In Vivo Targeting von neuronalen Vorläuferzellen in Ferret Neocortex durch Utero Elektroporation

Der Neocortex ist das äußere Blatt des Säugetier-Großhirns und der Sitz der höheren kognitiven Funktionen^1,2,3,4,5. Um eine akute genetische Manipulation des Säugetierneocortex in vivo während der embryonalen Entwicklung zu erreichen, wurden zwei verschiedene Methoden untersucht: Virusinfektion⁶ und utero Elektroporation⁷. Beide Methoden ermöglichen eine effiziente Ausrichtung auf neokortikale Zellen, leiden aber unter einigen Einschränkungen. Der hauptvorteil der Utero-Elektroporation im Vergleich zur Virusinfektion ist die Fähigkeit, räumliche Spezifität innerhalb des Neocortex zu erreichen, die durch die Regulierung der Richtung des elektrischen Feldes erreicht wird.

Da die Elektroporation erstmals gezeigt wurde, um den Eintrag von DNA in die Zellen in vitro⁸zu erleichtern, wurde sie angewendet, um DNA in verschiedenen Wirbeltieren in vivo zu liefern. In der Entwicklungsneurowissenschaft wurde in der Utero-Elektroporation der Maus Neocortex erstmals 2001 berichtet^9,10. Dieses Verfahren besteht aus einer Injektion des DNA-Gemischs in den seitlichen Ventrikel des embryonalen Gehirns und der anschließenden Anwendung des elektrischen Feldes mit Pinzettenelektroden, die räumliche Präzision^7,11ermöglicht. In der Gebärmutter wurde seitdem die Elektroporation angewendet, um Nukleinsäuren zu liefern, um die Expression endogener oder ektopisch zugesetzter Gene im Mausneocortex zu manipulieren. Wichtige Fortschritte wurden in letzter Zeit durch die Anwendung der Methodik der CRISPR/Cas9-vermittelten Genombearbeitung über die Utero-Elektroporation im Maus-Neocortex erzielt, um (1) Genstörungen in postmitotischen Neuronen^12,,13 und neuronalen Vorläuferzellen¹⁴und (2) Genom¹⁵ und Epigenom^{16-Bearbeitung} durchzuführen.

Sehr bald nach dem ersten Bericht in der Maus wurde in der Utero-Elektroporation auf die embryonale Ratte Neocortex^17,18angewendet. Nicht-Nagetiere blieben eine Herausforderung, bis die erste in der Utero Elektroporation von Frettchen, ein kleiner Fleischfresser, wurde im Jahr 2012 gemeldet^19,20. Seitdem wurde in der Utero-Elektroporation von Frettchen die Mechanismen der Neocortex-Entwicklung untersucht, indem neuronale Vorläufer und Neuronen^20,21,22,^22,manipuliert die Expression endogener Gene, einschließlich der Verwendung der CRISPR/Cas9-Technologie²⁴, und durch die Bereitstellung von ektopischen Genen^21,22,25, einschließlich humanspezifischer Gene²⁶. Darüber hinaus wurde bei der Utero-Elektroporation von Frettchen verwendet, um Merkmale der menschlichen Neocortex-Entwicklung unter pathologischen Bedingungen zu adressieren^27,28.

Im Kontext der Neocortex-Entwicklung sind die Vorteile der Verwendung von Frettchen als Modellorganismus im Vergleich zu Mäusen darauf zurückzuführen, dass Frettchen eine Reihe von menschenähnlichen Merkmalen besser rekapitulieren. Auf anatomischer Ebene weisen Frettchen ein charakteristisches Muster der kortikalen Faltung auf, das auch bei menschenverachtenden und den meisten anderen Primaten vorhanden ist, bei Mäusen oder Ratten^jedochvöllig abwesend ist 4^,29,30,31. Auf histologischer Ebene weisen Frettchen zwei unterschiedliche subventrikuläre Keimzonen auf, die als innere und äußere subventrikuläre Zonen (ISVZ bzw. OSVZ)^32,33bezeichnet werden, die durch die innere Faserschicht²³getrennt sind. Diese Eigenschaften werden auch mit Primaten geteilt, einschließlich Menschen, aber nicht mit Mäusen³⁴. Die ISVZ und OSVZ bei Frettchen und Menschen sind mit reichlich neuronalen Vorläuferzellen bevölkert, während die subventrikuläre Zone (SVZ) von Mäusen nur spärliche neuronale Vorläufer^21,32,35,36enthält. Auf zellulärer Ebene weisen Frettchen einen hohen Anteil eines Subtyps von neuronalen Vorläufern auf, die als basaler oder äußerer radialer Glia (bRG bzw. oRG) bezeichnet werden und als entscheidend für die evolutionäre Ausdehnung des Säugetierneocortex^34,37,38angesehen werden. bRG sind daher sehr reichlich in der fetalen menschlichen und embryonalen Frettchen Neocortex, aber sie sind sehr selten in der embryonalen Maus Neocortex^35,36. Darüber hinaus zeigt Frettchen bRG eine morphologische Heterogenität ähnlich der menschlichen bRG, weit überlegen gegenüber Maus bRG²¹. Schließlich zeigt die Entwicklung von Frettchen-Neocortex auf molekularer Ebene Genexpressionsmuster, die denen des fetalen menschlichen Neocortex sehr ähnlich sind, von denen angenommen wird, dass sie die Entwicklung der kortikalen Faltung steuern, unter anderem³⁹.

Die zellbiologischen und molekularen Eigenschaften von Frettchen bRG machen sie hoch proliferativ, ähnlich wie menschliche bRG. Dies führt zu einer erhöhten Produktion von Neuronen und der Entwicklung eines erweiterten und hochkomplexen Neocortex³⁴. Diese Eigenschaften machen Frettchen ausgezeichnete Modellorganismen für die Untersuchung von menschenähnlichen Merkmalen der Neocortex-Entwicklung, die nicht in Mäusen modelliert werden können^26,40. Um das Frettchen als Modellorganismus voll auszunutzen, wurde die vorgestellte Methode entwickelt. Es besteht aus der Utero-Elektroporation von E33-Ferret-Embryonen mit einem Plasmid, das GFP (pGFP) unter der Kontrolle eines allgegenwärtigen Promotors, CAG, exzessiv ausdrückt. Die elektroporated Embryonen können dann embryonal oder postnatal analysiert werden. Um die Anzahl der geopferten Tiere zu reduzieren, werden weibliche Frettchen (Jills) durch Hysterektomie sterilisiert und zur Adoption als Haustiere gespendet. Wenn die gezielten Embryonen in embryonalen Stadien geerntet werden, wird eine zweite Operation durchgeführt und die Embryonen werden durch einen Kaiserschnitt entfernt, während die Jills hysterektomisiert sind. Wenn die gezielten Embryonen in postnatalen Stadien analysiert werden, werden die Jills hysterektomisiert, nachdem die Welpen entwöhnt oder geopfert wurden. Daher wird auch ein Protokoll für die Hysterektomie von Jills vorgestellt.