Omfattende analyse af transskription Dynamics fra Brain Prøver Efter Behavioral Experience
Summary
This manuscript describes a protocol that applies comprehensive profiling for analysis of transcriptional programs induced in specific brain nuclei of rodents following behavioral paradigms. Herein, this approach is illustrated in the context of profiling genes induced in the nucleus accumbens (NAc) of mice following acute cocaine exposure, utilizing microfluidic qPCR arrays.
Abstract
Kodningen af oplevelser i hjernen og konsolidering af langsigtede erindringer afhænger af gen-transkription. Identifikation af funktion af specifikke gener i kodning erfaring er et af de vigtigste mål for molekylær neurovidenskab. Desuden funktionelle sammenslutning af definerede gener med specifikke adfærd har konsekvenser for forståelsen grundlag af neuropsykiatriske lidelser. Induktion af robuste transskription programmer er blevet observeret i hjernerne hos mus efter forskellige adfærdsmæssige manipulationer. Mens nogle genetiske elementer udnyttes gentagne efter forskellige adfærdsmæssige manipulationer og i forskellige hjernekerner transkriptionelle programmer er generelt unikke for inducerende stimuli og struktur, hvori de studeres 1,2.
I denne publikation er en protokol beskrevet for robust og omfattende transskriptionsprofilering fra hjernekerner af mus som reaktion på adfærdsmæssige manipulation. Denprotokol er påvist i forbindelse med analyse af genekspression dynamik i nucleus accumbens efter akut kokain oplevelse. Efter en defineret in vivo erfaring målet nervevæv dissekeres; efterfulgt af RNA-oprensning, revers transkription og udnyttelse af mikrofluide arrays for en omfattende qPCR analyse af flere target gener. Denne protokol er gearet til omfattende analyse (adressering 50-500 gener) for at begrænse mængderne af udgangsmateriale, såsom små hjerne prøver eller endda enkelte celler.
Protokollen er mest fordelagtigt for parallel analyse af flere prøver (f.eks enkelte celler, dynamisk analyse efter farmaceutiske, viral eller adfærdsmæssige forstyrrelser). Imidlertid kunne protokollen også tjene til karakterisering og kvalitetssikring af prøverne forud for hel-genom studier af mikroarrays eller RNAseq, samt validering af data fra hel-genom studier.
Introduction
Hjernens dynamisk organisation giver kognitiv og adfærdsmæssig fleksibilitet. Oplevelser er kodet gennem ændringer i struktur og styrke forbindelser mellem neuroner i hjernen 3. Denne "erfaring-afhængige plasticitet" er et resultat af induktion af specifikke mønstre af genekspression, der giver de nødvendige proteiner til ændring af synaptisk struktur og styrke 4. Identifikationen af gen regulerende netværk mægle dannelsen af langsigtede erindringer er et centralt element i molekylær neurovidenskab, med forventningen om, at identifikationen af de dominerende elementer i transkriptionelle programmer vil give indsigt i de grundlæggende principper, der regulerer hukommelse dannelse, samt mål for behandling af neurodegenerative og neuropsykiatriske lidelser. Transkriptionelle programmer udfolde sig i tidsmæssigt definerede bølger, som hver koder for gener af forskellig karakter, som er vigtige for different stadier i gennemførelsen af resultatet af begivenheden signalering 1,2. Det er derfor vigtigt at behandle transkriptionelle dynamik på en detaljeret tidsmæssig tidshorisont, således at identificere den fuldtallige gener induceret, og få indsigt i deres potentielle funktion i henhold til dynamikken i deres induktion.
