Покадровая визуализация арборизации нейронов с использованием разреженной аденоассоциированной вирусной маркировки генетически целевых популяций клеток сетчатки

Дендриты нейронов сетчатки образуют сложные, но специфические паттерны, которые влияют на их функцию в нейронных цепях. В сетчатке позвоночных различные типы ганглиозных клеток сетчатки (RGC) и интернейроны амакриновых клеток имеют уникальную дендритную морфологию, которая отличается размером беседки, расположением, длиной ветвей и ^{плотностью1}. Во время постнатального развития RGC и амакриновые клетки распространяют обильные дендритные процессы в нейропил, называемый внутренним плексиформным слоем (IPL), где они получают биполярные клеточные входы, передающие сигналы фоторецепторов2. С учетом покадровой визуализации флуоресцентно меченых популяций сетчатки у личинок цыплят или рыбок данио, морфогенез дендритов очень динамичен3,4,5. В течение нескольких дней дендритные беседки расширяются, реконструируются и разветвляются до узких подслоев IPL, где они синапсируются с избранными партнерами. Беседки демонстрируют различную структурную динамику над развитием, с изменениями относительных скоростей добавления ветвей, втягивания и стабилизации. Дендриты амакрина и RGC также демонстрируют различное поведение роста и ремоделирования, которое может отражать типоспецифическую арборизацию. Тем не менее, эти исследования отслеживали широкие популяции амакрина или RGC и были сосредоточены на ламинарном нацеливании, которое является лишь одним из аспектов морфологии.

Механизмы, которые производят огромное морфологическое разнообразие, наблюдаемое среди подтипов сетчатки, плохо изучены. Целью этой группы была разработка метода захвата динамики дендритов и ремоделирования беседки определенных подтипов сетчатки у мышей. Идентификация специфических для типа клеток механизмов дендритового паттерна требует методов визуализации и измерения дендритового поведения интересующих клеток. Органотипические культуры сетчатки мышей хорошо подходят для исследований изображений живых клеток с использованием конфокальной или многофотонной микроскопии. Развивающиеся сетчатки рассекаются и монтируются в плоскую эксплант, которая может быть изображена в течение нескольких часов в записывающей камере или культивирована в течение нескольких дней с ограниченным воздействием на ^{схему6,7}. Живые нейроны сетчатки могут быть помечены различными методами, включая заполнение красителем электродами, электропорацию, биолистическую доставку частиц, покрытых липофильными красителями или плазмидами, кодирующими флуоресцентные белки (например, Gene Gun), а также генетически закодированные клеточные метки7,8,9,10 . Однако эти подходы неэффективны для визуализации динамики дендритов конкретных подтипов сетчатки. Например, методы наполнения красителем имеют низкую пропускную способность и требуют электрофизиологического аппарата и дополнительных генетических меток для надежного нацеливания на интересующие клетки. Кроме того, сильные флуоресцентные сигналы в соме могут скрывать близлежащие дендриты.

Биолистические методы доставки генов могут одновременно маркировать десятки клеток, но этапы, включающие доставку частиц высокого давления и ночную инкубацию изолированной сетчатки, могут поставить под угрозу физиологию клеток и дендритный рост. В этой статье предполагается, что последние генетические инструменты могут быть использованы для захвата ранней динамики дендритов с типом клеток и структурным разрешением, учитывая следующие экспериментальные критерии. Во-первых, чтобы разрешить тонкие ветви и филоподии, которые доминируют над развивающимися беседками, метод должен маркировать нейроны яркими, флуоресцентными белками, которые заполняют процессы во всей беседке. Флуоресцентная маркировка не должна исчезать из-за фотоотбеливания в течение периода визуализации. Различные варианты флуоресцентных белков были сгенерированы и сравнены на предмет пригодности для визуализации in vivo/ex ^vivo11 на основе яркости и фотостабильности. Во-вторых, флуоресцентные белки (XFP) должны быть выражены на достаточно высоких уровнях на самой ранней стадии морфогенеза дендритов, чтобы не пропустить узкое окно развития. При анализе статических временных точек в сетчатке мыши развитие дендрита происходит в течение первой постнатальной недели и включает фазы роста, ремоделирования и стабилизации10,12,13,14,15. В-третьих, метод должен привести к селективной маркировке или к повышенной вероятности маркировки интересующей нейронной субпопуляции. В-четвертых, маркировка целевой субпопуляции должна быть достаточно разреженной, чтобы можно было идентифицировать и проследить всю нейрональную беседку. Хотя подтипы RGC и amacrine можно отличить по их зрелым морфологическим характеристикам и моделям стратификации IPL16,17,18,19,20, задача состоит в том, чтобы идентифицировать подтипы во время развития на основе незрелых структур. Этой задаче способствует расширение трансгенных инструментов для маркировки конкретных типов клеток сетчатки во время развития.

