Live-Imaging von Nikotin induzierte Calcium Signaling und Neurotransmitterausschüttung Zusammen Ventral Hippocampus Axone
Summary
We developed a gene-chimeric preparation of ventral hippocampal – accumbens circuit in vitro that allows direct live imaging to analyze presynaptic mechanisms of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) mediated synaptic transmission. This preparation also provides an informative approach to study the pre- and post-synaptic mechanisms of synaptic plasticity.
Abstract
Sustained enhancement of axonal signaling and increased neurotransmitter release by the activation of pre-synaptic nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) is an important mechanism for neuromodulation by acetylcholine (ACh). The difficulty with access to probing the signaling mechanisms within intact axons and at nerve terminals both in vitro and in vivo has limited progress in the study of the pre-synaptic components of synaptic plasticity. Here we introduce a gene-chimeric preparation of ventral hippocampal (vHipp)–accumbens (nAcc) circuit in vitro that allows direct live imaging to analyze both the pre- and post-synaptic components of transmission while selectively varying the genetic profile of the pre- vs post-synaptic neurons. We demonstrate that projections from vHipp microslices, as pre-synaptic axonal input, form multiple, reliable glutamatergic synapses with post-synaptic targets, the dispersed neurons from nAcc. The pre-synaptic localization of various subtypes of nAChRs are detected and the pre-synaptic nicotinic signaling mediated synaptic transmission are monitored by concurrent electrophysiological recording and live cell imaging. This preparation also provides an informative approach to study the pre- and post-synaptic mechanisms of glutamatergic synaptic plasticity in vitro.
Introduction
Cholinergen Modulation Schaltung Erregbarkeit trägt zur grundlegenden Aspekte des Erkennens und verändert cholinergen Modulation ist eine Funktion von neurodegenerativer und neuropsychiatrischen Störungen, einschließlich Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, Schizophrenie und Sucht 1-4. Eine etablierte Mechanismus der cholinergen Erleichterung der synaptischen Übertragung im ZNS ist über eine direkte Aktivierung von nAChR in präsynaptischen Websites lokalisiert. Aktivierung dieser präsynaptischen Rezeptoren führt zur intrazellulären Ca 2+ ([Ca 2+] i) in präsynaptischen Terminals erhöht – sowohl direkt, aufgrund der relativ hohen Calcium Leitfähigkeit bestimmter nAChR-Subtypen, und indirekt über die intrazellulären Signalkaskaden 5, wodurch die Freisetzung von Neurotransmittern. In der Tat hat die Aktivierung der präsynaptischen nAChRs mit Veränderungen in der Freisetzung von einer Vielzahl von Neurotransmittern wie Glutamat, GABA, Acetylcholin, in Verbindung gebracht worden einnd Dopamin 6-10. Obwohl dieser Prozess wurde indirekt mit elektrophysiologischen Methoden an verschiedenen Synapsen untersucht, optische Reportern von [Ca 2+] i und synaptischen Vesikel-Recycling ermöglichen mehr direkte und zeitlich präzise Messung der präsynaptischen Phänomene.
Präsynaptischen Lokalisation nAChRs überzeugend mit direktem Immunogold-Markierung von nAChR in der elektronenmikroskopische (EM) Ebene 11,12 demonstriert. Mehrere andere Verfahren wurden ebenfalls verwendet, um die Lokalisierung nAChR indirekt zu adressieren, einschließlich Erfassen Standorte nAChRs subunit- fluoreszierendes Protein-Chimären in kultivierten Neuronen 13,14, elektrophysiologischen Aufzeichnung von nAChR Ströme in synaptische Anschlüssen 15,16, Überwachung Nikotin induzierte Veränderungen von [Ca 2+] i in synaptischen Nervenendigungen durch Live Cell Imaging 17 und indirekte Überwachung der Freisetzung von Neurotransmittern im synaptischen Terminal durchLive Cell Imaging-Techniken mit Fluoreszenzindikatoren, einschließlich Exozytose synaptischer Vesikel durch styryl amphipathischen FM Farbstoffe (FM1-43 und FM4-64) und / oder synapto-pHluorin und durch spezifische fluoreszierende Neurotransmitter Reportern, wie CNiFERs für ACh und iGluSnFr für Glutamat angesehen 18-20. Insgesamt sind diese aktuelle Ansätze zur Identifizierung von präsynaptischen Lokalisierung nAChRs sind kompliziert und erfordern spezielle Systeme und Techniken, um eine zuverlässige Identifizierung und physiologische Überwachung der präsynaptischen Aktivität zu ermöglichen.