Stofmisbrug er en robust form for erfaring-afhængige plasticitet forårsaget af langvarige virkninger af misbrugsstoffer på neurale kredsløb i hjernen 5,6. Initial, akut eksponering for lægemidler kan føre til udvikling af afhængighed og overgang til kronisk brug. Kontekstuelle oplysninger er et afgørende element i udviklingen af afhængighed. Drug-associeret miljømæssige signaler tildeles stor betydning i hovederne på stofmisbrugere. Kontekstuelle oplysninger minde en stofmisbruger af tidligere lægemiddel erfaring kan fremkalde tilbagefald til stofhunger selv efter lange perioder med afholdenhed fra narkotika eksponering 7,8.Derfor den store kliniske udfordring i afhængighed – tilbøjelighed til addicts selv længe efter abstinenssymptomer er aftaget 9.
Behavioral sensibilisering til kokain er en simpel model af kokain erfaring nyttige i studiet af mekanismer narkotikamisbrug. I denne bredt studerede model for langvarig overfølsomhed induceret af kronisk eksponering for misbrugsstoffer, er gnavere først vant til saltvandsinjektioner (ip, IP) i en roman miljø (en åben mark, i hvilket deres bevægelsesaktiviteten overvåges) ; så får de daglige injektioner af kokain på åben mark kamre, mens deres aktivitet overvåges 10 (figur 1). Denne adfærdsmæssige paradigme typisk resulterer i en robust sensibilisering af bevægelsesapparatet adfærd (8-12 gange over baseline aktivitet) 11, som opretholdes i en periode på flere måneder efter ophør af kokain injektioner, hvilket viser dannelsen af en perversasive hukommelse spor af narkotika oplevelse.
Den neurale kredsløb i belønning, naturligvis involveret i at styrke adfærd afgørende for succes af en art (f.eks fodring, køn), udnyttes af misbrugsstoffer at styrke lægemiddelrelaterede adfærd 12,13. De molekylære og cellulære mekanismer, som oplevelsen af misbrugsstoffer er øget synes at svare til de mekanismer, der ligger til grund for dannelsen af deklarative eller semantiske erindringer i andre hjerne strukturer 14. Derfor robusthed adfærdsmæssige overfølsomhed Modellen gør det til et attraktivt modelsystem til at studere mekanismer erfaring afhængige plasticitet.
The nucleus accumbens (NAC) er en central integrator hjernens belønningssystem kredsløb og er blevet grundigt forbundet med udvikling af afhængighed 5,6. Dannelsen af afhængighed afhænger transkription af nye proteiner i nucleus accumbens, og robust iduktion af klart struktureret transskription programmer er observeret i NAC efter kokain erfaring 15-19. Den akutte transkriptionel respons på kokain eksponering kan forventes at fungere på flere niveauer med henblik på at tilpasse sig til den stærke induktion stimulus og styre produktionen af nye proteiner, er ansvarlige for de strukturelle og elektrofysiologiske forandringer som følge af eksponering for lægemidlet 6,19-22.
For at fremme studiet af molekylære mekanismer erfaring afhængige plasticitet i hjernen, er en protokol beskrevet for den omfattende analyse af transskription dynamik i hjernens vævsprøver efter adfærdsmæssige manipulation. Protokollen er illustreret i forbindelse med adfærdsmæssige erfaring studeret i Citri laboratoriet – adfærdsmæssige sensibilisering kokain, udnytte mikrofluide dynamiske arrays til transkriptionel analyse. Den beskrevne protokol er naturligvis ikke begrænset til at studere than nucleus accumbens i forbindelse med adfærdsmæssige sensibilisering, men kan anvendes på en lang række adfærdsmæssige paradigmer og hjerneregioner. Faktisk kan denne protokol anvendes til kroppens væv uden for hjernen, og en række af oplevelser eller manipulationer af organismen undersøgt.
Protokollen er groft inddeles i fire trin. I det første trin, dyret udsættes for adfærdsmæssige paradigme; i det andet trin vævet er mikrodissekeres; i det tredje trin – mRNA renset, revers transkriberet og undersøgt, og i det sidste trin af data analyseres.
