本方案介绍了两种用于分离小鼠视杆光感受器亚细胞区室以进行蛋白质分析的技术。第一种方法利用活体视网膜和纤维素滤纸分离视杆外节,而第二种方法则采用冻干视网膜和粘性胶带剥离视杆内节与外节层。
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本方案介绍了两种用于分离小鼠视杆光感受器亚细胞区室以进行蛋白质分析的技术。第一种方法利用活体视网膜和纤维素滤纸分离视杆外节,而第二种方法则采用冻干视网膜和粘性胶带剥离视杆内节与外节层。
视杆细胞是具有明显区室结构的高度极化的感觉神经元。小鼠的视杆细胞细长(长约80 µm,直径约2 µm),并侧向紧密排列于视网膜最外层的光感受器层,使得同类的亚细胞区室整齐对齐。传统上,通过冷冻铺片视网膜的切线切片来研究不同视杆细胞区室中蛋白质的转运与定位。然而,以视杆细胞为主的小鼠视网膜曲率较高,使得切线切片操作困难。基于对蛋白质在不同区室间转运的研究需求,我们开发了两种剥离方法,可稳定分离视杆外段(ROS)及其他亚细胞区室,用于蛋白质印迹分析。这些相对快速且简便的技术可获得富集且具有亚细胞特异性的组分,从而对正常视杆细胞中重要光感受器蛋白的分布与再分布进行定量检测。此外,这些分离技术还可轻松适用于健康及变性视网膜中其他细胞层的分离,以定量分析其蛋白质组成。
视网膜神经层最外层紧密排列的视杆光感受器细胞是暗光视觉的重要组成部分。为了精确地计数光子,视杆细胞利用一种基于G蛋白的信号通路——即光转导通路,产生快速、放大且可重复的响应,以应对单个光子的捕获。这种光响应最终引发细胞质膜电流的变化,并将信号传递至视觉系统的其他部分1。顾名思义,每个视杆细胞均具有明显的杆状形态,且表现出高度极化的细胞结构,包括外节(OS)、内节(IS)、细胞体(CB)和突触终末(ST)。每个亚细胞区室都含有特定的蛋白质机器(膜结合型和可溶性)、生物分子特征及蛋白复合物,在视觉光转导、基础细胞维护与蛋白质合成以及突触传递等过程中发挥关键作用2,3。
三十多年前,人们首次观察到亚细胞蛋白质的光依赖性相互移动现象,具体表现为转导素(从外段OS移出)和阻遏蛋白(向OS移动)4,5,6,7。起初,这一现象因免疫组织化学技术易受表位遮蔽的影响而受到质疑8。21世纪初,研究人员通过一种严格但繁琐的物理切片技术证实了刺激依赖性蛋白质转位的存在9。通过对冷冻平铺的啮齿类动物视网膜进行连续切向切片并结合免疫印迹分析,发现转导素9,10、阻遏蛋白11,12和恢复蛋白13均会在光照条件下发生亚细胞再分布。目前认为,这些关键信号蛋白的光驱动转位不仅可调节光转导级联反应的敏感性9,14,15,还可能对光损伤具有神经保护作用16,17,18。由于光驱动的蛋白质运输在视杆细胞的生物学与生理学中似乎具有重要意义,因此能够分离不同亚细胞区室以确定蛋白质分布的技术成为重要的研究工具。
目前,已有少数几种方法用于分离视杆细胞的亚细胞区室。然而,这些方法往往耗时较长、难以重复,或需要大量视网膜组织。例如,通过密度梯度离心法分离视杆外段(ROS)19 常用于从视网膜匀浆物中分离ROS。该方法在Western blot中广泛应用,但操作过程非常耗时,且至少需要8–12只小鼠的视网膜20。另一方面,对冷冻的小鼠和大鼠视网膜进行连续切向切片,已成功用于分离外段(OS)、内段(IS)、连接纤毛(CB)和突触终末(ST)9,11,13。然而,由于在进行切向切片前必须将体积微小且高度弯曲的小鼠视网膜完全展平以对齐各层结构,该方法在技术上具有较大挑战性。鉴于存在大量模拟视觉系统疾病的基因工程小鼠模型和转基因小鼠,建立一种能够可靠、快速且简便地分离视杆细胞各亚区室的技术,有望揭示各特化区室中发生的生理过程,以及健康与疾病状态下视觉功能的潜在机制。
