References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/VJ16.157

vavilov-595

Research Article

Постгеномные подходы физиологической генетики. ОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Postgenomic approaches in physiological genetics. ORIGINAL ARTICLE

Введение оптогенетических векторов в мозг неонатальным животным для исследования функции нейронов в последующие периоды онтогенеза

Transfer of optogenetic vectors into the brain of neonatal animals to study neuron functions during subsequent periods of development

Ланшаков

Д. А.

Lanshakov

D. A.

dmitriylanshakov@gmail.com

Дрозд

У. С.

Drozd

U. S.

Запара

Т. А.

Zapara

T. A.

Дыгало

Н. Н.

Dygalo

N. N.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, РоссияРоссияNovosibirsk State University, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Конструкторско-технологический институт вычислительной техники Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, РоссияРоссияDesign Technology Institute of Digital Techniques SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia Novosibirsk State University, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

2016

18052016

202255261

2016

Ланшаков Д.А., Дрозд У.С., Запара Т.А., Дыгало Н.Н.

Lanshakov D.A., Drozd U.S., Zapara T.A., Dygalo N.N.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/595

Управление активностью клетки светом определенной длины волны с помощью светочувствительных ионных каналов, опсинов, (оптогенетика) все более широко используется для исследования работы и функции нейронов. Внедрение в клеточную мембрану опсинов с последующим приобретением клеткой чувствительности к свету достигается с помощью вирусных векторов, созданных чаще всего на основе лентивирусов или аденоаcсоциированных вирусов (AAV) и несущих нуклеотидные последовательности, кодирующие белки фотоканалов. Введение в трансген-экспрессирующую кассету специфического для интересующего типа клеток промотора позволяет целенаправленно продуцировать опсин только в клетках-мишенях. Целью данной работы явились краткое описание оптогенетического подхода, а также анализ возможности его использования при введении вирусных векторов в мозг неонатальных животных для исследования функции нейронов in vivo в последующие периоды онтогенеза. В данной работе трехдневным крысятам под холодовым наркозом вводили в головной мозг оптовектор (pAAV-CAMKIIa-ChR2h134-YFP), кодирующий фотоканал, активирующий нейрон, и маркерный желтый флюоресцентный белок под контролем CAMKIIa промотора, специфичного для глутаматергических нейронов. Пик экспрессии внесенного гена, как правило, приходится на 3–5-ю неделю после введения вектора, что наблюдалось и в нашем случае. Фотостимуляция нейронов гиппокампа 20-дневных животных, которым на третий день жизни вводили оптовектор, повышала разрядную активность этих нейронов, а также увеличивала в них экспрессию белка с-Fos, являющегося общепризнанным маркером нейрональной активации. В результате проведения такого исследования в более поздние сроки, через 60 дней после неонатального введения гена оптоканала, не было обнаружено ни его заметной экспрессии, ни фотоактивации нейронов- мишеней гиппокампа. Таким образом, неонатальное введение вирусного вектора, несущего ген оптоканала, эффективно при исследовании функции нейронов мозга в ювенильном возрасте крыс и требует дополнительной проверки экспрессии гена в последующие периоды онтогенеза.

