This article illustrates how the expression of neurotransmitter receptors can be quantified and the pattern analyzed at synapses with identified pre and postsynaptic elements using a combination of viral transduction of optogenetic tools and the freeze-fracture replica immunolabeling technique.
Замораживание-Перелом электронная микроскопия была основным методом в ультраструктурным исследований на протяжении более 40 лет. Тем не менее, отсутствие эффективных средств для изучения молекулярного состава мембран получают значительное снижение его использования. В последнее время было основным возрождение в сублимационной разрушения электронной микроскопии благодаря разработке эффективных методов выявления интегральных мембранных белков с помощью метки антител. Одним из таких методов известен как моющее средство солюбилизированных ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ перелом реплики иммунноокрашивания (FRIL).
Сочетание метода FRIL с оптогенетика позволяет коррелированный анализ структурных и функциональных свойств центральных синапсах. Используя этот подход, можно идентифицировать и охарактеризовать как до, так и постсинаптические нейроны их соответствующим выражением помеченной channelrhodopsin и специфических молекулярных маркеров. Отличительная появление постсинаптической мембраны специализации glutamatергическая синапсы в дальнейшем позволяет, при маркировке ионотропных глутаматных рецепторов, для количественного определения и анализа intrasynaptic распределение этих рецепторов. Здесь мы даем шаг за шагом описание процедур, необходимых для подготовки спаренных реплики и как immunolabel их. Мы также будем обсуждать предостережения и ограничения метода FRIL, в частности те, которые связаны с потенциальными уклонов выборки. Высокая воспроизводимость и универсальность метода FRIL, в сочетании с оптогенетика, предлагает очень эффективный подход для характеристики различных аспектов синаптической передачи при определенных нейрональных микросхемами в головном мозге.
Здесь мы приведем пример того, как этот подход был использован, чтобы получить понимание структурно-функциональных отношений возбуждающих синапсов на нейронах интеркалирован- клеточных масс миндалине мыши. В частности, мы исследовали экспрессию рецепторов глутамата ионотропных на определенных входов илиiginated от таламуса задней интраламинарных и медиальных ядер коленчатых. Эти синапсы были показаны для передачи сенсорной информации, имеющей отношение к обучению и страха пройти пластические изменения на страхе кондиционирования.
Определение функциональной архитектуры биомембран в нанометровом масштабе была поставлена под сомнение в последние годы с развитием целого ряда методов иммунноокрашивания, пригодных для просвечивающей электронной микроскопии. Тем не менее, эти методы, например, до и после вложения immunogold, имеют ряд важных ограничений, которые включают плохое обнаружение антигенов и / или ограниченной количественной оценки связанных с мембраной белков. Эти ограничения становятся особенно важно при исследовании тонкой структуры нервной системы, которая характеризуется высокой степенью разнообразия клеток и синапсов гетерогенности. Эта гетерогенность является результатом как структурного и функционального разнообразия, диктуемого пре- и постсинаптические элементов и дифференциальным выражением, обогащение, или взаимодействие сигнальных белков, таких как рецепторы, транспортеров и эффекторных молекул.
Предложен новый подход для прямого immunolabeлин интегральных или сшитых мембранных белков в детергентов солюбилизированный замораживанием перелом репликами (FRIL) первоначально был введен Фудзимото два десятилетия назад 1. Этот оригинальный метод был, однако, некоторые ограничения, то есть, тяжелая фрагментация репликах, что затрудняло значимые корреляции меченых молекул с индивидуально отображенных клетками в сложных тканей , таких как мозг. Около 10 лет назад, Shigemoto и Fukazawa постепенно усовершенствовали технику 2. Это было параллельно с усилиями другой группой ученых в лабораториях глыбой Университета штата Колорадо, которые также значительно улучшили технику, в частности , для изучения щелевых контактов 3.
