Die Studie demonstriert einen quantitativen PCR-basierten Assay für die Aktivierung des primären Zilien-vermittelten Sonic Hedgehog (SHH)-Signalwegs unter Verwendung eines SHH-Agonisten in einem zellulären Modell der Ziliogenese.
Ein Abonnement von JoVE ist erforderlich, um diesen Inhalt anzuzeigen. Melden Sie sich an oder beginnen Sie noch heute mit einer kostenlosen Testphase.
Methodenartikel
Die Studie demonstriert einen quantitativen PCR-basierten Assay für die Aktivierung des primären Zilien-vermittelten Sonic Hedgehog (SHH)-Signalwegs unter Verwendung eines SHH-Agonisten in einem zellulären Modell der Ziliogenese.
Ziliopathie bezieht sich auf eine Sammlung von multisystemischen und polygenen menschlichen Krankheiten und Störungen, die aufgrund einer Aberration der Struktur oder Funktion von beweglichen oder nicht-beweglichen (primären) Zilien entstehen, bei denen es sich um Mikrotubuli-basierte Zellvorsprünge handelt. Primäre Zilien (PC) sind in den meisten menschlichen Epithel- und Endothelgeweben vorhanden und dienen als Drehscheibe für die physiologische Signaltransduktion, einschließlich der Sonic Hedgehog (SHH)-Signalübertragung. Verschiedene Situationen erfordern eine Untersuchung der Funktion von PC, die durch die Messung des kanonischen SHH-Signalwegs erreicht werden kann, der fast ausschließlich durch PC vermittelt wird. In dieser Arbeit wird eine quantitative PCR (qPCR)-basierte Technik entwickelt, um das Transkriptionsniveau von Genen des SHH-Signalwegs in ruhenden hTERT-RPE1 (oder RPE1) Zellen zu messen, die hauptsächlich PC enthalten. Die Ruhe in RPE1-Zellen wird durch Serummangel für 48 Stunden erreicht, während die Aktivierung des SHH-Signalwegs durch einen spezifischen Agonisten gefördert wird. Dieser auf Zellkulturen basierende Assay ist einfach zu befolgen und empfindlich. Die erfolgreiche Demonstration dieses Assays an flimmernden RPE1-Zellen zeigt sein immenses Potenzial als In-vitro-Assay zur Untersuchung der korrekten Funktion von PC bei genetischer oder epigenetischer Veränderung eines oder mehrerer Gene, die mit verschiedenen Ziliopathien assoziiert sein können.
Ein Zilium ist ein auf Mikrotubuli basierender und membranummantelter Vorsprung von der Zelloberfläche, der auf einem Basalkörper1 angeordnet ist. Bei Wirbeltieren werden zwei Arten von Zilien beobachtet, nämlich bewegliche und unbewegliche. Bewegliche Zilien befinden sich in spezialisierten Geweben und verleihen Beweglichkeit. Nicht-bewegliche primäre Zilien (PC) sind in den meisten Wirbeltierzellen vorhanden und erfüllen sensorische Funktionen und leiten kritische Signale aus dem extrazellulären Milieu in das Zellinnere weiter2. Einmal zusammengebaut, wird die Ziliarelongation durch eine intraflagellare Transportmaschine (IFT) unterstützt, ein bidirektionales Transportsystem, das Fracht transportiert, die von Kinesinen (anterograde Bewegung) und Dynein-II-Motorproteinen (retrograde Bewegung) angetrieben wird3,4. Strukturelle oder funktionelle Defekte an beweglichen oder primären Zilien können zu einer Vielzahl von multisystemischen Erkrankungen des Menschen führen, die zusammen als Ziliopathien bekannt sind 5,6.
