Bu protokol, fare beyninden son derece saf sinaptozomlar, sinaptik veziküller ve diğer sinaptik fraksiyonları elde etmek için sağlam ve ayrıntılı bir yöntem sunar. Bu yöntem, protein lokalizasyonunun ve fonksiyonunun kompartmanlı çözünürlükle biyokimyasal analizi de dahil olmak üzere sinaptik süreçlerin değerlendirilmesini sağlar.
Sinaptik terminaller nöronal iletişimin birincil bölgeleridir. Sinaptik disfonksiyon, birçok nöropsikiyatrik ve nörolojik bozukluğun ayırt edici özelliğidir. Bu nedenle, sinaptik alt bölmelerin biyokimyasal izolasyon ile karakterizasyonu, hem sağlıkta hem de hastalıkta sinaptik süreçlerin moleküler temellerini aydınlatmak için güçlü bir yöntemdir. Bu protokol, sinaptik terminallerin ve sinaptik alt bölmelerin hücre altı fraksiyonasyon ile fare beyinlerinden izole edilmesini açıklar. İlk olarak, sinaptozomlar olarak bilinen kapalı sinaptik terminal yapılar, beyin dokusu homojenizasyonunu takiben izole edilir. Sinaptozomlar, sıkışmış ve kapatılmış membranlara sahip nöronal sinaptik öncesi ve sonrası bölmelerdir. Bu yapılar metabolik olarak aktif bir durumu korur ve sinaptik yapı ve işlevi incelemek için değerlidir. Sinaptozomlar daha sonra sinaptik veziküller, sinaptik sitosol ve sinaptik plazma membranı için zenginleştirilmiş sinaptik alt bölmeler elde etmek için hipotonik lizise ve ultrasantrifüjlemeye tabi tutulur. Fraksiyon saflığı, elektron mikroskobu ve subsinaptik bölmelere özgü proteinler için biyokimyasal zenginleştirme analizi ile doğrulanır. Sunulan yöntem, sinapsın yapısal ve fonksiyonel özelliklerini ve çeşitli beyin bozukluklarının moleküler etiyolojisini incelemek için basit ve değerli bir araçtır.
Sinapslar, nöronların çeşitli ve zarif bir şekilde karmaşık işlevleri yerine getirdiği ve uyguladığı beynin temel hesaplama birimleridir. Sinapslar, bu nedenle, beynin sağlığı için temeldir1; sinaptik disfonksiyon birçok bozukluğun kaynağı veya sonucu olarak rol oynar2. Sinapslar, sinaptik yapışma molekülleri tarafından geçilen sinaptik bir yarıkla yakından yerleştirilen ve ayrılan iki farklı nöronun uzantıları olan sinaptik öncesi ve sonrası terminallerden oluşur. Bilgi, sinaptik bölme öncesinden sonrasına kadar, nörotransmiterler1 adı verilen kimyasal haberciler şeklinde akar. Nörotransmisyonda yer alan moleküler süreçler aktif araştırma alanlarıdır 3,4,5. Sinaptik terminallerdeki patojenik süreçleri ve sinapsların diğer nöronal alt bölmelerdeki patolojiye tepkisini anlamak, beyin bozukluklarını ele almak için çok önemli adımlardır 1,2. Ağırlıklı olarak murin modellerine uygulanan çeşitli metodolojik ilerlemeler, bu arayışıilerletmiştir 6. Diferansiyel santrifüjleme ile sinaptik fraksiyonların izolasyonu, sağlık ve hastalıkta sinaptik süreçlerin ayrıntılı olarak değerlendirilmesini sağlayan paradigma değiştiren bir yöntemdir.
