本协议的目标是提供一个基于细胞的系统,在体内复制α synuclein 聚合体的形成。细胞内阿尔法-synuclein 包裹体的种子在原代神经元的内化和传播的外源管理的原生微粒相关的阿尔法-synuclein 集分离的病阿尔法 synuclein 转基因小鼠。
方法文章
本协议的目标是提供一个基于细胞的系统,在体内复制α synuclein 聚合体的形成。细胞内阿尔法-synuclein 包裹体的种子在原代神经元的内化和传播的外源管理的原生微粒相关的阿尔法-synuclein 集分离的病阿尔法 synuclein 转基因小鼠。
多年来, 细胞培养中不溶性α-synuclein (αS) 包裹体的复制能力一直是帕金森病 (PD) αS 聚集研究的一大局限性。最近, 通过对αS 转基因小鼠或 PD 患者的脑提取物进行外源接种, 开发出新的动物模型, 为建立更充分的αS 聚集细胞模型提供了新的希望。不幸的是, 当涉及到细胞在文化中, 原始的大脑提取物的管理并没有被证明是成功的, 如在小鼠和外源团聚体的选择来源仍然是预制αS 纤维。
我们已经开发了一种方法, 以诱导形成细胞内αS 包裹体的原发神经元通过外源管理的本地微粒相关的αS 集, 一个高度毒性αS 物种从疾病地区的转基因小鼠。这一小部分的αS 聚集, 是与微粒囊, 有效内化, 并诱导形成细胞内夹杂阳性的聚合和磷酸化αS。与重组αS 制成的体外预制纤维相比, 我们的方法较快, 保证了致病性播种是由帕金森病动物模型提取的正宗αS 骨料, 模仿更紧密的类型在体内获得的包裹体。因此, 富含αS 包裹体的组织的可用性是强制性的。
我们相信, 这种方法将提供一个多才多艺的细胞模型来研究αS 聚集的微观方面和相关的细胞病理生理学在体内, 将是创建更准确和复杂的细胞的起点PD 的范例。
synuclein (αS) 蛋白质包裹体的积累是帕金森病 (PD) 和阿尔法-synulceinopathies1的突出和重要特征。不幸的是, 虽然动物模型能够提供足够的细胞和生物化学环境, 以诱导形成蛋白质纤维2所必需的聚集步骤, 复制形成复杂的 Lewy 体 (LB) 样骨料在细胞培养是困难和挑战性的。
在这里我们描述了一种诱导αS 包裹体形成的方法, 类似于动物模型和 PD 患者在培养细胞中获得的蛋白质聚集物, 利用脑孤立的小鼠原代神经元。我们的协议是基于外源管理的微粒相关的αS 聚集从αS 症状的转基因 (Tg) 小鼠, 以小鼠海马或皮质原代神经元。该方法利用αS 有毒物种的传播和传播能力, 一旦添加到培养基中, 就能形成内化, 并诱导成熟的αS-阳性骨料3,4, 5,6,7,8。
最初, 在细胞培养中获得αS 纤维形成的标准方法是基于相应的αS cDNA 通过常规转染协议或病毒介导的感染9的过度表达。在第一种情况下, 获得 LB 样的αS 集是偶然的, 显示效率低下, 并依赖于细胞类型, 第二个协议导致不溶性纤维的形成, 包括高分子量 (蛋白) 的物种在 24-48 小时的感染10. 在这些方法中, 聚集物的形成可能是由于αS 蛋白量的过度和不平衡而变得不溶, 而不是αS 构象的病态转换, 它决定了聚合。相反, 我们在这里展示的技术并没有改变αS 的表达水平, 而是由于外源纤维的内化导致了广泛的蛋白质聚集。此外, 通过对外源纤维的管理, αS 骨料的形成是一个漫长的过程, 需要数天或数周的时间, 使我们能够以过时的方式研究αS 包裹体形成的早期和中期阶段, 并把它与细胞生物化学的变化联系起来。因此, 我们的方法是一个有价值的应用, 创建αS 聚集的细胞模型, 有助于研究αS 纤维形成微观上与细胞病理生理学有关。
此外, 虽然从患病的αS 转基因 (Tg) 小鼠11,12或人 PD 大脑6,13可以诱发αS 沉积的 Tg 或野生型 (动物) 的原始脑提取物, 应用同样的程序, 细胞培养还没有被证明是成功的, 可能是因为在所用样品中的聚合量很低, 并且缺乏一个标准程序来隔离本αS 有毒物种14。正因为如此,体外预制纤维 (PFFs) 的αS 一直是聚合源的选择, 直到现在的αS 包裹体诱导细胞和动物模型3,4,6,7 ,15,16。然而, 通过我们的协议, 我们表明, 从αS Tg 小鼠分离的微粒相关的αS 聚集物种可以有效地诱导细胞内的 LB 样αS 包裹体在原代神经元中的积累。
