Acute in vivo proximity labeling for membrane targeted proteomics in neuronal circuits

Stel je voor dat je probeert te begrijpen hoe het verkeerssysteem van een stad werkt door alleen naar een statische kaart te kijken. Je weet waar de wegen liggen, maar je hebt geen idee hoe de auto's bewegen wanneer er een sirene afgaat of wanneer de spits aanbreekt. Dit is de uitdaging waar neurowetenschappers voor staan bij het bestuderen van de hersenen: ze willen zien hoe de "verkeersstroom" van eiwitten binnen hersencellen verandert terwijl een dier wakker is en daadwerkelijk iets doet, zoals reageren op een medicijn.

Tot nu toe waren de beschikbare instrumenten vergelijkbaar met het proberen te maken van een foto van een racewagen die met hoge snelheid rijdt met een camera die slechts één keer per jaar een foto maakt. Tegen de tijd dat de foto was ontwikkeld, was de auto al lang weer van rijstrook gewisseld en had je het specifieke moment van de race gemist.

Het Nieuwe "Smart Tag"-Systeem
Om dit op te lossen, hebben de onderzoekers een nieuwe tool gebouwd op basis van een enzym genaamd TurboID. Zie dit enzym als een high-tech graffiti-artiest die geprogrammeerd kan worden om alleen op specifieke muren te schilderen.

• Het Doel: In plaats van de hele stad te beschilderen, hebben ze deze artiest geprogrammeerd om alleen eiwitten te taggen die op het "hekwerk" (het membraan) van specifieke hersencellen zitten.
• De Trigger: De artiest is inactief totdat je een specifiek signaal geeft—een injectie met biotine (een vitamine-achtige stof). Zodra het is geïnjecteerd, wordt de artiest wakker en begint hij nabijgelegen eiwitten te taggen voor een zeer korte, precieze periode (slechts één tot twee uur).
• De Precisie: Dit is alsof je een spotlight hebt die slechts 90 minuten lang op een specifieke straathoek schijnt. Alles wat buiten die tijd of plaats gebeurt, blijft ongetagd.

Het In kaart brengen van de "Bedrading" van de Hersenen
Het team gebruikte deze methode in de mediale prefrontale cortex (mPFC), een deel van de hersenen dat betrokken is bij besluitvorming. Ze keken niet alleen naar de cellichamen (de "hoofdkwartieren" van de neuronen); ze volgden de tags ook helemaal naar beneden langs de lange "kabels" (axonen) die met andere delen van de hersenen verbonden zijn.

Het is alsof ze een bericht konden taggen dat werd verzonden vanuit een hoofdkwartier in de ene stad, en precies konden zien welke eiwitten betrokken waren bij het versturen van dat bericht naar een filiaal in een andere stad, terwijl het dier rondbewoog.

Het "Cocaïne"-experiment
Om te testen of dit systeem veranderingen in realtime kon opvangen, gaven ze de muizen een dosis cocaïne. Dit is vergelijkbaar met het indrukken van de "paniekknop" in het verkeerssysteem van de stad.

Met behulp van hun nieuwe taggingmethode waren ze in staat om:

1. Te identificeren welke eiwitten uniek waren voor de cellichamen versus de axonale uiteinden.
2. Precies te spotten welke eiwitten in de cellichamen werden "geüpgraded" of in aantal toenamen specifiek vanwege de cocaïne-injectie.

De Kernboodschap
Dit artikel introduceert een manier om een "snapshot" te maken van de moleculaire machinerie van de hersenen met hoge precisie. Het stelt wetenschappers in staat om te zien welke specifieke eiwitten actief zijn in specifieke delen van een neuron tijdens een kort, specifiek evenement in een levend, gedrag vertonend dier. Het overbrugt de kloof tussen het observeren van een functionerend hersencircuit en het zien van de werkelijke moleculaire veranderingen die op dat exacte moment binnenin plaatsvinden.