RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
Spanish
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Divulgamos un ensayo simple, eficiente en el tiempo y de alto rendimiento basado en espectroscopia de fluorescencia para la cuantificación de filamentos de actina en muestras biológicas ex vivo de tejidos cerebrales de roedores y sujetos humanos.
La actina, el componente principal del citoesqueleto, desempeña un papel crítico en el mantenimiento de la estructura y la función neuronales. Bajo estados fisiológicos, la actina se produce en equilibrio en sus dos formas: globular monomérica (G-actina) y filamentosa polimerizada (F-actina). En los terminales sinápticos, el citoesqueleto de actina forma la base para las funciones críticas pre y post-sinápticas. Además, los cambios dinámicos en el estado de polimerización de la actina (interconversión entre las formas globulares y filamentosas de actina) están estrechamente relacionados con las alteraciones relacionadas con la plasticidad en la estructura y función sináptica. Se presenta aquí una metodología basada en fluorescencia modificada para evaluar el estado de polimerización de la actina en condiciones ex vivo. El ensayo emplea faloidina marcada fluorescentemente, una fallotoxina que se une específicamente a los filamentos de actina (F-actina), proporcionando una medida directa de actina filamentosa polimerizada. Como prueba de principio, proporcionamos pruebas de la idoneidad del ensayo tanto en roedores como en homogeneados de tejido cerebral humano post mortem. Usando la latrunculina A (una droga que despolimeriza los filamentos de la actina), confirmamos la utilidad del análisis en alteraciones de la supervisión en niveles de la F-actina. Además, extendemos el ensayo a fracciones bioquímicas de terminales sinápticos aislados en los que confirmamos un aumento de la polimerización de actina tras la estimulación por despolarización con altoK+extracelular.
La actina de la proteína citoesquelérea está implicada en funciones celulares múltiples, incluyendo la ayuda estructural, el transporte celular, la movilidad y la división celulares. La actina se produce en equilibrio en dos formas: actina globular monomérica (G-actina) y actina filamentosa polimerizada (F-actina). Los cambios rápidos en el estado de polimerización de la actina (interconversión entre sus formas G y F) dan lugar a un rápido montaje y desmontaje de filamentos y subyacen a sus funciones reguladoras en la fisiología celular. La actina forma el componente principal de la estructura citoesquelética neuronal e influye en una amplia gama de funciones neuronales1,2. Cabe destacar que el citoesqueleto de actina forma parte integral de la plataforma estructural de los terminales sinápticos. Como tal, es un determinante importante de la morfogénesis sináptica y la fisiología y juega un papel fundamental en el control del tamaño, número y morfología de las sinapsis3,4,5. En particular, la polimerización-despolimerización dinámica de actina es un determinante clave de la remodelación sináptica asociada con la plasticidad sináptica subyacente a los procesos de memoria y aprendizaje. De hecho, tanto las funciones presinápticas (como la liberación de neurotransmisores6,7,8,9,10)como las funciones postsinápticas (remodelación dinámica relacionada con la plasticidad11,12,13,14)dependen críticamente de los cambios dinámicos en el estado de polimerización del citoesqueleto de actina.
En condiciones fisiológicas, los niveles de F-actina se regulan de forma dinámica y rigurosa a través de una vía multimodal que implica la modificación postraduccional4,15,16, así como proteínas de unión a actina (ABP)4,17. Los ABP pueden influir en la dinámica de la actina a múltiples niveles (como iniciar o inhibir la polimerización, inducir la ramificación de filamentos, cortar los filamentos a piezas más pequeñas, promover la despolimerización y proteger contra la despolimerización), y a su vez están bajo un estricto control modulador sensible a diversas señales extra e intracelulares18,19,20. Tales controles regulatorios en múltiples niveles dictan una regulación estricta de la dinámica de la actina en el citoesqueleto sináptico, afinando los aspectos pre y postsinápticos de la fisiología neuronal tanto en los estados basales como inducidos por la actividad.
