Kortikal Fare Astrositlerini Bireyselleştirmek için Çok Elbiseli Genom Bütünleştirici Renk (MAGIC) İşaretçilerinin Utero Elektroporasyonunda
Summary
Astrositler serebral korteksi düzgün bir şekilde döşer ve karmaşık morfolojilerinin analizini hücresel düzeyde zorlaştırır. Burada sağlanan protokol, kortikal astrositleri ayırmak ve hacimlerini ve morfolojilerini kullanıcı dostu bir görüntü analizi ardışık düzeni ile analiz etmek için rahim elektroporasyonunu temel alan çok renkli etiketleme kullanır.
Abstract
Fare serebral korteksinde bulunan protoplazmik astrositler (PrA) sıkıca yan yana getirilir ve yetişkin aşamalarında görünüşte sürekli üç boyutlu bir matris oluşturur. Şimdiye kadar, hiçbir immünostaining stratejisi onları ayıramaz ve morfolojilerini olgun hayvanlarda ve kortikogenezi boyunca segmentlere ayıramaz. Kortikal PrA, dorsal palyumda bulunan progenitörlerden kaynaklanır ve bütünleştirici vektörlerin utero elektroporasyonunda kullanılarak kolayca hedeflenebilir. Bu hücreleri, belirli hücre altı bölmelere hitap eden farklı floresan proteinleri (mavi, siyan, sarı ve kırmızı) stochastically ifade etmek için piggyBac / Tol2 transpozisyonuna ve Cre /lox rekombinasyonuna dayanan çok adresli genom bütünleştirici renk (MAGIC) İşaretleyici stratejisi ile etiketlemek için bir protokol sunulmaktadır. Bu çok renkli kader haritalama stratejisi, gliogenez başlamadan önce yakındaki kortikal progenitörleri renk belirteçlerinin kombinasyonlarıyla işaretlemeyi ve bireysel hücre düzeyinde embriyonikten yetişkin aşamalarına kadar astrositler de dahil olmak üzere soyundan gelenleri izlemeyi sağlar. Çok Elbiseli Genom Bütünleştirici Renk İşaretleyicileri (MAGIC Markers veya MM) tarafından sağlanan elektroporlu vektörlerin ve renk kontrastlarının konsantrasyonunu ayarlayarak elde edilen yarı seyrek etiketleme, yoğun anatomik düzenlemelerine rağmen astrositleri bireyselleştirmeyi ve bölgelerini ve karmaşık morfolojilerini ayırmayı sağlar. Burada sunulan, elektroporasyon prosedürünün ayrıntılarını, konfokal mikroskopi ile çok kanallı görüntü yığınlarının alımını ve deneycinin bireysel PrA hacmini ve morfolojisini değerlendirmesini sağlayacak bilgisayar destekli üç boyutlu segmentasyonu içeren kapsamlı bir deneysel iş akışı sunulmaktadır. Özetle, MAGIC Marker’ların elektroporasyon, çok sayıda astrositleri ayrı ayrı etiketlemek ve anatomik özelliklerine farklı gelişim aşamalarında erişmek için uygun bir yöntem sağlar. Bu teknik, transgenik muhabir çizgilerine sahip karmaşık haçlara başvurmadan çeşitli fare modellerinde kortikal astrosit morfolojik özelliklerini analiz etmek için yararlı olacaktır.
Introduction
Astrositler beyin gelişiminde ve fizyolojisinde çok sayıda hayati fonksiyon oynar1. Besin alımını ve kan akışını düzenledikleri kan-beyin bariyerindeki rollerinin yanı sıra, nöronal aktiviteyi ve davranışı değiştirebilecek nöromodülatörler üretirken sinaps oluşumuna ve işlevine aktif olarak katkıda bulunurlar2. Ayrıca, astrosit disfonksiyonu çeşitli nörolojik bozukluklara katkıda bulunur3. Serebral kortekste bulunan astrositler, nöronal süreçlerle kapsamlı temas sağlayan ayrıntılı bir morfoloji gösterir. Devre fonksiyonu için gerekli olan bu kontaklar, hücre yapıştırma proteinleri aracılığıyla astrosit morfogenez ve sinaptogenez de kontrol eder4. Nörobilimciler, ilgi duydukları nörolojik modellerinde astrosit gelişimini ve morfogenezini araştırmak için uygun ve sağlam araçlara ihtiyaç duyarlar. Bununla birlikte, astrositlerin komşularına yakın apsesi ve tek tip üç boyutlu döşemeleri nedeniyle, kortikal astrositleri ayırt etmek ve immünobelerler kullanarak morfolojilerini kapsamlı bir şekilde değerlendirmek zordur.
