本方案旨在高效定量啮齿类动物脑组织不同细胞区室中泛素-蛋白酶体系统(UPS)的活性。使用者可在同一只动物中检测核、胞质和突触组分内的UPS功能,从而减少进行此类复杂分析所需的时间和动物数量。
方法文章
本方案旨在高效定量啮齿类动物脑组织不同细胞区室中泛素-蛋白酶体系统(UPS)的活性。使用者可在同一只动物中检测核、胞质和突触组分内的UPS功能,从而减少进行此类复杂分析所需的时间和动物数量。
泛素-蛋白酶体系统是真核生物中蛋白质降解及多种其他细胞过程的关键调控机制。在脑组织中,泛素-蛋白酶体活性的增强对于突触可塑性和记忆形成至关重要,而该系统的异常改变则与多种神经系统、神经退行性及精神类疾病相关。研究脑内泛素-蛋白酶体功能的一个难题在于,该系统存在于所有细胞区室中,而其蛋白质靶标、功能角色及调控机制在不同区室间可能存在显著差异。因此,能够在同一只动物体内直接比较不同亚细胞区室中泛素蛋白靶向修饰和蛋白酶体催化活性的能力,对于全面理解泛素-蛋白酶体系统(UPS)在突触可塑性、记忆及疾病中的作用至关重要。本文所述方法可从同一只啮齿类动物(大鼠)脑组织中分离出细胞核、细胞质及粗突触组分,并进而同时定量检测蛋白酶体的催化活性(间接测定,仅反映蛋白酶体核心的活性)以及连接类型特异性的泛素蛋白标记。因此,该方法可用于在同一只动物中直接比较不同脑区在突触可塑性、记忆形成及不同疾病状态下泛素-蛋白酶体活性的亚细胞变化。该方法还可用于评估其他蛋白质在同一只动物体内的亚细胞分布与功能。
泛素-蛋白酶体系统(UPS)是一个由相互关联的蛋白质结构和连接酶组成的复杂网络,负责调控细胞内大多数短寿命蛋白质的降解1。在该系统中,蛋白质通过小分子修饰物泛素被标记,以决定其降解或其他细胞过程和命运。一个靶蛋白可获得1至7个泛素修饰,这些修饰可在前一个泛素分子的七个赖氨酸(K)位点(K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63)或N端甲硫氨酸(M1;也称为线性)处连接成链2。其中某些多聚泛素标签特异性地介导蛋白质降解(如K48)3,而另一些则主要不依赖于蛋白质降解过程(如M1)4,5,6。因此,蛋白质泛素化过程极为复杂,能够定量检测特定多聚泛素标签的变化对于最终理解该修饰在细胞功能中的作用至关重要。此外,由于蛋白酶体作为UPS的催化结构7,不仅参与蛋白质降解,还可参与其他非蛋白水解过程8,9,这进一步增加了研究该系统的复杂性。因此,自该系统被发现以来,正常的和异常的泛素-蛋白酶体活性已被证实与长期记忆形成以及多种疾病状态相关,包括许多神经系统、神经退行性和精神类疾病10,11。因此,能够有效且高效地定量检测脑内UPS活性的方法,对于深入理解该系统在疾病状态下如何失调,以及最终开发靶向泛素和/或蛋白酶体功能的治疗策略至关重要。
在利用大鼠和小鼠脑组织定量泛素-蛋白酶体活性时存在若干问题,而大鼠和小鼠是研究泛素-蛋白酶体系统(UPS)功能最常用的模型系统,这些问题包括:1)泛素修饰的多样性,以及 2)UPS 功能在不同亚细胞区室中的分布及其差异性调控12,13,14。例如,早期许多关于记忆形成过程中脑内泛素-蛋白酶体功能的研究使用了全细胞裂解液,结果显示蛋白质泛素化水平和蛋白酶体活性均呈现时间依赖性升高15,16,17,18,19,20。然而,我们最近发现,在学习过程中,泛素-蛋白酶体活性在不同亚细胞区室之间表现出显著差异,某些区域同时出现活性升高而其他区域则下降,这种模式与先前在全细胞裂解液中报道的结果存在明显不同21。这反映出全细胞分析方法的局限性,因其无法区分不同亚细胞区室中UPS活性变化的各自贡献。尽管近期一些研究已采用突触组分分离方法,专门研究学习过程中突触部位的UPS功能22,23,24,但这些方法无法在同一动物个体中同时检测细胞核和细胞质内的泛素-蛋白酶体变化。这导致必须多次重复实验,每次收集不同的亚细胞组分。这不仅造成实验动物不必要的损耗,而且排除了在特定事件或特定疾病状态下直接比较不同亚细胞区室间UPS活性的可能性。鉴于泛素和蛋白酶体的蛋白质靶标在整个细胞中具有高度异质性,明确泛素-蛋白酶体信号在不同亚细胞区室中的差异,对于揭示UPS在记忆形成以及神经、神经退行性和精神疾病过程中所发挥的功能作用至关重要。
