新生儿初乳喂养前后离散催产素分泌脑核细胞应激与炎症的评估
Summary
在这里, 我们提出了一个方案, 以分离脑核在新生大鼠大脑与第一初乳喂养。这项技术允许研究由肠细胞信号调节的大脑营养功能不足应激。
Abstract
该方案的目标是在首次初乳喂养前后分离新生儿大脑中富含催产素受体的大脑细胞核。已知对代谢应激有反应的蛋白质的表达是在脑核分离株中使用西方印迹进行的。这样做是为了评估代谢应激引起的体内营养功能不全是否引发神经元应激。我们以前已经证明, 新生儿营养不足会引起肠道的代谢压力。此外, 初乳催产素可调节新生大鼠肠道绒毛首次进食前后的细胞应激反应、炎症和自体吞噬标志物。与内质网应力相关的信号蛋白标记 [er 伴侣结合免疫球蛋白蛋白 (bip)、真核翻译起始因子 2a (eif2a) 和 eif2a 激酶蛋白激酶 r (p-pkr)] 以及2炎症信号蛋白 [核因子-b (nf-kb) 和抑制剂 b (ikb)], 在新生脑核 [孤立道 (nts)、旁细胞核 (pvn)、超视核 (son)、皮层 (cx)、纹状体 (str) 和在第一次喂养 (初乳未启动) 之前和护理开始后 (由初乳启动) 之前的内侧视前细胞核 (mpo)。在未启动和下调的 nts 组织中, bip-grp78 和 pe-eif2a 的表达得到了抑制。nf-行在 cx、str 和 mpo 细胞质中保留 (高), 而 nf-kob 在 nts、pvn 和 son 中均较低且不变。集体 bip 和 p-eif2 的发现与应激反应是一致的。eif2a 在 son、cx、str 和 mpo 中由 dsrna 依赖性激酶 (p-pkr) 磷酸化。然而, 在 nts (在较小程度上在 pvn 中), eif2a 被另一种激酶磷酸化, 一般控制非接触-2 激酶 (gcn2)。以前在新生儿肠道细胞中观察到的压力调节机制似乎反映在一些富含 otr 的大脑区域。nts 和 pvn 可利用其他地区不同的磷酸化机制 (营养不足下), 并可耐火性的营养不足的影响。综合来看, 这些数据表明, 大脑对营养功能不全应激的反应被来自牛初启动的肠细胞的信号所抵消。
Introduction
与我们对产后白天至几周大脑早期发育的理解不同, 对老鼠生命最初几个小时发生的无数动态变化的了解相对较少。一个关键的挑战是新生大鼠大脑体积小, 以及需要高科技工具来分离离散的大脑区域或单个细胞。研究通常评估基因转录, 而不是翻译1,2, 这不能使一个坚实的理解功能水平的激活信号分子。另一些人使用免疫组织化学来检查表达, 以参考大脑区域, 这不允许量化表达水平3。到目前为止, 还没有研究过与大鼠在离散大脑区域的第一初乳饲料相关的信号通路的激活, 这需要用西方方法快速分离和牺牲和测量蛋白质表达和蛋白质磷酸化杂交。虽然大脑微解剖是在年龄较大的大脑上进行的, 但我们还没有确定在 p0 大脑中进行非单细胞脑拳的参考。本文提出了一种利用相对低技术的打孔技术和西方印迹技术分离新生儿大脑受限区域的方法, 以测量相对较小样本中的蛋白质表达。该协议可能适用于需要评估任何物种小大脑的相对受限区域的蛋白质表达和翻译后修饰 (例如磷酸化) 的研究问题, 前提是用户可以通过地图集和可识别的地标直观地识别感兴趣的大脑区域。
这项技术是为了了解新生大鼠的第一牛初乳饲料所发生的变化而开发的, 这种饲料富含催产素 (ot)。长期以来, ot 一直以其刺激牛奶脱床和子宫收缩的能力而闻名。然而, ot 现在被认为在调节许多身体功能和行为方面发挥着广泛的作用.例如, ot 反对压力和炎症, 再加上适应性从属行为5, 延迟胃排空, 减缓肠道转运。ot 受体 (otr) 已被鉴定在肠内神经元和肠道上皮 6, 7,8.ot 对婴儿产后早期的胃肠道效应尤为重要。例如, 母乳喂养与向新生儿肠道9、10 提供大量 ot 有关, 数据显示, 在牛奶乳汁期间, otr 在十二指肠绒毛中严重过度表达.