Şu anda, iki ana genetik mühendislik stratejisi kortikal astrositlerin yerinde etiketlenmesini ve bireyselleştirilmesini sağlar: transgenik fare çizgilerinde seyrek muhabir aktivasyonu veya muhabir plazmidlerinin elektroporasyonunu kullanarak somatik transgenez. İlk strateji, tamoksifen teslimatında özellikle astrositlerde aktive edilen indükleyici bir Cre rekombinaz formunu ifade eden farelerle floxed bir muhabir fare hattının yetiştirilmesine dayanır (örneğin, Aldh1l1-CreERT25). Bu strateji ile çeşitli dezavantajlar ilişkilidir. İlk olarak, üreme transgenik fareler çok sayıda hayvan gerektirir ve kortikal astrositlerin yeterince seyrek etiketlenilmesini sağlamak için uygun tamoksifen dozunu belirlemek için tipik olarak çoklu testlere ihtiyaç vardır. Kortikal astrosit fenotiplerinin genetik bir fare modelinde analiz etmek daha da fazla üreme ve fare tüketimi gerektirecektir. Ayrıca, rahim tamoksifen enjeksiyonunun parturition’a müdahale etmesi bilinmektedir, bu da bu stratejinin astrosit gelişiminin en erken aşamalarının incelenmesine uygulanmasını zorlaştırır. In vivo DNA elektroporasyon, minimum sayıda hayvana dayanan alternatif bir tamoksifen içermeyen stratejidir6. Embriyonik veya postnatal evrelerde gerçekleştirilen bu yaklaşım, kemirgenlerin lateral ventriküllerine muhabir plazmidlerinin enjekte etmesi ve ardından hücre zarında gözenekler oluşturan elektrik darbelerinden oluşur, bu nedenle DNA’nın ventrikül astarlı progenitör hücrelere girmesini sağlar. Daha sonra, elektroporlu plazmidler tarafından taşınan muhabir transgenleri hedeflenen hücre makineleri tarafından işlenir ve7ifade edilir. Daha önce fare kortikal astrositlerini etiketlemek için iki elektroporasyon yöntemi tanımlanmıştır: 1) Doğum sonrası astrosit Etiketleme elektroporasyon (PALE), erken doğum sonrası aşamalarda 1-2 tek renkli epizomal muhabir plazmidlerinin elektroporasyona dayanır4; 2) Birden fazla tek renkli bütünleştirici muhabir plazmidlerinin utero elektroporasyonunu (UUİ) temel alan StarTrack stratejisi8,9,10. Bu iki teknik serebral kortekste PrA’yı verimli bir şekilde etiketlemekle birlikte, bazı sınırlamalar da sunar. İlk sürümlerinde, her iki yöntem de astrositlerde ifadeyi yönlendirmek için glial fibril asidik protein (GFAP) promotörüne dayanır, bu da etiketlemeyi radyal gliaya ve GFAP’ı normal dinlenme PrA11,12’dendaha güçlü ifade eden pial ve reaktif astrositlere yönlendirebilir. PALE ile ilgili olarak, diğer dezavantajlar, erken doğan PrA’nın (veya erken delaminasyon progenitörlerinden kaynaklananların) etiketlenmesini ve astroglia gelişiminin erken aşamalarının analizini önleyen elektroporasyonun geç aşaması ve PrA’nın doğum sonrası ilk hafta13,14sırasında geçirdiği büyük çoğalma sırasında ardışık bölünmelerle seyreltilen epizomal vektörlerin kullanımıdır. PALE’in aksine, StarTrack, hem embriyonik hem de postnatal progenitörlerin PrA’ya katkısını izlemeye izin veren bütünleştirici muhabir plazmidlerinin embriyonik elektroporasyonuna dayanmaktadır. Ubiquitin C promotörüne (UbC-StarTrack)dayanan güncellenmiş bir StarTrack şeması, nöral progenitörlerin hem nöronal hem de glial inişinde (astrositler dahil) floresan muhabirlerin daha geniş bir ifadesini elde eder15,16,17. Bununla birlikte, mevcut versiyonunda, bu yaklaşımın uygulanması karmaşıktır, çünkü kısmi ekssitasyon ve emisyon spektrumu çakışması ile altı floresan proteini (FP) ifade eden 12 farklı plazmidden oluşan eşitlikçi bir karışıma dayanır.
