Kwantificeren van de heterogene verdeling van een Synaptic proteïne in de hersenen van de muis met immunofluorescentie
Summary
Hier beschrijven we een kwantitatieve benadering bij de vaststelling van de verdeling van een synaptic eiwit ten opzichte van een marker eiwit met immunofluorescentie kleuring, confocal microscopie en computer-gebaseerde analyse.
Abstract
De aanwezigheid, afwezigheid of niveaus van specifieke synaptic eiwitten kunnen ernstige synaptische transmissie beïnvloeden. Naast het ophelderen van de functie van een eiwit, is het belangrijk om ook de verdeling ervan. Hier beschrijven we een protocol met immunofluorescentie, confocal microscopie en computer-gebaseerde analyse om te bepalen van de verdeling van de synaptische proteïne verhuizer (ook wel TPRGL of SVAP30 genoemd). We vergelijken de verdeling van de Mover met die van de synaptische vesikel eiwit synaptophysin, waardoor het bepalen van de verdeling van de Mover op een kwantitatieve manier ten opzichte van de overvloed van synaptische vesikels. Deze methode kan met name mogelijk worden uitgevoerd als u wilt toestaan voor de vergelijking van de verdeling van eiwitten met verschillende antilichamen of microscopen of over verschillende studies. Onze methode omzeilt de inherente variabiliteit van immunefluorescentie technieken door de opbrengst van een verhouding in plaats van absolute fluorescentie niveaus. De methode die we beschrijven, kunnen bovendien de onderzoeker voor het analyseren van de verdeling van een eiwit op verschillende niveaus: van hele hersenen segmenten hersengebieden aan verschillende deelgebieden in één hersenen gebied, zoals de verschillende lagen van de hippocampus of sensorische cortices. Verhuizer is een gewerveld dier-specifieke eiwit dat is gekoppeld aan de synaptische vesikels. Met deze methode, laten we zien dat de Mover is ongelijkmatig verdeeld over de hersengebieden, met hoge niveaus in het ventrale pallidum, de septal kernen en de amygdala en ook binnen één hersengebieden, zoals de verschillende lagen van de hippocampus.
Introduction
Communicatie tussen de neuronen gebeurt op gespecialiseerde contact sites synapsen genaamd. Synapsen bevatten een groot aantal verschillende eiwitten die orkestreren van synaptische transmissie. Sommige van deze eiwitten Toon een heterogene distributie in het zenuwstelsel en zijn niet aanwezig in elke synapse1. Een voorbeeld van een dergelijke eiwitten is Munc13, die bij het proces van de priming van synaptische vesikels betrokken is. Er zijn verschillende isoforms van Munc13, die zijn ongelijkmatig verdeeld in de hersenen2, en de aanwezigheid of de afwezigheid van specifieke isoforms kunt beïnvloeden op korte termijn synaptische plasticiteit en synaptische vesikel dynamics3, 4 , 5. Daarom is het van vitaal belang voor zitten kundig voor de aanwezigheid van verschillende synaptic eiwitten over hersengebieden identificeren.
De methoden van keuze voor kwantificering van synaptic eiwitten – tot dusver – zijn massaspectrometrie en westelijke bevlekken, in plaats van immunohistochemistry6,,7,,8,9. In sommige gevallen zijn verschillende methoden gebruikt als aanvulling op elkaar om te beoordelen van zowel het aantal en de lokalisatie van specifieke proteïnen (d.w.z.Wilhelm, et al.. 10). de methode we hier beschrijven voorziet de lokalisatie en de kwantificering van proteïnen van belang zonder de noodzaak van het gebruik van elke biochemische methode, gewoon dienst immunefluorescentie technieken. Een ander voordeel hier is dat de kwantificering kan worden gedaan over gebieden veel kleiner, verwezenlijkt en derhalve, meer specifiek, dan die door andere methoden. Echter moet men rekening houden dat een betrouwbare referentie-eiwit nodig is om te beoordelen van de verdeling van de proteïne van belang.
