最近在部分体感神经元中发现神经元膜蛋白酶体(NMP)是触觉、痛觉和痒觉感知的关键调控因子。本文介绍了一种强大的工作流程,通过细胞分选、转录组分析以及基于培养的免疫荧光分析,用于研究特定细胞类型的NMP表达与功能。
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最近在部分体感神经元中发现神经元膜蛋白酶体(NMP)是触觉、痛觉和痒觉感知的关键调控因子。本文介绍了一种强大的工作流程,通过细胞分选、转录组分析以及基于培养的免疫荧光分析,用于研究特定细胞类型的NMP表达与功能。
感觉神经元信号传导依赖于功能正常的蛋白酶体,而蛋白酶体的亚细胞定位会影响其功能。最近在部分外周体感神经元中发现了一种特化的蛋白酶体复合物,称为神经元膜蛋白酶体(neuronal membrane proteasome, NMP)。NMP 仅定位于胞体以及近端和远端轴突的质膜上。单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)显示,在正常条件下,NMP 主要在 MrgprA3+ 和 Cysltr2+ 神经元中表达,这些神经元介导机械觉、瘙痒和疼痛感知。在小鼠足垫皮肤中急性、选择性地抑制 NMP 可降低机械觉和痛觉敏感性,但不影响温度觉。值得注意的是,与全局性蛋白酶体抑制不同,选择性抑制 NMP 不会引起神经病变。体外研究表明,NMP 可能通过释放信号肽促进神经元之间的通讯,并对神经元正常响应刺激至关重要。这些发现表明,NMP 是调控感觉神经元间串扰的关键因子,对正常的触觉、痛觉和痒觉感知必不可少。因此,NMP 是疼痛管理的潜在靶点。本文介绍了利用抗体孵育和荧光激活细胞分选(FACS)技术分离表达 NMP 与不表达 NMP 的神经元群体的方法。这些细胞群体适用于通过 scRNA-seq 进行细胞类型特异性的表达谱分析,或用于基于培养的 NMP 表达动态研究。这些方法共同构成了一个可靠的工作流程,可用于研究 NMP 表达动态及其在与疼痛相关疾病状态中的作用。
蛋白酶体功能对于周围神经系统(PNS)的最佳发育和维持至关重要1,2,3,4,5,6。利用蛋白酶体抑制剂开展的体外(in vitro)和体内(in vivo)研究表明,蛋白酶体活性对神经发育、髓鞘形成、兴奋性以及胶质细胞功能均具有关键作用7,8,9,10。此外,基于蛋白酶体抑制剂的化疗会导致30%至60%的患者出现疼痛性神经病变,通常表现为四肢的慢性疼痛和感觉异常8,9,11,12,13。有趣的是,低剂量使用这些相同的抑制剂可降低对疼痛刺激的敏感性,提示蛋白酶体在感觉信息处理中具有复杂作用6,14,15。然而,尽管已有大量相关研究,蛋白酶体在PNS中的具体功能仍不甚明确。
蛋白酶体是所有生命领域中主要的蛋白质降解机器,对于维持蛋白质稳态至关重要16。20S核心蛋白酶体由四个七聚体环组成,其亚基排列为α、β、β、α,介导泛素非依赖性的蛋白质降解17,18。当其与调节颗粒结合时,可形成26S和30S帽状蛋白酶体,介导泛素依赖性的蛋白质降解4,17。在神经元中,蛋白酶体存在于所有细胞区室中,其亚细胞定位已知会影响其功能19。然而,许多常用的蛋白酶体抑制剂缺乏特异性,无法选择性地靶向不同定位的蛋白酶体群体。
事实上,通过使用膜不通透性蛋白酶体抑制剂以及在未透化的细胞中进行抗体标记,发现在部分躯体感觉神经元中存在一种神经元特异性的蛋白酶体复合物定位于质膜上20。对原代背根神经节(DRG)神经元进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析,通过针对蛋白酶体亚基的抗体摄取及FACS分选,将细胞分为NMP+和NMP- 两个群体,结果共鉴定出20个转录上不同的细胞簇20。进一步分析显示,NMP+细胞仅聚类于这20个簇中的3个。利用特定神经元亚型的基因标记集,共鉴定出13种不同的躯体感觉神经元亚型20。大多数NMP+神经元与MrgprA3+ 和Cysltr2+感觉神经元聚类在一起20。极少数NMP+ 细胞聚类于第三个簇,该簇未发现特异性基因集合,因此未予归类20。MrgprA3+ 和Cysltr2+ 神经元属于C型伤害性感受器,分别对热、机械和致痒刺激敏感,对应于CGRP-θ和SST神经元亚型21,22。在鉴定出的20个细胞簇中,有7个NMP-簇表达与非神经元细胞一致的基因标记,包括施万细胞、卫星胶质细胞和免疫细胞,这些也被列为未归类20。这些细胞群体的存在是可预期的,因为在DRG神经元培养过程中无法将非神经元细胞与神经元细胞完全分离20。