Hier beschreiben wir Protokolle und Ausrüstung für die in vitro Co-Kultursystem eines ventralen Hippocampus (vHipp) – Nucleus accumbens (NAKR) Schaltung, die einen direkten Zugang zu identifizieren und zu analysieren, sowohl vor als auch postsynaptischen Komponenten der synaptischen Übertragung bietet. Wir zeigen Beispiele von präsynaptischen Lokalisierung nAChRs und Live Cell Imaging von nAChR vermittelte Ca 2+ Signalisierung und die Freisetzung von Neurotransmittern along vHipp Axone. Eine natürliche (und unkompliziert) Erweiterung der hier vorgestellten Protokoll ist die Herstellung von Pre- und Post-synaptische Kontakte von Nervenzellen aus unterschiedlichen Genotypen besteht. Auf diese Weise wird der Beitrag eines bestimmten Genprodukts an der Vor- und / oder postsynaptische Mechanismen der Modulation kann direkt bewertet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Co-Kulturpräparat beschrieben re-capitulates ventralen Hippocampus-accumbens-Schaltungen in vitro. Diese Zubereitung ermöglicht relativ einfache und sichere Überprüfung der räumlichen und zeitlichen Verläufe von denen die Aktivierung des präsynaptischen nAChRs ELICIT verbesserte glutamaterge Transmission 5, 21.
Co-Kulturen werden als das Wachstum der verschiedenen spezifischen Zelltypen in eine Schüssel, die physiologischen Bedingungen in vitro zur Ve…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Yehui Qin and Mallory Myers for technical support. We also thank Dr. Sigismund Huck for providing us the anti-α4-ECD antibody. This work is supported by National Institutes of Health grant NS22061 to L. W. R.
Materials
| 1, Culture Media (50 ml) | |||
| Neurobasal | GIBCO | 10888022 | 48 ml |
| B-27 Supplements | GIBCO | 0080085-SA | 1 ml |
| Penicillin-Streptomycin | GIBCO | 10908-010 | 0.5 ml |
| GlutaMAX Supplement | GIBCO | 35050-061 | 0.5 ml |
| Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) | GIBCO | 15140-122 | 20 ng/ml |
| 2, washing media (HBSS, 100 ml) | |||
| HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red | GIBCO | 14175-095 | 99 ml |
| HEPES ( 1M) | GIBCO | 15630-130 | 1 ml |
| 3, HEPES buffered saline (HBS) pH=7.3 | |||
| NaCl | Sigma | S9888 | 135 mM |
| KCl | Sigma | P9333 | 5 mM |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | 1 mM |
| CaCl2, | Sigma | C1016 | 2 mM |
| HEPES | Sigma | H3375 | 10 mM |
| Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
| 4, HBS Cocktail for live imaging pH=7.3 | |||
| NaCl | Sigma | S9888 | 135 mM |
| KCl | Sigma | P9333 | 5 mM |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | 1 mM |
| CaCl2, | Sigma | C1016 | 2 mM |
| HEPES | Sigma | H3375 | 10 mM |
| Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
| tetrodotoxin | Tocris | 1078 | 2 µM |
| bicuculline | Tocris | 131 | 10 µM |
| D-AP-5 | Tocris | 105 | 50 µM |
| CNQX | Tocris | 1045 | 20 µM |
| LY341495 | Tocris | 1209 | 10 µM |
| 5, Calcium-free HBS pH=7.3 | |||
| NaCl | Sigma | S9888 | 135 mM |
| KCl | Sigma | P9333 | 5 mM |
| MgCl2 | Sigma | M8266 | 1 mM |
| HEPES | Sigma | H3375 | 10 mM |
| Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
| 6, 56 mM Potassium ACSF pH=7.4 | |||
| NaCl | Sigma | S9888 | 119 mM |
| KCl | Sigma | P9333 | 56 mM |
| MgSO4.7H | Sigma | M1880 | 1.3 mM |
| CaCl2 | Sigma | C1016 | 2.5 mM |
| NaH2PO4 | Sigma | S8282 | 1 mM |
| NaHCO3 | Sigma | S5761 | 26.2 mM |
| Glucose | Sigma | G0350500 | 10 mM |
References
- Changeux, J. P., et al. Brain nicotinic receptors: structure and regulation, role in learning and reinforcement. Brain Res Brain Res Rev. 26 (2-3), 198-216 (1998).
- Levin, E. D. Nicotinic receptor subtypes and cognitive function. J Neurobiol. 53 (4), 633-640 (2002).
- Dani, J. A., Bertrand, D. Nicotinic acetylcholine receptors and nicotinic cholinergic mechanisms of the central nervous system. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 47, 699-729 (2007).
- Mineur, Y. S., Picciotto, M. R. Nicotine receptors and depression: revisiting and revising the cholinergic hypothesis. Trends Pharmacol Sci. 31 (12), 580-586 (2010).
- Zhong, C., Talmage, D. A., Role, L. W. Nicotine elicits prolonged calcium signaling along ventral hippocampal axons. PloS one. 8 (12), e82719 (2013).
- McGehee, D. S., Heath, M. J., Gelber, S., Devay, P., Role, L. W. Nicotine enhancement of fast excitatory synaptic transmission in CNS by presynaptic receptors. Science. 269 (5231), 1692-1696 (1995).
- Gray, R., Rajan, A. S., Radcliffe, K. A., Yakehiro, M., Dani, J. A. Hippocampal synaptic transmission enhanced by low concentrations of nicotine. Nature. 383 (6602), 713-716 (1996).