Burada sunulan, kortikal astrositleri ayırmaya yönelik güçlü ve geniş ölçüde aktif bir promotör tarafından yönlendirilen bütünleştirici muhabir yapıları kullanılarak utero elektroporasyon tabanlı çok renkli etiketleme yönteminde basittir14. Buna ek olarak, astrosit bölgesel hacmini ve arborizasyonunu segmentlere ayrıştırmak için hem lisanslı (örneğin, imaris) hem de açık erişim (Vaa3D18,19,20)görüntü analizi yazılımı kullanılarak kolay bir görüntü analizi ardışık düzeni sağlanır. Daha önce açıklanan yöntemlerle karşılaştırıldığında, bu strateji yalnızca ifadesi sitomegalovirüs arttırıcıdan oluşan sentetik bir CAG promotörü tarafından yönlendirilen sitoplazmik ve (isteğe bağlı olarak) nükleer hücre bölmesine yönlendirilen1-2çok renkli bütünleştirici transgenes Multiaddressable Genom Bütünleştirici Renk İşaretçilerine (MAGIC Markers veya MM 21) dayanır, tavuk β-actin promotörü ve tavşan β-globin splice kabul sitesi22. Bu, embriyonikten doğum sonrası evrelere kadar kortikal astrositlerin etiketlenmesini ve izlenmesini sağlar, GFAP ekspresyasyonundan bağımsızolarak 14,23. Bu transjenlerin her biri aşağıdaki dört farklı FP’yi taşır: eBFP, mTurquoise2/mCerulean, EYFP ve tdTomato/mCherry, 1) Sıralı kanal alımı ile kolayca atlatılabilen minimal spektral çakışmayı gösterir; 2) Optimize edilmiş heyecan gücü ve toplama kazancı; ve 3) Dar FP emisyon pencerelerini toplamak için özel dikroik filtreler. MM stratejisi, hücresel bir popülasyonda FP’nin stokastik ifadesini yönlendirmek için kendiliğinden çıkarılabilir bir Cre rekombinaz (seCre) ile Cre /lox rekombinasyonunu kullanır. MM transgene’in tek bir kopyası FP’yi birbirini dışlayan bir şekilde ifade ederken, birden fazla transjen FP kombinasyonlarına yol açarak düzinelerce farklı ton oluşturur. Transgenes genomik entegrasyonu piggyBac (PB) veya Tol2 transpozisyon sistemi24,25,26tarafından tahrik edilir. Bu nedenle, rahim elektroporasyonunda, MM araç seti ve ürettiği çok renkli ‘mozaik’, birden fazla bitişik kortikal progenitörün aynı anda işaretlenmesini ve kortikal astrositler de dahil olmak üzere glial inişlerinin uzun süreler boyunca izlenmesini sağlar. PrA’nın konturunun farklı FP izin tanımlamasının ifade edilmesi ve daha sonra bölgesel hacimleri (IMARIS kullanılarak) ve karmaşık morfoloji (Vaa3D kullanılarak) hakkında önemli bilgiler çıkarılmasından kaynaklanan renk kontrastları. Burada ayrıntılı olarak sunulan çok renkli strateji, çeşitli gelişim aşamalarında vahşi tip farelerde kortikal astrosit yüzeyine ve morfolojisine hızlı ve kolay erişim sağlayan, transgenik muhabir çizgileri kullanmadan nörolojik hastalıkların fare modellerindeki astrosit anatomik özellikleri araştırmak için kolayca uyarlanabilen kullanışlı ve sağlam bir yöntemdir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kortikal progenitörlerdeki MAGIC Marker’ların utero elektroporasyonunda (İEÜ) (Şekil 1) doğum sonrası serebral korteks boyunca astrositlerin farklı postnatal aşamalarda etiketlenmesini sağladı (P4-P7-P21, Şekil 2). İlginçtir ki, E13.5’ten E15.5’e gerçekleştirilen elektroporasyon kortikal astrositler14ile ilgili benzer etiketleme desenleri verdiğinden, İEÜ’nün aşaması kritik değildir. Bununla birlikte, etiketli piram…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
