细胞培养来源的全长 DISC1 蛋白包涵体的生成、纯化及细胞侵袭性研究,以及标记的多聚体重组 DISC1 蛋白片段的研究 E. coli 进行了描述。在细胞培养中的受体细胞和神经元中均显示了细胞侵袭性。 在体内 立体定向脑内接种后
细胞培养来源的全长 DISC1 蛋白包涵体的生成、纯化及细胞侵袭性研究,以及标记的多聚体重组 DISC1 蛋白片段的研究 E. coli 进行了描述。在细胞培养中的受体细胞和神经元中均显示了细胞侵袭性。 在体内 立体定向脑内接种后
蛋白质聚集被认为是慢性退行性脑部疾病的一般特征,例如神经退行性疾病阿尔茨海默病(Aβ、tau)、帕金森病(α-synuclein)、亨廷顿病(多聚谷氨酰胺、huntingtin)等。人们认为蛋白质聚集的发生是由于蛋白质稳态失衡(i.e. 错误折叠蛋白质的生成与降解之间失衡)所致。值得注意的是,这些疾病在散发性病例中也发现相同的蛋白质聚集,而这些蛋白质在家族性罕见变异体中是突变的。
精神分裂症是一种慢性进行性脑部疾病,在许多情况下伴随永久且不可逆的认知功能缺损。在一项候选基因研究中,我们探讨了精神分裂症相关基因1(Disrupted-in-schizophrenia 1, DISC1)——该基因最初在一个与慢性精神疾病相关的苏格兰家族中被克隆——是否可在散发性精神分裂症病例的脑组织中形成不溶性聚集体。1, 2,是否可在散发性精神分裂症患者脑组织中发现其不溶性聚集物3利用SMRI CC,我们在约20%的CMD病例中经生物化学分级分离后检测到Sarkosyl不溶性的DISC1免疫反应性,而在正常对照个体或神经退行性疾病患者中均未发现。随后的研究 体外 揭示了DISC1的聚集倾向受到疾病相关多态性S704C的影响4,且在体外生成的 DISC1 aggresomes 具有细胞侵袭性 体外 具有细胞侵袭性5,这与之前报道的 Aβ6tau7-9, αα-突触核蛋白10,多聚谷氨酰胺11或 SOD1 聚集体12这些发现促使我们提出,至少部分伴有CMD且存在DISC1聚集的病例可能属于蛋白质构象病。
本文描述了如何在哺乳动物细胞中生成DISC1包涵体,通过蔗糖梯度离心纯化,并将其用于细胞侵袭性研究。同样,我们还阐述了如何制备 exclusively 多聚化的C端DISC1片段,对其进行标记和纯化以开展细胞侵袭性研究。利用重组的DISC1多聚体,我们获得了与相似标记的合成α-突触核蛋白片段相当的细胞侵袭能力。 αα-突触核蛋白片段。我们还证明该片段在立体定位注射到受体动物脑内后可被体内摄取 在体内 当立体定位注射至受体动物脑内时。
1. 聚集体供体细胞的制备:转染单体红色荧光蛋白(mRFP)或增强型绿色荧光蛋白(eGFP)标记的人全长(FL)DISC1
2. 从转染的供体细胞中纯化包涵体
本文所述方案结合了从脑组织中纯化路易小体的方法13以及分离大分子聚集体和aggresome的方案14。由于已有方法均依赖去垢剂的使用,因此在细胞侵袭性检测中应用时,分离不含去垢剂的蛋白质尤为关键。
3. 使用 mRFP/eGFP-DISC1 聚集体处理受体 SH-SY5Y 细胞
然而,外源蛋白的摄取/侵入并不一定能够与宿主细胞蛋白的募集同步检测到。在本示例中,mRFP标记的DISC1包涵体募集了宿主细胞表达的可溶性GFP标记的DISC1(598-854)蛋白(见图3)。图像使用蔡司LSM 510共聚焦显微镜或蔡司Axiovision Apotome2显微镜拍摄。
4. 重组DISC1(598-785)的生成