利用肠道细胞系进行的体外实验在细胞水平上证明, 催产素调节了压力信号通路11、12中的重要分子, 并在蛋白质的转化中发挥了调控作用12. 这些研究表明, 牛奶的成分, 包括来自母亲的外源性催产素, 对新生儿展开的蛋白质反应非常重要, 以减少细胞压力 13.
体内和体外研究表明, 牛初乳 ot 调节新生大鼠肠道绒毛的细胞应激反应、炎症和自体吞噬标志物。当肠道同时暴露在14天初乳14、15 和许多蛋白质中的母亲的微生物群中时, 新生儿肠细胞的腔侧承受着巨大的细胞压力, 其中包括 ot9等激素,10,16岁
ot 对大脑的影响已经研究了17。然而, 在产后早期肠道中显示的 ot 信号机制还没有在大脑中得到研究。本文采用电泳方法对新生大鼠脑干和下丘脑离散脑核进行了隔离。这种方法的总体目标是捕捉大脑区域的细胞信号状态, 尽可能接近出生, 在第一次牛奶乳汁之前和之后, 在胶质神经元指数最低的脑组织中。开发这项技术的理由是, 它可以快速分离新生幼崽中受限制的、微观的大脑区域, 并使用西方的自动印迹进行更均匀的神经元收集, 用于体外研究方法, 在相对较小的解剖样本上提供高度一致的结果。先前工作的一个缺点包括更多的严重解剖 (大脑切片或整个大脑) 和年龄较大的动物 18,19。幼崽的大脑是令人难以置信的动态, 具有出生后的胶质分化波。为了研究幼崽首次进食对大脑变化的影响, 有必要研究具有可重复解剖的受限神经元核。
牛奶饲料通常被分析它的免疫学和营养对健康或基因表达的影响 (例如, 在肠细胞20,21), 而它的影响对大脑区域在脑子发展过程中很少被研究。结合肠道胆囊激素受体对脑干核的迁移, 而不是细胞内信号通路 22, 分析了牛奶在肠道中的转运对大脑功能的影响。关于发育中的新生儿大脑在怀孕 23岁期间容易营养不良, 母亲营养不良的文献很多, 但压力和炎症信号没有得到解决。重要的是, 目前的方法利用了一种现象, 在一天零大鼠新生儿分离血液出生的牛初乳刺激从迷迷神经中继的内脏刺激。这就是所谓的应力低反应期, 其特征是出生后立即未成熟的孤束核 (nts)-下丘脑电路 24, 25 限制 nts, 室旁核 (pvn),超视核 (son) 信号到血液出生的刺激。
这种方法对于分析多种信号通路和相对限于神经元细胞是有用的, 前提是在大鼠产后第0天采集脑组织, 以及母亲是否受到任何形式的治疗在怀孕期间。可以分析垃圾对初乳饲料与预喂养信号的影响。当比较大脑区域与蛋白质产量低或丰富的蛋白质产量之间的信号时, 这种方法使毛细血管内确定毛细血管中多肽带的总蛋白与蛋白质抗原的免疫定量平行。该方法可以使用任意单位对没有标准定量曲线的相同抗体获得的结果进行定量比较, 并参照每毛细管的总蛋白。只有使用定量的标准曲线, 才有可能对不同抗体获得的结果进行比较。
这种方法可以评估肠道和大脑之间发生的双向信号, 这可以影响两个器官26的功能.催产素与食物摄入之间的联系,近年来已被广泛研究 27, 支持增加催产素信号和营养供应之间的联系。这些研究也支持相反的概念, 即能量不足与下丘脑催产素信号的减少相结合。
早期对 ot 对大脑活动的影响的研究表明, 诱导的肠道炎症引起下丘脑 pvn、杏仁核和梨形皮质的 cfos 转录, 可难治性于迷走神经切开术28。然而, 全身输注 ot 与分泌物减少脑 cfos 反应引起的炎症反应在肠道28。这表明外源 ot 的作用是通过迷速继电器以外的途径进行的, 可能是通过 6,29后携带的血液传播信号分子进行的。
在这项研究中, 对此前在肠道中观察到的细胞应激信号通路进行了大脑评估。假设是, 牛奶成分可以保护或推迟炎症对肠道对微生物和其他代谢物的渗透性的影响, 进而对大脑功能的影响。在13例牛初乳启动前后发现的 ikb 与 bi-p 信号的明显拮抗差异表明, 仍在发育过程中的新生儿大脑可能会感觉到这些牛初乳诱导的肠道信号。
测量了以往肠道实验中使用的与内质网应力相关的信号蛋白标记。它们包括 er 伴侣 bip、翻译起始因子 eif2a (用作应激反应积分器30)、eif2a 激酶 p-pkr 和两种炎症信号蛋白 (nf-kb 及其抑制剂 ikb)。
根据成人分泌或反应 ot 的能力, 选择了六个大脑区域。nts 位于上髓质, 是内脏输入的第一个中继, 通过相邻的区域后雷马32接收来自肠道内迷变神经感觉神经元的直接信号, 可能还有血液出生的细胞因子、毒素和激素.pvn、视上核 (son)、纹状体核 (str)、大脑皮层 (cx) 和内侧视前核 (mpo) 通过 nts 接收来自肠道的信号。