在我们的实验室中, 微粒相关的αS 聚集物种是从患病的 Tg 小鼠的脊髓 (SpC) 组织中分离出来的, 表达人类 A53T αS 基因控制下的鼠朊蛋白 (prp) 启动子 [prp 人类 A53T αS Tg 小鼠, 行 G2-317]。这些小鼠显示了年龄依赖性神经退行性表型, 包括强健的运动功能障碍和形成的包裹体在中枢神经系统由磷酸化, 泛素化, 和不溶αS, 开始后9月的年龄。一旦出现运动神经功能障碍, 表型迅速演变为瘫痪, 从后肢开始, 导致 2-3 周死亡。αS 聚集与疾病表现相似。在运动功能障碍发生时牺牲的小鼠表现出在 SpC、脑干和小脑中αS 聚集的强健程度。没有必要等到瘫痪后才会牺牲老鼠。Presymptomatic 老鼠是在9月的动物, 不显示运动障碍。
通过国家和国际实验动物福利和试验法 (欧洲经济共同体理事会指令 86/609, 1987年12月12日和指令 2010/63/欧盟, 2010年9月22日) 批准并充分遵守了对野生动植物和 Tg 动物的使用。本文所描述的所有协议都遵循了我们机构的动物保育指南。
1. A53T αS Tg 小鼠微粒相关αS 团聚体的分离
2. 西方污点
注: 微粒相关αS 集料的生化特性由西方印迹评价。
3. 主要神经元培养
注: 主要神经元培养是从 P0 鼠海马或皮质 (线 C57BL/6) 中制备的。整个过程, 减去离心步骤, 是在细胞培养罩下, 在无菌条件下进行的。
4. 神经元治疗
注: 治疗已在 7 DIV 进行。所有步骤都是在无菌条件下的细胞培养罩下进行的。图 1显示了 7 DIV 皮层神经元培养密度的例子。
5. 免疫荧光
按照上面描述的协议并在图 2中总结, 我们从三只患病的 A53T αS Tg 小鼠中纯化微粒相关的αS 聚合体 (图 3)。微粒是含有内质网、高尔基和小突触泡的粗膜颗粒。与其他分数相比, 微粒颗粒的纯度比以前用特定的细胞器标记18进行了评估。
一旦分离, αS 集料的生化特征通过变性 SDS 页评估, 其次是 Syn-1 或磷酸化αS 在丝氨酸 129 (pSer129-αS) 抗体的孵化。与 presymptomatic (压力) 和年龄匹配的非 Tg (nTg) 小鼠相比, 微粒从病鼠与αS 团聚体共沉淀。微粒相关的αS 物种显示αS 聚合体的典型特征, 如积累高分子量抗洗涤剂的种类, 磷酸化在丝氨酸 12919和 C 和 N 末端截断片段 (为充分的描述微粒伴生的αS 合计参见参考18,20,21)。这些都是基本要求, 因为单体αS 没有得到有效内化, 不诱导αS 沉积7,15,22。重要的是不要使用任何洗涤剂 (离子或非离子) 并用重悬 P100 丸, 因为它可能是有害的细胞。此外, 为了避免样本变异性, 微粒相关的αS 聚集从三个不同的患病小鼠将汇集为神经元治疗。
从患病 A53T 小鼠到皮质或海马神经元培养基的1µg 共微粒相关αS 聚集, 诱导了αS 包裹体的时间依赖性形成, 阳性为集料特定的αS 抗体, 如Syn303 (图 4、 5) 或 pser129-αS (图 5)。经过两天 (2d) 的治疗后, 这些骨料出现的小, 分散的 puncta, 将变得更加丰富, 在以后的时间点。两周后, αS 夹杂物类似于长而成熟的珠子状结构, 在整个神经元培养过程中大量传播, 遵循突起模式, 并与突触前和突起标记部分协同本地化 (图 5)。偶尔, 新形成的αS 包裹体可以被看到, 以共同本地化和染色细胞体细胞或覆盖整个过程, 类似坏死突起。
尽管微粒相关的αS 聚合分数可以有效地在神经元培养中传播, 但它们的数量必须精确地调整到被镀神经元的数量 (图 1)。事实上, 超过建议的比例, µg 微粒相关的聚合体: 神经元的数量, 将导致过早细胞死亡在几天内 (图 6), 而微粒相关αS 总量不足将导致在两周的治疗后, 夹杂物的稀少和减少数量, 类似于在较早的时间点获得的 (图 4A)。

图 1.皮质神经元培养。代表的图像显示密度在7的皮层神经元培养。图像采用倒置光显微镜, 10X 目标。刻度条 = 100 µm.请点击这里查看这个数字的大版本.

