神经环路示踪/顺行标记/逆行标记
分类: 最上层  发布时间: 2018-03-20 18:56 

神经环路示踪/顺行标记/逆行标记
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服务名称: 神经环路示踪/跨突触/非跨突触/顺行标记/逆行标记

神经环路示踪/顺行标记/逆行标记

 

中枢神经系统中神经通路的连接非常复杂,完整而准确地显示这些神经通路的结构和变化,对揭示许多疾病的病因和寻找新治疗方法具有非常重要的意义。

传统的神经网络示踪方法如电镜、Golgi染色、染料、肽类标记物等可以显示神经元的形态和投射,少数蛋白类示踪剂如WGA、TTC等还可以实现跨突触标记,但这些方法都具有信号间接、方向不特异、跨突触后信号衰减严重等缺点。

特别是利用嗜神经病毒跨突触追踪神经网络,属于分子病毒学、神经科学、分子探针、转基因技术、光学成像等多学科交叉领域,是近年来神经生物学发展的新方向,也是美国、欧洲、日本、中国等新启动的脑连接组计划的重要组成部分,对研究大脑网络结构、信息编码机制、神经疾病相关的致病机制等具有重大应用前景。

神经示踪方法分类

1.辣根过氧化物酶(HRP)法:1971年Kristenson等及1972年Lavail等先后将HRP(从辣根中提取的一组同功酶的混合物)用于追踪周围神经及中枢神经系统的纤维联系,此法的问世大大推动了神经解剖学的发展。它是基于神经元轴浆运输的生理现象,即将HRP注射至中枢神经系统或周围神经的一定部位,HRP可被神经末梢以胞饮的方式摄入,逆行运送至胞体,经过一定时间后取相应的部位固定、切片,然后用组织化学方法显示HRP的标记。

2.荧光染料逆行标记法:从上世纪50年代开始发展起来的荧光染料逆行示踪技术,可实现荧光双标或多重标记,如固蓝(fast blue)、荧光金(fluorogold)、羰化青等分别标记神经元胞核和胞浆(图1)。

图1. 齿状回注射荧光金逆行标记中脑TH阳性神经元
(Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. September, 2016)

3.植物凝集素追踪法:植物凝集素通过神经细胞膜上特异性受体介导而被胞饮入神经元内。用作束路追踪的植物凝集素主要有麦芽凝集素(WGA)和菜豆凝集素(phaseolus vulgaris agglutinin,PHA)(图2)。

4.葡聚糖追踪法:葡聚糖(dextran)是由肠系膜明串珠菌(leuconostoc mesenteroides)产生的多聚体,分子量大小不一,用于示踪研究的分子量一般在3kd,可与不同的标记物结合形成各种追踪剂。

5.病毒追踪法:近年来病毒作为神经通路示踪剂的研究证明,病毒载体能够很好的标记神经元通路,尤其有利于跨突触的多级神经元追踪。虽然有些无生命的追踪剂也能跨突触标记,例如麦胚凝集素(WGA)-HRP等,但经过突触后在第二级神经元中的追踪剂浓度常很低。而活病毒能在宿主神经元中增殖,即使在第二级宿主神经元中最初病毒数很少,经一定时间后可以有很强的标记甚至可以顺次标出以下各级神经元,并能实现细胞类型特异性标记,这是病毒用作追踪剂所独具的特点。

图2. 背侧齿状回注射PHA-L顺行标记神经元
(European Journal of Neuroscience. February,  2005)

不跨突触的辅助病毒载体

在追踪神经网络时,有时需要限制跨突触感染的辅助病毒载体,主要有逆转录病毒、腺病毒、腺相关病毒等。这些病毒能感染和介导外源基因表达,但是不具备跨突触和复制能力,只是对外源基因进行表达的载体,随着病毒的扩散可以很好地显示神经元的形态,包括轴突及其细小分支。

在辅助病毒载体中,腺相关病毒最为常用。因为受体和衣壳蛋白血清型有差异,所以对神经元的感染特性也不同,其中AAV1/2型具有顺行转导特性(图3),而AAV5型则既可顺行也可逆行标记神经元(图4、5)。