为了促进这些研究,我们描述了两种剥离方法,相较于现有方案,能更简便地分离视杆细胞的亚细胞区室。第一种剥离方法改进自一种用于暴露荧光标记双极细胞以进行膜片钳记录的技术21,采用纤维素滤纸依次从活体分离的小鼠视网膜中去除外节段(ROS)(图1)。第二种方法改进自一种从鸡22和蛙23视网膜中分离三种主要视网膜细胞层的操作流程,利用粘性胶带从冻干视网膜中去除外节段(ROS)和视杆细胞内节段(RIS)(图2)。这两种操作均可在1小时内完成,且具有较高的用户友好性。我们通过使用暗适应和光暴露的C57BL/6J小鼠视网膜,验证了这两种分离方案在蛋白质印迹(western blot)分析中的有效性,以展示光诱导的视杆细胞转导蛋白(GNAT1)和阻遏蛋白(ARR1)的转位现象。此外,利用胶带剥离法,我们进一步提供了证据表明该技术可用于检验并解决免疫细胞化学(ICC)与蛋白质印迹结果之间在蛋白定位数据上的不一致问题。具体而言,我们的技术表明:1)蛋白激酶C-α(PKCα)亚型不仅存在于双极细胞中,也以较低浓度存在于小鼠的ROS和RIS中24,25;2)视紫红质激酶(GRK1)主要存在于分离得到的外节段(OS)样品中。这些数据证明了我们所提出的两种剥离技术在分离和定量特定视杆细胞及视网膜蛋白方面的有效性。
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所有实验均根据南加州大学(USC)研究动物护理委员会的本地机构指南进行。
1. 活细胞视网膜剥离方法
2. 冻干视网膜剥离法
3. 剥离分离样品的 Western 印迹制备
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本研究建立的方法旨在提供相对快速且简便的技术,用于从特定的视杆细胞亚细胞区室中分离和分析蛋白质,以进行蛋白质印迹(western blot)检测。我们采用了两种连续剥离技术(图1 和 图2),随后进行免疫印迹分析,以证明这些方法可可靠地检测视杆细胞中转导蛋白(GNAT1)和阻遏蛋白(ARR1)在暗适应和光适应动物中的已知分布情况。为了验证这两种方案在精确分离视杆细胞亚细胞区室时避免其他细胞层污染的有效性,我们使用细胞色素C(Cyt C)、肌动蛋白(actin)以及Gß5S/Gß5L26的抗体对免疫印迹结果进行检测。表1 列出了所用抗体及其稀释比例。Cyt C和肌动蛋白可指示外节段(ROS)的纯度,因为它们在近端视网膜中含量丰富,但在ROS中不存在。Gß5L是作用于GNAT1的GTP酶激活蛋白(GAP)的组分27,存在于ROS和内节段(RIS)中,可作为这两种区室分离的对照。Gß5S是较短的剪...
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许多视网膜疾病会影响视杆感光细胞,导致视杆细胞死亡,最终造成完全失明37。多年来,人类视网膜变性的大量遗传和机制起源已在多种小鼠模型中成功重现。在此背景下,若能简便且选择性地从小鼠微小的视网膜中分离出单个视杆细胞的亚细胞区室,将极大促进我们对视网膜疾病局部生化和分子机制的理解。此外,神经视网膜的分层结构,加上视杆感光细胞独特且高度极化的排列方式,使得可通过选择性剥离来分离视杆细胞的不同区室。本文描述了两种用于免疫印迹分析的视杆感光细胞亚细胞区室分离方案。与现有的切向切片法9相比,这两种方法不仅显著更快且技术难度更低,而且与常用的利用密度梯度生化分离视杆外节(ROS)的方法相比,所需样本量也明显更小19。传统的ROS梯度纯化技术需要8至10只小鼠的视网膜才能可靠地获得足够的ROS,而本文所述方案适用于单个视网膜。
尽管所提出的技术总体上较为简单,但两种方案共同面临的主要挑战之一是将弯曲的视网膜平整地贴附于滤纸上,这是正确分离不同亚细胞组分所必...