图 2.从小鼠 SpC 中分离微粒相关的αS 聚合体.微粒相关αS 集料从病鼠 SpC 中纯化的流程图。请单击此处查看此图的较大版本.

图 3.从病、presymptomatic A53T αS Tg 和 nTg 小鼠中分离微粒组分.西方印迹分析显示纯化的微粒相关αS 聚集从三病 (病), presymptomatic (压力) 和老年匹配 nTg 小鼠。患病小鼠是 A53T αS Tg 小鼠, 显示电机和神经功能障碍, 包括αS 包裹体的积累, 而 presymptomatic 动物是健康 A53T αS 9 月的年龄, 并没有显示任何 Tgs 病理相关表型。nTg 小鼠窝不携带αS 转基因的病鼠, 因此不发育αS 诱发病理。1µg 的每一个纯化的分数是运行在变性 SDS 页上, 转移到硝化膜和涂抹 Syn-1 或 pSer129-αS 抗体。只有从患病小鼠中分离出的微粒分数含有高分子量的抗αS 聚合蛋白, 在丝氨酸129中磷酸化, 显示 C 和 N 末端截断。这个数字已经从科亚等。18.请点击这里查看这个数字的更大版本.

图 4.微粒相关αS 集料后αS 沉积的时间依赖性诱导。(A)用1µg 微粒相关的αS 集料从三种不同的患病小鼠中分离出的原发性海马神经元免疫荧光。神经元被固定在2天 (2d), 1 周 (1w) 或2周 (2w) 的治疗和 immunostained 与 syn303 (S303, 1:1000), 抗体特异的氧化和聚集αS。细胞与 DAPI 复染。共焦图像采用激光扫描共聚焦显微镜, 63X 目标。刻度条 = 50 µm (B)利用图像 J 软件的粒子计数插件, 对背景减法后的总fluorescence 进行定量分析。值被规范化的每个领域的核数 (DAPI 计数), 并表示为 S303 荧光信号的百分比在2D。值作为平均值给出 (n = 5)。** p < 0.001, *** p < 0.00001, 单向方差分析, 其次是费舍尔的迷幻药后测试。请单击此处查看此图的较大版本.

图 5.细胞内αS 包裹体 colocalize 皮质突起网络。用微粒相关的αS 集料处理的脑皮质神经元的代表性共焦图像。经过2周的治疗神经元固定和双重染色的聚合特异抗体 [S303 (A, B)或 pser129-αS, 1:1, 000 (C)] 和突起标记 [鼠标αS, 1:200 (A, B) 或头, 1:10,000 (C)]。荧光信号的联合标记显示了新形成的αS 珠状结构与突起网络的局部协同定位。偶尔αS 包裹体积累在神经元躯体 (A, B, 箭头)。用激光扫描共聚焦显微镜, 63X 目标采集堆积图像。刻度条 = 50 µm。这个数字已经从科亚等。20.请点击这里查看这个数字的更大版本.

图 6.增加微粒相关αS 集料的次优量对神经元是有毒的。随着微粒相关αS 聚集物浓度的增加, 神经元的 DAPI 染色导致细胞死亡。(A)皮质神经元用 1, 2 µg 微粒相关的αS 聚集物从患病小鼠身上提取, 或仅有不含聚集物(B)并沾有 DAPI 的缓冲液。利用20X 目标, 用荧光显微镜获得荧光图像。刻度条 = 100 µm(B)使用图像 J 软件计算 DAPI 阳性细胞。该图显示了在神经元介质中添加的微粒相关αS 骨料浓度增加的细胞核数目减少。值表示为% 的 b, 并给出的平均值 (n = 5), ** p < 0.0001, 单向方差分析, 其次是费舍尔的迷幻后的测试。请单击此处查看此图的较大版本.
