Summary

Detektion av G Proteinkopplat receptoruttryck i mus vagal afferenta nervceller med multiplex in situ hybridisering

Published: September 20, 2021
doi:

Summary

Multiplex in situ hybridization (ISH) användes för att samtidigt visualisera transkriptioner för två G protein-kopplade receptorer och en transkription faktor i hela vagal ganglionic komplex av den vuxna musen. Detta protokoll kan användas för att generera exakta kartor över transkriptionsprofilerna för vagal afferenta nervceller.

Abstract

Denna studie beskriver ett protokoll för multiplex in situ hybridisering (ISH) av mus halspulsåder-snara ganglier, med särskild tonvikt på att upptäcka uttrycket av G protein-kopplade receptorer (GPCRs). Formalin-fasta halspulsåder-snara ganglier bearbetades med RNAscope teknik för att samtidigt upptäcka uttrycket av två representativa GPCRs (cholecystokinin och ghrelin receptorer) i kombination med en markör gen av antingen snara (parad-liknande homeobox 2b, Phox2b) eller jugular afferent nervceller (PR domän zink finger protein 12, Prdm12). Märkta ganglier avbildades med hjälp av konfokal mikroskopi för att bestämma distributions- och uttrycksmönstren för de ovannämnda transkriptionerna. Kortfattat, Phox2b afferent nervceller konstaterades rikligt uttrycka kolecystokinin receptorn (Cck1r) men inte ghrelin receptorn (Ghsr). En liten delmängd av Prdm12 afferent nervceller konstaterades också att uttrycka Ghsr och/eller Cck1r. Potentiella tekniska varningar i design, bearbetning och tolkning av multiplex ISH diskuteras. Tillvägagångssättet som beskrivs i denna artikel kan hjälpa forskare att generera exakta kartor över transkriptionsprofilerna för vagal afferenta nervceller.

Introduction

Cellkropparna av vagala afferenter finns i halspulsåder, petrosal och snar ganglier1,2,3. Deras axoner reser tillsammans via flera grenar av vagusnerven till craniocervical, thorax och bukterritorier4,5,6,7. Från deras viscerala ändelser kan vagala afferenter svara på ett brett spektrum av fysiologiska och skadliga stimuli8,9,10. Distributionen av signalmolekyler och receptorer som är involverade i vagalavkänning är dock fortfarande dåligt karakteriserad. Detta beror delvis på att vagala ganglier, trots sin lilla storlek, uttrycker ett brett spektrum av receptorer, inklusive ett stort antal GPCRs8,11,12,13. Dessutom är vagal afferenta nervceller i sig heterogena och visar distinkta molekylära profiler14. För att komplicera saken är halspulsåder, petrosala och snar ganglier fästa i musen och bildar därmed en enda ganglionic massa. Slutligen, i en delmängd av djur, är snar ganglion fäst vid den sympatiska överlägsna livmoderhalsenganglion 15.

Tidigare har forskare vänt sig till immunohistokemi för att studera den neurokemiska maket av vagal afferenta nervceller16,17,18. Medan immunohistokemi med validerade antikroppar är användbart, måste resultaten av immunohistokemiska studier tolkas med försiktighet. Till exempel har många ansträngningar för att identifiera specifika antikroppar mot GPCR misslyckatsmed 19,20,21,22,23,24,25, vilket har lett till att utredarna drar slutsatsen att majoriteten av antikropparna mot GPCR är otillförlitliga. För att kringgå dessa problem har kvantitativ PCR (qPCR) använts i stor utsträckning för att bedöma genuttryck i gnagare vagal ganglionic massa26,27,28,29. Att undersöka genuttryck med hjälp av qPCR sker dock på bekostnad av en förlust av rumslig information. I synnerhet kan det inte förutsägas hur många celler eller vilken celltyp som uttrycker en viss gen av intresse (t.ex. snara kontra halsceller). Återkommande problem inkluderar också förorening med intilliggande vävnader och införandet av varierande längder av vagusnerven, överlägsen livmoderhalscancer och halspulsåder under dissekering15. Som ett resultat av ovanstående svårigheter omger kontroverser uttrycket och distributionen av flera GPCR i vagal afferenta nervceller. Ett särskilt förbryllande exempel gäller ghrelinreceptorn (Ghsr). Medan vissa studier har funnit utbredda uttryck för denna receptor i vagal afferenta nervceller30,31,32, andra har funnit Ghsr mRNA vara nästan oidentifierbar i snar ganglion11,14. Detaljerad kartläggning av Ghsr mRNA i vagal ganglionic massa är därför berättigad.

