The identification of molecules and pathways controlling synaptic plasticity and memory is still a major challenge in neuroscience. Here, a workflow is described addressing the relative quantification of synaptic proteins supposedly involved in the molecular reorganization of synapses during learning and memory consolidation in an auditory learning paradigm.
The molecular synaptic mechanisms underlying auditory learning and memory remain largely unknown. Here, the workflow of a proteomic study on auditory discrimination learning in mice is described. In this learning paradigm, mice are trained in a shuttle box Go/NoGo-task to discriminate between rising and falling frequency-modulated tones in order to avoid a mild electric foot-shock. The protocol involves the enrichment of synaptosomes from four brain areas, namely the auditory cortex, frontal cortex, hippocampus, and striatum, at different stages of training. Synaptic protein expression patterns obtained from trained mice are compared to naïve controls using a proteomic approach. To achieve sufficient analytical depth, samples are fractionated in three different ways prior to mass spectrometry, namely 1D SDS-PAGE/in-gel digestion, in-solution digestion and phospho-peptide enrichment.
High-resolution proteomic analysis on a mass spectrometer and label-free quantification are used to examine synaptic protein profiles in phospho-peptide-depleted and phospho-peptide-enriched fractions of synaptosomal protein samples. A commercial software package is utilized to reveal proteins and phospho-peptides with significantly regulated relative synaptic abundance levels (trained/naïve controls). Common and differential regulation modes for the synaptic proteome in the investigated brain regions of mice after training were observed. Subsequently, meta-analyses utilizing several databases are employed to identify underlying cellular functions and biological pathways.
L'apprentissage est basé sur la formation de traces de la mémoire et de leur entretien. Il est largement admis que l'un mécanisme sous-jacent peut représenter une formation dépendant de l'activité de la nouvelle et / ou le réarrangement des contacts synaptiques entre les neurones existants. Au niveau moléculaire, diverses modifications de protéines, relocalizations subcellulaires et des changements dans le chiffre d' affaires des protéines synaptiques ont été décrites 1-4 (Lamprecht, 2004 N ° 8). Cependant, la plupart des études ont porté jusqu'ici sur des protéines sélectionnées plutôt que sur la composition globale, mais protéome synaptique complexe. La présente approche permet un examen impartial des changements protéomiques synaptiques dans les régions du cerveau de la souris après une expérience d'apprentissage. Il convient de rendre le temps points instantanés moléculaires dépendant de la réorganisation induite par l'apprentissage de l'architecture synaptique. Le workflow décrit nécessite un travail d'équipe particulière de différents spécialistes du comportement animal, la biochimie des protéines, spectrométrie de masse et Biolnformatics.
Le paradigme d'apprentissage choisi, soit modulé en fréquence ton discrimination (FMTD), est une tâche de discrimination auditive bien caractérisé chez les rongeurs 5. Apprentissage et formation de la mémoire à long terme dans cette boîte de navette Go / No-Go-tâche implique des mécanismes en fonction de l'augmentation de signalisation de la dopamine corticale et la synthèse des protéines. Par conséquent, des études récentes sur protéomiques gerbilles et de souris ont révélé la dopamine et de réarrangements en plastique induite par l' apprentissage des composantes-synaptiques corticales, mais aussi dans les régions du cerveau qui interagissent basales plus supposés pendant FMTD apprentissage et la mémoire 6-8. Cela montre que la formation de la mémoire implique une interaction complexe de diverses régions du cerveau et ainsi, peut-être différemment réglementée dans ces régions au niveau du protéome. Par conséquent, la dissection de régions du cerveau de la souris corticales et sous-corticales sélectionnés est inclus dans le flux de travail.
En outre, le characterizati fiablemême sur des changements faibles dans la composition des protéines synaptiques nécessite un enrichissement de compartiments avant et post – synaptiques plutôt que l'analyse des broyats ou des fractions membranaires brutes 9. Protocoles Par conséquent, la préparation de synaptosomes utilisant établie avant l'analyse protéomique est décrite afin d'augmenter le niveau de détection et de la plage dynamique pour des protéines spécifiques synapse 10,11.
Une condition indispensable d'utiliser sans étiquette haute résolution spectrométrie de masse à des fins quantitatives est un haut degré de similitude des échantillons de protéines. Comme il est prévu des changements plutôt mineures dans la composition des protéines synaptiques à se produire après avoir appris, une approche sans étiquette sera approprié de comparer les échantillons de protéines obtenus à partir de souris formés et naïfs correspondant. Alternativement, les stratégies de protéines / peptides en utilisant des isotopes stables (par exemple TMT, iTRAQ, ICPL et SILAC), ainsi que l' étiquette à base de MS2 libre qua étiquette spécifique conditionnéentification (COULOIR) sont utiles, mais ils sont plus chers que l'approche sans étiquette choisie ou besoin de matériel de spectrométrie de masse spéciale.