Улучшение протоколов сублимационной разрыва пласта и машин, а также введение быстрого замораживания (под высоким давлением), теперь позволяет исследователям производить сплошную точные копии образцов относительно большого размера и приветСТГ качество изображения большинства клеточных компонентов без ограничений и артефактов, производимых сильными химическими фиксаций.
Техника FRIL предлагает большое преимущество высоко количественного идентификации на месте одного или нескольких белков (одновременно) в гистологически нанесены на карту и цитологическое идентифицированных клеток в сложных тканей , таких как мозг , в, с дополнительным преимуществом плоского зрения пред- и постсинаптической элементы в одной реплики. Таким образом, метод FRIL, несмотря на многочисленные технические препятствия, держит обещание для ряда очень важных научных открытий, в частности, для корреляции структурных и функциональных свойств отдельных синапсов. В течение последних нескольких десятилетий, большая часть информации была получена на структуре, молекул составляют, и физиологические функции синапсов; пока синапсы морфологически и молекулярно весьма разнообразны в зависимости от предварительной и постсинаптической рааренда нейроны 4. Только для нескольких типов синапсов были структурно-функциональные исследования выполнены до сих пор 5-7. Это объясняется в основном из-за технических ограничениями, которые не позволили точное определение природы пред- и постсинаптических элементов.
Ультраструктурный анализ предоставил критически взглянуть на изменчивость постсинаптических мембранных специализаций через различных синаптических контактов как с точки зрения синаптической размера и содержания в рецепторов нейромедиаторов 6, который имеет большое влияние на прочность и пластичность синаптической передачи. Кроме того, большое количество исследований указывает на то, что число ионотропных глутаматных рецепторов , выраженных в различных типах синапсов регулируется в afferent- и целевой зависимой моды 7-10.
Здесь метод изложен, что позволяет провести анализ структуры и состава рецепторов постсинаптических мембран с специализаций определяютг пресинаптические элементы и функции. Этот подход использует преимущества пресинаптической выражение недавно разработанных светочувствительных водорослевые белков, таких как channelrhodopsin2 (ChR2), и методики FRIL проанализировать структуру постсинаптических экспрессии α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPA-R) и N-метил-D-аспартата (NMDA-R) глутаматных рецепторов. Это проявляется в синапсах, образованных аксонов, происходящих из задних таламическая-медиальных ядер коленчатых (PIN / MGN) на нейроны вставочных клеточных масс миндалине (ITC). ITC нейроны являются небольшие ГАМКергических клетки колючий организованы в кластеры вокруг базолатеральная миндалевидного комплекса (BLA) 11, 12. КВТ нейроны , как известно, получают возбуждающие входы от Bla главных нейронов и целевой центральное ядро (СЕА), таким образом , функционирует в качестве тормозящего ворот для информационного потока между BLA и CeA 12-15.
Недавно мы показали, что ИТНейроны C , расположенные в медио-дорсальные кластера между BLA и CeA также получают прямые и конвергентные возбуждающие входы от сенсорных таламуса и височной областях коры, которые модифицированы на страх в процессе обучения павловской слуховом кондиционирования страха 16. Страх кондиционирования является одним из наиболее понятных форм ассоциативного обучения в терминах механизмов мозга. В страхе кондиционирования, первоначально нейтральный условный раздражитель (CS, например, тон) в паре с аверсивного безусловным раздражителем (США, например, мягкий нога шок) , что приводит к ассоциации с CS-США и условная реакция страха 17, 18. Возбуждающих входы от обоих таламуса и неокортекса областях, которые несут информацию , представляющую CS и США, соответственно, были известны сходиться на пирамидальных нейронов латерального ядра миндалины (LA) и пройти пластичность 19. Наша предыдущая работа показала, что сенсорное входная информация также параллельно ретранслируется КВТ нейронов <sдо> 16.