图3. AAV1顺行追踪躯体感觉皮质向内侧隔核的投射
(Current Protocols in Neuroscience. 2012)
图4. 外侧杏仁核注射AAV5顺行追踪海马CA1区神经元
(Nature Communications. July, 2016)
图5. 齿状回注射AAV5逆行追踪内嗅皮层胞体
(PLoS One. September, 2013)

跨突触的嗜神经病毒载体

嗜神经病毒作为神经示踪工具,与传统的示踪剂及其他病毒相比有如下特点:1. 可以跨突触传播;2. 可特异性顺行或逆行传播;3. 病毒可跨突触复制,信号不衰减;4. 可携带标识物。

目前常用的嗜神经病毒主要是从各种病毒的疫苗株发展而来,利用反向遗传学和基因重组等手段,改造病毒基因组、插入外源基因,获得低毒力、使用安全、携带标识物的重组病毒示踪工具。主要分为两大类:疱疹病毒科(如伪狂犬病毒和单纯疱疹病毒)和弹状病毒科(如狂犬病毒和水疱炎病毒)。

伪狂犬病毒(Pseudorabies Virus)

伪狂犬病毒是猪伪狂犬病的首要致病因子,属于双链DNA病毒,病毒粒子呈圆形或椭圆形,主要由核心、衣壳和囊膜组成,病毒基因组为线性双链DNA分子,大小约为150kb,G+C含量高达73%,编码100多种蛋白质,病毒在PH5-9时稳定,在55-60℃下需30-50min才能灭活。伪狂犬病毒可以感染猪、牛、羊、猫、狗等,但不能感染人和灵长类动物。野生伪狂犬病毒的分离株(Becker株)毒性较大,在神经环路中既可顺行又可逆行传播。而疫苗株Bartha因基因组中gE、gI和US9基因发生突变,故此株毒性较低,且只能特异性逆向跨突触传播(图6)。

图6. 伪狂犬病毒跨突触时间依赖性标记神经环路
(Nature Communications. April, 2015)

I 型单纯疱疹病毒(HSV1)

与伪狂犬病毒有许多相似之处,均为DNA病毒,病毒颗粒呈球形,中心为核衣壳,由DNA和蛋白质组成,外面为由脂质和蛋白质组成的双层单位质膜。疱疹病毒的主要特点是亲神经性和跨突触传递,进入突触间隙的病毒与被感染细胞突触膜上的受体结合而进入神经元(图7)。



图7. 外侧膝状体注射HSV1的顺行和逆行标记
(Brain Structure and Function. May, 2015)

狂犬病毒(Rabies Virus)

属于单股负链RNA病毒,病毒颗粒为子弹头样,基因组较小,编码5种蛋白,胞膜糖蛋白介导病毒的黏附和内化。如去除编码糖蛋白的基因,病毒则不能跨突触(图8)。

图8. 利用狂犬病毒逆行追踪小鼠背外侧被盖区(LDT)中PV和SOM阳性神经元的直接调控
(Nature Neuroscience. January, 2016)

条件性复制表达的嗜神经病毒

基于Cre-loxP基因重组技术,病毒的生存和复制依赖于由Cre介导的重组体表达的必需基因,病毒不能在非表达Cre的神经元复制,但在表达Cre的神经元可以永久性复制。基因修饰的单突触限制的狂犬病毒来源于减毒株SAD-B19,编码糖蛋白的基因被削减,再通过遗传学手段装配缺失的G蛋白,此重组的狂犬病毒示踪剂仅标记注射位点的一级神经元。当其注射后被转移到一级神经元的胞体,但是由于缺乏G蛋白,所以不能跨突触转移。而狂犬病毒SAD-dG-GFP重组体被装配禽类的反转录病毒糖蛋白(EnvA),由于哺乳动物脑内没有EnvA受体,因此将禽类受体TVA和狂犬病毒G质粒转染到神经元,使之表达TVA能被病毒感染,病毒能逆向转移到一级神经元,但由于缺少G蛋白,病毒不能进一步传播而被限制在单突触(图9、10)。

图9. 狂犬病毒单突触标记SC-LP-LA环路
(Nature Communications. April, 2015)

图10. 狂犬病毒逆行追踪PV阳性TRN神经元的胆碱能投射
(eLife. February, 2016)

其他相关应用

光遗传     化学遗传     神经环路示踪    钙离子成像     CRISPR/Cas9

Cre-LoxP     RNA干扰     基因过表达     microRNA表达    microRNA抑制

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