在之前的一项研究中,我们基于自缔合结构域的存在情况,分析了多种DISC1蛋白片段的自我相互作用能力。在所有测试的蛋白片段中,人源DISC1(598-785)表现出最强的多聚化倾向4(图4)。因此,将人源DISC1(598-785)克隆至含有N端6个组氨酸标签的pET15b载体(Novagen,Madison,Wisconsin)中,在大肠杆菌E. coli BL21-(lDE3) Rosetta(Novagen,美国)中表达,并在8 mol/L尿素的变性条件下进行纯化,具体方法如前所述4。简而言之,该实验流程概述如下。
从1 L细菌起始培养物中可分离获得最多50 mg的重组DISC1(598-785)蛋白。
α-突触核蛋白重折叠
进行α-突触核蛋白实验时,将500 μg重组蛋白(Sigma-Aldrich,美国)溶解于PBS中,浓度为1 mg/ml。为获得寡聚体,按照先前发表的方法10,在37 °C下复性过夜。
5. 用 DyLight594 标记重组 DISC1(598-785)
为了进一步提高标记蛋白的纯度,需在Ni-NTA柱上进行基于His6-标签的亲和纯化。
可选的浓缩步骤
α-突触核蛋白标记
重组α-突触核蛋白的标记和纯化(Ni-NTA柱)与DISC1(598-785)同时进行。起始总材料量为500 μg,而DISC1(598-785)为1 mg。
6. 用标记的重组 DISC1 (598-785) 蛋白处理受体 SH-SY5Y 细胞
在本示例中,重组的 DISC1(598-785)* 至少部分招募了宿主细胞表达的可溶性 GFP 标记的 DISC1(598-854) 蛋白(见图 5A)。对于重组的 α-突触核蛋白,仅显示入侵而无招募现象(图 5B)。图像使用蔡司 LSM 510 共聚焦显微镜或蔡司 Axiovision Apotome2 显微镜拍摄。
将浓缩的(约 4 μl,2.5 μg/μl)标记DISC1(598-785)* 注射至mPFC后,该蛋白会在注射部位周围扩散,即使在用pH 7.4的PBS中含4% PFA灌注动物后,仍可通过罗丹明滤光片组检测到。在本示例中,DISC1(598-785)被一定数量的神经元摄取,并可通过Z轴层扫成像进行监测(图6)。
通常情况下,注射除本实验所用之外的其他蛋白质不一定导致细胞侵袭。侵袭事件主要取决于蛋白质的性质,但纯净的蛋白样品是进行后续分析的先决条件。
7. 代表性结果
由NLF细胞纯化的重组FL DISC1-eGFP形成的aggresome侵入受体SH-SY5Y细胞的效率较低(约0.3%) 5通过共聚焦显微镜观察到的共定位现象(图3). 如先前报道,DISC1(598-785) 表达并从 E. coli 形成多聚体 4 以约20%的效率具有相同的细胞侵袭能力 5 (图 5A)与作为阳性对照平行使用的α-synuclein结果相似(图5B). 标记的重组DISC1(598-785)蛋白,自 E. coli 对神经元也具有细胞侵袭性 体内 当多聚体蛋白被立体定位注射到大鼠内侧前额叶皮层时(图6;Pum,Bader,Huston,Korth,未发表。

图1. 瞬时表达FP-DISC1(红色)的NLF神经母细胞瘤细胞。可在细胞内检测到红色荧光聚集体。

图2. 在蔗糖梯度中纯化后,带有mRFP标签的DISC1包涵体。

图3. 被侵入的aggresome的荧光图像。将mRFP标记的全长DISC1 aggresome纯化后,与过表达可溶性GFP标记的DISC1(598-854)的SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞共同孵育。通过激光扫描显微镜(Zeiss LSM 510)进行Z轴层扫成像,监测标记aggresome的摄取情况。

图 4. 含有 S704 和 C704 单核苷酸多态性(SNP)的重组 DISC1(598-785) 的凝胶过滤层析谱。两种变异体均表现出有序寡聚化的破坏以及高分子量多聚体的形成(红色箭头)。此图片改编自 Leliveld et al., Biochemistry 2009 的发表文章。