Optogenetics, that is, the control of cell activity using light-sensitive ion channels opsins with light of a specific wavelength, is increasingly being used to study activities and functions of neurons. Expression of opsins in the cell membrane, followed by the acquisition by the cell of the sensitivity to light is achieved by means of viral vectors, often created on the basis of lentiviral or adeno-associated (AAV) viruses bearing the nucleotide sequence encoding the photo-channel proteins. Inclusion of the cell-specific promoter of interest into the transgene-expression cassette allows opsin to be produced only in the target cells. The aim of this work was to briefly describe the optogenetic method, as well as to analyze the possibility to use administration of viral vectors into the brain of neonatal animals to study the function of neurons in vivo during subsequent periods of development. In this analysis, 3-day-old rat pups received intracerebroventricular injections of optovector (pAAV-CAMKIIa-ChR2h134-YFP), coding for a photo channel, which activates neurons, and the yellow fluorescent marker protein under the CAMKIIa promoter specific for glutamatergic neurons under cold anesthesia. The peak expression of the transferred gene is usually achieved at week 3–5 after the transfer of the vector, which is what was also observed in our experiments. Stimulation of the hippocampal neurons with blue light in the 20-day-old animals, to which opto-vector was transferred at the 3rd day of life, increased the discharge activity of these neurons. This light stimulation increased expression of the recognized marker of neuronal activation protein c-Fos in these photosensitive cells too. The same experiments with older animals, 60 days after the neonatal opto-channel gene transfer, revealed no noticeable expression of this channel or photoactivation of target neurons of the hippocampus. Thus, neonatal administration of a viral vector carrying an opto-channel gene is suitable for the study of brain neurons in rats of juvenile age, and requires additional control for gene expression during subsequent periods of development.

оптогенетикафоточувствительные белкиактивность нейроноваденоассоциированные вирусыонтогенезэкспрессия.

optogeneticsphotosensitive proteinsneuronal activityadeno-associated virusesontogenyexpression.

References1

Дыгало Н.Н. Оптогенетический подход к исследованию центральных механизмов регуляции поведения. Усп. физиол. наук. 2015;46(2):17-23.

Ambrosi C.M., Boyle P.M., Chen K., Trayanova N.A., Entcheva E. Optogeneticsenabled assessment of viral gene and cell therapy for restoration of cardiac excitability. Sci. Rep. 2015;5(17350). DOI 10.1038/srep17350

Arenkiel B.R., Peca J., Davison I.G., Feliciano C., Deisseroth K., Augustine G.J., Ehlers M.D., Feng G. In vivo light-induced activation of neural circuitry in transgenic mice expressing channelrhodopsin-2. Neuron. 2007;54(2):205-218. DOI 10.1016/j.neuron.2007.03.005

Boyden E.S., Zhang F., Bamberg E., Nagel G., Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 2005;8(9):1263-1268. DOI 10.1038/nn1525

Boyden E.S., Zhang F., Bamberg E., Nagel G., Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 2005;8(9):1263- 1268. DOI 10.1038/nn1525

Buzsaki G., Stark E., Berenyi A., Khodagholy D., Kipke D.R., Yoon E., Wise K.D. Tools for probing local circuits: high-density silicon probes combined with optogenetics. Neuron. 2015;86(1):92-105. DOI 10.1016/j.neuron.2015.01.028

Davis B.J., Marks D.L., Ralston T.S., Carney P.S., Boppart S.A. Interferometric synthetic aperture microscopy: Computed imaging for scanned coherent microscopy. Sensors (Basel). 2008;8(6):3903-3931. DOI 10.3390/s8063903

Deisseroth K. Optogenetics. Nat. Methods. 2011;8(1):26-29. DOI 10.1038/nmeth.f.324

Diester I., Kaufman M.T., Mogri M., Pashaie R., Goo W., Yizhar O., Ramakrishnan C., Deisseroth K., Shenoy K.V. An optogenetic toolbox designed for primates. Nat. Neurosci. 2011;14(3):387-397. DOI 10.1038/nn.2749

Dittgen T., Nimmerjahn A., Komai S., Licznerski P., Waters J., Margrie T.W., Helmchen F., Denk W., Brecht M., Osten P. Lentivirus-based genetic manipulations of cortical neurons and their optical and electrophysiological monitoring in vivo. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004;101(52):18206-18211. DOI 10.1073/pnas.0407976101

Dygalo N.N. Optogenetics in Investigations of Brain Mechanisms of Behavior. Uspekhi fiziologicheskikh nauk = Advance in Physiological Sciences (Moscow). 2015;46(2):17- 23.