Fluorescerende vlekken door immunohistochemistry stelt ons in staat om routinematig de lokalisatie van eiwitten over hersengebieden alsook binnen verschillende neuronale compartimenten. Ter identificatie van de verschillende compartimenten, worden specifieke markers gebruikt. Typisch, antilichamen tegen synapsin en synaptophysin11 kunnen worden gebruikt om te etiketteren van synaptische vesikels, terwijl antilichamen tegen fagot label de actieve zone van een presynaptische terminal12. Vesiculaire vervoerders, zoals de vesiculaire glutamaat vervoerders (vGluT) of vesiculaire GABA vervoerder (vGAT), worden gebruikt voor het label excitatory13 en remmende14 presynaptische terminals, respectievelijk. Aan de postsynaptisch kant, kunnen antistoffen tegen het eiwit Homer worden gebruikt om te markeren postsynaptisch terminals en antilichamen tegen postsynaptisch dichtheid eiwit 95 (PSD95)15,16,17 of gephyrin18 , 19 , 20 kan respectievelijk excitatory of remmende postsynaptisch terminals, label. Met behulp van antilichamen tegen een proteïne van belang en markeringen zoals degene hierboven beschreven, kan men de lokalisatie van dergelijke eiwitten bepalen. Veel studies tot nu toe hebben gedaan in een kwalitatieve wijze21. Echter om te bepalen op een betrouwbare manier de differentiële verdeling van een specifieke synaptic proteïne, moet een niet alleen bepalen de aanwezigheid of afwezigheid maar ook haar relatieve concentratie. De heterogeniteit van grootte en bevolkingsdichtheid van synapsen is het belangrijk om een verhouding tussen de synaptische markering en de proteïne van belang. Anders, synapse-rijke regio’s zoals de niet-piramidale lagen van de hippocampus en de moleculaire laag van het cerebellum zal tonen een hoge dichtheid van synaptic eiwitten, alleen als gevolg van de hogere dichtheid van synapsen maar niet als gevolg van een sterke aanwezigheid van deze eiwitten in elke synapse (b.v., Wallrafen en Dresbach1). Aan de andere kant, zal eiwitten in de neuronale soma (b.v., TGN3822) meestal sterke aanwezigheid in de hippocampal piramidale cellaag of hippocampal of cerebellaire submodule cellaag vanwege de hoge concentratie van neuronale cel organen weergeven in die gebieden. Deze niet-homogene verdeling van structuren, synapses daarom in dit geval, kan leiden tot een valse raming van de verdeling van de proteïne van belang zelf. Bovendien is er een intrinsieke variabiliteit in intensiteiten in verschillende steekproeven in technieken immunohistochemische kleuring. Het protocol beschreven hier houdt dit rekening en vermijdt dergelijke vooroordelen, evenals andere beperkingen die voortvloeien uit de immunohistochemische methoden.
In onze recente studie, wij hebben gebruikte deze methode voor het beschrijven van de differentiële expressie van Mover (ook wel TPRGL23 SVAP3024) over 16 verschillende hersenen gebieden1. Verhuizer is een gewerveld dier-specifieke synaptic eiwit dat kan worden gevonden in associatie met synaptische vesikels en invloeden van de neurotransmitter release25,26,27. We hebben de Mover uitdrukking aan de overvloed van synaptische vesikels, gerelateerde door kleuring voor synaptophysin als merkstof referentie synaptic blaasje. We vonden de hoge niveaus van de Verhuizer van met name in de septal kernen, de ventrale pallidum en de amygdala. Binnen de hippocampus vonden we een heterogene verdeling van de Mover, met hoge niveaus in de lagen die zijn gekoppeld aan de intra-hippocampal berekening, en lage niveaus in de input- en output lagen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De methode hier beoogt het kwantificeren van de distributie van een proteïne van belang ten opzichte van de overvloed van een marker eiwit met een bekende verdeling gepresenteerd. Immunofluorescentie kleuring prima overweg met een hoge variabiliteit van kleuring intensiteiten tussen verschillende segmenten. De hier beschreven aanpak van de kwantificering omzeilt dit probleem door het bepalen van de verhouding van de proteïne van belang zijn voor het gemiddelde over het halfrond. Daarom verschillende kleuring intensitei…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Irmgard Weiss voor uitstekende technische bijstand. De auteurs erkennen ondersteuning via Hermes Pofantis en Andoniya Petkova. De auteurs bedanken ook het Europees Instituut voor Neurowetenschappen voor het gebruik van de LSM800 en de technische bijstand, met name door Dr. Nils Halbsgut. Dit werk werd gefinancierd door de Universiteit medisch centrum Göttingen. JSV erkent ondersteuning door het centrum voor Nanoscale microscopie en moleculaire fysiologie van de hersenen (CNMPB).