В качестве первого шага на пути к механистической молекулярного анализа индивидуального сенсорного ввода синапсы на нейронах КВТ, мы использовали аденоассоциированный вирус (AAV), чтобы выразить ChR2 помечены желтым флуоресцентным белком (YFP). ААВ вводили в PIN / MGN и терминалы аксона были идентифицированы по их экспрессии ChR2-YFP. Мы использовали оба лица, сгенерированные методом FRIL для оценки плотности постсинаптических AMPA-R и NMDA-R в синапсах, образованных с КВТ нейронах аксонов PIN / MGN.
Замораживание-Перелом электронная микроскопия была основным методом в ультраструктурным исследований на протяжении более 40 лет. Тем не менее, отсутствие эффективных средств для изучения молекулярного состава мембран получают значительное снижение его использования. В последнее время было главным возрождение в сублимационной излома электронной микроскопии в связи с развитием эффективных методов выявления интегральных мембранных белков с помощью метки антител 1, 2, а именно : метод FRIL.
Техника FRIL обладает несколькими преимуществами по сравнению с другими методами immunogold ультраструктурным. Во-первых, белки легко доступны для антител повышения чувствительности. Во-вторых, воздействие на большой части плазменной мембраны специализаций, таких как постсинаптической мембраны, на двумерной поверхности реплики позволяет контролировать пространственное распределение и физической смежности интересующих молекул без кропотливого и трудоемкого реконструкции сериразделы аль ультратонкий. В-третьих, наличие обеих половинах плазматической мембраны увеличивает количество белков, которые могут быть помечены для каждой отдельной структуры, при условии, подходящие антитела доступны. После разрыва пласта, гидрофобная поверхность расщепленной мембраны покрыта углерод-платиной, направленных на утверждение белковые домены, остающиеся на поверхности излома. Это предотвращает доступ антител к антигенам в этих доменах. Например , на Р-лицевой реплики только эпитопы , с которыми сталкивается протоплазмы пространство могут быть обнаружены с помощью антител, в то время как на E-лице только эпитопы , обращенной к exoplasmic пространства могут быть связаны антител (см рисунок 2).
С другой стороны, метод FRIL также страдает от определенных ограничений 2. Как переломы происходят случайным образом, это может быть трудно ориентироваться на конкретные элементы или структуры. Это также может привести к смещению выборки, например, в коллекции синапсов, учитывая разные вероятность ОЛРcturing вдоль мембраны структур с различной кривизны (например, в сравнении с шипами валов). Кроме того, выделение мембранных белков к одной из двух граней непредсказуема. Таким образом, распределение белка к P-лица или E-лица, в частности, для количественных исследований, должны быть тщательно изучены с помощью антител к внутриклеточных и внеклеточных доменов. И, наконец, определение в точной копии определенных структур, таких как пресинаптических окончаний аксонов, может быть трудным, когда основаны только на морфологических признаков. Тем не менее, использование специфических антител для белков-маркеров или трансдукции меченых интегральных мембранных белков или каналов с использованием вирусных векторов предлагает дополнительные инструменты для облегчения идентификации трещиноватых мембран. Например, это исследование воспользовались трансдукции ChR2-YFP в таламических нейронов, чтобы определить их аксонов эфферентах в миндалине или нанесение знаков μ-опиоидных рецепторов, чтобы показать мне постсинаптическогоmbranes КВТ нейронов.