I forbindelse med at studere transkriptionale dynamik, den præcise timing og definition af erfaring er nok de vigtigste eksperimentelle parametre der styrer. Af denne grund vores adfærdsmæssige model for valget er, at adfærdsmæssige sensibilisering kokain, et system, der giver en høj grad af forsøgslederen kontrol over parametre oplece. Yderligere adfærdsmæssige paradigmer, der muliggør præcis timing og håndtere forskellige modeller for erfaring-afhængige plasticitet eller hukommelse dannelse er tilgængelige. Disse modeller omfatter frygt condition 23, akut miljøberigelse 24,25, roman objekt udforskning 26 og visuel oplevelse efter mørke opdræt 27. Stadig, adfærdsmæssige sensibilisering til kokain er en solid og sammenhængende adfærdsmæssige manipulation, hvilket skaber en meget gennemtrængende hukommelse spor, som varer i flere måneder efter kokain erfaring 28.
Hjernen er sektioneret, efterfulgt af manuel mikrodissektion af nucleus accumbens. Det har været vores erfaring, at manuel mikrodissektion fra hurtigt tilberedt hjerneskiver giver den mest pålidelige og hurtig metode til udvinding vævet relevant for den adfærdsmæssige paradigme, og med erfaring, grænserne for væv bliver tydelige og let genkendes. Alternativt kan tynde skiver være prepared, efterfulgt af laser-capture mikrodissektion. Selv om denne metode giver mulighed for højt defineret afgrænsning af området af interesse, den er langsom (og dermed risikere tab af labile mRNA), kedelig og kræver dyre dedikeret udstyr (et mikroskop udstyret med en laser-capture setup). Protokollen defineret heri kan også tilpasses til encellede transkriptionel analyse ved manuel opsugning af cytoplasma visuelt identificerede celler ved anvendelse af patch pipetter 29. Det er vigtigt at bemærke, at protokollen beskrevet giver en gennemsnitlig befolkning, mens det er meget sandsynligt, at i de fleste tilfælde kun en delpopulation af cellerne i vævet faktisk involveret i at reagere på oplevelsen. Det er af interesse at profilere transkription på en selektiv måde fra inden for specifikke cellepopulationer reagerer på oplevelsen, men diskussion af disse tilgange er ud over det nuværende omfang.
For mRNA oprensning, reverse-transskription og qPCR forespørge, vævetafbrydes ved at føre det gennem fine nåle, efterfulgt af anvendelse af kommercielt tilgængelige kits (for mere information, se tabel 8). Valget er informeret af erfaring med disse metoder, der sikrer pålidelig ekstraktion af RNA høj kvalitet og robuste resultater fra efterfølgende anvendelser.
Mens protokollen er beskrevet for high-throughput qPCR udnytte dynamiske arrays, kan prøverne probes til genekspression ved hjælp endepunkt PCR, lav-throughput qPCR, genekspressionssystemer mikroarrays eller dyb sekventering. Præferencen for high-throughput qPCR udnytte dynamiske arrays skyldes det faktum, at mRNA opnået fra hjernekerner følgende adfærdsmæssige paradigmer er ofte begrænsende mængder. Dynamiske arrays giver en platform, som muliggør effektiv omfattende analyse af transkripter fra et stort antal parallelle prøver i et enkelt eksperiment. Efter den første erhvervelse af mikrofluid systemet (almindeligvis en institutionel purchase) eksperimenter er relativt billige at køre. Efter denne analyse kan yderligere forespørgsler af prøverne udføres ved hjælp af mere kostbare platforme til at søge efter nye afskrifter (ved mikroarrays eller RNAseq) med de dynamiske arrays giver en omfattende reference for kvalitetssikring. Endelig til dataanalyse, der standard tilgange udnyttes. Specifikke fingerpeg om problemer, der kan opstå, vil blive drøftet i teksten til protokollen.
