Metoder för modulering och analys av NF-KB-beroende Vuxen Neurogenes
Summary
Metoder för manipulering och analys av NF-KB-beroende vuxna hippocampus neurogenes beskrivs. Ett detaljerat protokoll presenteras för en gyrus dentatus beroende beteendetest (benämnd den rumsliga mönstret separation-Barnes labyrint) för utredning av kognitiva utfall i möss. Denna teknik bör också bidra till att göra det möjligt för undersökningar i andra experimentella inställningar.
Abstract
Hippocampus spelar en central roll i bildandet och konsolideringen av episodiska minnen, och rumslig orientering. Historiskt sett har den vuxna hippocampus setts som en mycket statisk anatomisk region i däggdjurshjärnan. Dock har de senaste rön visat att gyrus dentatus i hippocampus är ett område med enorma plasticitet hos vuxna, som inte bara modifieringar av befintliga neuronala kretsar, men också vuxna neurogenes. Denna plasticitet regleras av komplexa transkriptions nätverk, där transkriptionsfaktorn NF-kB spelar en framträdande roll. Att studera och manipulera vuxen neurogenes, en transgen musmodell för hjärnan specifik neuronal hämning av NF-kB aktivitet kan användas.
I denna studie, är metoder som beskrivs för analys av NF-kB-beroende neurogenes, inklusive dess strukturella aspekter, neuronal apoptos och stamfader spridning, och kognitiv betydelse, which specifikt bedömts via en gyrus gyrus (GD) beroende beteendetestet, det rumsliga mönstret separation-Barnes labyrint (SPS-BM). SPS-BM-protokoll kan enkelt anpassas för användning med andra transgena djurmodeller som syftar till att bedöma inverkan av vissa gener på vuxna hippocampus neurogenes. Vidare skulle SPS-BM användas i andra experimentella inställningar som syftar till att undersöka och manipulera GD beroende lärande, exempelvis med användning av farmakologiska medel.
Introduction
Ontologiskt är hippocampus ett av de äldsta anatomiska hjärnstrukturer kända. Den ansvarar för olika komplexa uppgifter, såsom centrala funktioner i regleringen av långtidsminnet, rumslig orientering och bildning och konsolidering av respektive minne. Anatomiskt, hippocampus består av pyramidal cellager (stratum pyramidale) inklusive Cornu Ammonis (CA1, CA2, CA3 och CA4) regioner och gyrus dentatus (gyrus dentatus), som innehåller granulat celler och några neuronala stamceller inom sitt subgranular zon . De granulceller projicera mot CA3-regionen via de så kallade mossfibrer (axoner av granulceller).
Fram till slutet av förra århundradet, var den vuxna däggdjurshjärnan som tros vara ett statiskt organ som saknar cellulär plasticitet och neurogenes. Men under de senaste två decennierna, visar vuxen neurogenes sker i en växande mängd bevis klart minsttvå hjärnregioner, subventrikulära zonen (SVZ) och subgranular zon av hippocampus.
Våra tidigare studier, och de av andra grupper, har visat att transkriptionsfaktorn NF-kB är en av de avgörande molekylära regulatorer av vuxen neurogenes, och att dess avreglering leder till allvarliga strukturella hippocampus defekter och kognitiva försämringar 1-6. NF-kB är samlingsnamnet på en inducerbar transkriptionsfaktor som består av olika dimera kombinationer av fem DNA-bindande subenheter: P50, P52, c-Rel, RelB, och p65 (RelA), de tre sistnämnda som har transaktiveringsdomäner. Inom hjärnan, den vanligast förekommande formen finns i cytoplasman är en heterodimer av p50 och p65, som hålls i inaktiv form genom hämmare av kappa B (iKB)-proteiner.
För att studera och direkt manipulera NF-kB-driven neurogenes använder vi transgena musmodeller för att möjliggöra enkel hämning av alla av NF-KB subunsin, särskilt i framhjärnan 7 (se figur 1). För detta ändamål, vi Korsning följande transgen mus linjer, IkB / – och -/tTA. Transgen iKB / – linjegenererades med användning av en negativ transdominant mutant av NF-KB-inhibitor IκBa (super-repressor IκBa-AA1) 8. I motsats till vildtyp iKBa har iKBa-AA1 två serinrester muterade till alaniner (V32 och V36), som hindrar fosforylering och efterföljande proteasomal nedbrytning av inhibitorn. För framhjärnan neuron-specifikt uttryck för den IκBa-AA1-transgen, iKB / – möss kors uppvuxna med möss som härbärgerar en kalcium-kalmodulinberoende kinas Ila (CAMKIIα)-promotor som kan drivas av tetracyklin trans-aktivator (TTA) 9.
p65 knock-out-möss har en embryonal letal fenotyp, på grund av omfattande lever apoptos 10, så det tillvägagångssätt som visas här ger en elegant metodför att undersöka rollen av NF-kB i postnatal och vuxen neurogenes.