Для того, чтобы успешно выполнять технику FRIL, особое внимание следует принять в отношении фиксации ткани. Фиксация Сильные ткани (> 2% параформальдегидом) может привести к высокой скорости поперечных трещин и снижению чувствительности маркировки. С другой стороны, слабые фиксаций делают обработку тканей и подготовки (например, резка секций) трудно. Важно также, чтобы контролировать, что толщина обрезанными блоков соответствует толщине двухсторонней ленты. Если толщина образца ниже, чем у ленты, поверхности ткани, не могли бы прикрепить к поверхности двух металлических носителей, следовательно Замороженные пробы не сломана. Если ткань толще, то он будет сжат с неизбежными структурными искажениями, когда сэндвич из двух медных носителей производится. Температуру, при которой образец сломана (в данном протоколе, -115 ° С), играет также важную рольо структуре реплики. При более высоких температурах может привести к более высокую скорость передачи артефактов, таких, как конденсация паров воды на поверхности ткани, перед или во время выпаривания. При более низких температурах (<-125 ° C), может увеличить риск отщеплением материала во время гидроразрыва. Этот материал может упасть на поверхность образца или оставаться подключенным к нему. Эти хлопья материала также с покрытием и контрастируют производить темные пятна на изображении. Гидроразрыва при более низких температурах может также влиять на частоту поперечных трещин, особенно для маленьких тонких структур, таких как дендритные колючек. Еще одним важным шагом в подготовке точных копий является детергентом пищеварение. Если пищеварение является неполным, непереваренной ткани выглядит как темные пятна на реплики, не оправдав анализ структуры в ПЭМ. Кроме того, непереваренной ткани может неспецифически ловушку или связывания антител, повышение фона маркировки. С другой стороны, использование моющих средствs для пищеварения ткани может денатурации молекулы, связанные с репликой изменения их вторичной и третичной структуры. Таким образом, для некоторых антигенов может быть необходимо, чтобы постепенно разбавить концентрацию SDS с помощью дополнительных стадий промывки.
Для иммунноокрашивания, наличие различных размеров частиц золота, конъюгированного с помощью вторичных антител, позволяет обнаружить в то же время, но только в качественном отношении, несколько белков, даже в специфических микродоменных плазматической мембраны, такие как постсинаптической специализации. Тем не менее, из-за стерических затруднений, количественных исследований, как правило, ограничено обнаружением только одной молекулы. Размер частиц золота также может влиять на эффективность маркировки.
Для интерпретации маркировки в FRIL, следует иметь в виду, что частица immunogold может быть расположена в любом месте в пределах полусферы с радиусом 20-25 нм от антигена за счет гибкой сложной формыред первичным и вторичным антителом 26. Для получения дополнительной информации по теории и практике FRIL и связанных с ними методов, мы отсылаем читателя также других методологических статей 27, 28.
Метод FRIL был недавно использован для высокого разрешения количественного анализа локализации рецепторов глутамата в различных популяциях синапсов 29, 30. Кроме того, чувствительность обнаружения методики FRIL для АМРА-R была оценена так высоко , как один immunogold частицы на одну функциональную АМФК -R 29 канала. Таким образом, этот подход в целом весьма полезным для количественного определения и анализа картины постсинаптической экспрессии АМРА-R и NMDA-R в центральных синапсах. Здесь мы показали его применимость на PIN / MGN-ITC синапсов, сайт, скорее всего, важную для передачи информации США во время страха кондиционирования. С использованием антитела, возникающие против высококонсервативных внеклеточных аминокислотных остатков субъединиц рецептора АМРА GluА1-GluA4, мы обнаружили, равномерное распределение частиц золота в пределах кластеров IMP, соответствующих постсинаптической мембране специализации. Плотность AMPA-R в ИТК колючками была значительно выше по сравнению с валом синапсов мишенью PIN / MGN таламуса афферентов. На обоих позвоночника и вала синапсов, была обнаружена положительная корреляция между мечения для АМРА-R и постсинаптической области, особенность , общую для других глутаматэргических синапсов 25. Низкая дисперсия плотности AMPA-R в PIN / MGN-ITC синапсов указывает на однородное распределение , аналогичную другим синапсов , образованных таламуса эфферентах 7, но отличную от корковых синапсов 25. С другой стороны, плотность NMDA-R была более изменчивыми и не отличались между позвоночника и валом синапсов, предполагающих различное регулирование, чем АМРА-R. В будущем, высокая воспроизводимость техники FRIL не только позволит оценить базальную молекулярный состав центральных синапсах, но может облегчить обнаружение Changes числа рецепторов ионотропический глутамата и subsynaptic распределения после обучения страха, дополняя экс-естественных условиях записи пред- и постсинаптической свойств этих входов.
