维持生物体蛋白质稳态需要协调蛋白质质量控制反应,例如从一个组织到另一个组织的伴侣表达。在这里,我们提供了秀 丽隐杆线 虫中使用的工具,这些工具可以监测特定组织中的蛋白质稳态能力并确定细胞间信号反应。
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维持生物体蛋白质稳态需要协调蛋白质质量控制反应,例如从一个组织到另一个组织的伴侣表达。在这里,我们提供了秀 丽隐杆线 虫中使用的工具,这些工具可以监测特定组织中的蛋白质稳态能力并确定细胞间信号反应。
在过去的十年中,围绕蛋白质质量控制过程调控的知识发生了变革性的增长,揭示了细胞间信号转导过程在细胞非自主蛋白质稳态调节中的重要性。最近的研究现在开始揭示协调蛋白质质量控制从一个组织到另一个组织的信号转导成分和通路。因此,确定细胞非自主蛋白质稳态网络 (PN) 的机制和组成部分及其与衰老、应激反应和蛋白质错误折叠疾病的相关性非常重要。在实验室中,我们将组织特异性 RNAi 的基因敲低与应激报告基因和组织特异性蛋白质稳态传感器相结合来研究这一点。我们描述了检查和识别细胞非自主 PN 成分的方法,这些成分可以作用于感知应激状况的组织和反应细胞以激活保护性反应。我们首先描述了如何在特定组织中产生用于组成型基因敲低的发夹 RNAi 构建体,以及如何通过在不同生命阶段饲喂 RNAi 来进行组织特异性基因敲低。应激报告基因和行为检测可作为有价值的读数,能够快速筛选改变全身应激信号传导过程的基因和条件。最后,利用在不同组织中表达的蛋白质稳态传感器来确定 PN 在不同发育和衰老阶段的组织特异性容量的变化。因此,这些工具应该有助于阐明并允许监测特定组织中 PN 的能力,同时有助于识别在不同组织中发挥作用以介导生物体中细胞非自主 PN 的成分。
细胞蛋白质稳态由蛋白质质量控制成分的复杂网络监测,例如分子伴侣、应激反应和降解机制,包括泛素蛋白酶体系统 (UPS) 和自噬 1,2。应激反应通路的激活,例如 HSF-1 介导的热休克反应 (HSR)、内质网的未折叠蛋白质反应 (UPRER) 和线粒体 (UPRmito),对于细胞在环境挑战或导致毒性蛋白质聚集的蛋白质错误折叠疾病期间的适应和生存至关重要 1,2,3,4,5,6.
细胞蛋白质稳态由多细胞生物(如秀丽隐杆线虫)中的另一层协调,这需要跨不同组织的细胞应激反应的协调,以激活保护性蛋白质质量控制成分,如分子伴侣7。在过去十年中,已观察到热休克反应 (HSR)、UPRER 和 UPR线粒体以及跨细胞伴侣信号转导 (TCS) 的"细胞"应激反应通路的细胞非自主激活3,4,7,8,9,10 .在每种情况下,神经系统以及来自肠道的信号在控制跨组织伴侣的激活中起着至关重要的作用,以防止急性和慢性蛋白质错误折叠应激的毒性后果 3,5,9,11。这种从神经元到肠道和外周其他细胞的传递可以通过神经递质实现,UPRER 和 HSR 6,8,11 就是这种情况。在一种形式的细胞非自主应激信号转导 TCS 中,由神经元中 HSP-90 表达增加激活,分泌的免疫肽在激活从神经元到肌肉的 HSP-90 伴侣表达中发挥作用5。在另一种形式的 TCS 中,降低肠道中主要分子伴侣 hsp-90 的表达会导致体壁肌肉中热诱导型 hsp-70 在允许温度下的表达增加 5,10。然而,在这种特殊情况下,在压力感知肠道和响应的肌肉细胞中激活的特异性信号分子是未知的。
因此,为了确定伴侣表达如何从一个组织激活到另一个组织,需要一种方法来监测蛋白质稳态网络 (PN) 的能力和组织特异性水平的应激反应激活。为了研究在单个组织中激活了哪种应激反应途径,可以利用与荧光蛋白标签融合的转录伴侣报告基因的可用选择(另见表 3)。这些包括荧光标记的 hsp-90、hsp-70 和 hsp-16.2 转录报告基因(指示 HSR 诱导)、hsp-4(指示 UPRER 激活)和 hsp-6(指示 UPR线粒体)。然后,将这些报告基因与组织特异性应力条件相结合,可以获得强大的读数,该读数将精确定位对感知应力的远端"发送者"组织中 PN 不平衡的反应的单个组织。为了在特定组织中诱导应力状况或 PN 不平衡,可以采取不同的方法。例如,一种方法是通过应激转录因子(例如 xbp-1s)的活化形式的异位表达,另一种方法是使用组织特异性启动子降低必需分子伴侣(例如 hsp-90)的表达水平 8,10。为了仅消耗一种细胞类型的 PN 组分,通过 RNAi 进行组织特异性敲低是一种有用的工具。