Den klassiska beteendetestet för att studera spatial inlärning och minne beskrevs på 1980-talet av Richard Morris, ett test som kallas Morris water-maze (MWM) 11. I detta öppna fält vatten-labyrint, djur lär sig att fly från ogenomskinligt vatten på en dold plattform som bygger på orientering och extra labyrint ledtrådar. En torr variant av MWM är den så kallade Barnes labyrint (BM) 12. Detta test använder en cirkulär platta med 20 Cirkulära hål vid gränsen av en platta, med en definierad hål som en flykt rutan och visuella extra labyrint ledtrådar för orientering. Både experimentella paradigm är beroende av flygbeteende som framkallas av en gnagare `s motvilja mot vatten, eller öppna, ljust upplysta utrymmen. Båda testerna möjliggöra en undersökning av rumslig orientering, och den relaterade minnesprestanda. Även hippocampus spelar en allmän och viktig roll i det rumsliga minnesbildande, hippocampus regions inblandade varierar beroende på testet tillämpas. Den testas i BM minnet uppstår nervaktivitet mellan enthorinal cortex (EG) och de pyramidala neuron belägna i CA1-regionen i hippocampus utan ett bidrag från GD 13-16. I synnerhet den klassiska BM bygger i huvudsak på navigering via monosynaptic temporo-ammonic vägen från EG III till CA1 till EG V. Viktigt är GD avgörande inblandade i den så kallade rumsliga mönsterigenkänning 17, vilket innebär inte bara behandlingen av visuell och rumslig information, utan även omvandlingen av liknande utfästelser eller minnen i olika, nonoverlapping representationer. Här krävs en funktionell tri-synaptiska krets från EC II till GD till CA3 till CA1 och EG-VI, som inte kan testas i BM 15.
För att möta dessa utmaningar har vi tagit fram SPS-BM som ett beteendetest för att specifikt testa gyrus dentatus beroende kognitiv prestation i samarbetentrol djur, och i IkB / tTA super-repressor modellen efter NF-kB inhibition. Viktigt är att i motsats till den MWM eller BM, kan SPS-BM avslöja subtila beteendestörningar till följd av försämring av neurogenes. Eftersom spatial-mönster-separationen är helt beroende av en fungerande krets mellan EG II och GD och CA3 och CA1 och EG VI, är mycket känslig för eventuella förändringar i neurogenes, ändringar av den mossiga fibervägen eller ändringar av vävnad homeostas inom detta test GD.
Tekniskt sett är det utformningen av vårt test baserad på studien från Clelland et al., Där den rumsliga separationen mönstret testades med hjälp av ett trä 8-arm radial arm labyrint (RAM) 19. I vår modifierade set-up, var de åtta armarna ersätts av sju identiska gula mat hus. Sammanfattningsvis, de metoder som visas här, inklusive analys av doublecortin-uttryckande (DCX +) celler i hippocampus, den mossiga fiber projektioner, neuronal cell death och särskilt SPS-BM presenteras här, kan tillämpas på undersökningar av andra musmodeller som innehåller transgener som påverkar den vuxna neurogenes. Ytterligare program kan omfatta studier av farmakologiska medel och mäta deras inverkan på GD och rumsliga mönster separation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vuxen neurogenes, och möjligheten för dess manipulation via hämning av NF-kB i nervceller, och dess senare reaktive via doxycyklin, erbjuder ett fascinerande system för utredningar av nyfödda nervceller i den vuxna hjärnan, samt i neuronala de-och re-generering . Det fina med detta system är att NF-kB signalväg inhibition i nervceller som inte bara resulterar i förändringar i neuronal celldöd, stamfader proliferation och migration, och allvarliga strukturella och anatomiska förändringar, men även i uppenba…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Angela Kralemann-Köhler för utmärkt teknisk support. Experimentellt arbete som beskrivs häri utfördes i vårt laboratorium och har finansierats med bidrag från den tyska forskningsrådet (DFG) till CK och BK och ett bidrag på det tyska ministeriet för forskning och utbildning (BMBF) till BK.