S. Fouquet’e ve Institut de la Vision ve Institut des Neurosciences de Montpellier’in (MRI ve RAM) görüntüleme ve hayvan çekirdeği tesislerine teknik yardım için teşekkür ederiz. Bu çalışma, Région Ile-de-France ve Fondation ARC pour la Recherche sur le Cancer’dan S.C’a ve Université Paris-Saclay’dan (Initiatives Doctorales Interdisciplinaires) L.A.’ye burslarla, Avrupa Araştırma Konseyi’nden (ERC-SG 336331, PI J. Valette) – E.H., Agence Nationale de la Recherche tarafından ANR-10-LABX-65 (LabEx LifeSenses), ANR-11-EQPX-0029 (Equipex Morphoscope2), ANR-10-INBS-04 (Fransa BioImaging) sözleşmeleri kapsamında , Fondation pour la Recherche Médicale (Ref. DBI20141231328), Avrupa Araştırma Konseyi (ERC-CoG 649117, PI J. Livet) ve ATIP-Avenir programı (PI K. Loulier) tarafından.
Materials
| 1.1 Bacteria transformation | |||
| Ampicillin | Euromedex | EU0400-C | |
| DH5 alpha competent cells | Fisher Scientitic | 11563117 | |
| Ice box | Dutscher | 139959 | |
| Kanamycin | Sigma | 60615 | |
| LB Agar | Sigma | L2897 | |
| SOC medium | Fisher Scientitic | 11563117 | |
| Sterile petri dish- 10 cm | Thermo Fisher | 150350 | |
| Water bath | VWR | 462-0556H | |
| 1.2 Plasmid culture | |||
| 14 ml culture tube | Dutscher | 187262 | |
| Glass erlenmeyer- 2L | Fisher Scientitic | 11383454 | |
| LB medium | Sigma | L3522 | |
| 1.3 Plasmid DNA preparation | |||
| NucleoBond Xtra Maxi Plus EF | Macherey-Nagel | 740426.10 | |
| 2.1 Preparation of the solutions | |||
| 26 G x 1/2 needle | Terumo | 8AN2613R1 | |
| 30 G x 1/2 needle | Terumo | 8AN3013R1 | |
| Fast Green | Sigma Aldrich | F7272 | |
| NaCl | VWR | 27810.295 | |
| Single-use polypropylene syringe, 1 mL | Dutscher | 50002 | |
| 2.2 Preparation of the surgery material | |||
| Adson Forceps – DeBakey Pattern- 12.5 cm | FST | 11617-12 | |
| Arched tip Forceps- 10 cm | FST | 11071-10 | |
| Glass bead sterilizer Steri 250 | Sigma | Z378569 | |
| Glass micropipette 1 mm diameter | FHC | 10-10-L | |
| Graefe Forceps – Titanium 1 mm Tips Slight Curve- 10 cm | FST | 11651-10 | |
| Graefe Forceps – Titanium 1 mm Tips Straight- 10 cm | FST | 11650-10 | |
| Iris Scissors – Delicate Straight- 9 cm | FST | 14060-09 | |
| Laboratory tape | Fisher Scientitic | 11730454 | |
| Microinjector | INJECT+MATIC | No catalog number | |
| Olsen-Hegar Needle Holder – 12 cm | FST | 12002-12 | |
| Optical fiber | VWR | 631-1806 | |
| Plastic-coated white paper | Distrimed | 700103 | |
| Signagel electrode gel | Free-Med | 15-60 | |
| Sterile Petri dish- 35 mm | Dutscher | 056714 | |
| Sterilizer, glass dry bead, Steri 250 | Sigma | Z378569 | |
| 2.3 Preparation of the pregnant female mouse | |||
| Alcohol pad | Alcomed | 1731000 | |
| Buprecare | Axience | 0.3 mg/ml | |
| Compress | tRAFFIN | 70189 | |
| Ketamine | Merial | Imalgene 1000 | |
| Ocular gel | tvm lab | Ocry-gel | |
