慢性ニコチン投与によるマウスノックインで蛍光標識ニコチン性受容体のスペクトル共焦点イメージング
Summary
私たちはより良いアプローチノックインおよびスペクトルを用いた受容体の蛍光タンパク質タグを含むアプローチの組み合わせを使用して、ニコチン中毒のメカニズムを理解するCNSニューロンの特定のサブタイプの細胞内領域内のニコチン性アセチルコリン受容体の変化を定量化する新しい技術を開発しました共焦点イメージング。
Abstract
中枢神経系（CNS）のリガンド依存性イオンチャネルは、深刻な医学的および社会的影響を持つ多数の条件に関与している。例えば、喫煙を介してニコチンへの中毒は、早死に世界的に（世界保健機構）の主要な原因である可能性が高いと脳1のイオンチャネルの分布の変化によって引き起こされます。 1月3日脳組織内のニコチン性アセチルコリン受容体（nAChRs）数の増加の両方のげっ歯類およびヒトの結果の慢性ニコチン曝露。同様に、グルタミン酸作動性GluN1またはGluA1チャネルの変化は、そのようなコカイン、アンフェタミンとアヘン4月6日のような他の依存性薬物に感作を誘発に関与している。
したがって、特定のイオンチャネルの分布と発現パターンをマッピングし、定量化する能力は、中毒のメカニズムを理解する上で非常に重要です。脳領域特異的EFの研究個々の薬剤のfectsこのような放射性リガンドとしての技術の出現によって進められた。しかし、放射性リガンド結合の低空間分解能は、ニューロンの特定のサブタイプのリガンド依存性イオンチャネルを定量化する能力を防ぎます。
そのような緑色蛍光タンパク質（GFP）とその多くの色の変種とし て遺伝的にエンコードされた蛍光レポーターは、生物学の7分野に革命をもたらしました。遺伝的にタギングすることで蛍光レポーターは1つがin vivoで 7-10 のタンパク質を可視化することができます内因性蛋白質に。プローブを用いた蛍光タグタンパク質の一つの利点は、標的タンパク質に非特異性とアクセシビリティの問題を抱えている抗体の使用の排除です。我々は、トランスフェクションした培養細胞11にフェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）を用いた受容体アセンブリーの研究を有効にして蛍光ラベルnAChRs、この戦略を使用しています。最近では、我々は石油公社を使用しているK-のスペクトル共焦点顕微鏡12を介して中枢神経系ニューロンのサブミクロンの解像度で受容体を ex vivoでの正確な定量を可能にする、α4のnAChRサブユニット（α4YFP）をタグ付け黄色蛍光タンパク質を持つエンジニアのマウスへのアプローチ。対象と蛍光ノックイン変異は野生型マウスのタグの付いていない受容体に比較した場合の発現と受容体の調節の正常なレベルを生産する、内因性遺伝子座にその天然のプロモーターの制御下に組み込まれています。このノックインアプローチは蛍光他のイオンチャネルをタグ付けしCNS内の受容体の可視化と定量化の強力なアプローチを提供していますように拡張することができます。
本稿では、慢性的なニコチンへの曝露後、特定のCNSニューロンでのnAChR発現の変化を定量化する方法を説明します。私たちの方法は、ミニ浸透圧ポンプ注入、心臓内灌流固定、蛍光標識ニコチンRECのイメージングと解析が含まれていからeptorサブユニットα4YFPノックインマウス（図1）。我々は、固定脳tissue.We詳細に正確にα4YFP蛍光シグナルを得るためにautofluoresent信号を減算する線形スペクトルアンミキシングアルゴリズムと組み合わせてスペクトル共焦点顕微鏡を使用して、私たちのイメージング手法を説明しますから、蛍光最小限に抑えるために固定技術を最適化しました。最後に、我々は、海馬の内側perforantパス内のα4YFP受容体の慢性的なニコチン誘発性の亢進の結果を示しています。
Protocol
1。ポンプの注入ポンプの注入前に、Alzetミニ浸透圧ポンプ（Alzet、モデル2002、クパチーノ、米国）は気泡を導入しないように注意して記入して準備します。ミニ浸透圧ポンプのこのモデルは、14日間で0.5μL/ hrの速度でソリューションを提供します。無菌状態を確認します。空と充填ポンプの重量を量る。実験（10日移植後）の終了時に、ポンプ内の残りの液体を注射器と注射針を除去…
Discussion
<p class="jove_content">量と特定のイオンチャネルの局在を決定するためのノックインマウスモデルにおける蛍光体の使用は多くの利点を提供しています。そのような普遍的にすべての細胞に発現しているアクチン、などのタンパク質とは対照的に、イオンチャネルは、はるかに少ない数で存在し、それらの発現は困難で、従来の免疫組織化学的手法を介して正確な分析を行うニューロンのサブタイプ間で異なり?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
アンソニーRendaは、ビクトリア研究フェローシップ賞の大学によってサポートされていました。 MyreとWinifredのシム·ファンド、イノベーション助成金、ブリティッシュコロンビア州の知識開発基金のためのカナダの財団 – この研究は自然科学とカナダのディスカバリーグラント工学研究評議会、NARSAD若手研究者賞（RNまで）、ビクトリア財団によってサポートされていました自然科学とカナダのリサーチ·ツールと計測グラント工学研究評議会。我々は優れたマウスの飼育のためにジリアン·マッケイ、クリスティーナ·バーンズ、アリエル·サリバン、ジェニファーマクドナルド、ダニエルMorgadoに感謝します。
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
| mini-osmotic pumps | Alzet | model 2002 | |
| saline | Teknova | S5819 | |
| (-)-nicotine hydrogen tartrate salt | Sigma | N5260 | |
| eye drops | Novartis | Tear-Gel | |
| Vetbond glue | 3M | 1469SB | |
| heparin sodium salt | Sigma | H4784 | |
| 10x PBS | Invitrogen | 70011 | |
| ketamine | Wyeth Animal Health | 0856-4403-01 | |
| medatomidine hydrochloride | Pfizer | 1950673 | |
| 23G butterfly needle | Becton Dickinson | 367253 | |
| paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| plastic embedding mold | VWR | 18986-1 | |
| O.C.T. Mounting Compound | Tissue-Tek | 4583 | |
| Mowiol 4-88 | EMD-Calbiochem | 475904 | pH 8.5 |
References
- Perry, D. C., Davila-Garcia, M. I., Stockmeier, C. A., Kellar, K. J. Increased nicotinic receptors in brains from smokers: membrane binding and autoradiography studies. J. Pharmacol. Exp. Ther. 289, 1545-1552 (1999).
- Schwartz, R. D., Kellar, K. J. Nicotinic cholinergic receptor binding sites in the brain: regulation in vivo. Science. 220, 214-216 (1983).
- Marks, M. J., Burch, J. B., Collins, A. C. Effects of chronic nicotine infusion on tolerance development and nicotinic receptors. J. Pharmacol. Exp. Ther. 226, 817-8125 (1983).
- Carlezon, W. A. J., Nestler, E. J. Elevated levels of GluR1 in the midbrain: a trigger for sensitization to drugs of abuse. Trends Neurosci. 25, 610-615 (2002).
- Fitzgerald, L. W., Ortiz, J., Hamedani, A. G., Nestler, E. J. Drugs of abuse and stress increase the expression of GluR1 and NMDAR1 glutamate receptor subunits in the rat ventral tegmental area: common adaptations among cross-sensitizing agents. J. Neurosci. 16, 274-2782 (1996).
- Saal, D., Dong, Y., Bonci, A., Malenka, R. C. Drugs of abuse and stress trigger a common synaptic adaptation in dopamine neurons. Neuron. 37, 577-5782 (2003).
- Tsien, R. Y. The green fluorescent protein. Annu. Rev. Biochem. 67, 509-544 (1998).
- Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W., Prasher, D. C. Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science. 263, 802-805 (1994).
- Feng, G., Mellor, R. H., Bernstein, M., Keller-Peck, C., Nguyen, Q. T., Wallace, M. Imaging neuronal subsets in transgenic mice expressing multiple spectral variants of GFP. Neuron. 28, 41-51 (2000).
- Livet, J., Weissman, T. A., Kang, H., Draft, R. W., Lu, J., Bennis, R. A. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system. Nature. 450, 56-62 (2007).
- Nashmi, R., Dickinson, M. E., McKinney, S., Jareb, M., Labarca, C., Fraser, S. E. Assembly of α4β2 nicotinic acetylcholine receptors assessed with functional fluorescently labeled subunits: effects of localization, trafficking, and nicotine-induced upregulation in clonal mammalian cells and in cultured midbrain neurons. J. Neurosci. 23, 11554-11567 (2003).
- Nashmi, R., Xiao, C., Deshpande, P., McKinney, S., Grady, S. R., Whiteaker, P. Chronic nicotine cell specifically upregulates functional α4* nicotinic receptors: basis for both tolerance in midbrain and enhanced long-term potentiation in perforant path. J. Neurosci. 27, 8202-8218 (2007).
- Dickinson, M. E., Bearman, G., Tilie, S., Lansford, R., Fraser, S. E. Multi-spectral imaging and linear unmixing add a whole new dimension to laser scanning fluorescence microscopy. BioTechniques. 31, 1272-1278 (2001).
- Nashmi, R., Fraser, S. E., Lester, H., Dickinson, M. E., Periasamy, A., Day, R. N. . Molecular imaging: fret microscopy and spectroscopy. , 180-192 (2005).
