Frazione di membrana del cervello: An<em> Ex Vivo</em> Approccio per valutare la localizzazione della proteina subsynaptica
Summary
Qui presentiamo un protocollo di frazionamento della membrana cerebrale che rappresenta una procedura robusta per isolare le proteine appartenenti a diversi compartimenti sinaptici.
Abstract
La valutazione della composizione e della funzione sinaptica della proteina costituisce una sfida importante nella neuroscienza. Tuttavia, non è facile valutare la neurotrasmissione che si verifica all'interno delle sinapsi perché è altamente regolata da interazioni proteiche-proteiche dinamiche e eventi di fosforilazione. Di conseguenza, quando uno qualsiasi metodo viene utilizzato per studiare la trasmissione sinaptica, un obiettivo principale è quello di preservare queste modifiche fisiologiche transitorie. Qui presentiamo un protocollo di frazionamento della membrana cerebrale che rappresenta una procedura robusta per isolare le proteine appartenenti a diversi compartimenti sinaptici. In altre parole, il protocollo descrive una metodologia biochimica per realizzare arricchimento proteico dai compartimenti presinaptici, postinaptici e extrasinaptici. In primo luogo, sinaptosomi o terminali sinaptici vengono ottenuti da neuroni che contengono tutti i compartimenti sinaptici mediante un gradiente discontinuo di saccarosio. Da notare, la qualità di questa preparazione iniziale della membrana sinaptica è critical. Successivamente, l'isolamento dei diversi compartimenti sottinaptici viene raggiunto con la solubilizzazione leggera usando detergenti delicati a condizioni di pH differenziali. Ciò consente la separazione mediante gradiente e centrifughe isopiche. Infine, l'arricchimento delle proteine nei differenti compartimenti subsintaptici ( cioè frazioni di membrana pre-, post- ed extrasinaptiche) viene convalidato mediante analisi di immunoblot mediante marcatori proteici sinaptici ben caratterizzati ( cioè SNAP-25, PSD-95 e sinaptofisina, Rispettivamente), consentendo così una valutazione diretta della distribuzione sinaptica di qualsiasi particolare proteina neuronale.
Introduction
La trasmissione sinaptica si basa sull'integrità fisica della sinapsi, un concetto che era stato previsto già nel 1897 da Foster e Sherrington 1 . Così, la comprensione della distribuzione dei componenti chiave di neurotrasmissione ( es. Canali ionici, recettori, ecc. ) È essenziale per chiarire la funzione sinaptica, sia in condizioni normali che patologiche. La microscopia elettronica (EM) ha contribuito enormemente all'attuale nozione ultrastrutturale delle sinapsi prototipali del sistema nervoso centrale (CNS). In tal modo, EM ha stabilito finemente le differenze tra densità pre- e postinaptica, che sono separate da una fessura di una distanza piuttosto uniforme (~ 25 nm) 2 . È interessante notare che l'apparato postinaptico presenta un ispessimento relativamente continuo, elettrone-denso, sotto la sua membrana plasmatica, la cosiddetta densità postinaptica o PSD 2 . Al contrario, all'apparato presinaptico, un avvisoLa rete cytomatica discontinua è disposta appena sotto la membrana plasmatica, che è essenziale per l'allineamento e l'ancoraggio delle vescicole sinaptiche alla zona attiva della membrana plasmatica 3 . Quindi, EM costituisce l'approccio sperimentale d'oro per studiare la distribuzione delle proteine all'interno di sinapsi CNS strutturalmente conservati. Tuttavia, le informazioni fornite da microscopi elettronici sono statici. Infatti, le evidenze accumulate mostrano che le sinapsi in vivo sono estremamente dinamiche, provando quindi drammatiche modifiche strutturali alla trasmissione sinaptica sostenuta. Inoltre, la morfologia e la composizione delle sinapsi possono cambiare in diverse regioni del CNS e su sviluppo, maturazione, invecchiamento e sviluppo di condizioni neuropatologiche. Nel complesso, un protocollo focalizzato sull'isolamento di proteine appartenenti a diversi compartimenti sinaptici in condizioni fisiologiche rappresenta uno strumento prezioso per uno studio più completo del funzionamento sinaptico.