Dygalo N.N., Kalinina T.S., Shishkina G.T. Neonatal programming of rat behavior by downregulation of alpha2A-adrenoreceptor gene expression in the brain. Ann. N.Y. Acad. Sci. 2008;1148:409-414. DOI 10.1196/annals.1410.063

Glock C., Nagpal J., Gottschalk A. Microbial rhodopsin optogenetic tools: Application for analyses of synaptic transmission and of neuronal network activity in behavior. Meth. Mol. Biol. 2015;1327:87-103. DOI 10.1007/978-1-4939-2842-2_8

Gompf H.S., Budygin E.A., Fuller P.M., Bass C.E. Targeted genetic manipulations of neuronal subtypes using promoter-specific combinatorial AAVs in wild-type animals. Front. Behav. Neurosci. 2015;9:152. DOI 10.3389/fnbeh.2015.00152

Gradinaru V., Thompson K.R., Zhang F., Mogri M., Kay K., Schneider M.B., Deisseroth K. Targeting and readout strategies for fast optical neural control in vitro and in vivo. J. Neurosci. 2007;27(52): 14231-14238. DOI 10.1523/JNEUROSCI.3578-07.2007

Guenthner C.J., Miyamichi K., Yang H.H., Heller H.C., Luo L. Permanent genetic access to transiently active neurons via TRAP: targeted recombination in active populations. Neuron. 2013;78(5):773-784. DOI 10.1016/j.neuron.2013.03.025

Hioki H., Kameda H., Nakamura H., Okunomiya T., Ohira K., Nakamura K., Kuroda M., Furuta T., Kaneko T. Efficient gene transduction of neurons by lentivirus with enhanced neuron-specific promoters. Gene Ther. 2007;14(11):872-882. DOI 10.1038/sj.gt.3302924

Husson S.J., Liewald J.F., Schultheis C., Stirman J.N., Lu H., Gottschalk A. Microbial light-activatable proton pumps as neuronal inhibitors to functionally dissect neuronal networks in C. elegans. PloS One. 2012;7(7):e40937. DOI 10.1371/journal.pone.0040937

Kim J.Y., Ash R.T., Ceballos-Diaz C., Levites Y., Golde T.E., Smirnakis S.M., Jankowsky J.L. Viral transduction of the neonatal brain delivers controllable genetic mosaicism for visualising and manipulating neuronal circuits in vivo. Eur. J. Neurosci. 2013;37(8):1203- 1220. DOI 10.1111/ejn.12126

Lanshakov D.A., Sukhareva E.V., Kalinina T.S., Dygalo N.N. Dexamethasone- induced acute excitotoxic cell death in the developing brain. Neurobiol. Dis. 2016;91:1-9 DOI 10.1016/j.nbd.2016.02.009

Lanshakov D.A., Sukhareva E.V., Kalinina T.S., Dygalo N.N. Dexamethasone-induced acute excitotoxic cell death in the developing brain. Neurobiol. Dis. 2016;91:1-9 DOI 10.1016/j.nbd.2016.02.009

Lin J.Y. A user’s guide to channelrhodopsin variants: features, limitations and future developments. Exp. Physiol. 2011;96(1):19-25. DOI 10.1113/expphysiol.2009.051961

Liu X., Ramirez S., Pang P.T., Puryear C.B., Govindarajan A., Deisseroth K., Tonegawa S. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. Nature. 2012;484(7394):381-385. DOI 10.1038/nature11028

Pisanello F., Sileo L., Oldenburg I.A., Pisanello M., Martiradonna L., Assad J.A., Sabatini B.L., De Vittorio M. Multipoint-emitting optical fibers for spatially addressable in vivo optogenetics. Neuron. 2014;82(6):1245-1254. DOI 10.1016/j.neuron.2014.04.041

