转录动力学的脑组织样本在行为经验综合分析
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
在大脑和长期记忆巩固经验的编码依赖于基因转录。识别编码经验的特定基因的功能的分子神经科学的主要目标之一。此外，确定基因与特定行为的功能联系对于理解神经精神疾病的基础意义。感应的鲁棒转录方案已在下列各种行为操作小鼠的大脑中观察到。而一些遗传元件被用于循环地以下不同行为的操作和在不同脑核，转录方案是整体独特的诱导刺激物和它们所研究1,2的结构。
在本出版物，协议是针对操纵行为的描述，从小鼠脑核强大和全面的转录谱。该协议中演示了在细胞核中基因表达的动力学分析的情况下伏隔急性可卡因经验。随后到体内的经验定义，目标神经组织被解剖;其次是RNA纯化，反转录和利用微阵列为多个目标基因的综合定量PCR分析。该协议是着眼于全面的分析（处理50-500个基因）限制原料的数量，如小的大脑标本，甚至单个细胞。
该协议是对多个样品的平行分析（ 如单细胞，动态分析下列药物，病毒或行为紊乱）最有利的。然而，该协议也可以事先对全基因组研究中起到了样品的特性和质量保证通过微阵列或RNAseq，以及从全基因组研究中获得的数据的验证。
Introduction
大脑的充满活力的组织能够认知和行为的灵活性。经验是通过神经元之间的连接的结构和强度的变型在大脑3编码。这个“经验依赖性可塑性”是诱导特异性基因表达，可提供必要的蛋白质的突触结构和强度4的变形例的模式的结果。基因调控网络的识别中介长期记忆的形成是分子神经科学的核心原则，并期望识别转录程序的主导因素将提供洞察调节记忆的形成，以及对目标的基本原则治疗神经变性和神经精神障碍。转录程序展开在时间上定义的波，其中每一个编码的基因不同的字符，这是当d重要ifferent阶段的信号事件1,2的结果的执行情况。因此重要的是要解决的转录动力学进行了详细的时间时间表，以便确定诱导的基因的全面补充，并洞察他们的潜在功能，根据自己归纳的动态。
吸毒是造成药物滥用的神经回路在大脑5,6长期影响的经验依赖可塑性强大的表单。最初，急性暴露于药物可能导致成瘾的发展和过渡到长期使用。上下文信息是网瘾发展的关键因素。药物相关环境线索在药物滥用者的头脑中分配显著重要性。上下文信息，提醒过往用药经验滥用药物可诱发复吸毒品的渴求，甚至禁欲以下长时间的药物暴露7,8。因此，重要的临床挑战成瘾-成瘾的倾向，停药后症状已经消退9复发甚至长。
行为敏可卡因是可卡因经验的毒瘾机制的研究很有用一个简单的模型。在本作中持久过敏引起的慢性接触到滥用药物被广泛研究的模式，鼠类首先习惯于注射生理食盐水（腹腔，IP）的一个新的环境中（一个开放的领域腔中的自发活动监测） ;然后，他们收到可卡因每天注射，在旷场箱，而它们的活性被监测10（ 图1）。这种行为模式通常导致的自发行为（8-12倍以上的基线活动）11，这是保持以下停止注射可卡因数月的强劲敏，显示了PERV的形成的用药经验asive记忆痕迹。
奖励的神经回路，自然参与加强行为的一个物种的成功（ 例如喂食，性别）必不可少的，是由药物滥用，加强药物相关的行为12,13的利用。由药物滥用的经验增强的分子和细胞机制似乎是类似的底层声明或语义记忆在其他大脑结构14的形成机制。因此，该行为敏化模型的稳健性，使其成为有吸引力的模型系统来研究的经验依赖性可塑性机制。
伏隔核（NAC）是大脑奖励环路的中央集成商，并已被广泛使用成瘾5,6的发展有关。瘾的形成取决于在伏隔核的新的蛋白质的转录，并在鲁棒的结构清晰的转录程序duction是在伏隔核以下可卡因经验15-19 观察到可卡因曝光的急性转录反应是可能的，多层次的，以适应于强诱导刺激，并直接生产新的蛋白质的功能即负责通过照射诱发的药物6,19-22的结构和电学的改变。