Denne protokol er mest hensigtsmæssigt for efterforskerne interesseret i en grundig undersøgelse af deres system af renter, der studerer flere betingelser og gentagelser. Protokollen er også bedst egnet til efterforskere, der allerede har finpudset i (gennem microarray eller RNAseq eksperimenter) på en delmængde af 50-500 gener af interesse, som de er interesseret i at forespørge gentagne gange.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vellykket karakterisering af genekspression fra hjernevæv efter adfærdsmæssige paradigmer afhænger: 1) Omhyggelig håndtering af mus under den adfærdsmæssige paradigme; 2) Hurtig og præcis dissektion af væv af interesse; 3) RNA-safe foranstaltninger til at sikre integriteten af RNA; og 4) Omhyggelig planlægning af primere og eksperimenterende layout samt præcision og opmærksomhed på detaljer i forberedelse til qPCR analyse.
Formålet med den beskrevne fremgangsmåde er at k…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work has been funded by the Israel Science Foundation Grant (ISF # 393/12), Israel Centers of Research Excellence Grant (I-CORE 1796/12), German-Israel Foundation Grant (GIF # 2299-2291.1/2011) and the Marie Curie Career Integration Grant (FP7-PEOPLE-2013-CIG #618201). Initial steps in the project were funded by an AXA postdoctoral fellowship to AC. We acknowledge the generous startup funds provided by the Edmond and Lily Safra Center for Brain Sciences.
Critical reading by members of the Citri lab is greatly appreciated.
Materials
| Virusol | Oriek Medical | J29D | |
| Isoflurane, USP 100% | MINRAD INC | NDC 60307-110-25 | |
| RNeasy plus Universal Mini Kit | QIAGENE | 73404 | |
| QIAshredder | QIAGENE | 79654 | |
| High Capacity cDNA Reverse Transcription kit | Invitrogene | AB-4368814 | |
| TE Buffer | Invitrogene | 1355656 | |
| Behaviour Chamber (MDF; 50X45cm) | Self assembled | ||
| Inner Perspex box (30X30cm) | Self assembled | ||
| camera and video recorder | Campden Inst | CMD-80051 | |
| Media Recorder software | Noldus | NDS-NMR3-00M | |
| Iris Scissors | FST | FST-14062-09 | |
| Sagital Brain slicer with a 0.5mm section | Brain Tree Scientific | BS-AL-505S | |
| Bioanalyzer | Agilent Technologies | The Agilent 2100 Bioanalyzer | |
| Thermal cycler | Bio-Rad | 1852048 | |
| Inverted microspun spatula | Bochem Instrument GmbH | 3213 | |
| Biomark HD Reader | Fluidigm | BMHD-BMKHD | |
| Dynamic array Chip for 96.96gene expression | Fluidigm | BMK-M-96.96 |
References
- Amit, I., et al. A module of negative feedback regulators defines growth factor signaling. Nature genetics. 39, 503-512 (2007).
- Citri, A., Yarden, Y. EGF-ERBB signalling: towards the systems level. Nature reviews. Molecular cell biology. 7, 505-516 (2006).
- Holtmaat, A., Svoboda, K. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nature reviews. Neuroscience. 10, 647-658 (2009).
- Kleim, J. A., Jones, T. A. Principles of experience-dependent neural plasticity: implications for rehabilitation after brain damage. Journal of speech, language, and hearing research. 51, S225-S239 (2008).
- Kauer, J. A., Malenka, R. C. Synaptic plasticity and addiction. Nature reviews. Neuroscience. 8, 844-858 (2007).
- Grueter, B. A., Rothwell, P. E., Malenka, R. C. Integrating synaptic plasticity and striatal circuit function in addiction. Current opinion in neurobiology. 22, 545-551 (2012).
- Robinson, T. E., Kolb, B. Structural plasticity associated with exposure to drugs of abuse. Neuropharmacology. 47, 33-46 (2004).
- Koob, G. F., et al. Neurobiological mechanisms in the transition from drug use to drug dependence. Neuroscience and biobehavioral reviews. 27, 739-749 (2004).