为满足这一需求,我们近期开发了一种方法,可从同一只动物的特定脑区同时获取细胞核、细胞质和突触组分21此外,为了应对从同一样本中收集多个亚细胞组分所能获得的蛋白质数量有限的问题,我们对先前建立的方案进行了优化,以用于体外检测 裂解的啮齿类动物脑组织细胞中蛋白酶体活性及特异性泛素化蛋白的连接状态。利用本方案,我们能够收集并直接比较大鼠侧杏仁核中细胞核、细胞质及突触部位依赖学习过程的蛋白酶体活性变化,以及K48、K63、M1和总体蛋白质多聚泛素化水平的变化。本文详细描述了我们的实验流程 (图1),这有望显著增进我们对泛素-蛋白酶体系统(UPS)在长期记忆形成及多种疾病状态中作用的理解。然而需要注意的是,本方案中讨论的体外蛋白酶体活性检测方法尽管被广泛使用,但并不能直接反映完整26S蛋白酶体复合物的活性。该检测方法实际测量的是20S核心颗粒的活性,因此仅能作为评估20S核心颗粒自身活性的间接指标,而不能代表整个26S蛋白酶体复合物的活性。
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所有涉及动物实验的操作均已获得弗吉尼亚理工学院暨州立大学机构动物护理与使用委员会(IACUC)的批准。
1. 啮齿类动物脑组织的采集与解剖
注意:本方案可适用于多种脑区,并可与不同的组织采集方法联合使用。以下是我们实验室用于分离大鼠脑组织亚细胞组分的操作流程,所用大鼠为8-9周龄雄性Sprague Dawley大鼠。为了在同一动物中处理所有细胞区室,无论采用何种组织采集方法,都必须遵循第1.3节的步骤。
2. 细胞核与细胞质提取
注意:本实验方案使用常见实验室化学品的预配储备液,包括 0.1 M HEPES、1 M MgCl2、1 M 二硫苏糖醇(DTT)、0.5 M 乙二胺四乙酸(EDTA)、5 M NaCl、10% NP-40(IGEPAL)和 50% 甘油。若在蛋白酶体活性检测中使用终点法,可在所有缓冲液中添加甘油和 ATP,以帮助防止裂解过程中蛋白酶体复合物解离。
3. 突触组分收集
注意:本实验方案使用常见实验室化学品的预配储备液,包括 1 M Tris(pH 7.5)、0.5 M EDTA、5 M NaCl 和 10% SDS。若在蛋白酶体活性检测中使用终点法,可在所有缓冲液中添加甘油和 ATP,以帮助防止裂解过程中蛋白酶体复合物解离
4. 蛋白酶体活性检测
注意:可使用稍作修改的 20S 蛋白酶体活性检测试剂盒,在匀浆化脑组织中检测蛋白酶体活性。该检测方法不直接测量完整 26S 蛋白酶体复合物的活性,而是测量 20S 核心的活性,因此仅能作为了解核心本身活性的替代指标,而非整个 26S 蛋白酶体复合物的活性。该检测的成功率会随着反复冻融循环和/或去垢剂(尤其是离子型去垢剂)浓度的增加而下降,且需要使用配备 360/460(激发/发射)滤光片并具备最高达 37 °C 加热功能的酶标仪。
5. 特定连接方式的蛋白质泛素化定量
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采用本文所述方法,从大鼠脑的侧杏仁核中分离出细胞核、细胞质和突触组分(图1)。通过蛋白质印迹法检测各组分的纯度,使用针对应富集或耗竭于裂解液中蛋白质的抗体进行探查。在第一个半脑中收集了粗制突触组分,结果显示突触后密度蛋白95(PSD95)存在于突触组分中,而不存在于细胞核组分中,细胞质中的含量较低(图2A)。这与先前研究结果一致,表明突触组分的制备方法可同时分离出突触前和突触后成分25。相反,核蛋白组蛋白H3存在于细胞核组分中,但不存在于突触组分中,细胞质中的含量也较低(图2B)。PSD95和H3在细胞质中的存在与其在细胞质中的翻译过程一致。细胞质蛋白β-微管蛋白存在于我们的细胞质组分中,但在细胞核裂解液中基本检测不到(图2C),在突触区域的含量也较低。这表明我们成功制备出基本不含细胞质蛋...