图 5. 标记DyLight的重组DISC1(598-785)蛋白侵入细胞的荧光Z轴层扫图像。表达可溶性GFP-DISC1(598-854)的SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞与标记的重组蛋白在5 μg/ml浓度下共孵育。(A)红色聚集体显示重组DISC1(598-785)蛋白的侵入,黄色点状结构提示可溶性GFP-DISC1(598-854)被招募至聚集体中。(B)重组α-突触核蛋白(红色)可侵入细胞,但无招募现象,侵入频率约为20%。 点击此处查看高清大图。

图6. 注射标记的重组DISC1(598-785)蛋白的免疫荧光图像。Z轴层扫成像证实,在用神经元核抗体(NeuN,绿色)染色的大鼠皮层神经元中存在重组DISC1(598-785)蛋白。
本研究描述了从转染的神经母细胞瘤细胞系中纯化mRFP/eGFP-DISC1包涵体的方法,以及重组DISC1蛋白的制备与标记,并将其应用于受体细胞的细胞侵袭实验。 体外 以及 在体内.
天然mRFP/eGFP-DISC1包涵体的纯化方法源于分离路易体样结构及较大聚集体的已有方案13, 14,但经过改进以避免使用去垢剂,并最大限度降低因去垢剂促进细胞膜穿透而导致假阳性细胞侵入的风险。
未来可能的一项改进是通过超声处理进一步提高包涵体的纯度,以彻底将残留的膜结构和细胞骨架与包涵体分离。通过提高整体纯度,记录到的大包涵体的总入侵事件数量可能会增加5。我们建议的三相蔗糖梯度法是否足以适用于其他蛋白质种类的包涵体,尚需验证;在此意义上,本文所述方案应视为个体化优化的起点。在我们的实验中,纯化的包涵体表现出良好的稳定性,额外的洗涤步骤(不含去污剂)以去除蔗糖残留,并未显著降低总体得率。
在之前的一项研究中,我们描述了DISC1的寡聚体组装依赖于其C末端特定的多聚化结构域4(图4)。我们选择该片段在E. coli中进行重组可溶性表达,并通过Ni-NTA柱进行后续纯化。为了监测其多聚化状态,并将其细胞侵入能力与已知具有细胞侵入性的蛋白(如α-synuclein)进行比较,我们使用荧光染料DyLight594标记DISC1(598-785),并比较其与等量标记的α-synuclein的细胞侵入能力。与天然的全长DISC1包涵体相比,该重组DISC1片段的细胞侵入能力显著增强,这可能归因于其更小的分子尺寸和更高的纯度。同样,纯度似乎是影响细胞侵入能力的关键因素。
在我们的示例中,具有侵袭性的aggresomes招募了靶细胞系中以外源重组方式表达的可溶性同源蛋白 即 细胞分散形式。荧光蛋白的表达(例如 在受体细胞系中表达GFP或RFP具有优势,因为它可通过Z轴层扫成像实现侵入性aggresome与重组蛋白在受体细胞内的共定位。
具有细胞侵袭性的 DISC1 aggresomes 以及在 E. coli 中表达并纯化的多聚体片段,可能是与 DISC1 相关的蛋白构象病(DISC1opathies)15 的一个决定性特征。
问题排查:
蔗糖梯度纯化后获得的aggresome产量较低:
本方案中介绍的蔗糖梯度适用于eGFP/mRFP-DISC1(FL)包涵体。由其他蛋白质组成的包涵体可能具有不同的尺寸,因此其他使用者应优化蔗糖浓度。
重组蛋白纯化不充分:
在重组蛋白纯化过程中存在的任何细菌污染物,也将在后续实验步骤中被标记。为避免污染,需将蛋白进行SDS-PAGE电泳,并通过考马斯亮蓝染色确认重组蛋白纯度至少达到95%。为确保最高质量和产量,该实验方案需针对每种特定蛋白进行优化。
重组蛋白标记效率低:
任何含有游离巯基(SH基团)的污染物都会降低蛋白质标记的效率。因此,必须进行充分的透析以及基于Ni-NTA的纯化。
未声明任何利益冲突。