- Zimmermann, T., Rietdorf, J., Girod, A., Georget, V., Pepperkok, R. Spectral imaging and linear un-mixing enables improved FRET efficiency with a novel GFP2-YFP FRET pair. FEBS Lett. 531, 245-249 (2002).
- Larson, J. M. The Nikon C1si combines high spectral resolution, high sensitivity, and high acquisition speed. Cytometry A. 69, 825-8234 (2006).
- Melvin, N. R., Sutherland, R. J. Quantitative caveats of standard immunohistochemical procedures: implications for optical disector-based designs. J. Histochem. Cytochem. 58, 577-5784 (2010).
- Jones, I. W., Wonnacott, S. Why doesn’t nicotinic ACh receptor immunoreactivity knock out. Trends Neurosci. 28, 343-345 (2005).
- Moser, N., Mechawar, N., Jones, I., Gochberg-Sarver, A., Orr-Urtreger, A., Plomann, M. Evaluating the suitability of nicotinic acetylcholine receptor antibodies for standard immunodetection procedures. J. Neurochem. , (2007).
- Whiteaker, P., Cooper, J. F., Salminen, O., Marks, M. J., McClure-Begley, T. D., Brown, R. W., Collins, A. C., Lindstrom, J. M. Immunolabeling demonstrates the interdependence of mouse brain a4 and b2 nicotinic acetylcholine receptor subunit expression. The Journal of Comparative Neurology. 499, 1016-1038 (2006).
- Marks, M. J., McClure-Begley, T. D., Whiteaker, P., Salminen, O., Brown, R. W. B., Cooper, J., Collins, A. C., Lindstrom, J. M. Increased nicotinic acetylcholine receptor protein underlies chronic nicotine-induced up-regulation of nicotinic agonist binding sites in mouse brain. The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. , 337-3187 (2011).
- Marks, M. J., Rowell, P. P., Cao, J. Z., Grady, S. R., McCallum, S. E., Collins, A. C. Subsets of acetylcholine-stimulated 86[Rb]+ efflux and 125[I]-epibatidine binding sites in C57BL/6 mouse brain are differentially affected by chronic nicotine treatment. Neuropharmacology. 46, 1141-1157 (2004).
- King, S. L., Caldarone, B. J., Picciotto, M. R. Beta2-subunit-containing nicotinic acetylcholine receptors are critical for dopamine-dependent locomotor activation following repeated nicotine administration. Neuropharmacology. 47, 132-139 (2004).
- Robinson, S. F., Marks, M. J., Collins, A. C. Inbred mouse strains vary in oral self-selection of nicotine. Psychopharmacology (Berl). 124, 332-339 (1996).
- Sparks, J. A., Pauly, J. R. Effects of continuous oral nicotine administration on brain nicotinic receptors and responsiveness to nicotine in C57Bl/6 mice. Psychopharmacology (Berl). , 141-145 (1999).
- Rahman, S., Zhang, J., Engleman, E. A., Corrigall, W. A. Neuroadaptive changes in the mesoaccumbens dopamine system after chronic nicotine self-administration: a microdialysis study. 신경과학. 129, 415-4124 (2004).
- Picciotto, M. R., Zoli, M., Rimondini, R., Lena, C., Marubio, L. M., Pich, E. M. Acetylcholine receptors containing the β2 subunit are involved in the reinforcing properties of nicotine. Nature. 391, 173-177 (1998).
- Fowler, C. D., Lu, Q., Johnson, P. M., Marks, M. J., Kenny, P. J. Habenular α5 nicotinic receptor subunit signalling controls nicotine intake. Nature. 471, 597-601 (2011).
- Maskos, U., Molles, B. E., Pons, S., Besson, M., Guiard, B. P., Guilloux, J. P. Nicotine reinforcement and cognition restored by targeted expression of nicotinic receptors. Nature. 436, 103-107 (2005).
- Matta, S. G., Balfour, D. J., Benowitz, N. L., Boyd, R. T., Buccafusco, J. J., Caggiula, A. R., Craig, C. R., Collins, A. C., Damaj, M. I., Donny, E. C., Gardiner, P. S., Grady, S. R., Heberlein, U., Leonard, S. S. Guidelines on nicotine dose selection for in vivo research. Psychopharmacology. 190, 269-319 (2007).
- Lang, T., Rizzoli, S. O. Membrane protein clusters at nanoscale resolution: more than pretty pictures. Physiology (Bethesda). 25, 116-1124 (2010).
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Renda, A., Nashmi, R. Spectral Confocal Imaging of Fluorescently tagged Nicotinic Receptors in Knock-in Mice with Chronic Nicotine Administration. J. Vis. Exp. (60), e3516, doi:10.3791/3516 (2012).