Capitalizing on a binary genetic strategy we provide a detailed protocol for neural circuit tracing in mice that express complementary transsynaptic tracers after Cre-mediated recombination. Because cell-specific tracer production is genetically encoded, our experimental approach is suitable to study the formation and maturation of neural circuitry during murine embryonic brain development at a single cell resolution.
Anatomical path tracing is of pivotal importance to decipher the relationship between brain and behavior. Unraveling the formation of neural circuits during embryonic maturation of the brain however is technically challenging because most transsynaptic tracing methods developed to date depend on stereotaxic tracer injection. To overcome this problem, we developed a binary genetic strategy for conditional genetic transsynaptic tracing in the mouse brain. Towards this end we generated two complementary knock-in mouse strains to selectively express the bidirectional transsynaptic tracer barley lectin (BL) and the retrograde transsynaptic tracer Tetanus Toxin fragment C from the ROSA26 locus after Cre-mediated recombination. Cell-specific tracer production in these mice is genetically encoded and does not depend on mechanical tracer injection. Therefore our experimental approach is suitable to study neural circuit formation in the embryonic murine brain. Furthermore, because tracer transfer across synapses depends on synaptic activity, these mouse strains can be used to analyze the communication between genetically defined neuronal populations during brain development at a single cell resolution. Here we provide a detailed protocol for transsynaptic tracing in mouse embryos using the novel recombinant ROSA26 alleles. We have utilized this experimental technique in order to delineate the neural circuitry underlying maturation of the reproductive axis in the developing female mouse brain.
Anatomisk sti sporing er en af de mest almindeligt anvendte værktøjer at dechifrere forholdet mellem hjernen og adfærd 1. Avancement i neurale kredsløb opsporing teknologier har skænket neuroforskere med muligheden for at spore neurale kredsløb af genetisk identificerede neuron populationer i mus 2. På trods af disse tekniske fremskridt er det stadig en udfordring at optrævle dannelsen af neurale kredsløb, især i embryonale modning. Dette er fordi de fleste af sporing metoder udviklet til dato er baseret på stereotaktisk injektion af transsynaptisk sporstoffer eller genetisk modificerede neurotrofiske virus (figur 1) 2,3. Selv om disse teknikker opnå rumlig og tidsmæssig opløsning på tilslutningsmuligheder, adskillige iboende begrænsninger såsom teknisk udfordrende tracer injektioner i hjernens udvikling, reproducerbarhed injektionsstedet, potentiel inflammation på injektionsstedet og mest betydtantly cytotoksicitet skyldes neurotropiske virus begrænse deres brug 4.
En alternativ metode er at udtrykke de transsynaptisk sporstoffer som transgener i genetisk ændrede mus. Vi har for nylig ændret denne teknik og udviklet en binær genetisk transsynaptisk sporingssystem til at kortlægge de neurale kredsløb af nogen genetisk identificeret neuronpopulation 5. Vores eksperimentelle strategi er baseret på to nye knock-in musestammer, som udtrykker enten tovejs sporstof byg lectin (BL) 6 eller retrograd sporstof tetanustoxinfragment C fusioneret til GFP (GTT) 7 fra ROSA 26 locus efter Cre-medieret rekombination. Her brugte vi disse musestammer til selektivt at udtrykke BL og GTT i neuroner, der producerer kisspeptin, et neuropeptid, er impliceret i reguleringen modningen af reproduktive akse 8,9. Vi viser, at denne teknik er egnet til at visualisere udviklingen og modningen af kyspeptin neurale kredsløb under fosterudviklingen af den kvindelige musehjerne 5.
Breeding strategi
Det R26-BL-IRES-τlacZ (BIZ) og R26-GFP-TTC (GTT) tracer linjer er knock-i stammer 5, som bærer rekombinante ROSA26 alleler. Den R26-BIZ og R26-GTT alleler er transkriptionelt tavst på grund af tilstedeværelsen af en stærk transkriptionel stopsignal, som er flankeret af to loxP-sites 5. Ekspression af BIZ og GTT transgen aktiveres af Cre-medieret fjernelse af den transkriptionelle stopsignal. De R26-BIZ og R26-GTT alleler kan anvendes uafhængigt ved blot passage med en Cre driver linje. Til analyse dyr heterozygote for de respektive Cre og R26 alleler kan anvendes. Kuldsøskende bærer en Cre eller en R26-allel, henholdsvis skal anvendes som kontroller. Alternativt er det også muligt at generere triple knock-dyr bærer Cre, R26-BIZ og R26-GTT alleler, men dette vil kræve en ekstra kryds.
