Nöromusküler Kavşak: Ölçme Synapse Boyut, Konfokal Floresan Mikroskobu kullanılarak sinaptik Protein Yoğunluk Parçalanma ve Değişiklikler
Summary
The neuromuscular junction (NMJ) is altered in a variety of conditions that can sometimes culminate in synaptic failure. This report describes fluorescence microscope-based methods to quantify such structural changes.
Abstract
nöromüsküler bileşke (NMJ) memeli motor nöronların istemli kas kasılması kontrol hangi aracılığıyla, büyük, kolinerjik röle sinaps olduğunu. NMJ yapısal değişiklikler zayıflık, atrofi ve kas lifi hatta ölümle sonuçlanan, nörotransmısyonunun başarısızlıkla sonuçlanabilir. Birçok çalışma, genetik modifikasyon veya hastalık fare NMJ yapısını değiştirebilir nasıl araştırdık. Ne yazık ki, doğrudan genellikle farklı parametreler ve analitik yöntemler istihdam nedeniyle bu çalışmalardan elde edilen bulguları karşılaştırmak zor olabilir. Üç protokolleri burada açıklanmıştır. İlk asetilkolin reseptörü (AChR) alanını ölçmek için maksimum intensite projeksiyon konfokal görüntüleri kullanır son plak ve örten presinaptik sinir terminal sinaptik vezikül boyama alanında bakımından zengin postsinaptik membran alanları. İkinci protokol postsinaptik membranın sinaptik proteinlerin immün için göreli yoğunluklarını karşılaştırır. Üçüncü protocol son plak de postsinaptik AChRs ambalaj değişiklikleri tespit etmek için Floresan Rezonans Enerji Transferi (FRET) kullanır. protokolleri geliştirildi ve çalışmaların bir dizi üzerinde rafine edilmiş. Kalite ve sonuç tutarlılığı etkileyen faktörler tartışılmıştır ve sayısal veriler, sağlıklı, genç, yetişkin farelerde NMJs verilmektedir.
Introduction
nöromüsküler bileşke (NMJ) sinir sistemi ve iskelet kası arasındaki iletişimi aracılık kritik röle sinaps olduğunu. Her gönüllü hareket için gereklidir. Floresan mikroskobu uzun NMJ 1-3 fare transgenlerin etkilerini incelemek veya kemirgen NMJs 4-11 yaş üzerine, diyet, egzersiz ve hastalığın etkilerini karşılaştırmak için kullanılır olmuştur. Bu tür çalışmalar NMJ fizyolojisi ve patofizyolojisi hakkında bize çok şey öğretti, ama farklı parametreler (örneğin, AChR alanı, plak alan, çevre uzunluğu, parçalanma endeksleri) sık sık zor bu çalışmaların bulgularını karşılaştırmak yapmak bildirildi. Klinik öncesi araştırmacılar, özellikle hastalığın 12 kemirgen modellerinde yapılan çalışmalarda, tekrarlanabilir göstermek edebilmek için giderek artan bir beklenti var. Burada anlatılan protokoller, gelişimsel, fizyolojik ve patofizyolojik ch araştırıldı çalışmaların bir dizi rafine edilmişNMJ için anges. Bu tür çalışmalar fare motor son plak sinaptik uzmanlık alanı ve postsinaptik uzmanlık 13-15 içinde sinaptik proteinlerin ambalaj nispi yoğunluk ölçümü gerektirir.
Bu yöntemlerin yarar miyasteni gravis, anti-misk bir fare modelinde, son çalışmalar açıklanmaktadır. Anti-MuSK-pozitif myastenia IgG Günlük enjeksiyonları erişkin farelere hastalar bunları 2 hafta içinde 16 zayıf hale gelmesine gravis. Kas (sinir-terminallerinde) sinaptofizin çift etiketli bölümler ve postsinaptik AChRs Konfokal maksimum projeksiyon görüntüleri birincil değişiklik olarak AChR boyama alanında ilerici bir düşüş gösterdi. Düşüş Önemli oranı sinaptik potansiyellerin, sinaptik iletim ve kas zayıflığı 17,18 başarısızlık amplitüdünde benzer düşüşler açıklamak için yeterliydi. Nitel benzer bulgular diğer araştırma grupları tarafından rapor edilmiştir10,19. Aynı NMJ ölçüm yöntemleri beri bu fare modeli 20,21 olarak gravis, anti-MuSK myastenia tedavisinde üç ilaç etkisini değerlendirmek için kullanılmaktadır.