Трансгенные и мышиные линии, в которых клеточная и временная экспрессия флуоресцентных белков или Cre определяется регуляторными элементами генов, широко используются для изучения типов клеток сетчатки13,21,22,23. Основные наблюдения за субтип-специфическими паттернами развития дендритов были получены из исследований трансгенных сетчаток мыши в статических точках времени10,14,24,25. Система Cre-Lox, в частности, позволяет осуществлять изысканные манипуляции с генами и мониторинг подтипов с использованием различных рекомбиназозависимых репортеров, датчиков и оптогенетических активаторов. Эти инструменты привели к открытию подтип-специфических молекулярных программ и функциональных свойств, которые лежат в основе сборки схем сетчатки26,27,28,29,30. Тем не менее, их еще предстоит использовать для изучения подтип-специфической динамики дендритов в сетчатке мыши. Маркировка низкой плотности может быть достигнута путем объединения линий мыши Cre с трансгенами, введенными электропорацией или рекомбинантными AAV. При наличии также могут быть использованы тамоксифен-индуцируемые линии Cre или интерсекциональные генетические стратегии. Наконец, клетка должна быть помечена минимально инвазивным способом и визуализирована с использованием параметров приобретения, чтобы не компрометировать ткань или не вмешиваться в клеточную функцию, необходимую для морфогенеза дендрита.

Здесь представлен метод применения трансгенных инструментов и конфокальной микроскопии для исследования динамики дендритов в живых эксплантах сетчатки живых мышей. Трансгенные линии мыши Cre были объединены с векторами AAV, которые экспрессируют флуоресцентные белки при рекомбинации Cre, что позволяет разреженно маркировать интересующие клетки сетчатки. Коммерчески доступные AAV доставляются в неонатальную сетчатку с помощью интравитреальных инъекций. В этой статье показано, что AAV производят значительно высокую и специфическую для типа клеток флуоресцентную экспрессию на 4 dpi, что позволяет получить доступ к постнатальным временным точкам. Чтобы проиллюстрировать этот подход, холинергический «звездообразующий» интернейрон амакрина был помечен путем доставки Brainbow AAV у неонатальных мышей, экспрессирующих холинацетилтрансферазу (ChAT)-внутренний сайт входа рибосомы (IRES)-Трансген Cre, который активен в ранней постнатальной сетчатке31,32. Звездообразующие амакриновые клетки развивают стереотипную и радиальную морфологию беседки, которая формируется дендрритным самоизбытием, опосредованным кластеризованными протокадгеринами33,34. В данной работе показано, что разрешение звездообразования дендритов и филоподий значительно улучшается XFP к плазматической мембране с добавлением мотива CAAX, который подвергается фарнезилированию, как это используется для Brainbow ^AAVs31. Наконец, были определены протоколы покадровой визуализации и постобработки, которые дают высококачественные изображения, поддающиеся реконструкции дендритов и морфометрической количественной оценке. Этот протокол может быть использован для идентификации факторов, контролирующих морфогенез дендритов, и для захвата нескольких клеточных поведений в интактной сетчатке.