Yetişkin insan beyni 80-90 milyar nörondan oluşur 7,8. Murin türleri arasında, sıçan beyni yaklaşık ~ 200 milyon nöron içerirken, fareler ~ 70 milyon 9,10’a sahiptir. Her nöron, glial hücreler ve yoğun vaskülatür ile karışmış yüksek polarize nöronlardan oluşan bir ağ ile binlerce spesifik sinaptik bağlantı oluşturur. Böyle karmaşık ve heterojen dokularda, bir zamanlar sinapsları bağımsız bir sistem olarak izole etmek ve incelemek düşünülemezdi. 1960’larda, Victor Whittaker, Catherine Hebb ve diğerleri, hücre altı fraksiyonasyonu11,12,13,14 kullanarak bozulmamış sinaptik terminalleri izole ederek bunu mümkün kıldı. Sinaptik vezikülleri (SV’ler) izole etme girişiminde, beyinleri izo-ozmotik (0.32 M) sakarozda sıvı kesme kuvveti ve ardından ultrasantrifüjleme yoluyla homojenize ettiler. Sıkışmış, plazma zarı ile kaplı, sağlam sinir terminalleri veya varisler elde ettiler ve bunlara sinir sonu parçacıkları (NEP’ler) adını verdiler11,13. Sinapsın yapısal ve fonksiyonel özellikleri bu yapılarda korunduğundan, NEP’ler daha sonra diğer hücre altı organellerle uyum için “sinaptozomlar” olarak adlandırıldı13,15. “Sinaptik vezikül” terimini icat eden Eduardo de Robertis ve meslektaşlarının çalışmalarının, Whittaker ve meslektaşlarınınkiyle örtüştüğünü ve “sinaptozom” izolasyonunun ve karakterizasyonunun doğrulanmasına katkıda bulunduğunu belirtmek gerekir16,17,18.
Sinaptozomlar, nörotransmitterlerin depolanması, salınması ve geri alımı için gerekli tüm hücresel ve moleküler özellikleri içeren fizyolojik olarak aktif yapılardır13,18. Anahtar sinaptik özelliklerin in vitro olarak korunması ve sinaptik olmayan bileşenlerden özgürlük de bu izolasyon yönteminin yararlılığına katkıda bulunur. Sinaptozomlar, nörotransmisyonun kimyasal ve fizyolojik özelliklerinin anlaşılmasına büyük katkıda bulunmuştur ve şimdi sinaptik moleküler süreçleri ve bunların hastalıktaki değişikliklerini incelemek için kullanılmaktadır 19,20,21,22,23. Sinaptozomlar ayrıca SV’ler, klatrin kaplı veziküller (CCV’ler), sinaptik sitosol, sinaptik plazma zarı, sinaptik mitokondri, sinaptik adezyon molekülleri ve sinaptik fonksiyonun moleküler mekanizmalarının anlaşılmasını kolaylaştırabilecek diğer ilgili bileşenler gibi sinaptik bileşenleri izole etmek için ilk kaynak materyaldir 18,19,20,24,25,26, 27,28. Bu subsinaptik bileşenler, sinaptozomların ozmotik lizisi ve sakkaroz yoğunluk gradyanı ultrasantrifüjleme15,29 ile elde edilebilir. Whittaker’ın araştırma grubu tarafından orijinal hücre altı fraksiyonasyon yönteminin kaliteli sinaptozomların ve SV’lerin 13,30’un izole edilmesinde etkili olduğu bilinmesine rağmen, son optimizasyonlar hücre altı fraksiyonların saflığını arttırmaktadır22,23,31,32. Bu makale, sinaptozomları, SV’leri ve diğer alt sinaptik bileşenleri izole etmek için murin beyin dokusunun hücre altı fraksiyonasyonu için klasik bir protokolün oldukça ayrıntılı ve erişilebilir bir versiyonunu sunmaktadır.
Seminal çalışmalarında, Whittaker ve meslektaşları sinaptozomları tanımlamak için dört morfolojik kriter kullandılar: (1) yapılar kapalı bir plazma zarına sahiptir; (2) yapılar, sinir terminallerindekilere benzeyen SV’ler ve boyut ve sayı olarak in situ varisler içerir; (3) Yapıların bir veya daha fazla küçük mitokondriye sahip olması; ve (4) presinaptik membran sıklıkla sinaptik bir post-sinaptik bileşene yapışır11,12,13. İlk iki kriter genellikle her izolasyon yöntemi için geçerli olsa da, bu makalede açıklanan en son protokollerde, ortaya çıkan tüm sinaptozomlarda mitokondri ve bağlı post-sinaptik terminaller olmayacaktır. Sinaptozomların yaklaşık% 60’ında mitokondri olacaktır ve sadece% 15’ine kadarının sinaptik sonrası terminallere bağlı olduğu tahmin edilmektedir37. Post-sinaptik bileşenler özellikle ilgi çekiciyse, zenginleştirme için izotonik Krebs benzeri homojenizasyon tamponunun ve basınç filtrasyonunun kullanılmasının, post-sinaptik terminallerle (sinaptonörozomlar olarak da adlandırılır) yüksek konsantrasyonlarda sinaptozomlar ürettiği bilinmektedir22,38.