Udtrykke transsynaptisk sporstoffer som transgener at spore neurale kredsløb af genetisk definerede neuronale populationer har flere fordele i forhold til stereotaktisk injektion af røbestoffer eller neurotopic virus. Først sporstof fremstillet som et endogent protein, og derfor ikke fremkalde nogen immunrespons og en selektiv neural pathway kan analyseres i forskellige dyr med høj reproducerbarhed. For det andet, fordi det er en ikke-invasiv metode, den kan anvendes til at spore kredsløb fra neuroner ikke er let t…
The authors have nothing to disclose.
We thank Michael Candlish for critical comments on the manuscript. This project was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft grants BO1743/6 and SFB/TRR 152 P11 and Z02 to Ulrich Boehm.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Bisbenzimide (Hoechst 33258 dye) | Sigma | 14530-100MG | |
Ethanol | Sigma | 32205-1L | |
Cryo mold (Peel-a-way) | Polyscience Inc. | 18646A-1 | 22mm x 22mm x 20mm |
DMSO | Sigma | D8418-100ML | |
Dimethyl Formamide (DMF) | VWR Chemicals | 23470,293 | |
EGTA | ROTH | 3054.3 | |
Fluoromount G | Southern Biotech | 0100-01 | |
Glutaraldehyde | Sigma | G5882-50ML | |
Hydrogen peroxide | Sigma | 34988-7 | |
Isopentane (Methyl 2-butane) | Sigma | M32631-2.5L | |
Kaiser's Glycine gelatin | Merck | 1092420100 | |
Methanol | Sigma | 494437-1L | |
MgCl2 | Sigma | M2670-100G | |
NaCl | ROTH | HN00.2 | |
NBT | Sigma | 298-83-9 | |
Nonidet P40 substitute | Fluka | 743.85 | |
OCT | Leica | 14020108926 | |
PAP pen | Dako | S2002 | |
Parafarmaldehyde | Sigma | P6148-1KG | |
Sodium deoxycholate | Sigma | D6750-25G | |
Sucrose | Sigma | S7903-1KG | |
Superfrost slides | Thermo Scientific | FT4981GLPLUS | |
TSA kit | PerkinElmer | NEL700 | |
TSA plus kit | PerkinElmer | NEL749A001KT | |
Tris | ROTH | AE15.2 | |
Triton-X 100 | ROTH | 3051.2 | |
Tween 20 | ROTH | 9127.1 | |
X-gal | ROTH | 2315.1 | |
Cryostat | Leica | na | |
Light microscope equipped with DIC imaging | Zeiss | Axioskop2 equipped with Axio Vision software | |
Fluroscence microscope | Zeiss | Axioskop2 equipped with Axio Vision software | |
Photoshop | Adobe | PS6 | |
Goat anti-WGA (recognizes BL) | Vector Laboatories | AS-2024 | |
Biotinylayted horse anti-goat IgG | Vector Laboatories | BA-9500 | |
Biotinylated goat anti-rabbit IgG | Vector Laboatories | BA-1000 | |
Rabbit anti-GFP (recognizes GTT) | Invitrogen | A11122 | |
Rabbit anti-GnRH | Affinity Bio Reagent | PA1-121 | |
Dylight488-donkey anti-rabbit IgG | Thermo Scientific | SA5-10038 | |
SA-Alexa Fluor 546 | Life Technologies | S-11225 | |
Primers | |||
BL Fwd (for BIZ genotyping) | Eurofins MWG Operon | ATGAAGATGATGAGCACCAG GGC |
|
BL Rev (for BIZ genotyping) | Eurofins MWG Operon | AGCCCTCGCCGCAGAACTC | |
Cre Fwd (for Cre genotyping) | Eurofins MWG Operon | GTCGATGCAACGAGTGATGAG GTTCG |
|
Cre Rev (for Cre genotyping) | Eurofins MWG Operon | CCAGGCTAAGTGCCTTCTCTAC ACCTGC |
|
TTC Fwd (for GTT genotyping) | Eurofins MWG Operon | AGCAAGGGCGAGGAGCTGTT | |
TTC Rev (for GTT genotyping) | Eurofins MWG Operon | GTCTTGTAGTTGCCGTCGTCCT TGAA |
|
XY Fwd (for gender genotyping) | Eurofins MWG Operon | TGAAGCTTTTGGCTTTGA | |
XY Rev (for gender genotyping) | Eurofins MWG Operon | CCGCTGCCAAATTCTTTG | |
ROSA26 Fwd | Eurofins MWG Operon | CGAAGTCGCTCTGAGTTGTTATC | |
ROSA26 Rev | Eurofins MWG Operon | GCAGATGGAGCGGGAGAAAT | |
SA Rev | Eurofins MWG Operon | CGAAGTCGCTCTGAGTTGTTATC |