本工作由NEURON-ERANET DISCover项目(BMBF 01EW1003)资助C.K.和J.P.H.,德国研究基金会(DFG)(Ko 1679/3-1;GRK1033)资助C.K.。V.B.获得杜塞尔多夫大学医学院研究委员会基金的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| RPMI 1640 | Invitrogen | 11875-093 | 培养基取决于宿主细胞系。最佳的受体细胞系应由使用者自行确定。 |
| DMEM/F-12 | Invitrogen | 11320-033 | 培养基取决于受体细胞系,最佳受体细胞系应由使用者自行确定。 |
| PBS | Invitrogen | 14190-250 | |
| Metafectene | Biontex | T020-1.0 | 其他转染试剂也可能有效,但未在本实验方案中进行测试。 |
| Ni-NTA 琼脂糖 | Qiagen | 30210 | 实验采用Qiagen公司的Ni_NTA琼脂糖,其他供应商的产品也应适用。 |
| DNase I | 罗氏 | 04716728001 | 在包涵体纯化过程中无需使用无RNase的DNase。 |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S0389 | |
| Opti-MEM | Invitrogen | 31985-062 | 无血清培养基同样有效 |
| 青霉素/链霉素 | Invitrogen | 15140122 | SH-SY5Y 和 NLF 培养基的补充剂 |
| 非必需氨基酸(NEAA) | Sigma-Aldrich | M7145 | SH-SY5Y 培养基补充剂 |
| 0.4% 台盼蓝 | Sigma-Aldrich | T8154 | 有毒试剂 |
| DyLight 594 Maleimide | Thermo-Fisher Scientific | 46608 | 将还原型半胱氨酸反应性染料转化为稳定的硫醚–其他键结类型。也可提供其他颜色。 |
| ProLong Gold 加 DAPI | Invitrogen | P36935 | 这种抗荧光淬灭液体封片剂在我们的使用中表现出更优的效果。 |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | 罗氏 | 11873580001 | 将1片溶于500 μl H2O 为 100 倍浓缩液。 |
| 合成α-突触核蛋白 | Sigma | S7820 | 按照文中所述进行复性。 |
| 特定试剂表 | |||
| Precellys 24 | Bertin Technologies | 03119.200.RD000 | 我们未测试过除该设备以外的其他机械匀浆器。其他无去污剂的匀浆方法也可能有效,但尚未在此方案中进行测试。 |
| 5301 浓缩仪(Speedvac) | Eppendorf | 5301 000.210 | 仅在需要浓缩蛋白质时使用。 |
| LSM 510 和 Axiovision Apotome2 | 蔡司 | 参见制造商目录 | 两台显微镜均具备进行Z轴层扫成像的能力,这是对侵入事件进行可靠且严谨评估的先决条件。 |
| 细胞培养塑料器皿 | Nunc | 10 cm 培养皿 #172958,24 孔板 #142475 | 使用不同的塑料材料可能会影响重组蛋白或aggresomes与塑料表面之间的相互作用。我们未测试除本文所述之外的其他材料。 |
| 特定材料与设备清单 | |||
| <表格 边框="1"> | |||