<p cQui descriviamo questo tipo di approccio sperimentale complementare, che consente l'arricchimento biochimico preparatorio dei diversi compartimenti sinaptici della membrana, vale a dire domini a membrana extra-, pre- e postsynaptici. Questo metodo di frazionamento della membrana, descritto per la prima volta da Philips et al . (2001) 4 , si basa su un cambiamento di pH che indebolisce le interazioni adesive che si verificano all'interno dell'apparato pre- e postinaptico. In primo luogo, utilizzando detergenti delicati a pH 6,0, è possibile distinguere la giunzione aderente che contiene l'apparato pre- e postsinaptico e che viene mantenuto dal dominio della membrana extrasynaptica, che è solubilizzato e quindi può essere estratto dai contatti sinaptici. Successivamente, sollevando il pH da 6,0 a 8,0 in presenza di detergenti delicati, indebolisce la forza della giunzione aderente che mantiene la zona attiva presinaptica strettamente legata alla densità postinaptica. Quindi, lo scompartimento presinaptico è cosìLubrificata e può essere separata dalla densità postsinaptica, che è per lo più conservata perché la concentrazione del detergente utilizzato non promuove la sua solubilizzazione 4 . È interessante notare che l'efficienza di frazionamento, eventualmente superiore al 90%, può essere confermata da diversi marcatori sottosintesi: i ) la proteina associata alla sinaptosoma 25 (SNAP-25), dalla zona attiva presinaptica; Ii ) sinaptofisina, dalla frazione extrasinaptica ( cioè, al di fuori della zona attiva e microsomi inclusi); E iii ) proteina densità postinaptica 95 (PSD-95), dalla densità postinaptica. In particolare, questo metodo di frazionamento della membrana cerebrale è stato utilizzato con successo. Di conseguenza, è stato possibile determinare con precisione la localizzazione subsynaptica di diversi recettori, quali i recettori 5 dell'acido alfa-ammino-3-idrossi-5-metil-4-isossazolepropionico (AMPA), il recettore dell'adenosina A1 (A 1 R) 6 ,Adenosina A 2A (A 2A R) 7 , adenosine trifosfato (ATP) P2, 8 recettori recettori del acetilcolino nicotinico 9 e recettore GPR3710 associato alla malattia di Parkinson. Tuttavia, una serie di limitazioni può ostacolare la corretta valutazione della distribuzione sinaptica di una particolare proteina neuronale. Quindi, in questa procedura, non solo descriviamo completamente l'intero protocollo, ma evidenziamo anche alcuni punti critici da prendere in considerazione, come la quantità piuttosto elevata di tessuti necessari, la bassa resa proteica e il requisito obbligatorio per convalidare l'efficienza Ogni separazione prima di eseguire l'esperimento definito.Protocol
Representative Results
Discussion
The protocol presented here constitutes a powerful biochemical tool for the study of the subsynaptic distribution of specific proteins within any brain region. However, there are some drawbacks inherent to the technique that deserve to be highlighted here. For instance, one of the main limitations is the relatively large amount of tissue needed to purify a reasonable amount of protein in order to perform the immunoblot analysis of all subsynaptic fractions. This issue might be related to the fact that synapses (i.e.,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal Ministero dell'Economia e della Compagnia / Instituto de Salud Carlos III (SAF2014-55700-P, PCIN-2013-019-C03-03 e PIE14 / 00034), Institutional Catalonia de Recerca i Estudis Avançats (ICREA Academia-2010 (SBO-140028) a FC Inoltre, X. M, VF-D e FC appartengono al gruppo di ricerca accreditato "Neuropharmacology and Pain" (Generalitat de Catalunya, 2014 SGR 1251) . Il lavoro è stato sostenuto anche dal "Programa Pesquisador Visite Especial-Ciência sem Fronteiras" da CAPES (Brasile) a FC
Materials
| Sucrose | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,316,211,211 | |
| CaCl2 | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 2,112,211,210 | |
| MgCl2·6H2O | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,313,961,210 | |
| Protease inhibitor cocktail Set III | Millipore, Darmstadt, Germany | 535140 | |
| Trizma Base | Sigma, St. Louis, MO, USA | T1503 | |
| Tris-HCl | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,236,541,209 | |
| Triton X-100 | Sigma, St. Louis, MO, USA | X100 | |
| SDS | Sigma, St. Louis, MO, USA | L3771 | |
| Glycerol | Sigma, St. Louis, MO, USA | G5516 | |
| Bromophenol Blue | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,311,651,604 | |
| Dithiothreitol | Sigma, St. Louis, MO, USA | D0632 | |
| Tween 20 | Sigma, St. Louis, MO, USA | P2287 | |
| Non fat dry milk | |||
| NaCl | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,216,591,211 | |
| KCl | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,314,941,210 | |
| KH2PO4 | Merck | 4873 | |
| Na2HPO4 | Pancreac Química SL, Barcelona, Spain | 1,316,781,211 | |
| Basic 20 pH | Crison, Alella, Spain | ||
| Polytron VDI 12 Adaptable Homogenizer | VWR, Radnor, PA, USA. | ||
| Ultra-Clear Tubes (14x89mm) | Beckman Coulter, Hospitalet de Llobregat, Barcelona | 344059 | Tubes should be filled almost completely when used to prevent collapsing due to ultracentrifugation. |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal filters Ultracel -10K | Merck Millipore, Darmstadt, Germany | UFC901008 | |
| Centrifuge 5430R | Eppendorf, Hamburgo, Germany | ||
| Optima L-90K Ultracentrifuge | Beckman Coulter, Hospitalet de Llobregat, Barcelona | ||
| Sonifier 250 | Branson, Danbury, Connecticut | ||
| Amersham Imager 600 | GE Healthcare Europe GmbH, Barcelona, Spain | ||
| Disposable Glass Pasteur Pippetes 230 mm | VWR, Radnor, PA, USA | 612-1702 | |
| Compact Balance EK-610 | A&D, Tokyo, Japan | ||
| Pierce™ BCA Protein Assay Kit | Pierce Biotechnology, Rockford, IL, USA | ||
| SuperSignal west pico chemiluminescent substrate | Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA | ||
| GR 200 Precision Balance | A&D, Tokyo, Japan | ||
| Anti-GPR37 | Homemade antibody anti-GPR37 produced and validated in Francisco Ciruela Laboratory. | Primary antibodies used at a final concentration of 0.250ug/ml | |
| Anti-SNAP-25, anti-PSD-95, anti-synaptophysin | Abcam, Cambridge, United Kingdom | Primary antibodies diluted 1:10000 | |
| HRP-conjugated goat anti-mouse IgG | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA. | Secondary antibody diluted 1:10000 | |
| HRP-conjugated goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA. | Secondary antibody diluted 1:30000 |
References
- Foster, M., Sherrington, C. S. Part III: The Central Nervous System. A Text Book of Physiology. , (1897).
