 |
| HRP-streptavidin | Thermo Scientific | N100 |
| anti-pTrkB antibody | a generous gift from Dr M. Chao of NYU | |
| anti-TrkB antibody | BD Science | 610101 |
References
- Wu, C., et al. A functional dynein-microtubule network is required for NGF signaling through the Rap1/MAPK pathway. Traffic. 8, 1503-1520 (2007).
- Wortzel, I., Seger, R. The ERK Cascade: Distinct Functions within Various Subcellular Organelles. Genes & cancer. 2, 195-209 (2011).
- Huang, E. J., Reichardt, L. F. Trk receptors: roles in neuronal signal transduction. Annual review of biochemistry. 72, 609-642 (2003).
- Nonomura, T., et al. Signaling pathways and survival effects of BDNF and NT-3 on cultured cerebellar granule cells. Brain research. Developmental brain research. 97, 42-50 (1996).
- Weissmiller, A. M., Wu, C. Current advances in using neurotrophic factors to treat neurodegenerative disorders. Translational neurodegeneration. 1, 14 (2012).
- Zhang, K., et al. Defective axonal transport of Rab7 GTPase results in dysregulated trophic signaling. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33, 7451-7462 (2013).
- Taylor, A. M., et al. A microfluidic culture platform for CNS axonal injury, regeneration and transport. Nature methods. 2, 599-605 (2005).
- Cui, B., et al. One at a time, live tracking of NGF axonal transport using quantum dots. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104, 13666-13671 (2007).
- Xie, W., Zhang, K., Cui, B. Functional characterization and axonal transport of quantum dot labeled BDNF. Integrative biology : quantitative biosciences from nano to macro. 4, 953-960 (2012).
- Sung, K., Maloney, M. T., Yang, J., Wu, C. A novel method for producing mono-biotinylated, biologically active neurotrophic factors: an essential reagent for single molecule study of axonal transport. Journal of neuroscience methods. 200, 121-128 (2011).
- Tani, T., et al. Trafficking of a ligand-receptor complex on the growth cones as an essential step for the uptake of nerve growth factor at the distal end of the axon: a single-molecule analysis. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 25, 2181-2191 (2005).
- Bronfman, F. C., Tcherpakov, M., Jovin, T. M., Fainzilber, M. Ligand-induced internalization of the p75 neurotrophin receptor: a slow route to the signaling endosome. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 23, 3209-3220 (2003).
- Kruttgen, A., Heymach, J. V., Kahle, P. J., Shooter, E. M. The role of the nerve growth factor carboxyl terminus in receptor binding and conformational stability. The Journal of biological chemistry. 272, 29222-29228 (1997).
- Zuccato, C., Cattaneo, E. Brain-derived neurotrophic factor in neurodegenerative diseases. Nature reviews. Neurology. 5, 311-322 (2009).
- Gharami, K., Xie, Y., An, J. J., Tonegawa, S., Xu, B. Brain-derived neurotrophic factor over-expression in the forebrain ameliorates Huntington’s disease phenotypes in mice. Journal of neurochemistry. 105, 369-379 (2008).
- Gauthier, L. R., et al. Huntingtin controls neurotrophic support and survival of neurons by enhancing BDNF vesicular transport along microtubules. Cell. 118, 127-138 (2004).
- Her, L. S., Goldstein, L. S. Enhanced sensitivity of striatal neurons to axonal transport defects induced by mutant huntingtin. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 28, 13662-13672 (2008).
- Rong, J., et al. Regulation of intracellular trafficking of huntingtin-associated protein-1 is critical for TrkA protein levels and neurite outgrowth. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26, 6019-6030 (2006).
