Summary

Påvisning av G Protein-koblet reseptoruttrykk i mus Vagal Afferent Neurons ved hjelp av Multiplex In Situ Hybridization

Published: September 20, 2021
doi:

Summary

Multiplex in situ hybridisering (ISH) ble brukt til samtidig å visualisere transkripsjonene for to G protein-koblede reseptorer og en transkripsjonsfaktor i hele vagal ganglionic komplekset av den voksne musen. Denne protokollen kan brukes til å generere nøyaktige kart over transkripsjonsprofilene til vagal afferent nevroner.

Abstract

Denne studien beskriver en protokoll for multiplex in situ hybridisering (ISH) av musen jugular-nodose ganglia, med særlig vekt på å oppdage uttrykket av G protein-koblede reseptorer (GPCRs). Formalin-fast jugular-nodose ganglia ble behandlet med RNAscope-teknologien for samtidig å oppdage uttrykket av to representative GPCRs (cholecystokinin og ghrelinreseptorer) i kombinasjon med ett markørgen av enten nodose (parret-lignende homeobox 2b, Phox2b) eller jugular afferent neuroner (PR-domene sink finger protein 12, Prdm12). Merket ganglia ble avbildet ved hjelp av konfokal mikroskopi for å bestemme fordelings- og uttrykksmønstrene til de nevnte transkripsjonene. Kort sagt, Phox2b afferent nevroner ble funnet å rikelig uttrykke cholecystokinin reseptoren (Cck1r), men ikke ghrelin reseptoren (Ghsr). En liten undergruppe av Prdm12 afferent neuroner ble også funnet å uttrykke Ghsr og / eller Cck1r. Potensielle tekniske advarsler i design, behandling og tolkning av multiplex ISH diskuteres. Tilnærmingen beskrevet i denne artikkelen kan hjelpe forskere med å generere nøyaktige kart over transkripsjonsprofilene til vagal afferent nevroner.

Introduction

Cellelegemene til vagal afferents finnes i jugular, petrosal og nodose ganglia1,2,3. Deres axoner reiser sammen via flere grener av vagusnerven til kraniocervical, thoracic og abdominal territorier4,5,6,7. Fra deres viscerale avslutninger kan vagal afferents reagere på et bredt spekter av fysiologiske og skadelige stimuli8,9,10. Fordelingen av signalmolekyler og reseptorer involvert i vagal sensing er imidlertid fortsatt dårlig karakterisert. Dette skyldes delvis at vagal ganglia, til tross for sin lille størrelse, uttrykker et bredt spekter av reseptorer, inkludert et stort antall GPCRs8,11,12,13. Videre er vagal afferent nevroner iboende heterogene og viser distinkte molekylære profiler14. For å komplisere saken er jugularet, petrosal og nodose ganglia festet i musen, og danner dermed en enkelt gangionisk masse. Til slutt, i en undergruppe av dyr, er nodose ganglion festet til den sympatiske overlegne Cervical ganglion15.

Tidligere har etterforskere vendt seg til immunhiistokjemi for å studere den nevrokjemiske sminken av vagal afferent nevroner16,17,18. Mens immunhiistokjemi ved hjelp av validerte antistoffer er nyttig, må resultatene av immunhiistokjemiske studier tolkes med forsiktighet. For eksempel har mange anstrengelser for å identifisere spesifikke antistoffer mot GPCRs mislyktes19,20,21,22,23,24,25, noe som fører til at etterforskere konkluderer med at flertallet av antistoffer mot GPCRs er upålitelige. For å omgå disse problemene har kvantitativ PCR (qPCR) blitt mye brukt til å vurdere genuttrykk i gnager vagal ganglionic mass26,27,28,29. Imidlertid skjer undersøkelse av genuttrykk ved hjelp av qPCR på bekostning av tap av romlig informasjon. Spesielt kan det ikke forutsies hvor mange celler eller hvilke celletyper som uttrykker et bestemt gen av interesse (f.eks. nodose vs. jugularceller). Tilbakevendende problemer inkluderer også forurensning med tilstøtende vev og inkludering av variable lengder av vagusnerven, overlegen cervical og jugular ganglia under disseksjon15. Som et resultat av de ovennevnte vanskelighetene omgir kontroverser uttrykket og distribusjonen av flere GPCRs i vagal afferent nevroner. Et spesielt forvirrende eksempel er ghrelinreseptoren (Ghsr). Mens noen studier har funnet utbredt uttrykk for denne reseptoren i vagal afferent nevroner30,31,32, andre har funnet Ghsr mRNA å være nesten uoppdagelig i nodose ganglion11,14. Detaljert kartlegging av Ghsr mRNA i vagal ganglionic mass er derfor berettiget.