- Peters, A., Palay, S. L., Webster, H. D. F. . The fine structure of the nervous system. , (1991).
- Harris, K. M., Weinberg, R. J. Ultrastructure of Synapses in the Mammalian Brain. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 4, 005587-005587 (2012).
- Phillips, G. R., et al. The presynaptic particle web: ultrastructure, composition, dissolution, and reconstitution. Neuron. 32, 63-77 (2001).
- Pinheiro, P. S., et al. Solubilization and immunological identification of presynaptic alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors in the rat hippocampus. Neurosci. Lett. 336, 97-100 (2003).
- Rebola, N., Pinheiro, P. C., Oliveira, C. R., Malva, J. O., Cunha, R. A. Subcellular localization of adenosine A(1) receptors in nerve terminals and synapses of the rat hippocampus. Brain Res. 987, 49-58 (2003).
- Rebola, N., Canas, P. M., Oliveira, C. R., Cunha, R. A. Different synaptic and subsynaptic localization of adenosine A2A receptors in the hippocampus and striatum of the rat. Neuroscience. 132, 893-903 (2005).
- Rodrigues, R. J. Dual Presynaptic Control by ATP of Glutamate Release via Facilitatory P2X1, P2X2/3, and P2X3 and Inhibitory P2Y1, P2Y2, and/or P2Y4 Receptors in the Rat. J. Neurosci. 25, 6286-6295 (2005).
- Garção, P., Oliveira, C. R., Cunha, R. A., Agostinho, P. Subsynaptic localization of nicotinic acetylcholine receptor subunits: a comparative study in the mouse and rat striatum. Neurosci. Lett. 566, 106-110 (2014).
- Lopes, J. P., et al. The role of parkinson’s disease-associated receptor GPR37 in the hippocampus: functional interplay with the adenosinergic system. J. Neurochem. 134, 135-146 (2015).
- Clark, J. D., Gebhart, G. F., Gonder, J. C., Keeling, M. E., Kohn, D. F. Special Report: The 1996 Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. ILAR J. 38, 41-48 (1997).
- Rusakov, D. A., Harrison, E., Stewart, M. G. Synapses in hippocampus occupy only 1-2% of cell membranes and are spaced less than half-micron apart: a quantitative ultrastructural analysis with discussion of physiological implications. Neuropharmacology. 37, 513-521 (1998).
- Zeng, Z., Su, K., Kyaw, H., Li, Y. A novel endothelin receptor type-B-like gene enriched in the brain. Biochem. Biophys. Res. Commun. 233, 559-567 (1997).
- Bodenmuller, H., Schilling, E., Zachmann, B., Schaller, H. C. The neuropeptide head activator loses its biological acitivity by dimerization. EMBO J. 5, 1825-1829 (1986).
- Rezgaoui, M., et al. The neuropeptide head activator is a high-affinity ligand for the orphan G-protein-coupled receptor GPR37. J. Cell Sci. 119, 542-549 (2006).
- Gandìa, J., Fernández-Dueñas, V., et al. The Parkinson’s disease-associated GPR37 receptor-mediated cytotoxicity is controlled by its intracellular cysteine-rich domain. J. Neurochem. 125, 362-372 (2013).
- Meyer, R. C., Giddens, M. M., Schaefer, S. A., Hall, R. A. GPR37 and GPR37L1 are receptors for the neuroprotective and glioprotective factors prosaptide and prosaposin. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110, 9529-9534 (2013).
- Takahashi, R., Imai, Y. Pael receptor, endoplasmic reticulum stress, and Parkinson’s disease. J. Neurol. 250, 9 (2003).