В заключение, этот подход может быть использован другими исследователями, чтобы получить представление о структурно-функциональных взаимосвязей входных конкретных возбуждающих синапсов во многих других нейронных цепей, в которых распутывания происхождение входов и характер и состав постсинаптических элементов имеет решающее значение, но проблематично ,
The authors have nothing to disclose.
Funding was provided by the Austrian Science Fund FWF grant No. P-22969-B11 to F. Ferraguti, and by the Charitable Hertie Foundation and the Werner Reichardt Centre for Integrative Neuroscience and by the DFG (CIN-Exc. 307) to I. Ehrlich.
Surgery | |||
Stereotactic frame | Stoelting, USA | 51670 | can be replaced by other stereotactic frame for mice |
Steretoxic frame mouse adaptor | Stoelting, USA | 51625 | |
Gas anesthesia mask for mice | Stoelting, USA | 50264 | no longer available, replaced by item no. 51609M |
Pressure injection device, Toohey Spritzer | Toohey Company, USA | T25-2-900 | other pressure injection devices (e.g. Picospritzer) can be used |
Kwik Fill glass capillaries | World Precision Instruments, Germany | 1B150F-4 | |
Anesthesia machine, IsoFlo | Eickemeyer, Germany | 213261 | |
DC Temperature Controler and heating pad | FHC, USA | 40-90-8D | |
Horizontal Micropipette Puller Model P-1000 | Sutter Instruments, USA | P-1000 | |
Surgical tool sterilizer, Sterilizator 75 | Melag, Germany | 08754200 | |
rAAV-hSyn-ChR2(H134R)-eYFP (serotype 2/9) | Penn Vector Core, USA | AV-9-26973P | |
fast green | Roth, Germany | 0301.1 | |
Isoflurane Anesthetic, Isofuran CP (1ml/ml) | CP Pharma, Germany | ||
Antiseptic, Betadine (providone-iodine) | Purdure Products, USA | BSOL32 | can be replaced by other disinfectants |
Analgesic, Metacam Solution (5mg/ml meloxicam) | Boehringer Ingelheim, Germany | can be replaced by other analgesics | |
Bepanthen eye ointment | Bayer, Germany | 0191 | can be replaced by other eye ointments |
Drill NM3000 (SNKG1341 and SNIH1681) | Nouvag, Switzerland | ||
Sutranox Suture Needle | Fine Science Tools, Germany | 12050-01 | |
Braided Silk Suture | Fine Science Tools, Germany | 18020-60 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Tissue preparation | |||
Paraformaldehyde EM grade | Agar Scientific Ltd., United Kingdom | AGR1018 | |
Saturated picric acid solution | Sigma-Aldrich, USA | P6744-1GA | |
Na2HPO4-2H20 | Merck Millipore, Germany | 1065860500 | |
NaH2PO4-2H2O | Merck Millipore, Germany | 1063451000 | |
NaCl | Merck Millipore, Germany | 1064041000 | |
4N NaOH | Carl Roth, Germany | T198.1 | |
Thiopental | Sandoz, Austria | 5,133 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich, USA | G5516-500ML | |
GenPure ultrapure water system | Thermo Fisher Scientific, USA | 50131235 | |
Peristaltic pump | ISMATEC, Germany | ISM 930C | |
Filter Paper | MACHEREY-NAGEL, Germany | MN 615 1/4 | |
Vibroslicer, VT1000S | Leica Microsystems, Austria | ||
Ophthalmic scalpel | Alcon Laboratories, USA | can be replaced by other ophthalmic scalpels | |
Perfusion cannula | Vieweg, Germany | F560088-1 | can be replaced by similar items from other companies |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
High-pressure Freezing | |||
Copper carriers | Engineering Office M. Wohlwend, CH | 528 | |
Sidol Polish | Henkel, Germany | can be replaced by same item from other companies | |
