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'apprendimento si basa sulla formazione di tracce di memoria e la loro manutenzione. E 'ampiamente accettato che un meccanismo di base può rappresentare una formazione attività-dipendente di nuovi e / o riarrangiamento dei contatti sinaptici esistenti tra i neuroni. A livello molecolare, varie modifiche proteine, relocalizations subcellulari e le variazioni del fatturato delle proteine sinaptiche sono stati descritti 1-4 (Lamprecht 2004 # 8). Tuttavia, la maggior parte degli studi finora focalizzati su proteine selezionate piuttosto che sulla composizione proteoma sinaptica globale, ma complessa. L'attuale approccio consente uno screening imparziale per le modifiche proteoma sinaptiche nelle regioni del mouse cervello dopo un esperimento di apprendimento. È adatto a rendere time-point istantanee molecolari dipendenti della riorganizzazione apprendimento indotta dell'architettura sinaptica. Il flusso di lavoro descritto richiede un particolare lavoro di squadra di diversi specialisti in comportamento animale, la biochimica delle proteine, spettrometria di massa e bioinformatics.
Il paradigma dell'apprendimento prescelto, vale a dire il tono discriminazione a modulazione di frequenza (FMTD), è un compito di discriminazione uditiva ben caratterizzato nei roditori 5. Apprendimento e formazione della memoria a lungo termine in questa casella navetta Go / No-Go-task coinvolge meccanismi seconda maggiore segnalazione della dopamina corticale e la sintesi proteica. Di conseguenza, recenti studi di proteomica su gerbilli e topi hanno rivelato dopamina e di apprendimento indotto riarrangiamenti di plastica di componenti sinaptiche in corticale, ma anche nelle regioni del cervello più basali che presumibilmente interagiscono durante FMTD apprendimento e la memoria 6-8. Questo dimostra che la formazione della memoria comporta una complessa interazione di varie regioni del cervello e, quindi, potrebbe essere regolata in modo differenziato all'interno di queste regioni a livello proteoma. Pertanto, la dissezione delle regioni del mouse cerebrali corticali e subcorticali selezionate è incluso nel flusso di lavoro.
Inoltre, il characterizati affidabileacceso anche delle variazioni deboli nella composizione proteica sinaptica richiede un arricchimento di compartimenti pre- e postsinaptici piuttosto che l'analisi di omogenati o frazioni di membrana greggio 9. Protocolli Pertanto, la preparazione di sinaptosomi utilizzanti stabilita prima dell'analisi proteomica è descritto al fine di aumentare il livello di rilevamento e la gamma dinamica per proteine specifiche sinapsi 10,11.
Un prerequisito indispensabile l'utilizzo di spettrometria di massa ad alta risoluzione priva di etichetta per scopi quantitativi è un alto grado di somiglianza dei campioni di proteine. Come ci si aspetta cambiamenti piuttosto sfumature di composizione proteica sinaptica a verificarsi dopo aver appreso, un approccio libero-label sarà opportuno confrontare corrispondenti campioni di proteine ottenute da topi addestrati e ingenuo. In alternativa, le strategie di etichette condizione-specifica di proteine / peptidi utilizzando isotopi stabili (ad esempio TMT, iTRAQ, ICPL e SILAC), così come l'etichetta MS2 a base di qua gratisntification (BANDA) sono utili, ma sono più costosi rispetto all'approccio senza etichetta scelto o ha bisogno di hardware speciale spettrometria di massa.
Dal momento che le proiezioni di proteomica spesso producono insiemi di dati complessi, elaborazione bioinformatica è raccomandato per un'adeguata interpretazione dei dati. Ulteriori meta-analisi possono supportare una migliore comprensione dei potenziali meccanismi molecolari alla base cambiamenti di paradigma legati e l'individuazione di processi cellulari fondamentali coinvolti e vie di segnalazione. metodologie appropriate sono anche descritte di seguito.
Lo studio presenta un flusso di lavoro metodologico ottimizzato per una accurata profilazione quantitativa di sinaptici cambiamenti di espressione delle proteine durante l'apprendimento e consolidamento della memoria in diverse aree cerebrali di topi. La configurazione offre l'opportunità di studiare l'espressione delle proteine a livello di un singolo animale nonostante l'applicazione richiesta di almeno tre repliche tecniche per campione per l'analisi di spettrometria di massa.
La metodologia tiene conto della particolare composizione proteica del pre e postsynapse costituito da proteine ad alto peso molecolare scaffold ma anche di proteine importanti mediatori recanti pesi molecolari medi o inferiori. Le digerisce in-soluzione di preparati sinaptosomiali determinano una generazione efficiente e, quindi, una sovra-rappresentazione di peptidi scaffold-derivato. Questo, a sua volta, può sopprimere l'analisi di piccole o inferiore proteine abbondanti. La preparazione suggerito di frazioni SDS-PAGE da unaliquota di ciascun campione in combinazione con una procedura di digestione in gel in parallelo facilita l'analisi di proteine medie e basse abbondanza e rappresenta un metodo complementare altamente raccomandato. Dopo l'applicazione spettrometria di massa separata di tutte le frazioni derivanti da un campione (ad esempio in soluzione di analisi, in-gel digeriscono, frazioni fosfo-arricchita combinati) i corrispondenti insiemi di dati MS / MS possono essere combinati e calcolati per l'identificazione delle proteine e quantificazione da picchi maggiori software o pacchetti software alternativi popolari.
In alternativa, l'applicazione individuale di frazioni in gel-digestione-derivato di un campione (trasformati separatamente gel-aree di una corsia di esempio) e frazioni generato del campione preparato in soluzione (ad esempio cromatografia a scambio ionico) alla spettrometria di massa può aumentare la profondità analitica. Tuttavia, questo flusso di lavoro esteso aumenta notevolmente il tempo necessario per LS-MS di acquisizione dati / MS. per generatioè richiesto n di una sequenza molecolare dettagliato di riarrangiamenti di proteine sinaptiche durante l'apprendimento e la formazione della memoria un corso a tempo determinato del profiling proteomica. Questo corso di tempo può iniziare immediatamente dopo o anche durante il primo allenamento e copre un arco di tempo a maglie strette fino a quando le prestazioni degli animali ha raggiunto il livello asintotico della curva di apprendimento dopo circa. 8 – 10 giorni di formazione (vedi figura 2 per i dettagli).
L'analisi delle variazioni di fosforilazione di proteine sinaptiche richiede una particolare attenzione ai tempi selezionati durante l'apprendimento FMTD. Sulle segnalazione cascate da un lato avvio riarrangiamenti di proteine sinaptiche noti per essere innescato da fosforilazioni proteine e dephosphorylations sono attesi a primissime fasi di addestramento di animali. D'altra parte, ci sono lunghi modifiche durata di più proteine sinaptiche fosforilate noti che regolano la connettività e l'assemblaggio entro i sarchitettura ynaptic 19, 20. Tali modifiche post-traduzionali sono attesi anche in momenti successivi di consolidamento della memoria.
I set di dati complessi generati da questo flusso di lavoro proteomica richiedono l'elaborazione bioinformatica per identificare i partecipanti percorsi molecolari e di molecole chiave. La meta-analisi mostra percorsi sovrarappresentati significativi, che svolgono un ruolo nei processi di apprendimento e memoria.
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 |