Summary

Påvisning af G Protein-koblet receptor udtryk i mus vagal afferent neuroner ved hjælp af Multiplex In Situ Hybridization

Published: September 20, 2021
doi:

Summary

Multiplex in situ hybridization (ISH) blev ansat til samtidig at visualisere udskrifter for to G protein-koblede receptorer og en transskription faktor i hele vagal ganglionic kompleks af den voksne mus. Denne protokol kan bruges til at generere nøjagtige kort over de transskriptionelle profiler af vagale afferent neuroner.

Abstract

Denne undersøgelse beskriver en protokol for multiplex in situ hybridisering (ISH) af musen jugular-nodose ganglier, med særlig vægt på at opdage udtrykket af G protein-koblede receptorer (GPCRs). Formalin-faste jugular-nodose ganglier blev behandlet med RNAscope teknologi til samtidig at opdage udtrykket af to repræsentative GPCRs (cholecystokinin og ghrelin receptorer) i kombination med en markør gen af enten nodose (parret-lignende homeobox 2b, Phox2b) eller halspulsåren afferent neuroner (PR domæne zink finger protein 12, Prdm12). Mærket ganglier blev afbildet ved hjælp af konfokal mikroskopi til at bestemme fordelingen og udtryk mønstre af de ovennævnte udskrifter. Kort, Phox2b afferent neuroner blev fundet at rigeligt udtrykke cholecystokinin receptor (Cck1r), men ikke ghrelin receptor (Ghsr). En lille delmængde af Prdm12 afferent neuroner blev også fundet at udtrykke Ghsr og / eller Cck1r. Potentielle tekniske forbehold i design, forarbejdning og fortolkning af multiplex ISH diskuteres. Den fremgangsmåde, der er beskrevet i denne artikel, kan hjælpe forskere med at generere nøjagtige kort over transskriptionsprofilerne for vagale afferent neuroner.

Introduction

Cellekroppe af vagale afferents er indeholdt i jugular, petrosal, og nodose ganglier1,2,3. Deres axoner rejser sammen via flere grene af vagusnerven til craniocervical, thorax og abdominal territorier4,5,6,7. Fra deres viscerale slutninger kan vagale afferents reagere på en bred vifte af fysiologiske og skadelige stimuli8,9,10. Imidlertid er fordelingen af signalmolekyler og receptorer, der er involveret i vagal sensing, stadig dårligt karakteriseret. Dette skyldes til dels, at vagal ganglier, på trods af deres lille størrelse, udtrykker et bredt spektrum af receptorer, herunder et stort antal GPCRs8,11,12,13. Desuden er vagale afferent neuroner i sagens natur heterogene og viser forskellige molekylære profiler14. For at komplicere sagen er halspulsåren, petrosal og nodose ganglier fastgjort i musen og danner derved en enkelt ganglionic masse. Endelig er nodose ganglion i en delmængde af dyr knyttet til den sympatiske overlegne cervikal ganglion15.

Tidligere har efterforskere henvendt sig til immunohistochemistry for at studere den neurokemiske make-up af vagale afferent neuroner16,17,18. Mens immunohistochemistry ved hjælp af validerede antistoffer er nyttige, skal resultaterne af immunohistokemiske undersøgelser fortolkes med forsigtighed. For eksempel har talrige bestræbelser på at identificere specifikke antistoffer mod GPCR undladt19,20,21,22,23,24,25, førende efterforskere til at konkludere, at de fleste antistoffer mod GPCR er upålidelige. For at omgå disse spørgsmål er kvantitativ PCR (qPCR) blevet meget brugt til at vurdere genekspression i gnaverens vagale ganglionic masse26,27,28,29. Men, undersøgelse genekspression ved hjælp af qPCR sker på bekostning af et tab af rumlige oplysninger. Det kan især ikke forudsiges, hvor mange celler eller hvilken eller flere celletyper der udtrykker et bestemt interessegen (f.eks. nodose vs. halspulsårer). Tilbagevendende spørgsmål omfatter også forurening med tilstødende væv og inddragelse af variable længder af vagus nerve, overlegen cervikal, og halspulsåren ganglier under dissektion15. Som et resultat af ovenstående vanskeligheder, kontroverser omgiver udtryk og distribution af flere GPCRs i vagal afferent neuroner. Et særligt gådefuldt eksempel vedrører ghrelin receptor (Ghsr). Mens nogle undersøgelser har fundet udbredt udtryk for denne receptor i vagal afferent neuroner30,31,32, andre har fundet Ghsr mRNA at være næsten målbart i nodose ganglion11,14. En detaljeret kortlægning af Ghsr mRNA i den vagale ganglionic masse er derfor berettiget.