In situ hybridisering (ISH) har også blitt brukt til å vurdere genuttrykksmønstre i vagal ganglionic mass7,11,12,33,34,35. Fordi RNA-baserte teknikker forblir mer pålitelige og spesifikke enn antistoffbaserte teknikker under de fleste omstendigheter36,37, har ISH-studier vist seg verdifulle for bedre forståelse av nevrokjemisk koding av vagal afferent nevroner. Likevel er tradisjonelle ISH-teknikker i seg selv ikke uten forbehold. Radioaktiv ISH er følsom, men genererer bakgrunn og forblir tungvint38. Ikke-radioaktiv ISH er mindre komplisert, men også mindre følsom38. Derimot er den nylig utviklede RNAscope ISH-metoden svært følsom og genererer minimal bakgrunn39. Den nåværende studien anvendte multipleks fluorescerende RNAscope til påvisning av GPCRs i vagal afferent neuroner av musen. Vi fokuserte på å kartlegge fordelingen av Ghsr og sammenlignet distribusjonen med kolecystokininreseptoren (Cck1r), en annen GPCR kjent for å bli uttrykt i nodose ganglion34. Til slutt ble de to transkripsjonsfaktorene, parret-lignende homeobox 2b (Phox2b) og PR-domene sinkfingerprotein 12 (Prdm12), brukt som selektive markører for henholdsvis nodose og jugular afferent neuroner, henholdsvis14. Uten å visualisere Phox2b eller Prdm12, ville det være utfordrende å identifisere jugular vs. nodose afferents med sikkerhet. Potensielle tekniske fallgruver diskuteres også gjennom hele artikkelen.

Protocol

MERK: Mus som ble brukt i denne studien var menn av vill type på ren C57BL/6J-bakgrunn. Totalt 4 mus ble brukt til multipleks ISH. Alle mus var omtrent 8 uker gamle på offertidspunktet. En mannlig mus (ca. ett år gammel) ble også brukt til å demonstrere endogen fluorescens forbundet med aldring. Dyr ble plassert i ventilerte merder i et barriereanlegg med ad libitum tilgang til mat og vann. UT Southwestern Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee gjennomgikk og godkjente prosedyrene beskre…

Representative Results

Mens RNAScope kan brukes på dyr i alle aldre, kjønn eller genetisk bakgrunn, er det tilrådelig å jobbe med unge voksne (<3 måneder gammel). Dette er fordi fluorescerende artefakter (f.eks. lipofuscin) er vanlige funn hos nevroner av eldre dyr41. Den formalin-faste ganglia fra eldre mus inneholder ofte overraskende intens endogen fluorescens som lett kan forveksles med ekte farging (Figur 1A, B). I alle fall er det tilrådelig å verifisere nivåe…

Discussion

Teknikken til ISH ble oppfunnet på slutten av 1960-tallet42. Det er imidlertid ikke før på midten av 1980-tallet at det ble brukt til påvisning av mRNAer i de sentrale og perifere nervesystemene43,44. Tatt i betraktning nervesystemets heterogenitet og tilbakevendende problemer med antistoffer, er lokalisering av en bestemt transkripsjon på cellenivå fortsatt et uvurderlig verktøy. Likevel har tradisjonelle ISH-metoder forblitt arbei…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av Neuroanatomy/Histology/Brain Injection Core finansiert av NIH grant #5P01DK119130-02. Forfatterne ønsker å anerkjenne hjelpen fra UT Southwestern Live Cell Imaging Facility (ledet av Dr. Phelps) og dets ansatte (Abhijit Bugde og Marcel Mettlen), delvis støttet av NIH Grant #1S10OD021684-01, en delt ressurs for Harold C. Simmons Cancer Center, støttet delvis av et NCI Cancer Center Support Grant, P30 CA142543.