Hareketsiz yaşlanma kas bağlantılarının kaybına yol açabilir. fareler yaşlılık içine ilerleme olarak burada açıklanan protokoller, motor endplate'lerin sinir terminali sinaptofizin alanında bir yaşa-bağlı düşüş ortaya koymuştur. Aynı yöntemler gönüllü egzersiz büyük ölçüde diğer gruplar 4 önceki çalışma ile uyumlu presinaptik sinir terminal alanında 22 azalma, önleyebilir ortaya koymuştur. Nöromüsküler bağlantı kaybı da amyotrofik lateral skleroz 9,23 arasında SOD1G93A fare modelinde ortaya çıkar.
Yukarıda belirtilen çalışmalar sağlık koşulları çeşitli NMJ öncesi ya da post-sinaptik uzmanlık ya alanında azalmalara neden olabileceğini göstermektedir. Bu bozulmuş sinaptik eğlenceli neden olabilirction nöromüsküler bağlantı tam kaybı habercisi olabilir ya. Üç protokolleri alan ve sinaptik uzmanlık yoğunluğunun nicelendirilmesine izin veren açıklanmaktadır. İlk protokolde amacı floresan mikroskopi kullanılarak, ön ve post-sinaptik uzmanlık ve memeli NMJs bunların uyum alanlarında pratik ve yeniden üretilebilir bir ölçü temin edilmesidir. İki-boyutlu maksimum projeksiyon konfokal görüntüleri ve NIH ImageJ ile görüntü analizi sinaptofizin boyama (sinaptik veziküller), postsinaptik AChRs ve sinaptik çakışma alanının alanında değişiklikleri tespit etmek için kullanılır. Sinaptik uzmanlık alanını ayırt kullanılan görsel bilgiyi maksimize edecek şekilde Konfokal görüntüleme parametreleri (kazanç ve ofset seviyesini) Her NMJ için optimize edilmiştir. Nöromüsküler yetmezliği de postsinaptik ACHR ve / veya diğer sinaptik proteinlerin yoğunluğu değişikliklere neden olabilir. İkinci protokol postsinaptik proteinler gibi göreli yoğunluk değişiklikleri tespit etmek için uygulanabilirmisk, rapsyn, distroglikan, fosforile Src kinaz ve fosforile ACHR 18,21 olarak.
Myastenia gravis olarak, postsinaptik membranın içinde ACHR azaltılmış yoğunluğu sinaptik yetmezliği ve kas güçsüzlüğü hemen nedenidir. Üçüncü protokolde ise postsinaptik membran 14,15 içindeki bitişik AChRs yakınında değişiklikleri değerlendirmek için bir flüoresan rezonans enerji transferi (FRET) yöntemi tarif etmektedir. Bu yöntem, floresan-α-bungarotoxin (bgt) ile etiketlenmiş çevre AChRs arasındaki enerji transferi tespit eder. Floresan, verici ve alıcı problar en az 10 nm ayrı olduğunda, FRET yalnızca oluşur. Bu doğrudan sinaptik potansiyellerin genlik ilgili olabilir AChR ambalaj gerginliği (mikroskopik) değişiklikleri ortaya çıkarabilir.
Geçtiğimiz on yıl içinde rafine Bu üç protokol de, tutarlı ve tekrarlanabilir bir şekilde NMJ bütünlüğü tamamlayıcı ölçümler ortaya koymaktadır. Standart protokoller a Kullanımınd parametreler memeli NMJ üzerine genler ve çevresel müdahalelerin etkileri karşılaştırılmasını kolaylaştırmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada anlatılan protokoller güvenilir ölçmek ve normal yaşlanma ve hastalık halleri dahil olmak üzere koşulları bir dizi, karşısında NMJ özelliklerinde değişiklikler ölçmek için bize sağlamıştır. tr için açıklanan yöntemler NMJ görüntüleri araştırmacılar öncesi ve postsinaptik uzmanlık alanı ve sinaptik örtüşme / uyum alanı karşılaştırmak sağlayacak karşıya. Pre-ve postsinaptik proteinler enine optik bölümleri kullanan ikinci protokol, nispi yoğunluğu karşılaştırmak…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the National Health and Medical Research Council [570930]. Imaging was carried out at the Bosch Institute Advanced Microscopy Facility. Former members of the lab, whose work is cited, are thanked for their contributions to developing these methods.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Scanning confocal microscope | Leica | DM IRE2 with TCS SP2 system | Most scanning confocal microscopes should be suitable. |
| Zeiss | LSM 510 Meta | ||
| Leica | SPE-II | ||
| Alexa555-a-bungarotoxin (red-BGT) | Life technologies | B35451 | Used for labelling AChRs |
| Alexa647-α-bungarotoxin (far-red-BGT) | Life technologies | B35450 | Far red fluorescence: barely visible through the eyepiece |
| rabbit anti-synaptophysin | Life technologies | 18-0130 | Different batches of primary antibody differ in effective working dilution |
| FITC-anti-rapsyn mab1234 | Milipore | FCMAB134F | Monoclonal antibody conjugated to FITC |
| FITC-donkey anti-rabbit IgG | Jackson | 711-095-152 | Polyclonal secondary antibodies can vary in quality according to source and batch |
| Optimal Cutting Temperature compound (O.T.C.) | ProSciTech | IA018 | Cryostat embedding matrix for freezing muscles |
| DABCO | Sigma | 10981 | Mounting medium that slows photobleaching of fluorophors |
Riferimenti
- Schmidt, N., et al. Neuregulin/ErbB regulate neuromuscular junction development by phosphorylation of α-dystrobrevin. J Cell Biol. 195, 1171-1184 (2011).