Materials
| 1.5 mL reaction tubes | Eppendorf | 30120094 | |
| 50 mL reaction tubes | Greiner Bio-One | 227261 | |
| multiwell 24 well | Fisher Scientific | 087721H | |
| plastic pipette (disposable) | Sarstedt | 861,176 | |
| 1000 mL pipette | Rainin | 17014382 | |
| 2 ml pipette | Eppendorf | 3123000012 | |
| Vortex Genius 3 | IKA | 3340001 | |
| Menzel microscope slides | Fisher Scientific | 10144633CF | |
| Stereoscope | Leica | ||
| LSM800 | Zeiss | Confocal microscope | |
| freezing microtome | Leica | ||
| PBS (10X) | Roche | 11666789001 | |
| PFA | Sigma | P6148-1kg | |
| NaCl | BioFroxx | 1394KG001 | |
| sucrose | neoFroxx | 1104KG001 | |
| Tissue Tek | Sakura | 4583 | OCT |
| Na2HPO4 | BioFroxx | 5155KG001 | |
| NaH2PO4 | Merck | 1,063,460,500 | |
| normal goat serum | Merck Millipore | S26-100ML | |
| normal donkey serum | Merck | S30-100ML | |
| Triton X-100 | Merck | 1,086,031,000 | |
| rabbit anti-Mover | Synaptic Systems | RRID: AB_10804285 | |
| guinea pig anti-Synaptophysin | Synaptic Systems | RRID: AB_1210382 | |
| donkey anti-rabbit AF647 | Jackson ImmunoResearch | RRID: AB_2492288 | |
| goat anti-mouse AF488 | Jackson ImmunoResearch | RRID: AB_2337438 | |
| Mowiol4-88 | Calbiochem | 475904 | |
| ZEN2 blue software | Zeiss | Microscopy software | |
| FIJI | ImageJ | Analysis software | |
| Microsoft Excel | Microsoft | ||
References
- Wallrafen, R., Dresbach, T. The Presynaptic Protein Mover Is Differentially Expressed Across Brain Areas and Synapse Types. Frontiers in Neuroanatomy. 12, 58 (2018).
- Augustin, I., Betz, A., Herrmann, C., Jo, T., Brose, N. Differential expression of two novel Munc13 proteins in rat brain. Biochemical Journal. 337, 363-371 (1999).
- Rosenmund, C., et al. Differential Control of Vesicle Priming and Short-Term Plasticity by Munc13 Isoforms. Neuron. 33, 411-424 (2002).
- Breustedt, J., et al. Munc13-2 differentially affects hippocampal synaptic transmission and plasticity. Cerebral cortex. 20, 1109-1120 (2010).
- Chen, Z., Cooper, B., Kalla, S., Varoqueaux, F., Young, S. M. The Munc13 Proteins Differentially Regulate Readily Releasable Pool Dynamics and Calcium-Dependent Recovery at a Central Synapse. The Journal of Neuroscience. 33, 8336-8351 (2013).
- Taylor, S. C., Berkelman, T., Yadav, G., Hammond, M. A Defined Methodology for Reliable Quantification of Western Blot Data. Mol Biotechnol. , (2013).
- Charette, S. J., Lambert, H., Nadeau, P. J., Landry, J. Protein quantification by chemiluminescent Western blotting Elimination of the antibody factor by dilution series and calibration curve. Journal of Immunological Methods. 353, 148-150 (2010).
- Heidebrecht, F., Heidebrecht, A., Schulz, I., Behrens, S., Bader, A. Improved semiquantitative Western blot technique with increased quantification range. Journal of Immunological Methods. 345, 40-48 (2009).
- Toki, M. I., Cecchi, F., Hembrough, T., Syrigos, K. N., Rimm, D. L. Proof of the quantitative potential of immunofluorescence by mass spectrometry. Laboratory Investigation. 97, 329-334 (2017).