In situ hybridisering (ISH) er også blevet brugt til at vurdere genekspressionsmønstre i vagal ganglionic masse7,11,12,33,34,35. Fordi RNA-baserede teknikker forbliver mere pålidelige og specifikke end antistofbaserede teknikker under de fleste omstændigheder36,37, har ISH-undersøgelser vist sig værdifulde for bedre forståelse af den neurokemiske kodning af vagale afferent neuroner. Ikke desto mindre er traditionelle ISH-teknikker i sig selv ikke uden forbehold. Radioaktiv ish er følsom, men genererer baggrund og forbliver besværlig38. Ikke-radioaktiv ish er mindre kompliceret, men også mindre følsom38. I modsætning hertil er den nyligt udviklede RNAscope ISH-metode meget følsom og genererer minimal baggrund39. Den nuværende undersøgelse anvendt multiplex fluorescerende RNAscope til påvisning af GPCRs i vagal afferent neuroner af musen. Vi fokuserede på at kortlægge fordelingen af Ghsr og sammenlignede dens fordeling med fordelingen af cholecystokinin receptor (Cck1r), en anden GPCR kendt for at være udtrykt i nodose ganglion34. Endelig blev de to transskriptionsfaktorer, parret-lignende homeobox 2b (Phox2b) og PR domæne zink finger protein 12 (Prdm12), brugt som selektive markører for nodose og jugular afferent neuroner, henholdsvis14. Uden at visualisere Phox2b eller Prdm12, ville det være udfordrende at identificere jugular vs nodose afferents med sikkerhed. Potentielle tekniske faldgruber diskuteres også i hele artiklen.

Protocol

BEMÆRK: Mus, der blev anvendt i denne undersøgelse, var vilde hanner på en ren C57BL/6J-baggrund. I alt 4 mus blev brugt til multiplex ISH. Alle mus var ca. 8 uger gamle på tidspunktet for ofring. En hanmus (ca. et år gammel) blev også brugt til at demonstrere endogene fluorescens forbundet med aldring. Dyr blev anbragt i ventilerede bure i et barriereanlæg med ad libitum adgang til mad og vand. UT Southwestern Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee gennemgik og godkendte de procedurer…

Representative Results

Mens RNAScope kan anvendes på dyr i alle aldre, køn eller genetisk baggrund, er det tilrådeligt at arbejde med unge voksne (<3 måneder gammel). Dette skyldes, at fluorescerende artefakter (f.eks lipofuscin) er almindelige fund i neuroner af ældre dyr41. De formalin-faste ganglier fra ældre mus indeholder ofte overraskende intens endogene fluorescens, der let kan forveksles med ægte farvning (Figur 1A,B). Under alle omstændigheder er det tilrå…

Discussion

Teknikken med ISH blev opfundet i slutningen af 1960’erne42. Det er dog først i midten af 1980’erne , at det blev ansøgt om påvisning af mRNAs i de centrale og periferenervesystemer 43,44. I betragtning af nervesystemets heterogenitet og tilbagevendende problemer med antistoffer forbliver lokalisering af en bestemt udskrift på cellulært niveau et uvurderligt værktøj. Ikke desto mindre er traditionelle ISH-metoder forblevet besværli…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af Neuroanatomi / Histology / Brain Injection Core finansieret af NIH tilskud #5P01DK119130-02. Forfatterne vil gerne anerkende bistand fra UT Southwestern Live Cell Imaging Facility (ledet af Dr. Phelps) og dets personale (Abhijit Bugde og Marcel Mettlen), støttet delvist af NIH Grant #1S10OD021684-01, en fælles ressource af Harold C. Simmons Cancer Center, delvist støttet af en 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

Referências

  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. Neurociência. 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/pt/62945?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
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