PC dient als Drehscheibe für verschiedene Entwicklungssignalprozesse, wie z. B. Wingless (Wnt), G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR), Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs), Transforming Growth Factor β (TGFβ) und Platelet-derived growth factor (PDGF) 7,8. Bei Säugetieren ist die Signalgebung des Sonic Hedgehog (SHH) von entscheidender Bedeutung, die in Zellen, die PC 9,10,11 enthalten, fast ausschließlich von PC übertragen wird. Eine abnorme Struktur oder Funktion des PC führt zu abgeschwächten Signalwegen, die mit Krankheiten wie angeborenen Herzfehlern, polyzystischen Nierenerkrankungen, kraniofazialen Anomalien, Netzhautdystrophie und einigen seltenen Krankheiten wie dem Bardet-Biedl-Syndrom (BBS), dem Joubert-Syndrom (JBTS), dem Alström-Syndrom und der Jeune-erstickenden thorakalen Dysplasie (JATD) verbunden sind12,13,14,15. Bei den meisten davon handelt es sich um polygene Erkrankungen des Epithel- oder Endothelgewebes, die eine Herausforderung bei der Früherkennung und Behandlung dieser Erkrankungen darstellen. Die Bestimmung, wie solche Mutationen zu einer abgeschwächten PC-vermittelten Signalübertragung in einem Zellkulturmodell beitragen, kann nicht nur Einblicke in die molekulare Komplexität dieses Signalwegs geben, sondern auch die Diagnose verschiedener Ziliopathien erleichtern und therapeutische Interventionen nahelegen. Mit diesem Gedanken wird ein quantitativer PCR (qPCR)-basierter Assay entwickelt, um die Veränderung des PC-vermittelten SHH-Signalwegs in humanen Telomerase-Reverse-Transkriptase (hTERT)-immortalisierten retinalen Pigmentepithelzellen (hTERT-RPE1, hier als RPE1 bezeichnet) zu bestimmen. RPE1-Zellen sind nahezu diploide, nicht transformierte menschliche Zellen, die weithin als zelluläres Modell für die Ziliogenese verwendet werden, da etwa 75%-80% dieser Zellen PC nach Serummangel (Inkubation von Zellen in serumfreiem Medium) für 24-48 Stunden assemblieren, verglichen mit nur 15%-18% Ciliatierung in einer asynchron wachsenden Kultur von RPE1-Zellen16.
Der Igel-Signalweg (HH) ist bei Wirbeltieren für die Embryonalentwicklung konserviert17. Bei Säugetieren werden drei verschiedene Arten von Hedgehog-Signalen beobachtet: Sonic (SHH), Indian (IHH) und Desert (DHH), von denen SHH und IHH überlappende Funktionen auf Gewebeebene aufweisen11. Der SHH-Signalweg spielt eine Schlüsselrolle während der Embryonalentwicklung, indem er die Musterbildung der Gliedmaßen und die Zelltypspezifikation im Nervensystem reguliert und die Homöostase des adulten Gewebes aufrechterhält 10,11,18. Obwohl die SHH-Signalgebung komplex ist, gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass die kanonische SHH-Signalgebung auf PC 7,11,19 angewiesen ist, die durch kollektive Funktionen von Gli-Transkriptionsfaktoren (Gli1, Gli2 und Gli3) vermittelt wird. Es wurde vermutet, dass sich der HH-Signalweg und PC gemeinsam entwickelt haben, wobei kritische Signalkomponenten im kompakten Volumen an der Spitze des Ziliums konzentriert sind, um effektive Reaktionen auf niedrige Ligandenverhältnisse zu ermöglichen11.