结果表明, nts 在初乳启动前和首次喂养后立即发生的产后细胞应激反应与 pvn 和 son 不同。cx、str 和 mpo 中的信令也不同于 pvn 和 son。先前显示的调节肠道细胞压力和炎症的 ot 的独特保护功能很可能是大脑某些区域所能感觉到的。总体而言, 数据表明, 在细胞水平上, 在出生后的最初几个小时内, 大脑会对与营养功能不足相关的代谢压力做出反应。数据还显示, 牛初乳饲料调节效果的范围和方向是区域依赖性的, 在一些地区, 它们反映了以前在肠道中显示的 ot 效应。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文介绍了一种在新生大鼠脑内对离散、富 or 脑核进行微解剖的技术。人们公认, 神经元是高度专业化的, 即使在大脑中的良好特征的细胞核内也是如此。这种高重现性的方法可以分离出特定的富含 otr 的原子核, 从而能够进行可靠的假设检验。利用西方的自动印迹, 进一步提高了结果的一致性和重现性。虽然这种技术的局限性仍然是适度的大脑冲床变异性;这项技术代表了比单细胞、整个大脑或大?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢马农·游侠和亚历山大·舒尔茨在编写本议定书方面提供的协助。
Materials
| Bradford solution | Bio Rad | ||
| Protein lysis kit | Protein simple | CBS403 | Bicine/CHAPS |
| WES kits | Protein simple | WES-Mouse 12-230 master kit (PS-MK15), WES-Rabbit 12-230 master kit (PS-MK14), WES 12-230 kDa total Protein master kit (PS-TP07) | |
| anti-mouse IgG HRP conjugate | Protein simple | ||
| Rabbit anti-phospho-eIF2a | Cell Signaling technology | SER51, 9721 | |
| mouse mAb anti-PKR | Cell Signaling technology | 2103 | |
| Rabbit anti-phospho-PKR | Millipore | Thr451, 07-886 | |
| Rabbit mAb anti-PKR | Cell Signaling technology | 12297 | |
| rabbit mAb anti-GAPDH | Cell Signaling technology | 2118 | |
| mouse mAb anti-phospho-IKB | Cell Signaling technology | 9246 | |
| mouse mAb anti-IKB | Cell Signaling technology | 4814 | |
| rabbit anti-BiP | Cell Signaling technology | 3183 | |
| Rabbit anti GCN2 | Cell Signaling technology | 3302 | |
| Rabbit mAb anti-phospho-GCN2 | BIORBYT | T899 | |
| pregnant Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories | ||
| Punch device | WellTech Rapid Core or Harris Uni-Core | 0.35, 0.50, 0.75, 1.0, 1.20, 1.50 |
References
- Hietaniemi, M., et al. Gene expression profiles in fetal and neonatal rat offspring of energy-restricted dams. Journal of Nutrigenetics and Nutrigenomics. 2 (4-5), 173-183 (2009).
