Наш мозг содержит в себе триллионы синапсов, то есть соединений, которые передают сообщения от нейрона к нейрону. В этих синапсах сотни различных белков, и дисфункция этих белков может привести к условий, таких как шизофрения и аутизм.
Исследователи из Массачусетского технологического института и широкий Институте Гарварда и MIT уже разработала новый способ быстро изображения этих синаптических белков при высоком разрешении. С помощью флуоресцентных зондов нуклеиновой кислоты, они могут надписи и изображения неограниченное количество различных белков. Они продемонстрировали технику в новом исследовании, в котором они изображены 12 белков в клеточных образцов, содержащих тысячи синапсов.
“Мультиплексированных изображений это важно, потому что есть так много изменчивости между синапсов и клеток, даже в пределах одного мозга”, — говорит Марк париться, адъюнкт-профессор Массачусетского технологического института биологической инженерии. “Вы действительно должны смотреть одновременно белки в образце, чтобы понять, что субпопуляций различные синапсы, похоже, открывать новые виды синапсов, и понять, как генетические изменения влияют на них.”
Ученые планируют использовать эту технику дальше изучать, что происходит с синапсами, когда они блокируют экспрессию генов, связанных с конкретными заболеваниями, в надежде на разработку новых методов лечения, которые могут обратить вспять эти эффекты.
Купаться и Джефф Коттрелл, директор поступательного исследования на центре психиатрических исследований Стенли в широкий институт, старший авторов исследования, опубликованные сегодня в природе связи. Ведущие авторы документа-бывшие постдоки Сюань-Минь го и Реми Венециано, бывший аспирант Gordonov Симон, бывший научный сотрудник Ли Ли.
Визуализации с ДНК
Синаптические белки имеют различные функции. Многие из них помогают формировать синаптические лесов, которые участвуют в секреции нейромедиаторов и обработки входящих сигналов. В то время как синапсы содержат сотни этих белков, обычной флуоресцентной микроскопии ограничивается визуализации более четырех белков одновременно.
Чтобы увеличить это число, команда Массачусетского технологического института разработали новую методику на основе существующего метода, называемого ДНК краской. Используя этот метод, первоначально разработанный Юнгман Ральф Института Макса Планка биохимии, исследователи метки белки или другие молекулы с ДНК-антитела зонд. Затем, они каждый белок путем проведения флуоресцентного ДНК “олиго”, которая связывается с ДНК-антитела зондов.
Нити ДНК имеют изначально низкое сродство друг к другу, поэтому они связывать и развязывать периодически, создавая мерцания флуоресценции могут быть изображены с помощью супер-разрешением микроскопии. Однако, визуализация каждого белка занимает около получаса, что делает его непрактичным для визуализации многие белки в большой выборке.
Купаться и его коллеги задались целью создать более быстрый способ, который позволит им анализировать огромное количество проб в течение короткого периода времени. Чтобы добиться этого, они изменили ДНК-краситель зонд визуализации так, чтобы она более плотно привязать к ДНК-антител, используя то, что называется заблокирована нуклеиновых кислот. Это дает намного ярче сигнала, поэтому изображение может быть сделано более быстро, но по чуть более низким разрешением.
“Когда мы делаем 12 или 15 цветов на одном хорошо нейронов, весь эксперимент занимает час, по сравнению с ночевкой на супер-разрешение эквивалент,” купаются говорит.
Исследователи использовали эту технику, чтобы метка 12 различных белков, содержащихся в синапсе, в том числе леса, белки, белков, связанных с цитоскелетом, и белки, которые, как известно, Марк возбуждающих или тормозящих синапсов. Одним из белков, они смотрели на это shank3, эшафот белок, который был связан как аутизм и шизофрения.
Путем анализа уровня белка в тысячи нейронов, исследователи смогли определить группы белков, которые склонны связывать друг с другом чаще, чем другие, и узнать, как различные синапсы отличаются друг от друга в белки, которые они содержат. Такого рода информация может быть использована для классификации синапсов на подвиды, которые могли бы помочь раскрыть их функции.
“Тормозного и возбудительного являются канонические типы синапсов, но он предположил, что есть множество различных подвидов синапсов, без каких-либо реальных консенсус вокруг того, что те,” купаются говорит.
Понимание болезни
Исследователи также показали, что они могут измерить изменения в уровне синаптических белков, которые происходят после того, как нейроны обрабатывают соединение под названием тетродотоксин (ТТХ), который усиливает синаптические связи.
“С помощью обычных иммунофлюоресценции, обычно можно извлечь информацию от трех или четырех целей в пределах одного и того же образца, но с нашей техникой, мы смогли расширить это число до 12 различных целей в рамках одной и той же пробе. Мы применили этот метод для изучения синаптического ремоделирования, которая возникает после лечения с ТТХ, и наша находка подтверждает предыдущие работы, которые показали, скоординированная регуляция синаптических белков после лечения ТТХ”, — говорит Эрик Даниэльсон, старший постдок в MIT, который является автором исследования.
Исследователи теперь используют эту технику, под названием PRISM, чтобы изучить, как структура и состав синапсов зависит от сбивания набор генов, ранее сообщалось, придать генетического риска развития психических расстройств. Секвенирование геномов людей с расстройствами, такими как аутизм и шизофрения выявил сотни болезней-связанных вариантов гена, и для большинства из тех вариантов, ученые понятия не имеют, как они способствуют болезни.
“С таким подходом, мы готовы предоставить более подробный обзор изменений в синаптической организации и общих последствий заболевания, связанные с этими генами”, — говорит Карен Перес де Арсе, широкий научно-исследовательский институт ученый и автор исследования.
“Понимание того, как генетические вариации воздействие на развитие нейронов в мозге и их синаптические структуры и функции, является огромной проблемой в неврологии и в понимании того, как эти болезни возникают,” париться добавляет.
Исследование финансировалось Национальными институтами здоровья, в том числе у них мозг инициативе Национального научного фонда, Института Говарда Hughes медицинского факультета Симонс ученые программы, открытой благотворительности проекта, Армия США научно-исследовательская лаборатория, Нью-Йоркского Фонда стволовых клеток Робертсон премии, и Стэнли центре психиатрических исследований.
Другие авторы бумаги включают научный сотрудник Массачусетского технологического института Демьян парк, бывший аспирант Массачусетского технологического института Энтони Кулеса, и МИТ постдок Айке-христианин Wamhoff. Павел громким, адъюнкт-профессор биологической инженерии и член широкий институт, и Эдвард Бойден, Я. Тан Ева профессор в области нейротехнологий и адъюнкт-профессор биологической инженерии и мозга и когнитивных наук, также авторы исследования.