| RjOrl:SWISS mice | Janvier Labs | ||
| Vetadine, 10% solution | Vetoquinol | 4337400113B | |
| Warming pad | Harvard Apparatus | 72-0493 | |
| Xylazine | Bayer | Rompun 2% | |
| 3.2 Electroporation | |||
| Absorbable suture Size 4-0 45 cm Suture 1-Needle 19 mm Length 3/8 Circle Reverse | Novosyn | C0068220 | |
| Electroporateur Sonidel | Sonidel | NEPA 21 | |
| Sterile transfer pipets (individually wrapped) | Dutscher | 043202S | |
| Tweezers with 3 mm platinium disk electrodes | Sonidel | CUY650P3 | |
| 4.1 Tissue harvesting and sectioning | |||
| 24-well plate | Falcon | 353047 | |
| Agarose | Lonza | 50004 | |
| Antigenfix | Microm Microtech | U/P0014 | |
| Coverslip | Dutscher | 100266 | |
| Dolethal | Vetoquinol | DOL202 | |
| DPBS (10X), no calcium, no magnesium | Fisher Scientific | 11540486 | |
| Nail polish | EMS | 72180 | |
| Slide | Dutscher | 100001 | |
| Vectashield | Vectorlabs | H-1000 | |
| Vibratome | Leica | VT1000S | |
| 5. Multichannel confocal imaging | |||
| 20X oil NA 0.85 | Olympus | ||
| Confocal Laser Scanning Microscope | Carl Zeiss | LSM880 | |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Olympus | FV1000 | |
| Plan Apochromat 20x/0.8 M27 | Carl Zeiss | ||
| 6. Astrocyte territorial volume segmentation | |||
| IMARIS 8.3 and later versions | Bitplane | ||
| 7. Astrocyte arborization tracing | |||
| 3D Visualization-Assisted Analysis software suite (Vaa3D) | HHMI – Janelia Research Campus /Allen Institute for Brain Science |
References
- Clarke, L. E., Barres, B. A. Emerging roles of astrocytes in neural circuit development. Nature Reviews Neuroscience. 14 (5), 311-321 (2013).
- Ma, Z., Stork, T., Bergles, D. E., Freeman, M. R. Neuromodulators signal through astrocytes to alter neural circuit activity and behaviour. Nature. 539 (7629), 428-432 (2016).
- Blanco-Suárez, E., Caldwell, A. L. M., Allen, N. J. Role of astrocyte-synapse interactions in CNS disorders: Astrocyte-synapse disease. The Journal of Physiology. 595 (6), 1903-1916 (2017).
- Stogsdill, J. A., et al. Astrocytic neuroligins control astrocyte morphogenesis and synaptogenesis. Nature. 551 (7679), 192-197 (2017).
- Srinivasan, R., et al. New Transgenic Mouse Lines for Selectively Targeting Astrocytes and Studying Calcium Signals in Astrocyte Processes in Situ and In Vivo. Neuron. 92 (6), 1181-1195 (2016).
- Tabata, H., Nakajima, K. Efficient in utero gene transfer system to the developing mouse brain using electroporation: visualization of neuronal migration in the developing cortex. Neuroscience. 103 (4), 865-872 (2001).
- Shimogori, T., Ogawa, M. Gene application with in utero electroporation in mouse embryonic brain. Development, Growth & Differentiation. 50 (6), 499-506 (2008).
- García-Marqués, J., López-Mascaraque, L. Clonal Identity Determines Astrocyte Cortical Heterogeneity. Cerebral Cortex. 23 (6), 1463-1472 (2013).
- Martín-López, E., García-Marques, J., Núñez-Llaves, R., López-Mascaraque, L. Clonal Astrocytic Response to Cortical Injury. PLoS ONE. 8 (9), 74039 (2013).