研究其功能发现,体外抑制NMP会改变神经元对KCl、组胺和αβ-亚甲基腺苷5'-三磷酸刺激的兴奋性20。在体内,抑制NMP可降低对机械刺激和痛觉刺激的敏感性,但对温度感觉无影响20。这些结果表明,NMP是机械觉、痛觉和痒觉感知的关键调控因子,也是疼痛管理的潜在治疗靶点20。然而,NMP活性在不同疾病背景下与疼痛发生之间的具体机制仍不清楚。因此,有必要进一步研究NMP在疼痛及相关神经病变条件下的表达动态及其功能。
本文介绍了一种用于鉴定和分离 NMP+ DRG 神经元群体的可靠工作流程(图 1)。该方法结合 FACS 分选、单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)和免疫染色,可实现对 NMP 表达动态的细胞类型特异性研究。这些技术能够以高分辨率、细胞类型特异性地分析 NMP 的表达,可用于探究 NMP 在正常状态及多种与疼痛相关条件下的作用。
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所有使用实验动物的方法均经芝加哥洛约拉大学斯特里奇医学院机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准。
1. 消化液、DRG 培养基和 FACS 培养基的制备
2. 单细胞背根神经节神经元悬液的制备
3. 抗体孵育标记 NMP 阳性神经元
4. 通过FACS分选分离NMP阳性(NMP+ )和NMP阴性(NMP- )神经元
5. NMP+ 和 NMP- 神经元的单细胞 RNA 测序
6. 富集的 NMP+ 和 NMP- 神经元的原代培养
7. 细胞类型特异性 NMP 表达分析
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区分核膜蛋白酶体(NMP)与细胞内蛋白酶体的能力依赖于膜不通透性标记方法。抗体孵育法允许在活神经元上使用蛋白酶体亚基特异性抗体,仅标记细胞外可接触的蛋白酶体。由于抗体的分子大小和亲水性,其无法穿过完整的细胞膜24。活神经元保持细胞膜完整性,阻止抗体进入细胞内。利用该方法,可可靠地标记NMP,并区分表达NMP的神经元(NMP+)与不表达NMP的神经元(NMP-)(图2A)。仅接受二抗标记的对照细胞未显示NMP标记信号(图2B)。此外,该方法表明仅背根神经节(DRG)神经元的一个亚群表达NMP。为将DRG神经元分为NMP+和NMP-群体以进行后续研究,可采用流式细胞分选(FACS)。对NMP标记的神经元进行细胞分选已获得一致结果。首先通过前向散射和侧向散射设门策略调整分选仪,排除死细胞和碎片,筛选出符合DRG神经元大小(&g...
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蛋白酶体在所有细胞中均至关重要,并存在于细胞的各个区室中19。近期在中枢25,26,27和外周20神经系统神经元中发现了一种特化的蛋白酶体复合物——膜相关蛋白酶体(NMP),这一发现改变了人们对蛋白酶体功能的现有认知。先前的研究表明,NMP作为一种信号传导型蛋白酶体,介导感觉神经元之间的串扰,从而调控对机械刺激、疼痛和瘙痒感觉的敏感性20。NMP在结构上似乎与胞质中的20S蛋白酶体完全相同,提示其功能独特性可能源于其在细胞膜上的定位20。选择性地标记NMP以研究其功能、形成及再循环过程具有较大挑战性。本实验方案中描述的方法可使研究人员在活体单细胞背根神经节(DRG)神经元悬液中可靠地标记NMP,并通过流式细胞分选(FACS)分离出NMP+&#...