Depuis des projections protéomiques donnent souvent des ensembles de données complexes, le traitement bioinformatique est recommandé pour l'interprétation des données appropriées. méta-analyses supplémentaires peuvent favoriser une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents potentiels changements liés paradigmes et l'identification des processus cellulaires clés impliqués et voies de signalisation. Des méthodes appropriées sont également décrites ci-dessous.
L'étude présente un flux de travail optimisé méthodologique pour un profilage quantitative précise des changements d'expression des protéines synaptiques lors de l'apprentissage et de consolidation de la mémoire dans les différentes zones du cerveau de souris. La configuration offre la possibilité d'étudier l'expression de la protéine au niveau d'un seul animal en dépit de l'application requise d'au moins trois répétitions techniques par échantillon pour analyse par spectrométrie de masse.
La méthodologie tient compte de la composition protéique particulière de la pré- et postsynapse constitué par les protéines de haut poids moléculaire, mais aussi d'échafaudage de protéines de médiateur important portant des masses moléculaires moyennes ou inférieures. Les digestions en solution de préparations synaptosomiques se traduisent par une production efficace et, par conséquent, une sur-représentation des peptides d'échafaudage dérivés. Ceci, à son tour, peut supprimer l'analyse des protéines abondantes plus petites ou plus faibles. La préparation suggérée de fractions SDS-PAGE à partir d'unaliquote de chaque échantillon combiné avec un procédé de digestion dans le gel en parallèle facilite l'analyse des protéines d'abondance moyenne et faible et représente une méthode complémentaire fortement recommandée. Après l' application de la spectrométrie de masse distincte de toutes les fractions provenant d'un échantillon (par exemple en solution de digestion, en gel digestion, les fractions phospho enrichi combinés) , les ensembles de données MS / MS correspondantes peuvent être combinées et en outre calculés pour l' identification des protéines et à la quantification par des pics logiciels ou progiciels populaires alternatives.
En variante, l'application individuelle des fractions en gel digestion dérivé d'un échantillon (gel-zones traitées séparément d'un échantillon voie) et les fractions générées de l'échantillon en solution digérée (par exemple , par chromatographie par échange d'ions) à la spectrométrie de masse peut accroître la profondeur d'analyse. Cependant, ce flux de travail prolongée augmente considérablement le temps requis pour l'acquisition de données LS-MS / MS. Pour generation d'une séquence de réarrangements moléculaire détaillée de protéines synaptiques lors de l'apprentissage et de formation de la mémoire un décours temporel spécifié du profil protéomique est nécessaire. Ce cours de temps peut commencer immédiatement après ou même pendant la première session de formation et couvre un laps de temps à mailles serrées jusqu'à ce que la performance des animaux a atteint le niveau asymptotique de la courbe d'apprentissage après env. 8 – 10 jours de formation (voir la figure 2 pour plus de détails).
L'analyse des changements de phosphorylation de protéines synaptiques nécessite un accent particulier sur les délais sélectionnés lors de l'apprentissage FMTD. Sur les cascades de signalisation d'une part, initiant des réarrangements de protéines synaptiques connues pour être déclenché par phosphorylations de protéines et déphosphorylations sont attendus à un stade très précoce de la formation des animaux. D'autre part, il y a des modifications durables de multiples protéines synaptiques phosphorylés connues qui régulent la connectivité et l'assemblage dans les sl' architecture ynaptic 19, 20. Ces modifications post-traductionnelles sont attendus même aux points de temps ultérieurs de consolidation de la mémoire.
Les ensembles de données complexes générées par ce flux de travail protéomique nécessitent un traitement bioinformatique pour identifier les participants voies moléculaires et des molécules clés. La méta-analyse montre les voies surreprésentés importantes, qui jouent un rôle dans les processus d'apprentissage et de mémoire.
The authors have nothing to disclose.
We wish to thank Yvonne Ducho and Kathrin Pohlmann for excellent technical assistance. This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 779) and by the State Saxony-Anhalt / European Regional Development Fund (ERDF) via the Center for Behavioral Brain Sciences (CBBS).