通过添加αS Tg 动物模型分离纯化的微粒相关αS 骨料, 我们描述了一种从小鼠脑源性神经元培养中获得αS 包裹体的方法。
本协议的关键步骤如下: 微粒相关αS 集/神经元µg 的比值和αS 集料的来源。如结果会议所示, 最重要的是优化微粒相关αS 集/神经元数量的µg 比, 因为在次优条件下工作可能导致过早细胞死亡或太稀少的胞内聚集 (见代表性结果部分)。因此, 在开始治疗前, 评估 7 DIV (如图 1所示) 神经元培养的密度是非常重要的。此外, αS 骨料必须从患病的αS Tg 小鼠纯化, i. e。从以磷酸化和洗涤剂不溶αS 高分子量蛋白纤维为特征的动物模型中积累的 LB 状夹杂物。
对本议定书可能进行的修改涉及组织, 冷冻或新鲜, 微粒可以隔离和起始量。由于αS 不溶性骨料的含量高, 我们使用 Tg 小鼠的 SpC, 该协议适用于从任何组织中分离微粒相关的骨料, 前提是该地区的αS 骨料含量较高。冷冻样品也可以使用, 因为冷冻不影响微粒相关骨料的纯化步骤或骨料本身. 虽然推荐的组织起始重量约为 100-150 毫克, 但该协议适用于从低到50毫克的原料 (没有最大重量限制) 获得微粒。然而, 在低于100毫克的情况下, 适当的均匀化比将是 1:20 (瓦特/v), 以便有至少1毫升的上清 S10 装载在聚碳酸酯瓶为 ultracentrifuge 沉淀。事实上, 装入小于1毫升的体积可能导致管子的坍塌和样品损耗。增加均匀化体积将导致更稀释的上清液, 但微粒颗粒的浓度将保持不受影响。
本议定书的一项限制涉及在αS 包裹体的形成中缺乏效率的交叉播种, 最近据报在αS PFFs 的病例管理中对小鼠的神经元培养, 而不是老鼠αS PFFs24。由于增加外源αS 纤维的数量给小鼠的文化可以绕过这个问题, 我们建议微调的数量, 微粒相关的骨料的情况下, 从其他αS 变种或从不同的纤维管理物种比我们所描述的小鼠神经细胞培养。
添加到区域性介质中的外源αS 聚合可以来自不同的源。体外αS PFFs 以前被用作细胞培养、原代神经元和动物模型3、7、8、15中胞内αS 聚集的种子模板。与我们的方法相比, 微粒相关的αS 聚集体可以在几个小时内分离, PFFs 的形成是漫长而费力的, 需要多步骤的纯化, 其次是额外的化验, 以检查αS 骨料 confomations25.此外, PFFs 是从细菌表达的人或小鼠αS,即缺乏翻译后修改典型的真核生物, 可以呈现不同的构象, 具有选择性播种和致病性质, 根据所遵循的成核协议 (即丝带 vs 纤维)5,8导致不同的结果和结论。相反,在体内纯化的αS 聚集物的单一管理保证了更真实的致病模板的传播, 密切模仿动物模型和 PD 患者的αS 包裹体的形成过程。
作为这项技术的未来应用, 我们认为该协议可以成功地用于隔离 PD 患者或其他αS Tg 动物模型的大脑中的αS 致病种子, 前提是微粒被隔离的病区丰富αS包裹 体。
根据我们的知识, 这是第一种方法, 允许纯化的本地有毒物种的αS 从体内PD 模型被用作种子模板, 以获得形成的αS 包裹体在原代神经元。
我们认为这种方法是非常多才多艺的, 可以提供一个特殊的细胞模型, 以研究αS 聚集的不同方面及其对细胞病理生理学的影响。由于αS 包裹体的形成是一个复杂的过程, 在培养细胞中很难复制, 我们希望这个模型能为急性致病机制提供深刻的洞察力, 难以在慢性和更精细的鉴别诸如动物模型之类的系统。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到意大利大学和研究部 (MIUR) 的支持, 通过职业重新融合补助金计划 (青年研究员 RLM 项目) 和 Scuola 师范学校 Superiore。我们感谢美国明尼苏达州大学的迈克尔. 李教授提供的 Prp 人 A53T αS Tg 小鼠, 其中聚合体是孤立的。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | 84097-1KG | |
| 热普斯 | Sigma-Aldrich | H0887-100ML | 1M pH=7-7.6 |
| EDTA | Sigma-Aldrich | 0390-100ml | pH=8 0.5M |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266-100G | |
| NaCO3 | Sigma-Aldrich | S7795-500G | |
| NAHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761-500G | |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 322415-6X1L | |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich | P9541-500G | |