然而,在秀丽隐杆线虫中,RNAi 是内吸性的;环境中的双链 RNA 可以进入并扩散到整个动物中,从而使目标基因沉默 12,13。摄入的 dsRNA 的这种系统性传播是由 SID(系统性 RNAi 缺陷)蛋白介导的,例如作为 dsRNA 转运蛋白的 SID-1 和 SID-2 蛋白,以及与晚期内体蛋白共定位并与摄入的 dsRNA 的输出有关的 SID-5 14,15,16。SID-1 是除神经元外所有细胞中的多通道跨膜蛋白,是 dsRNA 输出和输入细胞所必需的17。SID-2 表达仅限于肠道,在肠道中,它作为内吞受体从肠腔摄入 dsRNA 进入肠细胞的细胞质16。神经元对全身性 RNAi 缺乏反应,这与神经元中跨膜蛋白 SID-1 的表达降低有关,而 SID-1 对于输入的 dsRNA 至关重要15,18。因此,要使组织特异性 RNAi 仅在一种细胞类型中有效,需要防止 dsRNA 的全身扩散。这可以通过利用 RNAi 抗性 sid-1 (pk3321) 突变体来实现,该突变体可防止 dsRNA 在组织中释放和摄取15。在该突变体中表达组织特异性发夹 RNAi 构建体或 SID-1 在特定组织中异位表达可以补充突变体 SID-1 的功能,并允许组织特异性 RNAi19。
那么,在 sid-1 功能丧失突变体中,肠道如何摄入 dsRNA,然后它如何到达异位表达 SID-1 构建体的神经元或肌肉细胞呢?在解释这种机制的当前模型中,内吞的 dsRNA 通过 SID-2 被摄取到肠细胞质中,然后通过另一种 SID-1 非依赖性机制(涉及 SID-5 和转胞吞作用17)输出到假腔中。因此,由于 sid-1 是 dsRNA 输入17 所必需的,因此只有表达野生型 SID-1 的细胞才能将肠道释放的 dsRNA 吸收到假腔中。
在这里,我们演示了一组允许组织特异性 RNAi 的工具的使用。我们使用分子伴侣 Hsp90 的例子来描述发夹 RNAi 的构建,该 RNAi 可用于组成性敲低特定组织中的基因表达10。所描述的方法可用于任何感兴趣的靶基因。通过监测其他组织中荧光标记的应激报告基因的表达,可以探测其他组织对组织特异性 hsp-90 RNAi 引起的蛋白质稳态失衡的响应。作为组织特异性 RNAi 的第二种方法,我们展示了 sid-1 突变系统如何适应喂养表达 RNAi 的细菌,而不是表达发夹 RNAi 构建体。这在进行候选或全基因组 RNAi 筛选以识别组织特异性反应所需的组分时非常有用。同样,与重要 PN 成分耗竭相关的发育缺陷需要在发育后期对特定组织进行 RNAi 介导的敲低。我们展示了如何将 SID-1 互补系统用于组织特异性 TCS 修饰剂的候选 RNAi 筛选。在该示例中,我们旨在鉴定在"压力感知"发送者组织(肠道)和影响压力的组织(肌肉)中敲低后导致肌肉细胞中荧光标记的 hsp-70 报告基因表达发生变化的信号转导组分。
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1. 组织特异性 RNAi 有两种方式:发夹 RNAi 和组织特异性 SID-1 互补
2. 使用应激报告器和蛋白质稳态传感器监测细胞自主和非自主蛋白质稳态
注意:要监测特定组织中的 PN 容量,请使用组织特异性蛋白质稳态传感器(例如在肠道中表达 Q44 或在肌肉中表达 Q35 的菌株 - 见 表 3)和应激报告基因(例如热诱导的 hsp-70p::mCherry 报告基因; 表 3)。
3. 细胞非自主蛋白质稳态修饰物的组织特异性候选 RNAi 筛选