Materials

10x PBS Fisher Scientific BP399-4
20x SSC Invitrogen AM9763
-80°C freezer PHCBI MDF-DU901VHA-PA
Adobe Photoshop 2021 Adobe photo and design software
Baking oven Thermo Scientific Model:658
Confocal microscope Zeiss LSM880 Airyscan
Cover glass Brain Research Laboratories 2460-1.5D
Cryostat Leica CM 3050 S
Dumont #5 Forceps F.S.T. 11252-20
Ecomount Biocare Medical EM 897L mounting medium
HybEZ oven hybridization oven
Hydrophobic pen Vector Laboratories H-4000
ImageJ-Fiji NIH
Large scissors Henry Schein 100-7561
Micro centrifuge tubes VWR 20170-333
Minipump variable flow Fisher Scientific 13-876-1
Opal 520 Akoya biosciences FP1 1487001KT Fluorescent biomarker
Opal 570 Akoya biosciences FP1 1488001KT Fluorescent biomarker
Opal 690 Akoya biosciences FP1 1497001KT Fluorescent biomarker
ProLong Gold Antifade Mountant mounting medium for fluorescently labeled cells
RNAscope Multiplex Fluorescent Reagent Kit v2 ACD /Bio-Techne 323100 multiplex kit
RNAscope probe Mouse Cck1r-C3 ACD /Bio-Techne 313751-C3
RNAscope probe Mouse DapB ACD /Bio-Techne 310043
RNAscope probe Mouse Ghsr ACD /Bio-Techne 426141
RNAscope probe Mouse Phox2b-C2 ACD /Bio-Techne 407861-C2
RNAscope probe Mouse Prdm12-C2 ACD /Bio-Techne 524371-C2
RnaseZap Sigma R2020 Rnase decontaminating solution
Small dissecting scissors Millipore Sigma Z265977
Superfrost Plus slides Fisherbrand 1255015
Tissue Tek OCT medium Sakura 4583
User manual ACD 323100 USM
Vannas Spring Scissors Roboz RS 5620
ZEN Imaging Software Zeiss