| cOmplete Mini | 罗氏 | 11836170001 | 蛋白酶抑制剂 |
| PhosStop | 罗氏 | 4906837001 | 磷酸酶抑制剂 |
| BCA 蛋白检测试剂盒 | Euroclone | EMPO14500 | |
| Criterion TGX 4-20% 免染,18 孔 | Biorad | 5678094 | |
| 支持的硝酸纤维素膜 | Biorad | 1620097 | 0.2 &μ;m |
| 印迹级阻滞剂 | Biorad | 1706404 | 脱脂奶粉 |
| SuperSignal West Pico 化学发光底物 | Termo Fisher Scientific | 34077 | |
| 硝酸 | Sigma-Aldrich | 1004411000 | 65% |
| 玻璃盖玻片 | Termo Fisher Scientific | 1014355118NR1 | 18毫米 x |
| 聚-D-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P7280 | |
| Hank's 平衡盐溶液 | Termo Fisher Scientific | 14170-500 mL | |
| 青霉素/链霉素 | Termo Fisher Scientific | 15140122 | 10,000 U/mL、100 mL |
| Dulbecco's 改良鹰's 中等 | Termo Fisher Scientific | D5796-500 mL | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Termo Fisher Scientific | 15400054 | 0.50% |
| B27 添加剂 | Termo Fisher Scientific | 17504044 | 50X |
| 谷氨酰胺 | Termo Fisher Scientific | 35050-038 | 100x |
| DNAse | Sigma-Aldrich | D5025 | |
| 胎牛血清 | Euroclone | EC50182L | |
| 谷氨酸 | Sigma-Aldrich | 1446600-1G | |
| 庆大霉素 | Termo Fisher Scientific | 15710 | 10 mg/ml |
| Neurobasal 培养基 | Termo Fisher Scientific | 10888-022 | |
| 胞嘧啶阿拉伯糖苷 (AraC) | Sigma-Aldrich | C3350000 | |
| VECTASHIELD 抗淬灭封片剂 | Vector Laboratories | H-1000 | |
| DAPI | Termo Fisher Scientific | 62247 | |
| 90 Ti | Beckman | N/A | 超速离心机转子 |
| Optima L-90K超速离心机 | Beckman | N/A | |
| Syn-1抗体,克隆42 | BD Biosciences 610786 | 抗小鼠白WB:1:5000 | |
| Syn303抗体 | BioLegend | 824301 | 抗小鼠 IF:1:1000 |
| Tau 抗体 | 突触系统 | 314 002 | 抗兔 IF:1:10,000 |
| pser129-αS 抗体 | 来自 Fujiwara 等人的礼物,参考文献 19 | 抗兔 WB:1:5000 | |
| pser129-αS 抗体 | Abcam | ab51253 | 抗兔 IF:1:1000 |
| 鼠标 &S (D37A6) XP | Cell Signaling | 4179 | 抗兔 IF 1:200 |
| Alexa fluor 555 偶联抗兔抗体 | Termo Fisher Scientific | A27039 | |
| Alexa fluor 488偶联抗小鼠抗体 | Termo Fisher Scientific | A-11029 | |
| Microson XL-2000 | Misonix | 超声波仪 | |
| Ultra 瓶(Oakridge 瓶),PCB,16x76 mm,组件,Noryl 瓶盖,贝克曼型 | 科学服务欧盟 | S4484 | 超速离心管 |
| AXIO Observer 倒置光学显微镜 | 蔡司 | N/A | |
| TCS SP2 激光扫描共聚焦显微镜 | 徕卡 | N/A | |
| 倒置落射荧光显微镜 | 尼康 | N/A | |
| Triton x-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ML | 非离子表面活性剂 |
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