- Hyman, S. E., Malenka, R. C., Nestler, E. J. Neural mechanisms of addiction: the role of reward-related learning and memory. Annual review of neuroscience. 29, 565-598 (2006).
- Beurrier, C., Malenka, R. C. Enhanced inhibition of synaptic transmission by dopamine in the nucleus accumbens during behavioral sensitization to cocaine. The Journal of neuroscience. 22, 5817-5822 (2002).
- Robinson, T. E., Berridge, K. C. The psychology and neurobiology of addiction: an incentive-sensitization view. Addiction. 95, S91-S117 (2000).
- Boening, J. A. Neurobiology of an addiction memory. Journal of neural transmission. 108, 755-765 (2001).
- Everitt, B. J., Robbins, T. W. Neural systems of reinforcement for drug addiction: from actions to habits to compulsion. Nature neuroscience. 8, 1481-1489 (2005).
- Volkow, N. D., Fowler, J. S., Wang, G. J. The addicted human brain: insights from imaging studies. The Journal of clinical investigation. 111, 1444-1451 (2003).
- Carlezon, W. A., et al. Regulation of cocaine reward by CREB. Science. 282, 2272-2275 (1998).
- Hope, B., Kosofsky, B., Hyman, S. E., Nestler, E. J. Regulation of immediate early gene expression and AP-1 binding in the rat nucleus accumbens by chronic cocaine. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89, 5764-5768 (1992).
- Hope, B. T., et al. Induction of a long-lasting AP-1 complex composed of altered Fos-like proteins in brain by chronic cocaine and other chronic treatments. Neuron. 13, 1235-1244 (1994).
- Pulipparacharuvil, S., et al. Cocaine regulates MEF2 to control synaptic and behavioral plasticity. Neuron. 59, 621-633 (2008).
- Robison, A. J., Nestler, E. J. Transcriptional and epigenetic mechanisms of addiction. Nature reviews. Neuroscience. 12, 623-637 (2011).
- Hyman, S. E., Malenka, R. C. Addiction and the brain: the neurobiology of compulsion and its persistence. Nature reviews. Neuroscience. 2, 695-703 (2001).
- Nestler, E. J. The neurobiology of cocaine addiction. Science & practice perspectives / a publication of the. National Institute on Drug Abuse, National Institutes of Health. 3, 4-10 (2005).
- Robbins, T. W., Everitt, B. J. Neurobehavioural mechanisms of reward and motivation. Current opinion in neurobiology. 6, 228-236 (1996).
- Kaplan, G. B., Moore, K. A. The use of cognitive enhancers in animal models of fear extinction. Pharmacology, biochemistry, and behavior. 99, 217-228 (2011).
- Chauvet, C., Goldberg, S. R., Jaber, M., Solinas, M. Effects of environmental enrichment on the incubation of cocaine craving. Neuropharmacology. 63, 635-641 (2012).
- Nithianantharajah, J., Hannan, A. J. Enriched environments, experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nature reviews. Neuroscience. 7, 697-709 (2006).
- Silingardi, D., et al. ERK pathway activation bidirectionally affects visual recognition memory and synaptic plasticity in the perirhinal cortex. Frontiers in behavioral neuroscience. 5, 84 (2011).
- Tropea, D., Majewska, A. K., Garcia, R., Sur, M. Structural dynamics of synapses in vivo correlate with functional changes during experience-dependent plasticity in visual cortex. The Journal of neuroscience. 30, 11086-11095 (2010).
- Steketee, J. D., Kalivas, P. W. Drug wanting: behavioral sensitization and relapse to drug-seeking behavior. Pharmacological reviews. 63, 348-365 (2011).
- Citri, A., Pang, Z. P., Sudhof, T. C., Wernig, M., Malenka, R. C. Comprehensive qPCR profiling of gene expression in single neuronal cells. Nature protocols. 7, 118-127 (2012).