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作者声明不存在利益冲突。
本工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助,项目编号为 EY12155、EY027193 和 EY027387,资助对象为 JC。我们感谢加州理工学院(Caltech,帕萨迪纳,美国)的 Spyridon Michalakis 博士和南加州大学(USC,洛杉矶,美国)的 Natalie Chen 对稿件的校对。我们还要感谢南加州大学(USC,洛杉矶,美国)的 Seth Ruffins 博士和 Janos Peti-Peterdi 博士,他们提供了采集作者提供视频所需的设备。材料来源:Kasey Rose 等人,《小鼠视网膜光感受器细胞区室分离用于蛋白质分析》,《分子神经退行性疾病》(Molecular Neurodegeneration),[2017] 年出版,[Springer Nature]。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 配备导管帽适配器的100 mL实验室或培养基瓶 | N/A | N/A | |
| 100% O2 气罐 | N/A | N/A | |
| 1000 mL 瓶顶过滤器,PES滤膜材料,0.22 μm | Genesee Scientific | 25-235 | |
| 4X SDS上样缓冲液 | Millipore Sigma | 70607-3 | |
| 50 mL Falcon离心管 | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| 95% O2 和5% CO2 气罐 | N/A | N/A | |
| 含L-谷氨酰胺、不含碳酸氢盐的Ames’培养基 | Sigma-Aldrich | A1420 | |
| CaCl2(99%,二水合物) | Sigma | C-3881 | |
| Drierite(无水硫酸钙,>98% CaSO4,>2% CoCl2) | WA Hammond Drierite Co LTD | 21005 | |
| Falcon Easy-Grip 培养皿(聚苯乙烯,35 × 10 mm) | Falcon-Corning | 08-757-100A | |
| Falcon Easy-Grip 组织培养皿(60 × 15 mm) | Falcon-Corning | 08-772F | |
| Feather手术刀(10号,40 mm) | VWR | 100499-578 | |
| Feather手术刀(11号,40 mm) | VWT | 100499-580 | |
| KCl(99%) | Sigma | P-4504 | |
| Kimble Kontes研磨杵 | Sigma | z359971 | |
| Labconco Fast-Freeze冻存瓶 | Labconco | N/A | |
| LN2(液氮)+ 杜瓦瓶或类似真空瓶 | N/A | N/A | |
| MgCl2 | Sigma | M-9272 | |
| Milli-Q/去离子水 | EMD Millipore | N/A | |
| Na2HPO4(粉末) | J.T. Baker | 4062-01 | |
| NaCl(晶体) | EMD Millipore | Sx0420-3 | |
| NaHCO3 | Amresco | 0865 | |
| OmniPur EDTA | EMD | 4005 | |
| OmniPur HEPES,游离酸 | EMD | 5320 | |
| Parafilm M | Sigma-Aldrich | P7793 | |
| Reynolds Wrap铝箔纸 | Reynolds Brands | N/A | |
| Scotch Magic胶带(12.7 mm × 32.9 m) | Scotch-3M | N/A | |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma-Aldrich | D67501 | |
| Spectrafuge小型离心机 | Labnet International, Inc | C1301 | |
| 组织孵育室(购买或定制) | N/A | N/A | |
| Tris-HCl | J.T.Baker | 4103-02 | |
| Triton X-100 | Signma-Aldrich | T8787 | |
| VirTis Benchtop 2K冷冻干燥机或同等设备 | SP Scientific | N/A | |
| VWR Grade 413滤纸(直径5.5 cm,孔径5 μm) | VWR | 28310-015 | |
| Whatman Grade 1定性滤纸(直径9 cm,孔径11 μm) | Whatman/GE Healthcare | 1001-090 | |
| 宽口移液管,Global Scientific | VWR | 76285-362 |
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