In situ hybridisering (ISH) har också använts för att bedöma genuttryck mönster i vagal ganglionic massa7,11,12,33,34,35. Eftersom RNA-baserade tekniker förblir mer tillförlitliga och specifika än antikroppsbaserade tekniker under de flesta omständigheter36,37, har ISH-studier visat sig värdefulla för bättre förståelse av den neurokemiska kodningen av vagala afferenta nervceller. Ändå är traditionella ISH-tekniker i sig inte utan varningar. Radioaktiv ISH är känslig men genererar bakgrund och förblir besvärlig38. Icke-radioaktiv ISH är mindre komplicerat men också mindre känsligt38. Däremot är den nyligen utvecklade RNAscope ISH-metoden mycket känslig och genererar minimal bakgrund39. Den aktuella studien tillämpade multiplex fluorescerande RNAscope till detektion av GPCRs i vagal afferent nervceller i musen. Vi fokuserade på att kartlägga fördelningen av Ghsr och jämförde dess fördelning med cholecystokininreceptorn (Cck1r), en annan GPCR välkänd för att uttryckas i snar ganglion34. Slutligen användes de två transkriptionsfaktorerna, parad-liknande homeobox 2b (Phox2b) och PR-domän zinkfingerprotein 12 (Prdm12), som selektiva markörer för snara och jugulära afferenta nervceller, respektive14. Utan att visualisera Phox2b eller Prdm12 skulle det vara utmanande att identifiera halspulsåder kontra snara afferenter med säkerhet. Potentiella tekniska fallgropar diskuteras också i hela artikeln.

Protocol

OBS: Möss som användes i denna studie var vilda män på en ren C57BL/6J bakgrund. Totalt 4 möss användes för multiplex ISH. Alla möss var ungefär 8 veckor gamla vid tidpunkten för offret. En manlig mus (ungefär ett år gammal) användes också för att visa endogen fluorescens associeras med åldrande. Djur hölls i ventilerade burar i en barriäranläggning med ad libitum tillgång till mat och vatten. UT Southwestern Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee granskade och godkände d…

Representative Results

Medan RNAScope kan appliceras på djur i alla åldrar, kön eller genetisk bakgrund, är det lämpligt att arbeta med unga vuxna (<3 månader gamla). Detta beror på att fluorescerande artefakter (t.ex. lipofuscin) är vanliga fynd i nervceller hos äldre djur41. De formalin-fasta ganglierna från äldre möss innehåller ofta förvånansvärt intensiv endogen fluorescens som lätt kan misstas för äkta färgning (figur 1A, B). Under alla omständigh…

Discussion

Tekniken för ISH uppfanns i slutet av 1960-talet42. Det är dock inte förrän i mitten av 1980-talet som det tillämpades för detektion av mRNAs i centrala och perifera nervsystemet43,44. Med tanke på nervsystemets heterogenitet och återkommande problem med antikroppar, är lokalisering av en viss transkription på cellnivå fortfarande ett ovärderligt verktyg. Icke desto mindre har traditionella ISH-metoder förblivit mödosamma och…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av Neuroanatomy / Histology / Brain Injection Core finansierat av NIH grant #5P01DK119130-02. Författarna vill erkänna hjälpen från UT Southwestern Live Cell Imaging Facility (ledd av Dr. Phelps) och dess personal (Abhijit Bugde och Marcel Mettlen), delvis med stöd av NIH Grant #1S10OD021684-01, en delad resurs för Harold C. Simmons Cancer Center, delvis med stöd av ett 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