Hayvanı kurban etme yöntemi, sinaptozomların ve sinaptik alt fraksiyonların kalitesini etkileyebilir. Anestezi gerektirmeyen bir ötenazi yöntemi kullanılarak kurban edilen yetişkin hayvanlar, en iyi fraksiyon kalitesi ile sonuçlanacaktır. Ayrıca, beyinler taze olarak diseke edilmeli, dondurulmamalı ve en uygun sinaptik fraksiyonlar için 1:10 oranında homojenizasyon tamponu (ağırlık / hacim) kullanılarak homojenize edilmelidir22. Beyin, taşıdıkları nörotransmiterlerin türüne göre ayırt edilebilen heterojen bir sinaps popülasyonuna sahiptir. Sinaptozom oluşumu genellikle sinaps tipi veya nörotransmitter içeriğinden etkilenmez13. Bunun bir istisnası, beynin geri kalanından sinaptozomlar elde etmek için en uygun koşullarda bozulduğu bilinen beyincikteki yosunlu liflerdir39,40. Bu nedenle, beyin homojenizasyonundan önce beyinciğin çıkarılması, bu bölgenin dışlanması deneysel hedefi etkilemiyorsa önerilir. Belirli bir nörotransmitter karakterinin sinaptozomlarını izole etmekle ilgileniyorsanız, beynin ilgilenilen nörotransmitteri içeren nöronlar için zenginleştirilmiş alanları ilk önce izole edilebilir. Bununla birlikte, bu yaklaşım, ilgilenilen bölgenin büyüklüğüne bağlı olarak nihai kesir verimine sınırlamalar getirecektir (bu nedenle hayvanların yaşı da dikkate alınmaktadır). Nörotransmittere özgü sinaptozomların izolasyonu için immünokimyasal yöntemler vardır, ancak canlılık ve verim önemli ölçüde tehlikeye girecektir22. Sinaptozomun metabolik canlılığını değerlendirmek önemliyse, nörotransmitter salınımının ölçümü 41,42 veya bazı enzimatik testler43 kullanılabilir.
Sinaptozom preparatlarındaki yaygın kirleticiler arasında mikrozomlar, serbest mitokondri, SV’ler ve nöronal ve glial membranlar bulunur. Kontaminasyon, P1 ve P2fraksiyonlarındaki yıkama sayısını artırarak ve sonraki adımlarda kırmızı mitokondriyal peletin yeniden süspansiyonundan kaçınarak azaltılabilir. Metabolik canlılığın ve zamanın çok önemli olduğu deneylerde, yıkama sayısının azaltılması ve sakkaroz gradyanları üzerinde Ficoll veya Percoll gradyanlarının kullanılması 44,45,46 yardımcı olacaktır. Bu yöntemler aynı zamanda kontaminasyonu önemli ölçüde azaltır. Whittaker’ın orijinal protokolü yüksek kaliteli SV’ler verdi. Bu yönteme dahil edilen Nagy ve ark.23 tarafından yapılan daha ileri optimizasyon, verim36’dan önemli ölçüde ödün vermeden olağanüstü homojenlik ve saflığa sahip SV’ler üretmektedir. Glutamaterjik (VGLUT-1-içeren) veya GABAerjik (VGAT-1-içeren) SV’ler gibi spesifik SV alt tipleri ilgi çekiciyse, spesifik antikorlar kullanılarak immünoizolasyonyapılabilir 47,48. CCV’leri, diferansiyel yoğunluk nedeniyle, bu yöntemle elde edilen SV’lerle aynı arayüzde bulunmayabilecek sinaptozomlardan izole etmek için alternatif yöntemler de mevcuttur20,49,50.