| 编号 | 缓冲液名称 | 蛋白质聚集被视为慢性退行性脑部疾病的一般特征,例如神经退行性疾病中的阿尔茨海默病(Aβ、tau)、帕金森病(α-synuclein)、亨廷顿病(polyglutamine、huntingtin)等。蛋白质聚集被认为源于蛋白质稳态失衡(proteostasis),即错误折叠蛋白的生成与降解之间出现失衡。值得注意的是,这些疾病在散发性病例中也发现相同蛋白质的聚集,而这些蛋白质仅在罕见的家族性突变变体中发生突变。精神分裂症是一种慢性进行性脑部疾病,在许多病例中伴随永久且不可逆的认知功能缺损。在一项候选基因研究中,我们探讨了“精神分裂症中断基因1”(Disrupted-in-schizophrenia 1, DISC1)——该基因最初在一个与慢性精神疾病相关的苏格兰家族中被克隆1,2——是否可在散发性精神分裂症患者脑组织中以不溶性聚集物的形式存在3。利用SMRI CC样本库,我们在约20%的CMD病例中(而非正常对照或神经退行性疾病患者)经生物化学分级分离后检测到嗜硫酰(sarkosyl)不溶性的DISC1免疫反应性。后续体外研究表明,DISC1的聚集倾向受疾病相关多态性S704C4的影响,且体外生成的DISC1聚集小体(aggresomes)具有细胞侵袭性5,类似于Aβ6、tau7-9、α-synuclein10、polyglutamine11或SOD1聚集物12所表现出的特性。这些发现促使我们提出假说:至少部分CMD病例(即存在DISC1聚集的病例)可能属于蛋白质构象病。本文描述了我们在哺乳动物细胞中生成DISC1聚集小体、通过蔗糖梯度纯化并用于细胞侵袭性研究的方法。同样地,我们还描述了如何生成 exclusively multimeric 的C端DISC1片段,对其进行标记和纯化以用于细胞侵袭性研究。使用重组的DISC1多聚体,我们实现了与类似标记的合成α-synuclein片段相当的细胞侵袭能力。我们还证明,当该片段通过立体定位注射至受体动物脑内时,可在体内被细胞摄取。 | 评论 |
| 1. | 细菌培养基 | 16 g/l Bacto Tryptone,10 g/l Bacto Yeast extract,5 g/l NaCl,5 mM-arginine-HCl,5 mM MgSO₄,100 μg/ml 羧苄青霉素,35 μg/ml 氯霉素 | 培养细菌至 OD600:0.6–0.8 时,用 1 mM IPTG 诱导表达。 |
| 2. | 细菌重悬缓冲液 | 50 mM TRIS-HCl pH 8.0, 5 mM EDTA, 2 mM PMSF, 1% TX-100, 250 μg/ml 溶菌酶,20 mM MgCl2 和 400 U/50 ml DNase I | 将1 L过夜培养的细菌沉淀用50 ml重悬缓冲液重悬。 |
| 3. | 蛋白提取缓冲液 | 50 mM Tris pH 8.0,5 mM 咪唑,500 mM NaCl,8 M 尿素和 10 mM b-ME | |
| 4. | Ni-NTA 柱洗涤缓冲液 | 50 mM Tris pH 8.0,5 mM 咪唑,500 mM NaCl,8 M 尿素,10 mM b-ME,12 mM 咪唑 | 添加了12 mM咪唑的改良提取缓冲液 |
| 5. | Ni-NTA 柱洗脱缓冲液 | 50 mM Tris,500 mM NaCl,300 mM 咪唑,8 M 尿素,1 mM PMSF,5 mM EDTA 和 10 mM β-巯基乙醇 | 洗脱缓冲液含有10 mM β-ME,后续需进行透析。 |
| 6. | PBS | 8 g/l NaCl,0.2 g/l KCl,1.44 g/l Na2人类表型本体4,0.24 g/L KH2PO4,调节pH至7.4 | |
| 7. | 标记缓冲液 | 含5 mM TCEP的PBS | |
| 配方表 |