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在此,我们展示了一种在同一动物不同亚细胞区室中定量泛素-蛋白酶体活性变化的高效方法。目前,大多数测量泛素-蛋白酶体系统在亚细胞水平活性变化的尝试均局限于每份样本仅检测一个区室,因而需要重复实验,导致显著的成本增加和动物资源的浪费。我们的实验方案通过分割脑半球,使同一动物的两个半球可分别用于获取不同的细胞组分,从而解决了这一问题。利用该方案,我们首次证明了在同一动物中,学习过程可诱导泛素-蛋白酶体活性在细胞核、细胞质和突触组分中发生差异性变化21。
本方案的主要局限性在于其依赖于所获取的脑组织(样本)量。例如,如上所述,本方案要求将特定脑区的两个半球分开处理。然而,这并不总是可行的,例如某些仅存在于一侧半球的脑区。在此类情况下,可首先将整个脑区使用突触组分分离步骤(第3.1节)中的TEVP缓冲液进行匀浆处理,因为该缓冲液不含任何变性剂。随后,可按体积将样品均分为两部分。第一部分可按照所述方案用于突触组分的提取;对于第二部分样品,可加入非离子型去污剂NP-40至终浓度为0.05%,然后按照第2.6节所述进行离心。这将使胞质蛋白分布于上清液...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了弗吉尼亚理工大学农业与生命科学学院和理学院启动资金的支持。T.M. 受弗吉尼亚理工大学乔治·华盛顿·卡弗项目的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA | Fisher | 15575020 | 其他多个供应商 |
| 20S 蛋白酶体活性检测试剂盒 | Millipore Sigma | APT280 | 其他供应商提供不同版本 |
| ATP | Fisher | FERR1441 | 其他多个供应商 |
| β-肌动蛋白抗体 | Cell signaling | 4967S | 其他多个供应商 |
| β-微管蛋白抗体 | Cell signaling | 2128T | 其他多个供应商 |
| BioTek Synergy H1 酶标仪 | BioTek | VATECHH1MT3 | 其他供应商提供不同版本 |
| β-巯基乙醇 | Fisher | ICN19024280 | 其他多个供应商 |
| Clasto 乳胞素 β-内酯 | Millipore Sigma | L7035 | 其他多个供应商 |
| 冷冻杯 | Fisher | 033377B | 其他多个供应商 |
| DMSO | DMSO | D8418 | 其他多个供应商 |
| DTT | Millipore Sigma | D0632 | 其他多个供应商 |
| 甘油 | Millipore Sigma | G5516 | 其他多个供应商 |
| H3 抗体 | Abcam | ab1791 | 其他多个供应商 |
| HEPES | Millipore Sigma | H3375 | 其他多个供应商 |
| 盐酸 | Fisher | SA48 | 其他多个供应商 |
| IGEPAL (NP-40) | Millipore Sigma | I3021 | 其他多个供应商 |
| K48 泛素抗体 | Abcam | ab140601 | 其他多个供应商 |
| K63 泛素抗体 | Abcam | ab179434 | 其他多个供应商 |
| KCl | Millipore Sigma | P9541 | 其他多个供应商 |
| KONTES 组织研磨器 | VWR | KT885300-0002 | 其他多个制造商/型号 |
| Laemmli 样品缓冲液 | Bio-rad | 161-0737 | 其他多个供应商 |
| 线性泛素抗体 | Life Sensors | AB-0130-0100 | 仅 M1 抗体 |
| MgCl | Millipore Sigma | 442611 | 其他多个供应商 |
| 微量离心机 | Eppendorf | 2231000213 | 其他多个制造商/型号 |
| myr-AIP | Enzo Life Sciences | BML-P212-0500 | Millipore-Sigma 有售 |
| NaCl | Millipore Sigma | S3014 | 其他多个供应商 |
| Odyssey Fc 成像系统 | LiCor | 2800-02 | 其他供应商提供不同版本 |
| 磷酸酶抑制剂 | Millipore Sigma | 524625 | 其他多个供应商 |
| Precision Plus Protein 标准品 | Bio-rad | 161-0373 | 其他多个供应商 |
| 蛋白酶抑制剂 | Millipore Sigma | P8340 | 其他多个供应商 |
| PSD95 抗体 | Cell signaling | 3450T | 其他多个供应商 |
| SDS | Millipore Sigma | L3771 | 其他多个供应商 |
| 氢氧化钠 | Fisher | SS255 | 其他多个供应商 |
| 蔗糖 | Millipore Sigma | S0389 | 其他多个供应商 |
| TBS | Alfa Aesar | J62938 | 其他多个供应商 |
| Tris | Millipore Sigma | T1503 | 其他多个供应商 |
| Tween-20 | Fisher | BP337-100 | 其他多个供应商 |
| 泛素抗体 | Enzo Life Sciences | BML-PW8810 | 其他多个供应商 |
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