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作者声明不存在利益冲突。
E.V.L 获得了芝加哥洛约拉大学斯特里奇医学院启动资金的支持。我们感谢 Robert Ladd 在 FACS 实验方面的建议与协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 M HEPES 缓冲液,pH 7.3 | Quality Biological | 118-089-721 | FACS 缓冲液 |
| 10x PBS | Thermo Fisher Scientific | 70011-044 | FACS 缓冲液 |
| 16% 多聚甲醛(PFA)储备液;电镜级 | EMS | 15710 | 固定液 |
| 1x 磷酸盐缓冲液(PBS) | Fisher Scientific | 10-010-023 | FACS 洗涤液 |
| 5 mL 聚苯乙烯圆底管 | Fisher Scientific | 14-959-6 | FACS 管 |
| 7-氨基放线菌素 D(7-AAD) | Invitrogen | A1310 | 标记死细胞 |
| B27 添加剂 | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | 培养基 |
| 牛血清白蛋白 | MilliporeSigma | A9647; CAS: 9048-46-8 | BSA/TI/DMEM |
| 二水氯化钙(CaCl₂·2H₂O) | MilliporeSigma | C7902 | 完全生理盐水溶液 |
| 鸡抗神经丝重链(NF-H)抗体 | MilliporeSigma | AB5539 | 抗体 |
| DMEM/F12 1:1 | Thermo Fisher Scientific | 11320033 | 培养基;BSA/TI/DMEM |
| 驴抗山羊 IgG(H+L)Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Fisher Scientific | A32816 | 抗体 |
| 驴抗兔 IgG(H+L)Alexa Fluor Plus 488 | Thermo Fisher Scientific | A32790 | 抗体 |
| DyLight 405 驴抗鸡抗体 | Jackson ImmunoResearch | 703-475-155 | 抗体 |
| EDTA | MilliporeSigma | E5134; CAS: 6381-92-6 | Liberase TM/Liberase TL-木瓜蛋白酶工作液 |
| 胎牛血清(FBS) | MilliporeSigma | A9647 | 培养基/FACS 缓冲液/封闭液 |
| 玻璃巴斯德吸管,9 英寸 | Fisher Scientific | 1367820D | 吹打 |
| 山羊抗 PSMA2 抗体(实验室自制) | made in house | NA | 抗体 |
| HEPES 粉末 | MilliporeSigma | H4034 | 完全生理盐水溶液 |
| Hoechst 染料 | Thermo Fisher Scientific | H21492 | 细胞核染色剂 |
| 马血清 | Thermo Fisher Scientific | 26050070 | 封闭液 |
| IB4,生物素偶联物 | MilliporeSigma | L2140 | 抗体 |
| 层粘连蛋白 | Sigma-Aldrich | L2020-1MG | 培养皿 |
| L-谷氨酰胺 | Thermo Fisher Scientific | 25030081 | 培养基 |
| Liberase 低吹打型(TL) | MilliporeSigma | 54010200001 | Liberase TL 储备液 |
| Liberase 中等吹打型(TM) | MilliporeSigma | 5401119001 | Liberase TM 储备液 |
| 六水氯化镁(MgCl₂·6H₂O) | MilliporeSigma | M2393 | 完全生理盐水溶液 |
| 封片剂 | SouthernBiotech | 0100-01 | Fluoromount-G |
| 木瓜蛋白酶 | Worthington | Cat#: 9001-73-4 | Liberase TL-木瓜蛋白酶工作液 |
| 青霉素/链霉素 | MilliporeSigma | 15140122 | 培养基/FACS 缓冲液 |
| 聚-L-赖氨酸氢溴酸盐(PLL) | MilliporeSigma | P4707 | 培养皿 |
| 氯化钾(KCl) | MilliporeSigma | P5405 | 完全生理盐水溶液 |
| 兔抗 CGRP 抗体 | Immunostar | 24112 | 抗体 |
| 氯化钠(NaCl) | MilliporeSigma | S9888; CAS: 7647-14-5 | 完全生理盐水溶液 |
| 山梨醇 | MilliporeSigma | 56755-M | 完全生理盐水溶液 |
| 链霉亲和素 Alexa Fluor 647 偶联物 | Thermo Fisher Scientific | S21374 | 抗体 |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S0389-500G | 固定液 |
| 胰蛋白酶抑制剂 | MilliporeSigma | T9253; CAS: 9035-91-8 | BSA/TI/DMEM |
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