Samaranch L., San Sebastian W., Kells A.P., Salegio E.A., Heller G., Bringas J.R., Pivirotto P., DeArmond S., Forsayeth J., Bankiewicz K.S. AAV9-mediated expression of a non-self protein in nonhuman primate central nervous system triggers widespread neuroinflammation driven by antigen-presenting cell transduction. Mol. Ther. 2014;22(2):329-337. DOI 10.1038/mt.2013.266

Shishkina G.T., Kalinina T.S., Dygalo N.N. Attenuation of alpha2Aadrenergic receptor expression in neonatal rat brain by RNA interference or antisense oligonucleotide reduced anxiety in adulthood. Neuroscience. 2004;129(3):521-528. DOI 10.1016/j.neuroscience. 2004.08.015

Shishkina G.T., Kalinina T.S., Sournina N.Y., Dygalo N.N. Effects of antisense to the (alpha)2A-adrenoceptors administered into the region of the locus ceruleus on behaviors in plus-maze and sexual behavior tests in sham-operated and castrated male rats. J. Neurosci. 2001;21(2):726-731.

Stuber G.D., Sparta D.R., Stamatakis A.M., van Leeuwen W.A., Hardjoprajitno J.E., Cho S., Tye K.M., Kempadoo K.A., Zhang F., Deisseroth K., Bonci A. Excitatory transmission from the amygdala to nucleus accumbens facilitates reward seeking. Nature. 2011;475(7356):377-380. DOI 10.1038/nature10194

Tan E.L., Pereles B.D., Horton B., Shao R., Zourob M., Ong K.G. Implantable biosensors for real-time strain and pressure monitoring. Sensors (Basel). 2008;8(10):6396-6406. DOI 10.3390/s8106396

Wang H., Peca J., Matsuzaki M., Matsuzaki K., Noguchi J., Qiu L., Wang D., Zhang F., Boyden E., Deisseroth K., Kasai H., Hall W.C., Feng G., Augustine G.J. High-speed mapping of synaptic connectivity using photostimulation in Channelrhodopsin-2 transgenic mice. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2007;104(19):8143-8148. DOI 10.1073/pnas.0700384104

Warden M.R., Selimbeyoglu A., Mirzabekov J.J., Lo M., Thompson K.R., Kim S.Y., Adhikari A., Tye K.M., Frank L.M., Deisseroth K. A prefrontal cortex-brainstem neuronal projection that controls response to behavioural challenge. Nature. 2012;492(7429):428-432. DOI 10.1038/nature11617

Watakabe A., Ohtsuka M., Kinoshita M., Takaji M., Isa K., Mizukami H., Ozawa K., Isa T., Yamamori T. Comparative analyses of adeno-associated viral vector serotypes 1, 2, 5, 8 and 9 in marmoset, mouse and macaque cerebral cortex. Neurosci. Res. 2015;93:144- 157. DOI 10.1016/j.neures.2014.09.002

Zapara G.A., Ratushnyak A.S., Shtark M.B. Local changes in transmembrane ionic currents during plastic reorganizations of electrogenesis of isolated neurons of the pond snail. Neurosci. Behav. Physiol. 1989;19(3):224-229.

Zhang F., Gradinaru V., Adamantidis A.R., Durand R., Airan R.D., de Lecea L., Deisseroth K. Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures. Nat. Protoc. 2010;5(3):439-456. DOI 10.1038/nprot.2009.226

Zhang F., Wang L.P., Brauner M., Liewald J.F., Kay K., Watzke N., Wood P.G., Bamberg E., Nagel G., Gottschalk A., Deisseroth K. Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Nature. 2007;446(7136):633-639. DOI 10.1038/nature05744

Zhao S., Ting J.T., Atallah H.E., Qiu L., Tan J., Gloss B., Augustine G.J., Deisseroth K., Luo M., Graybiel A.M., Feng G. Cell typespecific channelrhodopsin-2 transgenic mice for optogenetic dissection of neural circuitry function. Nat. Meth. 2011;8(9):745-752.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.