- Amenta, A. R., et al. Biglycan is an extracellular MuSK binding protein important for synapse stability. J Neurosci. 32, 2324-2334 (2012).
- Samuel, M. A., Valdez, G., Tapia, J. C., Lichtman, J. W., Sanes, J. R. Agrin and Synaptic Laminin Are Required to Maintain Adult Neuromuscular Junctions. PLOS ONE. 7, e46663 (2012).
- Valdez, G., et al. Attenuation of age-related changes in mouse neuromuscular synapses by caloric restriction and exercise. Proc Natl Acad Sci (USA). 107, 14863-14868 (2010).
- Yampolsky, P., Pacifici, P. G., Witzemann, V. Differential muscle-driven synaptic remodeling in the neuromuscular junction after denervation). Eur J Neurosci. 31, 646-658 (2010).
- Li, Y., Lee, Y., Thompson, W. J. Changes in Aging Mouse Neuromuscular Junctions Are Explained by Degeneration and Regeneration of Muscle Fiber Segments at the Synapse. J Neurosci. 31, 14910-14919 (2011).
- Zhu, H., Bhattacharyya, B. J., Lin, H., Gomez, C. M. Skeletal muscle IP3R1 receptors amplify physiological and pathological synaptic calcium signals. J Neurosci. 31, 15269-15283 (2011).
- Valdez, G., Tapia, J. C., Lichtman, J. W., Fox, M. A., Sanes, J. R. Shared resistance to aging and ALS in neuromuscular junctions of specific muscles. PLoS ONE. 7, e34640 (2012).
- Perez-Garcia, M. J., Burden, S. J. Increasing MuSK Activity Delays Denervation and Improves Motor Function in ALS Mice. Cell reports. 2, 1-6 (2012).
- Klooster, R., et al. Muscle-specific kinase myasthenia gravis IgG4 autoantibodies cause severe neuromuscular junction dysfunction in mice. Brain. 135, 1081-1101 (2012).
- Pratt, S. J., Shah, S. B., Ward, C. W., Inacio, M. P., Stains, J. P., Lovering, R. M. Effects of in vivo injury on the neuromuscular junction in healthy and dystrophic muscles. J Physiol. 591, 559-570 (2013).
- Landis, S. C., et al. A call for transparent reporting to optimize the predictive value of preclinical research. Nature. 490, 187-191 (2012).
- Gervásio, O. L., Phillips, W. D. Increased ratio of rapsyn to ACh receptor stabilizes postsynaptic receptors at the mouse neuromuscular synapse. J Physiol. 562, 673-685 (2005).
- Gervásio, O. L., Armson, P. F., Phillips, W. D. Developmental increase in the amount of rapsyn per acetylcholine receptor promotes postsynaptic receptor packing and stability. Dev Biol. 305, 262-275 (2007).
- Brockhausen, J., Cole, R. N., Gervásio, O. L., Ngo, S. T., Noakes, P. G., Phillips, W. D. Neural agrin increases postsynaptic ACh receptor packing by elevating rapsyn protein at the mouse neuromuscular synapse. Dev Neurobiol. 68, 1153-1169 (2008).
- Cole, R. N., Reddel, S. W., Gervásio, O. L., Phillips, W. D. Anti-MuSK patient antibodies disrupt the mouse neuromuscular junction. Ann Neurol. 63, 782-789 (2008).