Genel olarak, sinaptik bileşenleri izole etmek için mevcut protokol, kaynak beyin dokusunun kalitesine ve miktarına ve deneysel hedeflere bağlı olarak geliştirilmiş homojenlik ve canlılığa sahip fraksiyonlar elde etmek için daha da optimize edilebilir. Daha fazla sorun giderme ayrıntısı için, Dunkley ve Robinson22 ve Ganzella ve ark.36’nın kitap bölümlerine başvurulmalıdır.
The authors have nothing to disclose.
EM görüntü hazırlığı için P. Colosi’ye teşekkür ederiz. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01 NS064963, SSC; R01 NS110354, SSC; R01 NS083846, SSC; R21 NS094971, SSC; T32 NS007224, SMT; T32 NS041228, SMT), Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı (W81XWH-17-1-0564, SSC; W81XWH-19-1-0264, VDJ), Parkinson (ASAP) İşbirlikçi Araştırma Ağı (SSC) ve Michael J. Fox Vakfı Hedef İlerleme Programı (MJFF-020160, SSC ve VDJ) Genelinde Bilimi Hizalamak. BioRender.com kullanarak grafiksel illüstrasyonlar oluşturduk.
1 mL TB Syringe | BD | 309649 | |
1.5 mL Eppendorf Tubes | USA Scientific | 1415-2500 | |
14 mL, Open-Top Thinwall Ultra-Clear Tube | Beckman Coulter | 344060 | Compatible with SW 40 Ti |
23 Gauge Precision Glide Hypodermic Needle | BD | 305145 | |
26.3 mL, Polycarbonate Bottle with Cap Assembly | Beckman Coulter | 355618 | Compatible with Ti70 |
3.5 mL, Open-Top Thickwall Polypropylene Tube | Beckman Coulter | 349623 | Compatible with TLA-100.3 |
50 mL Falcon Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Unit | Millipore Sigma | UFC901024 | |
Aprotinin | Sigma-Aldrich | A6279 | 1 mg/mL in diH2O |
Avanti J-26 XP Centrifuge | Beckman Coulter | B22984 | <26,000 rpm |
Benchtop HDPE Dewar Flask | Thermo Scientific | 5028U19 | |
C57BL/6J Mice | The Jackson Labs | 000664 | |
Centrifuge 5810R | Eppendorf | EP022628168 | <14,000 rpm |
complete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Tablets | Roche | 11873580001 | Add 1 tablet per 50 mL of solution |
Curved Forceps | Fine Science Tools | 11273-20 | |
Fine Surgical Scissors | Fine Science Tools | 8r | |
Glas-Col Tissue Homogenizing System | Cole-Parmer | UX-04369-15 | |
Graefe Forceps | Fine Science Tools | 11650-10 | |
High-Speed Polycarbonate Round Bottom Centrifuge Tubes | ThermoFisher | 3117-0500 | Compatible with JA20 |
Isofluorane | Henry Schein Animal Health | NDC 11695-6776-2 | |
JA-20 Rotor | Beckman Coulter | 334831 | |
Leupeptin | American Bio | AB01108 | 1 mg/mL in diH2O |
N-[2-Hydroxyethyl] piperazine-N’-[2-ethanesulfonic acid] (HEPES) | American Bio | AB00892 | |
Optima L-80 XP Ultracentrifuge | Beckman Coulter | <100,000 rpm | |
Optima TLX Ultracentrifuge | Beckman Coulter | <120,000 rpm | |
Pepstatin A | Thermo Scientific | 78436 | 1 mg/mL in DMSO |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | American Bio | AB01620 | |
Pierce BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | 23335 | For determination of protein concentration |
Pipette Tips | |||
Serological Pipettes | |||
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | |
Surgical Scissors | Fine Science Tools | 14002-12 | |
SW 40 Ti Swinging-Bucket Rotor | Beckman Coulter | 331301 | |
Teflon-Coated Pestle and Mortar Tissue Grinder | Thomas Scientific | 3431D94 | |
Ti70 Rotor | Beckman Coulter | 337922 | |
TLA-100.3 Rotor | Beckman Coulter | 349490 | |
Tube Revolver | Dot Scientific | DTR-02VS |