Materials
| Moria MC17 Perforated Spoon | FST | 10370-18 | removal of the brains |
| Dissecting microscope | Carl Zeiss | Stemi SV8 | removal of the brains |
| Surgical scissors | FST | 14084-08 | removal of the brains |
| Surgical scissors | FST | 14381-43 | removal of the brains |
| Dumont #5 forceps | FST | 11254-20 | removal of the brains |
| SuperFrost Slides | Carl Roth | 1879 | slides for immunohistochemistry |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | fixative |
| TissueTek OCT compound | Sakura Finetek | 1004200018 | embedding of the brains |
| Normal Goat Serum | Jackson Immunolabs | 005-000-001 | blocking in IHC |
| Normal Rabbit Serum | Jackson Immunolabs | 011-000-001 | blocking in IHC |
| Normal Donkey Serum | Jackson Immunolabs | 017-000-001 | blocking in IHC |
| anti-Neurofilament-M antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank | 2H3 | IHC, Dilution 1:200 |
| anti-doublecortin antibody | sc-8066 | Santa Cruz | IHC, Dilution 1:800 |
| anti-GFP antibody | ab290 | abcam | IHC, Dilution 1:2000 |
| anti-BrdU antibody | OBT0030G | Accurate Chemicals | IHC, Dilution 1:2000 |
| Fluoro Jade-C | FJ-C | HistoChem | Determination of neuronal cell death |
| Betadine | MUNDIPHARMA | D08AG02 | disinfectant |
| cryomicrotome | Leica | CM1900 | preparation of brain slices |
| Heparin sodium salt | Sigma-Aldrich | H3393 | perfusion |
| circular plate made from hard-plastic (diameter 120 cm) | lab made | none | plate for SPS-BM, diameter 120cm |
| Buraton rapid disinfectant | Schülke & Mayr | 113 911 | disinfectant |
| video-tracking system TSE VideoMot 2 with Software Package VideoMot2 | tse systems | 302050-SW-KIT | tracking and analysis of SPS-BM |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8787 | permeabilisation/IHC |
| cryotome | Reichert Jung/Leica | Frigomobil 1206 | preparation of 40µm brain slices |
| Mowiol 4-88 | Carl Roth | Art.-Nr. 0713 | embedding of the slides |
| SYTOX green | Invitrogen | S7020 | Nuclear staining |
| Food pellets (Kellog`s Froot Loops) | Kellog`s | SPS-BM | |
| Prism, Version 3.0 | Graph Pad Software, San Diego, USA | Statistical evaluation of SPS-BM | |
| Zen 2008 or Zen 2011 Software | Carl Zeiss | Software (Confocal microscope) | |
| D.P.X | Sigma-Aldrich | 317616 | mounting medium for Fluoro Jade C staining |
References
- Gutierrez, H., Davies, A. M. Regulation of neural process growth, elaboration and structural plasticity by NF-kappaB. Trends Neurosci. 34, 316-325 (2011).
- Imielski, Y., et al. Regrowing the adult brain: NF-kappaB controls functional circuit formation and tissue homeostasis in the dentate gyrus. PLoS One. 7, (2012).
- Zheng, M., et al. Intrahippocampal injection of A beta(1-42) inhibits neurogenesis and down-regulates IFN-gamma and NF-kappaB expression in hippocampus of adult mouse brain. Amyloid. 20 (1-42), 13-20 (2013).
- Denis-Donini, S., et al. Impaired adult neurogenesis associated with short-term memory defects in NF-kappaB p50-deficient mice. J. Neurosci. 28, 3911-3919 (2008).
- Bracchi-Ricard, V., et al. Astroglial nuclear factor-kappaB regulates learning and memory and synaptic plasticity in female mice. J, Neurochem. 104, 611-623 (2008).
- Koo, J. W., Russo, S. J., Ferguson, D., Nestler, E. J., Duman, R. S. Nuclear factor-kappaB is a critical mediator of stress-impaired neurogenesis and depressive behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 2669-2674 (2010).
- Fridmacher, V., et al. Forebrain-specific neuronal inhibition of nuclear factor-kappaB activity leads to loss of neuroprotection. J. Neurosci. 23, 9403-9408 (2003).
- Whiteside, S. T., et al. C-terminal sequences control degradation of MAD3/I kappa B alpha in response to inducers of NF-kappa. B activity. Mol. Cell. Biol. 15, 5339-5345 (1995).
- Mayford, M., et al. Control of memory formation through regulated expression of a CaMKII transgene. Science. 274, 1678-1683 (1996).
- Rosenfeld, M. E., Prichard, L., Shiojiri, N., Fausto, N. Prevention of hepatic apoptosis and embryonic lethality in RelA/TNFR-1 double knockout mice. Am. J. Pathol. 156, 997-1007 (2000).
- Morris, R. Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat. J Neurosci. Methods. 11, 47-60 (1984).
- Barnes, C. A. Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat. J. Compar. Physiol. Psychol. 93, 74-104 (1979).
- Brun, V. H., et al. Place cells and place recognition maintained by direct entorhinal-hippocampal circuitry. Science. 296, 2243-2246 (2002).
- Meshi, D., et al. Hippocampal neurogenesis is not required for behavioral effects of environmental enrichment. Nat. Neurosci. 9, 729-731 (2006).
- Bakker, A., Kirwan, C. B., Miller, M., Stark, C. E. Pattern separation in the human hippocampal CA3 and dentate gyrus. Science. 319, 1640-1642 (2008).
- Dupret, D., et al. Spatial relational memory requires hippocampal adult neurogenesis. PLoS One. 3, (2008).
- Leutgeb, J. K., Leutgeb, S., Moser, M. B., Moser, E. I. . Pattern separation in the dentate gyrus and CA3 of the hippocampus. Science. 315. , 961-966 (2007).
- Kaltschmidt, B., et al. NF-kappaB regulates spatial memory formation and synaptic plasticity through protein kinase A/CREB signaling. Mol. Cell. Biol. 26, 2936-2946 (2006).
- Clelland, C. D., et al. A functional role for adult hippocampal neurogenesis in spatial pattern separation. Science. 325, 210-213 (2009).
- Kempermann, G., Jessberger, S., Steiner, B., Kronenberg, G. Milestones of neuronal development in the adult hippocampus. Trends Neurosci. 27, 447-452 (2004).