为了促进的经验依赖性可塑性在大脑中的分子机制的研究中，一个协议被描述为转录动力学的脑组织样品中的下列行为操作的全面分析。该协议说明的行为经验研究的生活更轻松实验室环境 – 行为敏可卡因，利用微流体动态数组进行转录分析。中描述的协议显然不限于学习吨他细胞核中行为敏化的背景下伏，而是可以应用到大量的行为范例和大脑区域。事实上，这个协议可以被应用到身体组织中的外脑，和各种经历或生物体的操作的影响。
该协议被粗略地分为四个步骤。在第一步骤中，将动物进行的行为模式;在第二步骤中，组织是显微切割的;在第三步骤 – 的mRNA的纯化，逆转录和探测，并在最后的步骤中的数据进行了分析。
在研究转录动力学的情况下，精确定时的经验和定义可能是最重要的实验参数来控制。出于这个原因，我们的行为选择的模式是，行为敏可卡因，一种系统，其允许实验者控制的高含量超过experien的参数CE。提供额外的行为范式，使精确定时和解决不同型号的经验依赖可塑性和记忆的形成。这些模型包括恐惧条件23，急性丰富环境24,25，新物体探索26项黑暗饲养27的视觉体验。然而，行为敏可卡因是一贯稳健的操纵行为，创造一个高度普遍的记忆痕迹而持续数月以下的可卡因经验28。
大脑切片，随后是伏隔核的手工显微切割。一直以来，我们的经验，从快速制备脑切片手工显微切割提供提取相关的行为范例组织的最可靠和快速的方法，并且有经验的，组织的边界变得明显和容易地识别。另外，精细的切片可以prepar编，接着通过激光捕获显微切割。虽然这种方法能够高度限定的感兴趣区域的分界，它是慢（因而冒不稳定的mRNA的丢失），繁琐，并且需要昂贵的专用设备（配有激光捕获设置的显微镜）。本文所定义的协议，也可以适用于单细胞转录分析，通过使用膜片移液管29在视觉上识别细胞的细胞质中的手动抽吸。要注意的是所描述的协议提供了人口平均，而这是极可能的是，在大多数情况下，在组织内的细胞中，只有亚群实际参与反应的经验是很重要的。这是感兴趣的，从特定的细胞群响应经验内轮廓的转录以选择性方式，但这些方法的讨论已超出当前范围。
对于mRNA的纯化，反转录和定量PCR的查询中，组织是通过细针，其次是市售试剂盒的使用传递给它打乱了（有关详细信息，请参阅表8）。的选择是通过用这些方法，这确保了高品质的RNA和从下游应用健壮的结果可靠提取经验得知。
而该协议描述了用于高通量定量PCR使用动态阵列，样品可以用终点PCR，低通量定量PCR，基因表达的微阵列或深度测序被探测的基因表达。偏爱高通量定量PCR使用动态阵列是由于mRNA的脑细胞得到下列行为范例是常常限制量的事实。动态数组提供了一个平台，使成绩单高效综合分析从一个单一的实验大量平行样品。最初的收购微流体系统（通常是机构PU后rchase），实验是相对便宜的运行。根据这一分析，可以用更昂贵的平台，以寻找新的成绩单（由微阵列或RNAseq）与动态数组提供质量保证全面的参考来进行样品的进一步查询。最后，对数据进行分析，标准的方法被利用。对于可能出现的问题的具体指针将在协议的文本进行讨论。
该协议是最适合感兴趣的是他们的利益制度进行彻底的调查调查，研究多个条件和重复。该协议也是谁已经磨练中（通过微阵列或RNAseq实验）在50-500基因的兴趣，他们有兴趣在反复询问一个子集，研究者最合适的。
Protocol
Representative Results
Discussion
从脑组织以下行为范式成功的表征基因的表达依赖于：行为范式中1）认真小鼠的处理; 2）快速，精确的利益组织的解剖; 3）RNA的保护措施以确保RNA的完整性; 4）引物和实验布局精心规划，以及精度和对细节的关注，准备的qPCR分析。
描述的步骤的目的是表征诱发一种行为体验的转录活动动态;因此，认真注意是必要的，以确保该行为范式所经历的小鼠确实表示打算由研究者的?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