In Abwesenheit von SHH-Liganden hemmt Patched1 (Ptch1), das auf der PC-Membran lokalisiert ist, die Aktivität von Smoothened (Smo) durch einen wenig verstandenen Mechanismus, der wahrscheinlich den Lipidtransport beinhaltet, wodurch der Signalweg unterdrückt wird 7,20. Das konstitutiv aktive ziliäre GPR161, ein G-gekoppelter Proteinrezeptor und ein negativer Regulator des Systems, stellt sicher, dass die Repression aufrechterhalten wird, indem es hohe Spiegel an ziliärem zyklischem AMP (cAMP) beibehält, das die Aktivität der Proteinkinase A (PKA)21 erhöht, und indem es die ziliäre Lokalisation von PKA7 aufrechterhält. Die PKA-Aktivität phosphoryliert zusammen mit der Kaseinkinase 1 (CK1) und der Glykogensynthase-Kinase 3 β (GSK3β) mehrere Reste der Gli-Proteine Gli2 und Gli3 im PC. Gli2 und Gli3 können sowohl als Aktivatoren als auch als Repressoren der Transkription von Zielgenen wirken. Die PKA-vermittelte Phosphorylierung bewirkt eine Hemmung der Aktivatorfunktion von Gli2, während phosphoryliertes Gli3 durch Proteasen gespalten wird, um den Repressor von Gli3R22 zu produzieren. Insgesamt ist die Expression von SHH-Zielgenen unter solchen Bedingungen unterdrückt.
Wenn SHH-Ligand vorhanden ist, bindet Ptch1 an ihn, und GPR161 verlässt PC, und Smo, das von der G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR)-Kinase 2 (GPRK2) phosphoryliert wird, und CK1 wird zusammen mit β-Arrestin und dem Mikrotubuli-Motor KIF3A23 in PC transportiert. Im Zusammenspiel wird die Lokalisation von Gli2/3, Suppressor of Fused (SUFU) und Kif7 an der Ziliarspitze gefördert und ist mit einer verminderten Gli2/3-Spaltung verbunden, wodurch die Aktivatorfunktion von Gli2/3 erhöhtwird 24,25. Einmal aktiviert, induziert Gli2/3 die Expression von Gli1, das nur als Aktivator fungieren kann, und verstärkt dadurch die Reaktion des SHH-Signalwegs22. Die Bindung von SHH an Ptch1 wird durch CAM-bezogene/herunterregulierte Onkogene (CDO), Bruder von CDO (BOC), Wachstumsarrest-spezifisches 1 (GAS1) und Low-Density-Lipoproteinrezeptor-verwandtes Protein 2 (LRP2) erleichtert. Umgekehrt kann das Hedgehog-interagierende Protein (HHIP) SHH sequestrieren, indem es direkt mit ihm interagiert, und konkurriert auch mit Ptch1 durch die Interaktion mit SHH26. Wichtig ist, dass GLI1, HHIP und PTCH1 bei der Aktivierung des SHH-Signalwegs transkribiert werden, während die letzten beiden an der negativen Regulation des SHH-Signalwegs beteiligt sind.
Frühere Studien zeigten, dass die Transkriptspiegel von SHH-Zielgenen gemessen werden können, um den SHH-Signalweg zu beurteilen, obwohl er bei verschiedenen Zelltypen erheblich variieren kann27,28. Eine solche Variation in der Antwort des SHH-Signalwegs kann auf unterschiedliche Kombinationen des PC-vermittelten SHH-Signalwegs und des SHH-Signalwegs, der durch die Zellmembran vermittelt wird, zurückgeführt werden, wahrscheinlich in Abwesenheit von PC. SAG ist ein Smo-Agonist, der bei dieser Methode verwendet wird, um die Aktivierung des SHH-Signalwegs in serumarmen RPE1-Zellen nachzuahmen, die hauptsächlich ciliatisiert sind. Die Transkriptspiegel von SHH-Zielgenen wie HHIP, GLI1 und PTCH1 und einem Nicht-Zielgen SMO wurden mittels qPCR in Kontroll- und SAG-behandelten Zellen gemessen und verglichen, um die Aktivierung des SHH-Signalwegs zu bestimmen. Die erfolgreiche Demonstration dieses zellkulturbasierten sensitiven Assays zur Messung des PC-vermittelten SHH-Signalwegs deutet auf seine vielversprechende Anwendung in der biomedizinischen Forschung im Zusammenhang mit der primären Zilienfunktion hin.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