- Morsch, M., Reddel, S. W., Ghazanfari, N., Toyka, K. V., Phillips, W. D. Muscle Specific Kinase autoantibodies cause synaptic failure through progressive wastage of postsynaptic acetylcholine receptors. Exp Neurol. 237, 237-286 (2012).
- Cole, R. N., Ghazanfari, N., Ngo, S. T., Gervasio, O. L., Reddel, S. W., Phillips, W. D. Patient autoantibodies deplete postsynaptic Muscle Specific Kinase leading to disassembly of the ACh receptor scaffold and myasthenia gravis in mice. J Physiol. 588, 3217-3229 (2010).
- Viegas, S., et al. Passive and active immunization models of MuSK-Ab positive myasthenia: Electrophysiological evidence for pre and postsynaptic defects. Exp Neurol. 234, 506-512 (2012).
- Morsch, M., Reddel, S. W., Ghazanfari, N., Toyka, K. V., Phillips, W. D. Pyridostigmine but not 3,4-diaminopyridine exacerbates ACh receptor loss and myasthenia induced in mice by Muscle Specific Kinase autoantibody. J Physiol. 591, 2747-2762 (2013).
- Ghazanfari, N., Morsch, M., Reddel, S. W., Liang, S. X., Phillips, W. D. Muscle Specific Kinase autoantibodies suppress the MuSK pathway and ACh receptor retention at the mouse neuromuscular junction. J Physiol. 592, 2881-2897 (2014).
- Cheng, A., Morsch, M., Murata, Y., Ghazanfari, N., Reddel, S. W., Phillips, W. D. Sequence of age-associated changes to the mouse neuromuscular junction and the protective effects of voluntary exercise. PLoS One. 8, e67970 (2013).
- Schaefer, A. M., Sanes, J. R., Lichtman, J. W. A compensatory subpopulation of motor neurons in a mouse model of amyotrophic lateral sclerosis. J Comp Neurol. 490, 209-219 (2005).
- Kilkenny, C., Browne, W. J., Cuthill, I. C., Emerson, M., Altman, D. G. Improving bioscience research reporting: the ARRIVE guidelines for reporting animal research. PLos Biol. 8, e1000412 (2010).
- Shimizu, S., Hedrich, H. J., Bullock, G. Routes of Administration. The Laboratory Mouse. , (2004).
- Chiasson, R. B. . Laboratory anatomy of the white rat. , (1988).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rodents. J. Vis. Exp. (65), e3564 (2012).
- Mitra, A. K., Stroud McCarthy, M. P., M, R. Three-dimensional structure of the nicotinic acetylcholine receptor and location of the major associated 43-kD cytoskeletal protein, determined at 22A by low dose electron microscopy and x-ray diffraction to 12.5A. J Cell Biol. 109, 755-774 (1989).
- Paas, Y., et al. Electron microscopic evidence for nucleation and growth of 3D acetylcholine receptor microcrystals in structured lipid-detergent matrices. Proc. Natl Acad. Sci. (USA). 100, 11309-11314 (2003).
- Samson, A. O., Scherf, T., Eisenstein, M., Chill, J. H., Anglister, J. The mechanism for acetylhcoline receptor inhibition by α-neurotoxins and species-specific resistance to α-bungarotoxin revealed by NMR). Neuron. 35, 319-332 (2002).
- Ghazanfari, N., et al. Muscle Specific Kinase: Organiser of synaptic membrane domains. Int J Biochem Cell Biol. 43, 295-298 (2011).
- Ghazanfari, N., Morsch, M., Tse, N., Reddel, S. W., Phillips, W. D. Effects of the β2-adrenoceptor agonist, albuterol, in a mouse model of anti-MuSK myasthenia gravis. PLoS ONE. 9, e87840 (2014).
- Prakash, Y. S., Miller, S. M., Huang, M., Sieck, G. C. Morphology of diaphragm neuromuscular junctions on different fibre types. J Neurocytol. 25, 88-100 (1996).
- Salpeter, M. M., Harris, R. Distribution and turnover rate of acetylcholine receptors throughout the junction folds at a vertebrate neuromuscular junction. J Cell Biol. 96, 1781-1785 (1983).
- Soper, S. A., Nutter, H. L., Keller, R. A., Davis, L. M., Shera, E. B. The photophysical constants of several fluorescent dyes pertaining to ultrasensitive fluorescence spectroscopy. Photochem Photobiol. 57, 972-977 (1993).
- Panchuk-Voloshina, N., et al. Alexa dyes, a series of new fluorescent dyes that yield exceptionally bright, photostable conjugates. J Histochem Cytochem. 47, 1179-1188 (1999).