- Gutiérrez, Y., et al. Sibling astrocytes share preferential coupling via gap junctions. Glia. 67 (10), 1852-1858 (2019).
- Lee, Y., Messing, A., Su, M., Brenner, M. GFAP promoter elements required for region-specific and astrocyte-specific expression. Glia. 56 (5), 481-493 (2008).
- Yoon, H., Walters, G., Paulsen, A. R., Scarisbrick, I. A. Astrocyte heterogeneity across the brain and spinal cord occurs developmentally, in adulthood and in response to demyelination. PloS One. 12 (7), 0180697 (2017).
- Ge, W. P., Miyawaki, A., Gage, F. H., Jan, Y. N., Jan, L. Y. Local generation of glia is a major astrocyte source in postnatal cortex. Nature. 484 (7394), 376-380 (2012).
- Clavreul, S., et al. Cortical astrocytes develop in a plastic manner at both clonal and cellular levels. Nature Communications. 10 (1), 4884 (2019).
- Figueres-Oñate, M., García-Marqués, J., López-Mascaraque, L. UbC-StarTrack, a clonal method to target the entire progeny of individual progenitors. Scientific Reports. 6 (1), 33896 (2016).
- Figueres-Oñate, M., García-Marqués, J., Pedraza, M., De Carlos, J. A., López-Mascaraque, L. Spatiotemporal analyses of neural lineages after embryonic and postnatal progenitor targeting combining different reporters. Frontiers in Neuroscience. 9, 87 (2015).
- Figueres-Oñate, M., Sánchez-Villalón, M., Sánchez-González, R., López-Mascaraque, L. Lineage Tracing and Cell Potential of Postnatal Single Progenitor Cells In Vivo. Stem Cell Reports. 13 (4), 700-712 (2019).
- Peng, H., Ruan, Z., Long, F., Simpson, J. H., Myers, E. W. V3D enables real-time 3D visualization and quantitative analysis of large-scale biological image data sets. Nature Biotechnology. 28 (4), 348-353 (2010).
- Peng, H., Bria, A., Zhou, Z., Iannello, G., Long, F. Extensible visualization and analysis for multidimensional images using Vaa3D. Nature Protocols. 9 (1), 193-208 (2014).
- Peng, H., et al. Virtual finger boosts three-dimensional imaging and microsurgery as well as terabyte volume image visualization and analysis. Nature Communications. 5 (1), 4342 (2014).
- Loulier, K., et al. Multiplex Cell and Lineage Tracking with Combinatorial Labels. Neuron. 81 (3), 505-520 (2014).
- Niwa, H., Yamamura, K., Miyazaki, J. Efficient selection for high-expression transfectants with a novel eukaryotic vector. Gene. 108 (2), 193-199 (1991).
- Abdeladim, L., et al. Multicolor multiscale brain imaging with chromatic multiphoton serial microscopy. Nature Communications. 10 (1), 1662 (2019).
- Chen, F., LoTurco, J. A method for stable transgenesis of radial glia lineage in rat neocortex by piggyBac mediated transposition. Journal of Neuroscience Methods. 207 (2), 172-180 (2012).
- Siddiqi, F., et al. Fate Mapping by PiggyBac Transposase Reveals That Neocortical GLAST+ Progenitors Generate More Astrocytes Than Nestin+ Progenitors in Rat Neocortex. Cerebral Cortex. 24 (2), 508-520 (2014).
- Yoshida, A., et al. Simultaneous expression of different transgenes in neurons and glia by combining in utero electroporation with the Tol2 transposon-mediated gene transfer system. Genes to Cells. 15 (5), 501-502 (2010).
- LoTurco, J., Manent, J. B., Sidiqi, F. New and Improved Tools for In Utero Electroporation Studies of Developing Cerebral Cortex. Cerebral Cortex. 19, 120-125 (2009).
- Pacary, E., et al. Visualization and Genetic Manipulation of Dendrites and Spines in the Mouse Cerebral Cortex and Hippocampus using in utero Electroporation. Journal of Visualized Experiments. (65), e4163 (2012).