References

  1. Berthoud, H. R., Neuhuber, W. L. Functional and chemical anatomy of the afferent vagal system. Autonomic Neuroscience. 85 (1-3), 1-17 (2000).
  2. Kim, S. H., et al. Mapping of sensory nerve subsets within the vagal ganglia and the brainstem using reporter mice for Pirt, TRPV1, 5-HT3, and Tac1 expression. eNeuro. 7 (2), (2020).
  3. Atsumi, K., et al. Sensory neurons in the human jugular ganglion. Tissue and Cell. 64, 101344 (2020).
  4. Mazzone, S. B., Undem, B. J. Vagal afferent innervation of the airways in health and disease. Physiological Reviews. 96 (3), 975-1024 (2016).
  5. Wang, F. B., Powley, T. L. Topographic inventories of vagal afferents in gastrointestinal muscle. Journal of Comparative Neurology. 421 (3), 302-324 (2000).
  6. Prechtl, J. C., Powley, T. L. The fiber composition of the abdominal vagus of the rat. Anatomy and Embryology. 181 (2), 101-115 (1990).
  7. Gautron, L., et al. Melanocortin-4 receptor expression in a vago-vagal circuitry involved in postprandial functions. Journal of Comparative Neurology. 518 (1), 6-24 (2010).
  8. Williams, E. K., et al. Sensory neurons that detect stretch and nutrients in the digestive system. Cell. 166 (1), 209-221 (2016).
  9. Chuaychoo, B., Hunter, D. D., Myers, A. C., Kollarik, M., Undem, B. J. Allergen-induced substance P synthesis in large-diameter sensory neurons innervating the lungs. Journal of Allergy and Clinical Immunology. 116 (2), 325-331 (2005).
  10. Page, A. J., O’Donnell, T. A., Blackshaw, L. A. Opioid modulation of ferret vagal afferent mechanosensitivity. American Journal of Physiology and Gastrointestinal Liver Physiology. 294 (4), 963-970 (2008).
  11. Egerod, K. L., et al. Profiling of G protein-coupled receptors in vagal afferents reveals novel gut-to-brain sensing mechanisms. Molecular Metabolism. 12, 62-75 (2018).
  12. Wang, J., et al. Distinct and common expression of receptors for inflammatory mediators in vagal nodose versus jugular capsaicin-sensitive/TRPV1-positive neurons detected by low input RNA sequencing. PLoS One. 12 (10), 0185985 (2017).
  13. Bai, L., et al. Genetic identification of vagal sensory neurons that control feeding. Cell. 179 (5), 1129-1143 (2019).
  14. Kupari, J., Haring, M., Agirre, E., Castelo-Branco, G., Ernfors, P. An atlas of vagal sensory neurons and their molecular specialization. Cell Reports. 27 (8), 2508-2523 (2019).
  15. Bookout, A. L., Gautron, L. Characterization of a cell bridge variant connecting the nodose and superior cervical ganglia in the mouse: Prevalence, anatomical features, and practical implications. Journal of Comparative Neurology. 529 (1), 111-128 (2021).
  16. Gautron, L., Lee, C. E., Lee, S., Elmquist, J. K. Melanocortin-4 receptor expression in different classes of spinal and vagal primary afferent neurons in the mouse. Journal of Comparative Neurology. 520 (17), 3933-3948 (2012).
  17. Broberger, C., Holmberg, K., Kuhar, M. J., Hokfelt, T. Cocaine- and amphetamine-regulated transcript in the rat vagus nerve: A putative mediator of cholecystokinin-induced satiety. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (23), 13506-13511 (1999).
  18. Yamamoto, Y., Henrich, M., Snipes, R. L., Kummer, W. Altered production of nitric oxide and reactive oxygen species in rat nodose ganglion neurons during acute hypoxia. Brain Research. 961 (1), 1-9 (2003).
  19. Grimsey, N. L., et al. Specific detection of CB1 receptors; cannabinoid CB1 receptor antibodies are not all created equal. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 78-86 (2008).
  20. Morozov, Y. M., et al. Antibodies to cannabinoid type 1 receptor co-react with stomatin-like protein 2 in mouse brain mitochondria. European Journal of Neuroscience. 38 (3), 2341-2348 (2013).
  21. Jelsing, J., Larsen, P. J., Vrang, N. Identification of cannabinoid type 1 receptor expressing cocaine amphetamine-regulated transcript neurons in the rat hypothalamus and brainstem using in situ hybridization and immunohistochemistry. Neurosciences. 154 (2), 641-652 (2008).
  22. Jensen, B. C., Swigart, P. M., Simpson, P. C. Ten commercial antibodies for alpha-1-adrenergic receptor subtypes are nonspecific. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. 379 (4), 409-412 (2009).
  23. Hamdani, N., vander Velden, J. Lack of specificity of antibodies directed against human beta-adrenergic receptors. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. 379 (4), 403-407 (2009).
  24. Michel, M. C., Wieland, T., Tsujimoto, G. How reliable are G-protein-coupled receptor antibodies. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. 379 (4), 385-388 (2009).
  25. Goodman, S. L. The antibody horror show: an introductory guide for the perplexed. Nature Biotechnology. 45, 9-13 (2018).
  26. Liu, C., et al. PPARgamma in vagal neurons regulates high-fat diet induced thermogenesis. Cell Metabolism. 19 (4), 722-730 (2014).