Chamois skin | Household supply store | ||
Hole punch, 1,5mm | Stubai, Austria | can be replaced by same item from other companies | |
Denatured ethanol | Donauchem, Austria | can be replaced by same item from other companies | |
Aceton | Roth, Germany | 9372.5 | CAUTION! |
High Pressure Freezing Machine HPM 010 | BalTec, CH; now Leica Microsystems | HPM010 | not produced any more, substituted by LeicaEM HPM100 |
Stereo-microscope | Olympus, Japan | SZX10 | |
Liquid nitrogen | CAUTION! | ||
Cryo-vials | Roth, Germany | E309.1 | can be replaced by same item from other companies |
CryoCane | Nalge Nunc International,USA | 5015-0001 | can be replaced by same item from other companies |
CryoSleeve | Nalge Nunc International,USA | 5016-0001 | can be replaced by same item from other companies |
Liquid nitrogen storage vessel | Cryopal, France | GT38 | can be replaced by same item from other companies |
Non-ionic detergent (Lavocid) | Werner & Mertz Professional, Germany | ||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Freeze-fracture and Replication | |||
Sandblaster, Mikromat 200-1 | JOKE Joisten & Kettenbaum, Germany | SANDURET 2-K | can be replaced by same item from other companies |
Siliciumcarbid SIC 360, grain size 25 – 21µ | JOKE Joisten & Kettenbaum, Germany | 955932 | |
Freeze Fracture System BAF 060 | BalTec, CH; now Leica Microsystems | BAF060 | |
Ceramic 12 well plate | Gröpel, Austria | 14511 | can be replaced by same item from other companies |
Trizma base | SIGMA, USA | T1503 | can be replaced by same item from other companies |
Trizma hydrochloride | SIGMA, USA | T3253 | can be replaced by same item from other companies |
Sodium chloride | Merck, Germany | 1,064,041,000 | can be replaced by same item from other companies |
SDS, Sodium lauryl sulfate | Roth, Germany | 5136.1 | CAUTION! ; can be replaced by same item from other companies |
Sucrose | Merck, Germany | 1,076,871,000 | can be replaced by same item from other companies |
TRIS | Roth, Germany | 5429.3 | can be replaced by same item from other companies |
Universal Hybridization Oven | Binder, Germany | 7001-0050 | can be replaced by same item from other companies |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Immunolabelling | |||
BSA | SIGMA, USA | A9647 | can be replaced by same item from other companies |
Anti-GFP Antibody | Molecular Probes, USA | A11122 | |
Anti-pan-AMPAR Antibody | Frontier Institute, Japan | pan AMPAR-GP-Af580-1 | |
Anti-NMDAR1 Antibody, clone 54.1 | Merck Millipore, Germany | MAB363 | |
Opioid Receptor-Mu (MOR) Antibody | ImmunoStar, USA | 24216 | |
EM goat anti-guinea pig, 5nm; secondary antibody | BBInternational, | EM.GAG5 | |
EM goat anti-rabbit, 15nm; secondary antibody | BBInternational, | EM.GAR15 | |
Donkey anti-rabbit, 10nm, secondary antibody | AURION, Netherlands | DAR 10nm | |
Copper grids, 100 Parallel Bar | Agar scientific, UK | G2012C | |
Incubator | Major Science, USA | MO-RC | can be replaced by same item from other companies |
Pioloform Powder | Agar scientific, UK | R1275 | |
Chloroform | Roth, Germany | 3313.1 | CAUTION! ; can be replaced by same item from other companies |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
EM analysis | |||
Philips CM120 TEM | Philips/FEI | ||
Morada CCD camera | Soft Imaging Systems, Germany | ||
iTEM Ver. 5.2, imaging software | Soft Imaging Systems, Germany |