- Dickinson, J. A., Kew, J. N., Wonnacott, S. Presynaptic alpha 7- and beta 2-containing nicotinic acetylcholine receptors modulate excitatory amino acid release from rat prefrontal cortex nerve terminals via distinct cellular mechanisms. Mol Pharmacol. 74 (2), 348-359 (2008).
- Zappettini, S., Grilli, M., Salamone, A., Fedele, E., Marchi, M. Pre-synaptic nicotinic receptors evoke endogenous glutamate and aspartate release from hippocampal synaptosomes by way of distinct coupling mechanisms. Br J Pharmacol. 161 (5), 1161-1171 (2010).
- Zappettini, S., et al. Presynaptic nicotinic alpha7 and non-alpha7 receptors stimulate endogenous GABA release from rat hippocampal synaptosomes through two mechanisms of action. PloS one. 6 (2), e16911 (2011).
- Fabian-Fine, R., et al. Ultrastructural distribution of the alpha7 nicotinic acetylcholine receptor subunit in rat hippocampus. J Neurosci. 21 (20), 7993-8003 (2001).
- Jones, I. W., Barik, J., O’Neill, M. J., Wonnacott, S. Alpha bungarotoxin-1.4 nm gold: a novel conjugate for visualising the precise subcellular distribution of alpha 7* nicotinic acetylcholine receptors. J Neurosci Methods. 134 (1), 65-74 (2004).
- Nashmi, R., et al. Assembly of alpha4beta2 nicotinic acetylcholine receptors assessed with functional fluorescently labeled subunits: effects of localization, trafficking, and nicotine-induced upregulation in clonal mammalian cells and in cultured midbrain neurons. J Neurosci. 23 (37), 11554-11567 (2003).
- Drenan, R. M., et al. Subcellular trafficking, pentameric assembly, and subunit stoichiometry of neuronal nicotinic acetylcholine receptors containing fluorescently labeled alpha6 and beta3 subunits. Mol Pharmacol. 73 (1), 27-41 (2008).
- Wu, J., et al. Electrophysiological, pharmacological, and molecular evidence for alpha7-nicotinic acetylcholine receptors in rat midbrain dopamine neurons. J Pharmacol Exp Ther. 311 (1), 80-91 (2004).
- Parikh, V., Ji, J., Decker, M. W., Sarter, M. Prefrontal beta2 subunit-containing and alpha7 nicotinic acetylcholine receptors differentially control glutamatergic and cholinergic signaling. J Neurosci. 30 (9), 3518-3530 (2010).
- Nayak, S. V., Dougherty, J. J., McIntosh, J. M., Nichols, R. A. Ca(2+) changes induced by different presynaptic nicotinic receptors in separate populations of individual striatal nerve terminals. J Neurochem. 76 (6), 1860-1870 (2001).
- Richards, C. I., et al. Trafficking of alpha4* nicotinic receptors revealed by superecliptic phluorin: effects of a beta4 amyotrophic lateral sclerosis-associated mutation and chronic exposure to nicotine. J Biol Chem. 286 (36), 31241-31249 (2011).
- Colombo, S. F., Mazzo, F., Pistillo, F., Gotti, C. Biogenesis, trafficking and up-regulation of nicotinic ACh receptors. Biochem Pharmacol. 86 (8), 1063-1073 (2013).
- St John, P. A. Cellular trafficking of nicotinic acetylcholine receptors. Acta Pharmacol Sin. 30 (6), 656-662 (2009).
- Zhong, C., et al. Presynaptic type III neuregulin 1 is required for sustained enhancement of hippocampal transmission by nicotine and for axonal targeting of alpha7 nicotinic acetylcholine receptors. J Neurosci. 28 (37), 9111-9116 (2008).
- Jacobowitz, D. M., Abbott, L. C. . Chemoarchitectonic Atlas of the Developing Mouse Brain. , (1998).
- Betz, W. J., Mao, F., Bewick, G. S. Activity-dependent fluorescent staining and destaining of living vertebrate motor nerve terminals. J Neurosci. 12 (2), 363-375 (1992).
- Amaral, E., Guatimosim, S., Guatimosim, C. Using the fluorescent styryl dye FM1-43 to visualize synaptic vesicles exocytosis and endocytosis in motor nerve terminals. Methods Mol Biol. 689, 137-148 (2011).
- Garduno, J., et al. Presynaptic alpha4beta2 nicotinic acetylcholine receptors increase glutamate release and serotonin neuron excitability in the dorsal raphe nucleus. J Neurosci. 32 (43), 15148-15157 (2012).
- Guo, J. Z., Liu, Y., Sorenson, E. M., Chiappinelli, V. A. Synaptically released and exogenous ACh activates different nicotinic receptors to enhance evoked glutamatergic transmission in the lateral geniculate nucleus. J Neurophysiol. 94 (4), 2549-2560 (2005).
- Szabo, S. I., Zelles, T., Vizi, E. S., Lendvai, B. The effect of nicotine on spiking activity and Ca2+ dynamics of dendritic spines in rat CA1 pyramidal neurons. Hippocampus. 18 (4), 376-385 (2008).
