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.
El aprendizaje se basa en la formación de huellas de la memoria y su mantenimiento. Es ampliamente aceptado que un mecanismo subyacente puede representar una formación dependiente de la actividad de nuevos y / o reordenamiento de los contactos sinápticos existentes entre las neuronas. A nivel molecular, diversas modificaciones de las proteínas, relocalizaciones subcelulares y los cambios en el volumen de negocios de proteínas sinápticas se han descrito 1-4 (Lamprecht, 2004 Nº 8). Sin embargo, la mayoría de los estudios hasta ahora se centraron en proteínas seleccionadas en lugar de en la composición proteoma sináptica global, pero compleja. El presente enfoque permite un examen imparcial de cambios proteoma sinápticas en las regiones del cerebro del ratón después de un experimento de aprendizaje. Es adecuado para hacer instantáneas moleculares dependientes punto de tiempo de la reorganización inducida por aprendizaje de la arquitectura sináptica. El flujo de trabajo descrito requiere un trabajo en equipo particular de diferentes especialistas en el comportamiento animal, la bioquímica de proteínas, espectrometría de masas y bioinformatics.
El paradigma de aprendizaje elegido, es decir, la discriminación tono de frecuencia modulada (FMTD), es una tarea de discriminación auditiva bien caracterizado en roedores 5. El aprendizaje y la formación de la memoria a largo plazo en esta caja de transporte Go / No-Go-tarea implica mecanismos en función de una mayor señalización de la dopamina cortical y la síntesis de proteínas. En consecuencia, los últimos estudios proteómicos en jerbos y ratones revelaron dopamina y reordenamientos de plástico inducida de aprendizaje de los componentes sinápticas en cortical, sino también en regiones del cerebro más basales que supuestamente interactúan durante el aprendizaje y la memoria FMTD 6-8. Esto ilustra que la formación de memoria implica una compleja interacción de diversas regiones del cerebro y por lo tanto, podría ser regulada diferencialmente dentro de estas regiones en el nivel proteoma. Por lo tanto, la disección de las regiones del cerebro del ratón corticales y subcorticales seleccionados se incluye en el flujo de trabajo.
Además, la characterizati fiableincluso en los cambios débiles en la composición de la proteína sináptica requiere un enriquecimiento de los compartimentos pre y post-sinápticas más que el análisis de los homogeneizados o fracciones de membrana cruda 9. Protocolos Por lo tanto, la preparación de sinaptosomas Utilizando establecido antes del análisis proteómico se describe con el fin de aumentar el nivel de detección y el rango dinámico de las proteínas-sinapsis específica 10,11.
Un requisito fundamental para el uso libre de etiquetas espectrometría de masas de alta resolución para fines cuantitativos es un alto grado de similitud de las muestras de proteínas. Como se espera que los cambios en lugar de menor importancia en la composición de la proteína sináptica que se produzca después de saber, un enfoque libre de etiquetas será apropiado comparar muestras de proteínas obtenidas de ratones no tratados previamente formados y que corresponde. Por otra parte, las estrategias de etiquetas condición específica de proteínas / péptidos usando isótopos estables (por ejemplo, TMT, iTRAQ, ICPL y SILAC), así como etiquetas basado en MS2 qua librentification (SWATH) son útiles, pero son más caros que el enfoque libre de etiquetas elegido o necesita hardware especial de espectrometría de masas.
Desde proyecciones proteómicos rinden a menudo complejos conjuntos de datos, se recomienda el procesamiento bioinformáticas para la interpretación de datos adecuado. Además, los meta-análisis pueden apoyar una mejor comprensión de los mecanismos moleculares que subyacen a los posibles cambios relacionados con paradigmas y la identificación de los principales procesos celulares involucrados y vías de señalización. Las metodologías adecuadas también se describen a continuación.
El estudio presenta un flujo de trabajo optimizado metodológica para un perfilado cuantitativa precisa de los cambios de expresión de proteínas sinápticas durante el aprendizaje y la consolidación de la memoria en diferentes zonas del cerebro de los ratones. La configuración proporciona la oportunidad de estudiar la expresión de la proteína en el nivel de un solo animal a pesar de la aplicación requerida de al menos tres repeticiones técnica por muestra para el análisis de espectrometría de masas.
La metodología tiene en cuenta la composición de la proteína particular de la pre- y postsynapse que consiste en proteínas de peso molecular elevado de andamio, sino también de las proteínas mediador importante teniendo pesos moleculares medio o inferior. Los digeridos en solución de sinaptosomas preparados dan como resultado una generación eficiente y, por lo tanto, un exceso de representación de los péptidos derivados de andamios. Esto, a su vez, puede suprimir el análisis de proteínas abundantes más pequeños o más bajas. La preparación de las fracciones sugerido SDS-PAGE de unaalícuota de cada muestra se combina con un procedimiento de digestión en gel en paralelo facilita el análisis de las proteínas de abundancia media y baja y representa un método complementario muy recomendable. Después de la aplicación de espectrometría de masas independiente de todas las fracciones derivadas de una muestra (por ejemplo, en solución de digerir, en gel de digerir, fracciones fosfo-enriquecido combinados) los conjuntos de datos de MS / MS correspondientes se pueden combinar y calculados para la identificación de proteínas y cuantificación de picos más software o paquetes de software populares alternativos.
Alternativamente, la aplicación individual de las fracciones en-gel-digestión derivados de una muestra (de gel zonas procesadas por separado de un carril de la muestra) y fracciones generado de la muestra digerida en solución (por ejemplo, por cromatografía de intercambio iónico) a espectrometría de masas puede aumentar la profundidad analítica. Sin embargo, este flujo de trabajo prolongado aumenta dramáticamente el tiempo requerido para LS-MS de adquisición de datos / MS. para generatioSe requiere n de una secuencia molecular detallada de los reordenamientos de proteínas sinápticas durante el aprendizaje y la formación de la memoria de un curso de tiempo especificado de la perfiles proteómicos. Este curso de tiempo puede empezar inmediatamente después o incluso durante la primera sesión de entrenamiento y cubre un periodo de tiempo de malla fina hasta que el rendimiento de los animales alcanzó el nivel asintótico de la curva de aprendizaje después de aprox. 8 – 10 días de entrenamiento (véase la Figura 2 para más detalles).
El análisis de los cambios de fosforilación de las proteínas sinápticas requiere un enfoque particular en los marcos de tiempo seleccionados durante el aprendizaje FMTD. En las cascadas de señalización por un lado, que inician reordenamientos de proteínas sinápticas conocidos por estar desencadenada por fosforilaciones de proteínas y desfosforilaciones se espera en etapas muy tempranas de la formación animal. Por otro lado, hay largos modificaciones duraderas de múltiples proteínas sinápticas fosforilados conocidas que regulan la conectividad y el montaje dentro de los sarquitectura ynaptic 19, 20. Se espera que estas modificaciones posteriores a la traducción, incluso en momentos posteriores de consolidación de la memoria.
Los conjuntos de datos complejos generados por este flujo de trabajo proteómico requieren un procesamiento bioinformático para identificar las vías moleculares y moléculas clave que participan. El meta-análisis muestra vías excesivamente importantes, que desempeñan un papel en los procesos de aprendizaje y 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 |