注:对于组织特异性 RNAi 筛选,我们使用了菌株 PVH172,通过喂养 RNAi 细菌来允许肠道特异性 RNAi,而菌株 PVH171 允许肌肉特异性 RNAi(基因型见表 1)。
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组织特异性 RNAi 以两种方式进行:发夹构建体的表达或组织特异性 SID-1 互补
组织特异性发夹 RNAi 构建体的表达允许在整个发育过程中对基因进行组成型敲低。然而,当所研究的基因是该特定组织的器官发生所必需的时,这有时可能是不切实际的,例如肠道发育所需的 elt-2 26。RNAi 抗性 SID-1 突变体中的组织特异性 SID-1 表达具有特殊的优势,即组织特异性基因敲低可以在发育的后期进行计时。在这两种情况下(对于发夹构建体或组织特异性 SID-1 互补的表达),都需要验证组织特异性 RNAi 的效率,以确认只有目标组织受 RNAi 影响。这是通过在不同组织中共表达荧光标记的蛋白质(如 HSP-90)与 RFP (HSP-90::RFP) 融合来实现的。
我们将单独的 sid-1 (pk3321) 突变体或在神经元、肠道或体壁肌肉中表达 SID-1 的 sid-1 突变体基因杂交到在神经元(
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此处描述的方法展示了允许以组成性和时间方式对 PN 成分进行组织特异性敲低的工具的使用。我们之前已经确定了 TCS,这是一种由 Hsp90 表达水平的组织特异性改变诱导的细胞非自主应激反应机制10。通过发夹 RNAi 表达对 hsp-90 的组织特异性敲低导致细胞不自主地上调远端组织中保护性 hsp-70 伴侣表达,从而增加机体应激抵抗力10。然而,我们不知道压力感知或反应组织中的哪些信号成分被激活以启动这种保护性反应。为了鉴定介导这一过程的信号转导成分,组织特异性反向遗传筛选是重要的选择方法之一。
尽管通过表达发夹构建体进行组织特异性敲低可能有效,但当需要研究大量基因时,这有缺点。使用抗 RNAi 的 sid-1 突变体辅以肠道、神经元或肌肉中 SID-1 的表达,可以通过喂养 RNAi 进行组织特异性基因敲低,因此是组织特异性遗传筛选的合适工具。虽然我们在这里描述...
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作者没有什么可披露的。
我们感谢 Richard I. Morimoto 博士提供菌株 AM722。本研究中使用的一些秀丽隐杆线虫菌株由秀丽隐杆线虫遗传学中心提供,该中心由 NIH 研究基础设施计划办公室 (P40 OD010440) 资助。P.V.O.-H. 由 NC3Rs (NC/P001203/1) 和 Wellcome Trust Seed Award (200698/Z/16/Z) 资助。JM 得到了 MRC DiMeN 博士培训伙伴关系 (MR/N013840/1) 的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氨苄青霉素 | Merck | A0166-5G | 协议第 3.1 节。 |
| DNA 洁净 &Concentrator-500 | Zymo Research | D4031 | 协议第 2.2 节。 |
| IPTG 异丙基-β;-D-硫代半乳糖苷 | Merck | 367-93-1 | 协议第 3.1 节。 |
| 多位点网关克隆试剂盒 | Thermo Fisher | 12537100 | 实验方案第 1.2 节。 |
| SigmaCote | Merck | SL2-25mL | 实验方案第 2.3 节。 |
| 四环素 | Merck | T7660-5G | 协议第 3.1 节。 |
| 零钝性 TOPO PCR 克隆试剂盒Thermo | Fisher | K280002 | 方案第 1.1 节。 |
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