3M Empore Solid Phase Extraction- Filter | 3M Bioanalytical Technologies | 4245SD | 7 mm/3 ml |
Acclaim PepMap 100 | Dionex/Thermo Scientific | 164564 | 100 µm x 2 cm, C18 |
Acclaim PepMap 100 | Dionex/Thermo Scientific | 164569 | 75 µm x 25 cm, C18 |
Acetic acid | Carl Roth GmbH | 3738.1 | |
Acetonitrile (ACN) | Carl Roth GmbH | AE70.2 | |
Acrylamide (30%) | AppliChem | A0951 | |
Ammonium hydrogen carbonate | Fluka | 9830 | |
Ammonium hydroxide | Fluka | 44273 | |
Ammonium persulfate (APS) | AppliChem | A2941 | |
Biofuge pico | Heraeus GmbH | 75003280 | |
Blue R-250 | SERVA Electrophoresis GmbH | 17525 | |
Bromophenol Blue | Pharmacia Biotech | 17132901 | |
C57BL/6J mice | Charles River | ||
Cantharidin | Carl Roth GmbH | 3322.1 | |
Centrifuge tubes for MLS-50 | Beckman Coulter | 344057 | |
Centrifuge tubes for TLA 100.1 rotor | Beckman Coulter | 343776 | |
Dithiothreitol (DTT) | AppliChem | A1101 | |
Eppendorf 5417R centrifuge | VWR | 22636138 | |
Eppendorf A-8-11 rotor | VWR | 5407000317 | |
Formic acid | Fluka | 14265 | |
GeneCodis | http://genecodis.cnb.csic.es/ | ||
Gephi | https://gephi.org/ | ||
Glycerol | AppliChem | A1123 | |
Glycine | AppliChem | A1067 | |
HALT Phosphatase Inhibitor Cocktail | Pierce /Thermo Scientific | 78420 | |
HEPES Buffer solution | PAA Laboratories GmbH | S11-001 | |
Homogenization vessel 2 mL | Sartorius AG | 854 2252 | |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | H1758 | |
Imidazole | Sigma-Aldrich | I2399 | |
Ingenuity Pathway Analysis | Qiagen | ||
Iodoacetamide (IAA) | Sigma-Aldrich | I1149 | |
Laboratory drilling drive K-ControlTLC 4957 | Kaltenbach & Vogt GmbH | 182997 | |
LTQ Tune Plus 2.7.0.1112 SP2 | Thermo Scientific | ||
LTQ Orbitrap Velos Pro | Thermo Scientific | ||
Macs-mix tube rotator | Miltenyi Biotech | 130-090-753 | |
Magic Scan 4.71 | UMAX | ||
Methanol | Carl Roth GmbH | AE71.2 | |
MLS-50 rotor | Beckman Coulter | 367280 | |
Optima MAX Ultracentrifuge | Beckman Coulter | 364300 | |
PageRuler Prestained Protein Ladder | Thermo Scientific | 26616 | |
PEAKS 7.5 | Bioinformatic Solutions | ||
Phosphatase Inhibitor Cocktail 3 | Sigma-Aldrich | P0044 | |
PhosphoRS 3.1 | IMP/IMBA/GMI | ||
PhosSTOP | Roche | 4906845001 | |
Plunger/pestle made of PTFE | Sartorius AG | 854 2651 | |
PotterS homogenizer | Sartorius AG | 853 3024 | |
Protease Inhibitor complete mini | Roche | 4693159001 | |
Quantity One 4.5.1 | BioRad | ||
RapiGest | Waters | 186002122 | |
Shuttle box | Coulbourne Instruments | ||
Sodium dodecylsulfate (SDS) | AppliChem | A1112 | |
Sodium molybdate | Carl Roth GmbH | 274.2 | |
Sodium tartrate dihydrate | Sigma-Aldrich | 228729 | |
SONOREX RK 156 Ultrasonic Bath | BANDELIN electronic GmbH & Co. KG | 305 | |
Soundproof chamber | Industrial Acoustics Company | ||
Sucrose | Carl Roth GmbH | 4621.2 | |
Tetramethyl ethylene -1,2-diamine (TEMED) | Sigma-Aldrich | T9281 | |
Thermomixer basic | CallMedia | 111000 | |
Titansphere TiO 5µm | GL Sciences Inc. Japan | 502075000 | |
TLA 100.1 rotor | Beckman Coulter | 343840 | |
Trifluoro acetic acid (TFA) | Sigma-Aldrich | T6508 | |
Tris ( hydroxymethyl) aminomethane (TRIS) | AppliChem | A1086 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8532 | |
Trypsin Gold | Promega | V5280 | |
Ultimate 3000 Ultra HPLC | Dionex/Thermo Scientific | ||
Ultracentrifuge tube | Beckman Coulter | 343776 | |
Unijet II Refrigerated Aspirator | Uniequip Laborgeräte- und Vertriebs GmbH | ||
UNIVAPO 100 H Concentrator Centrifuge | Uniequip Laborgeräte- und Vertriebs GmbH | ||
Urea | AppliChem | A1049 | |
Water (high quality purifed) | Resistivity: > 18.2 MΩ*cm at 25 °C Pyrogens: < 0.02 EU/ml TOC: < 10 ppb | ||
Xcalibur 3.0.63 | Thermo Scientific | ||
ZipTipC18 Pipette Tips | MILLIPORE | ZTC18S960 |