  27. Zeeni, N., et al. A positive change in energy balance modulates TrkB expression in the hypothalamus and nodose ganglia of rats. Brain Research. 1289, 49-55 (2009).
  28. Kentish, S. J., Frisby, C. L., Kennaway, D. J., Wittert, G. A., Page, A. J. Circadian variation in gastric vagal afferent mechanosensitivity. Journal of Neuroscience. 33 (49), 19238-19242 (2013).
  29. Peiser, C., et al. Dopamine D2 receptor mRNA expression is increased in the jugular-nodose ganglia of rats with nitrogen dioxide-induced chronic bronchitis. Neuroscience Letters. 465 (2), 143-146 (2009).
  30. Date, Y., et al. The role of the gastric afferent vagal nerve in ghrelin-induced feeding and growth hormone secretion in rats. Gastroenterology. 123 (4), 1120-1128 (2002).
  31. Meleine, M., et al. Ghrelin inhibits autonomic response to gastric distension in rats by acting on vagal pathway. Scientific Reports. 10 (1), 9986 (2020).
  32. Zhang, W., et al. Functional interaction between Ghrelin and GLP-1 regulates feeding through the vagal afferent system. Scientific Reports. 10 (1), 18415 (2020).
  33. Chang, R. B., Strochlic, D. E., Williams, E. K., Umans, B. D., Liberles, S. D. Vagal sensory neuron subtypes that differentially control breathing. Cell. 161 (3), 622-633 (2015).
  34. Broberger, C., Holmberg, K., Shi, T. J., Dockray, G., Hokfelt, T. Expression and regulation of cholecystokinin and cholecystokinin receptors in rat nodose and dorsal root ganglia. Brain Research. 903 (1-2), 128-140 (2001).
  35. Hondoh, A., et al. Distinct expression of cold receptors (TRPM8 and TRPA1) in the rat nodose-petrosal ganglion complex. Brain Research. 1319, 60-69 (2010).
  36. Hankin, R. C. In situ hybridization: principles and applications. Laboratory Medicine. 23, 764-770 (1992).
  37. Baker, M. Reproducibility crisis: Blame it on the antibodies. Nature. 521 (7552), 274-276 (2015).
  38. Dagerlind, A., Friberg, K., Bean, A. J., Hokfelt, T. Sensitive mRNA detection using unfixed tissue: combined radioactive and non-radioactive in situ hybridization histochemistry. Histochemistry. 98 (1), 39-49 (1992).
  39. Wang, F., et al. RNAscope: a novel in situ RNA analysis platform for formalin-fixed, paraffin-embedded tissues. Journal of Molecular Diagnostic. 14 (1), 22-29 (2012).
  40. Norgren, R., Smith, G. P. A method for selective section of vagal afferent or efferent axons in the rat. American Journal of Physiology. 267 (4), 1136-1141 (1994).
  41. Schnell, S. A., Staines, W. A., Wessendorf, M. W. Reduction of lipofuscin-like autofluorescence in fluorescently labeled tissue. Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 47 (6), 719-730 (1999).
  42. Pardue, M. L., Gall, J. G. Molecular hybridization of radioactive DNA to the DNA of cytological preparations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 64 (2), 600-604 (1969).
  43. Villar, M. J., et al. Upregulation of nitric oxide synthase and galanin message-associated peptide in hypothalamic magnocellular neurons after hypophysectomy. Immunohistochemical and in situ hybridization studies. Brain Research. 650 (2), 219-228 (1994).
  44. McAllister, L. B., Scheller, R. H., Kandel, E. R., Axel, R. In situ hybridization to study the origin and fate of identified neurons. Science. 222 (4625), 800-808 (1983).
  45. Bingham, V., et al. RNAscope in situ hybridization confirms mRNA integrity in formalin-fixed, paraffin-embedded cancer tissue samples. Oncotarget. 8 (55), 93392-93403 (2017).
  46. Kersigo, J., et al. A RNAscope whole mount approach that can be combined with immunofluorescence to quantify differential distribution of mRNA. Cell and Tissue Research. 374 (2), 251-262 (2018).
  47. D’Autreaux, F., Coppola, E., Hirsch, M. R., Birchmeier, C., Brunet, J. F. Homeoprotein Phox2b commands a somatic-to-visceral switch in cranial sensory pathways. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (50), 20018-20023 (2011).
  48. Staib-Lasarzik, I., et al. Anesthesia for euthanasia influences mRNA expression in healthy mice and after traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (19), 1664-1671 (2014).
  49. Avau, B., et al. Ghrelin is involved in the paracrine communication between neurons and glial cells. Neurogastroenterology and Motility. 25 (9), 599-608 (2013).
  50. Settell, M. L., et al. Functional vagotopy in the cervical vagus nerve of the domestic pig: implications for the study of vagus nerve stimulation. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026022 (2020).
  51. Nyborg, N. C. B., et al. Cholecystokinin-1 receptor agonist induced pathological findings in the exocrine pancreas of non-human primates. Toxicology and Applied Pharmacology. 399, 115035 (2020).
check_url/fr/62945?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Bob-Manuel, J., Gautron, L. Detection of G Protein-coupled Receptor Expression in Mouse Vagal Afferent Neurons using Multiplex In Situ Hybridization. J. Vis. Exp. (175), e62945, doi:10.3791/62945 (2021).

View Video