Summary

Betinget Genetisk transsynaptisk sporing i den embryoniske musehjerne

Published: December 22, 2014
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

BEMÆRK: Etik erklæring: procedurer, der involverer dyr forsøgspersoner blev godkendt af dyrevelfærd udvalg fra University of Hamburg og universitetet i Saarland. 1. Forberedelse og Fiksering af fostervæv Arranger alt det nødvendige udstyr til at dissekere ud embryonerne og forberede løsninger til efterfølgende fiksering af vævet før at ofre dyrene. BEMÆRK: altid udarbejde en frisk 4% paraformaldehyd (PFA) opløsning (4% PFA i 0,1 M phosphatpufret saltvand (PBS), …

Representative Results

Dette afsnit viser repræsentative resultater, der kan opnås arbejde med R26-BIZ (B L- I RES-τlac Z) og R26-GTT (G RP TT C) alleler. Her bruger vi R26-BIZ og R26-GTT alleler at analysere modningen af de neurale kredsløb, der regulerer den reproduktive akse. Reproduktion hos hvirveldyr styres centralt af en lille delmængde af neuroner i hypothalamus, som udskiller gonadotropin-frigivende hormon (GnRH). Kisspeptin, en potent aktivator af GnRH-neuroner, er…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

References

  1. Vercelli, A., Repici, M., Garbossa, D., Grimaldi, A. Recent techniques for tracing pathways in the central nervous system of developing and adult mammals. Brain. Res. Bull. 51, 11-28 (2000).
  2. Huang, Z. J., Zeng, H. Genetic approaches to neural circuits in the mouse. Annu. Rev. Neurosci. 36, 183-215 (2013).
  3. Lanciego, J. L., Wouterlood, F. G. A half century of experimental neuroanatomical tracing. J. Chem. Neuroanat. 42, 157-183 (2011).
  4. DeFalco, J., et al. Virus-assisted mapping of neural inputs to a feeding center in the hypothalamus. Science. 291, 2608-2613 (2001).
  5. Kumar, D., et al. Murine arcuate nucleus kisspeptin neurons communicate with GnRH neurons in utero. J. Neurosci. 34, 3756-3766 (2014).
  6. Horowitz, L. F., Montmayeur, J. P., Echelard, Y., Buck, L. B. A genetic approach to trace neural circuits. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96, 3194-3199 (1999).
  7. Maskos, U., Kissa, K., ST Cloment, C., Brulet, P. Retrograde trans-synaptic transfer of green fluorescent protein allows the genetic mapping of neuronal circuits in transgenic mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 10120-10125 (2002).
  8. De Roux, N., et al. Hypogonadotropic hypogonadism due to loss of function of the KiSS1-derived peptide receptor GPR54. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 10972-10976 (2003).
  9. Seminara, S. B., et al. The GPR54 gene as a regulator of puberty. N. Engl. J. Med. 349, 1614-1627 (2003).
  10. Mayer, C., et al. Timing and completion of puberty in female mice depend on estrogen receptor alpha-signaling in kisspeptin neurons. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 22693-22698 (2010).
  11. Soriano, P. Generalized lacZ expression with the ROSA26 Cre reporter strain. Nat. Genet. 21, 70-71 (1999).
  12. Seibler, J., et al. Single copy shRNA configuration for ubiquitous gene knockdown in mice. Nucleic Acids Res. 33, e67 (2005).
  13. Semaan, S. J., Kauffman, A. S. Emerging concepts on the epigenetic and transcriptional regulation of the Kiss1 gene. Int. J. Dev. Neurosci. 31, 452-462 (2013).
  14. Feil, R., et al. Ligand-activated site-specific recombination in mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93, 10887-10890 (1996).
check_url/52487?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Kumar, D., Boehm, U. Conditional Genetic Transsynaptic Tracing in the Embryonic Mouse Brain. J. Vis. Exp. (94), e52487, doi:10.3791/52487 (2014).

View Video