- Okabe, A., et al. Homogenous glycine receptor expression in cortical plate neurons and Cajal-Retzius cells of neonatal rat cerebral cortex. Neurosciences. 123 (3), 715-724 (2004).
- Mailleux, P., Takazawa, K., Erneux, C., Vanderhaeghen, J. J. Distribution of the neurons containing inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase and its messenger RNA in the developing rat brain. Journal of Comparative Neurology. 327 (4), 618-629 (1993).
- Carter, C. S. Oxytocin and Human Evolution. Current Topics in Behavioral Neuroscience. , (2017).
- Sippel, L. M., et al. Oxytocin and Stress-related Disorders: Neurobiological Mechanisms and Treatment Opportunities. Chronic Stress (Thousand Oaks). 1, (2017).
- Agnati, L. F., et al. Aspects on the integrative actions of the brain from neural networks to “brain-body medicine”. Journal of Receptors and Signal Transduction Research. 32 (4), 163-180 (2012).
- Welch, M. G., Margolis, K. G., Li, Z., Gershon, M. D. Oxytocin regulates gastrointestinal motility, inflammation, macromolecular permeability, and mucosal maintenance in mice. American Journal Physiology: Gastrointestinal and Liver Physiology. 307 (8), G848-G862 (2014).
- Welch, M. G., et al. Expression and developmental regulation of oxytocin (OT) and oxytocin receptors (OTR) in the enteric nervous system (ENS) and intestinal epithelium. Journal of Comparative Neurology. 512 (2), 256-270 (2009).
- Prakash, B. S., Paul, V., Kliem, H., Kulozik, U., Meyer, H. H. Determination of oxytocin in milk of cows administered oxytocin. Analytica Chimica Acta. 636 (1), 111-115 (2009).
- Solangi, A. R., Memon, S. Q., Mallah, A., Khuhawar, M. Y., Bhanger, M. I. Quantitative separation of oxytocin, norfloxacin and diclofenac sodium in milk samples using capillary electrophoresis. Biomedical Chromatography. 23 (9), 1007-1013 (2009).
- Klein, B. Y., et al. Oxytocin modulates markers of the unfolded protein response in Caco2BB gut cells. Cell Stress and Chaperones. 19 (4), 465-477 (2014).
- Klein, B. Y., Tamir, H., Hirschberg, D. L., Glickstein, S. B., Welch, M. G. Oxytocin modulates mTORC1 pathway in the gut. Biochemical and Biophysical Research Communications. 432 (3), 466-471 (2013).
- Klein, B. Y., Tamir, H., Ludwig, R. J., Glickstein, S. B., Welch, M. G. Colostrum oxytocin modulates cellular stress response, inflammation, and autophagy markers in newborn rat gut villi. Biochemical an Biophysical Research Communications. 487 (1), 47-53 (2017).
- Donnet-Hughes, A., et al. Potential role of the intestinal microbiota of the mother in neonatal immune education. Proceedings of the Nutritional Society. 69 (3), 407-415 (2010).
- Perez, P. F., et al. Bacterial imprinting of the neonatal immune system: lessons from maternal cells?. Pediatrics. 119 (3), e724-e732 (2007).
- Takeda, S., Kuwabara, Y., Mizuno, M. Concentrations and origin of oxytocin in breast milk. Endocrinolcia Japonica. 33 (6), 821-826 (1986).
- Quintana, D. S., Outhred, T., Westlye, L. T., Malhi, G. S., Andreassen, O. A. The impact of oxytocin administration on brain activity: a systematic review and meta-analysis protocol. Systematic Reviews. 5 (1), 205 (2016).
- Dobbing, J., Sands, J. Comparative aspects of the brain growth spurt. Early Human Development. 3 (1), 79-83 (1979).