- Wilhelm, B. G., et al. Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking proteins. Science. 344, 1023-1028 (2014).
- Navone, F., et al. Protein p38: An integral membrane protein specific for small vesicles of neurons and neuroendocrine cells. Journal of Cell Biology. 103, 2511-2527 (1986).
- Gundelfinger, E. D., Reissner, C., Garner, C. C. Role of Bassoon and Piccolo in Assembly and Molecular Organization of the Active Zone. Frontiers in Synaptic Neuroscience. 7, (2016).
- Ziegler, D. R., Cullinan, W. E., Herman, J. P. Distribution of vesicular glutamate transporter mRNA in rat hypothalamus. Journal of Comparative Neurology. 448, 217-229 (2002).
- Chaudhry, F. A., et al. The vesicular GABA transporter, VGAT, localizes to synaptic vesicles in sets of glycinergic as well as GABAergic neurons. Journal of Neuroscience. 18, 9733-9750 (1998).
- Aoki, C., et al. Electron Microscopic Immunocytochemical SAP-97 at Postsynaptic, Presynaptic, and Nonsynaptic Sites of Adult and Neonatal Rat Visual Cortex. Synapse. 257, 239-257 (2001).
- Valtschanoff, J. G., et al. Expression of NR2 Receptor Subunit in Rat Somatic Sensory Cortex : Synaptic Distribution and Colocalization With NR1 and PSD-95. Journal of Comparative Neurology. 611, 599-611 (1999).
- Hunt, A., Schenker, L. J., Kennedy, B. PSD-95 Is Associated with the Postsynaptic Density and Not with the Presynaptic Membrane at Forebrain Synapses. Journal of Neuroscience. 76, 1380-1388 (1996).
- Luscher, B., Fuchs, T., Kilpatrick, C. L. GABA A Receptor Trafficking-Mediated Plasticity of Inhibitory Synapses. Neuron. 70, 385-409 (2011).
- Kirby, M. . Understanding the molecular diversity of GABAergic synapses. 5, 1-12 (2011).
- Harris, K. M., Weinberg, R. J., Verrall, A. W. Ultrastructure of Synapses in the Mammalian Brain. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. , 1-30 (2012).
- Heise, C., et al. Selective Localization of Shanks to VGLUT1-Positive Excitatory Synapses in the Mouse Hippocampus. Frontiers in Cellular Neuroscience. 10, (2016).
- Peters, P. J., Yuan, L. C., Biology, C., Branch, M. Localization of TGN38 to the trans-Golgi network: involvement of a cytoplasmic tyrosine-containing sequence. Journal of Cell Biology. 120, 1123-1135 (1993).
- Antonini, D., et al. Tprg, a gene predominantly expressed in skin, is a direct target of the transcription factor p63. Journal of Investigative Dermatology. 128, 1676-1685 (2008).
- Burre, J., et al. Synaptic vesicle proteins under conditions of rest and activation: Analysis by 2-D difference gel electrophoresis. Electrophoresis. 27, 3488-3496 (2006).
- Kremer, T., et al. Mover is a novel vertebrate-specific presynaptic protein with differential distribution at subsets of CNS synapses. FEBS Letters. 581, 4727-4733 (2007).
- Ahmed, S., et al. Mover Is a Homomeric Phospho-Protein Present on Synaptic Vesicles. PLoS ONE. 8, (2013).
- Körber, C., et al. Modulation of Presynaptic Release Probability by the Vertebrate-Specific Protein Mover. Neuron. 87, 521-533 (2015).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rodents. Journal of Visualized Experiments. , 1-9 (2012).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9, (2012).
- Schneider Gasser, E. M., et al. Immunofluorescence in brain sections: simultaneous detection of presynaptic and postsynaptic proteins in identified neurons. Nature Protocols. 1, 1887-1897 (2006).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2001).
- Sun, Y., Ip, P., Chakrabartty, A. Simple Elimination of Background Fluorescence in Formalin-Fixed Human Brain Tissue for Immunofluorescence Microscopy. Journal of Visualized Experiments. , 1-6 (2017).
- Poole, A. R., Dingle, J. T., Mallia, A. K. The localization of retinol-binding protein in rat liver by immunofluorescence microscopy. Journal of Cell Science. 394, 379-394 (1975).