1. Zellkultur
2. Zellwachstum, Serummangel und SAG-Behandlung
3. Entnahme von Zellen
4. Präparation der Gesamt-RNA und cDNA
5. Quantitative PCR
6. Immunfärbung und Bildaufnahme mittels Fluoreszenzmikroskopie
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Aktivierung des PC-vermittelten SHH-Signaltransduktionswegs ist eine Möglichkeit, die richtige Funktion von PC7 zu verstehen. In dieser Arbeit wird die relative Expression von Zielgenen des SHH-Signalwegs mittels RT-qPCR-Assay nach SAG-vermittelter Aktivierung des SHH-Signalwegs in RPE1-Zellen gemessen, die überwiegend zilienförmig sind. Die direkten transkriptionellen Ausgänge GLI1 und PTCH1 des SHH-Signalwegs werden häufig verwendet, um die Aktivität dieses Signalwegs zu messen
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Untersuchung der Funktionalität von PC ist ein entscheidender Schritt zum Verständnis der Dynamik der Zilialität und der Krankheiten oder Störungen, die mit der Dysfunktion von PC verbunden sind. Neben der Untersuchung der Zililiation durch Immunfärbung auf ziliäre Marker oder Fluorophor-markierte ziliare Strukturkomponenten wird die Funktion von PC häufig durch die Untersuchung der Aktivierung des kanonischen SHH-Signalwegs bestimmt, indem die ziliäre Translokation von Smo in Gewebe...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.
Diese Arbeit wird durch das Ramalingaswami-Stipendium für SM durch das Department of Biotechnology (DBT) der indischen Regierung und das Forschungsstipendium des Science and Engineering Research Board (SERB) der indischen Regierung an SM (CRG/2020/004042) unterstützt. Das Stipendium von PH wird von der University Grant Commission (UGC) der indischen Regierung gesponsert. Die Autoren danken Dr. Chandrama Mukherjee und Avik Mukherjee vom RNABio Lab des Institute of Health Sciences der Presidency University herzlich für den Zugang zum qPCR-Instrument bzw. die Schulung in diesem Instrument.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| DMSO, steril gefiltert | Sigma | D2650 | |
| Esel, Anti-Maus IgG (H+L) Alexa Fluor 488 | ThermoFisher Scientific | A21202 | |
| Esel, Anti-Kaninchen IgG (H+L) Alexa Fluor 568 | ThermoFisher Scientific | A10042 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco, ThermoFisher Scientific | 41965039 | |
| Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (DPBS) von DulbeccoGibco | , ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
| fötales Rinderserum (FBS) | Himedia | RM1112 | |
| Fluoreszenzmikroskop mit 60-fachem Objektiv | Carl Zeiss; | Axio Observer colibri 5 | |
| hTERT-RPE1 Zellen | ATCC | CRL-4000 | |
| iScript cDNA Synthesekit | Bio-Rad Laboratories | 1708891 | |
| Maus, monoklonaler anti-acetylierter Tubulin-Antikörper | Milipore Sigma-Aldrich | T7451 | Endgültige Verdünnung 1:1000 |
| Penicillin-Streptomycin, 100X | Gibco, ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
| Quantitative PCR-Maschine, CFX 96 | Bio-Rad Laboratories | ||
| Kaninchen, polyklonaler Arl13B-Antikörper | ProteinTech | 17711-1-AP | Endgültige Verdünnung 1:250 |
| Kaninchen, polyklonaler Cep135-Antikörper | ProteinTech | 24428-1-AP | Endgültige Verdünnung 1:500 |
| SlowFade Gold Antifade-Antikörper | ThermoFisher Scientific | S36940 | |
| Geglättet Agonist (SAG) | Abmole | M4865 | Stammlösung: in DMSO, 5 mM |
| SsoAdvanced Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad Laboratories | 1725271 | |
| TRIzol Reagenz | Invitrogen | 15596026 | |
| TrypLE | Gibco, ThermoFisher | Scientific 12605028 |
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.