- Orr, M. E., Garbarino, V. R., Salinas, A., Buffenstein, R. Extended Postnatal Brain Development in the Longest-Lived Rodent: Prolonged Maintenance of Neotenous Traits in the Naked Mole-Rat Brain. Frontiers in Neuroscience. 10, 504 (2016).
- Hansson, J., et al. Time-resolved quantitative proteome analysis of in vivo intestinal development. Molecular and Cellular Proteomics. 10 (3), (2011).
- Mochizuki, K., Yorita, S., Goda, T. Gene expression changes in the jejunum of rats during the transient suckling-weaning period. Journal of Nutritional Science and Vitaminology (Tokyo). 55 (2), 139-148 (2009).
- Rinaman, L., Banihashemi, L., Koehnle, T. J. Early life experience shapes the functional organization of stress-responsive visceral circuits. Physiology and Behavior. 104 (4), 632-640 (2011).
- Johannes, G., Sarnow, P. Cap-independent polysomal association of natural mRNAs encoding c-myc, BiP, and eIF4G conferred by internal ribosome entry sites. RNA. 4 (12), 1500-1513 (1998).
- Rinaman, L. Hindbrain noradrenergic A2 neurons: diverse roles in autonomic, endocrine, cognitive, and behavioral functions. American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 300 (2), R222-R235 (2011).
- Walker, C. D., Toufexis, D. J., Burlet, A. Hypothalamic and limbic expression of CRF and vasopressin during lactation: implications for the control of ACTH secretion and stress hyporesponsiveness. Progress in Brain Research. 133, 99-110 (2001).
- Montiel-Castro, A. J., Gonzalez-Cervantes, R. M., Bravo-Ruiseco, G., Pacheco-Lopez, G. The microbiota-gut-brain axis: neurobehavioral correlates, health and sociality. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 70 (2013).
- Blevins, J. E., Ho, J. M. Role of oxytocin signaling in the regulation of body weight. Reviews in Endocrine and Metabolic Disorders. 14 (4), 311-329 (2013).
- Welch, M. G., et al. Combined administration of secretin and oxytocin inhibits chronic colitis and associated activation of forebrain neurons. Neurogastroenterology Motility. 22 (6), 654 (2010).
- Berthoud, H. R., Neuhuber, W. L. Functional and chemical anatomy of the afferent vagal system. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical. 85 (1-3), 1-17 (2000).
- Taniuchi, S., Miyake, M., Tsugawa, K., Oyadomari, M., Oyadomari, S. Integrated stress response of vertebrates is regulated by four eIF2alpha kinases. Scientific Reports. 6, 32886 (2016).
- Altschuler, S. M., Bao, X. M., Bieger, D., Hopkins, D. A., Miselis, R. R. Viscerotopic representation of the upper alimentary tract in the rat: sensory ganglia and nuclei of the solitary and spinal trigeminal tracts. Journal of Comparative Neurology. 283 (2), 248-268 (1989).
- Shapiro, R. E., Miselis, R. R. The central neural connections of the area postrema of the rat. Journal of Comparative Neurology. 234 (3), 344-364 (1985).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1997).
- Nayak, R., Pintel, D. J. Adeno-associated viruses can induce phosphorylation of eIF2alpha via PKR activation, which can be overcome by helper adenovirus type 5 virus-associated RNA. Journal of Virology. 81 (21), 11908-11916 (2007).
- Zaborske, J. M., et al. Genome-wide analysis of tRNA charging and activation of the eIF2 kinase Gcn2p. Journal of Biological Chemistry. 284 (37), 25254-25267 (2009).
- Hollis, J. H., Lightman, S. L., Lowry, C. A. Integration of systemic and visceral sensory information by medullary catecholaminergic systems during peripheral inflammation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1018, 71-75 (2004).
- Klein, B. Y., et al. Oxytocin opposes effects of bacterial endotoxin on ER-stress signaling in Caco2BB gut cells. Biochimica et Biophysica Acta. 1860 (2), 402-411 (2016).
- Kaltschmidt, B., Kaltschmidt, C. NF-kappaB in the nervous system. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 1 (3), a001271 (2009).