Dados los importantes papeles de la actina en la fisiología neuronal, no es sorprendente que varios estudios hayan proporcionado evidencia de alteraciones en la dinámica de la actina como eventos patógenos críticos relacionados con una amplia gama de trastornos neurológicos, incluyendo neurodegeneración, enfermedades psicológicas, así como dolencias del neurodesarrollo3,21,22,23, 24,25,26,27. A pesar de la riqueza de datos de investigación que apuntan a los papeles clave de la actina en la fisiología neuronal y la fisiopatología, sin embargo, todavía quedan lagunas significativas en la comprensión de la dinámica de la actina, particularmente en el citoesqueleto sináptico. Se necesitan más estudios de investigación para tener una mejor comprensión de la actina neuronal y sus alteraciones en condiciones patológicas. Una de las principales áreas de interés en este contexto es la evaluación del estado de polimerización de la actina. Hay kits comerciales a base de western blotting (kit bioquímico de ensayo G-Actin/F-Actin in vivo; Citoesqueleto SKU BK03728,29)y ensayos caseros para la evaluación de los niveles de F-actina6. Sin embargo, debido a que estos requieren el aislamiento bioquímico de la F-actina y la G-actina y porque su cuantificación posterior se basa en protocolos de immunoblotting, pueden ser lentos. En este documento se presenta un ensayo basado en espectroscopia de fluorescencia adaptado de un estudio previo30 con modificaciones que pueden ser utilizados para evaluar tanto los niveles basales de F-actina, así como los cambios dinámicos en su montaje-desmontaje. En particular, hemos modificado eficientemente el protocolo original que requiere muestras adecuadas para una cubeta de 1 mL al formato actual de placa de 96 pozos. Por lo tanto, el protocolo modificado ha reducido significativamente la cantidad de tejido/muestra necesaria para el ensayo. Además, proporcionamos evidencia de que el protocolo es adecuado no solo para homogeneados de tejido cerebral, sino también para fracciones subcelulares como terminales sinápticos aislados (sinaptosomas y sinaptoneurosomas). Por último, el ensayo se puede emplear para tejidos cerebrales de roedores recién disecados y muestras de cerebro humano post mortem almacenadas a largo plazo. Cabe destacar que, si bien el ensayo se presenta en un contexto neuronal, puede extenderse adecuadamente a otros tipos de células y procesos fisiológicos asociados con ellos.
Todos los procedimientos experimentales se llevaron a cabo de conformidad con las normas del Comité de Ética en el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de la Universidad de Otago (Protocolo de Ética No. AUP95/18 y AUP80/17) y legislatura de Nueva Zelanda. Los tejidos cerebrales humanos se obtuvieron del Banco de Tejidos Neurológicos del Biobanco del Hospital Clínic-IDIBAPS de Barcelona, España. Todos los protocolos de recolección de tejidos fueron aprobados por el Comité de Ética del Hospital Clínic de Barcelona y se obtuvo el consentimiento informado de las familias.
1. Preparación de tampones y reactivos
2. Homogeneización del tejido cerebral
3. Preparación de terminales nerviosas aisladas
4. Despolarización mediada por KCl de terminales sinápticos aislados
5. Fijación y tinción de faloidina de muestras
6. Análisis fluorométrico y dispersión de luz
7. Análisis de datos
Linealidad del ensayo para la evaluación de los niveles de F-actina
En primer lugar, se comprobó una curva estándar para el aumento lineal de la fluorescencia de Alexa Fluor 647 Phalloidin, que se repitió para cada conjunto de experimentos (Figura 1). Para investigar el rango lineal del ensayo, se procesaron diferentes cantidades de homogenados cerebrales de roedores(Figuras 2A y 2B)y sujetos humanos post mortem(Figuras 3A y 3B). Se encontró que el ensayo era lineal en el rango de 50-200 μg de proteína según lo evaluado por las cantidades de faloidina etiquetada retenidas. Se utilizó la dispersión de luz a 540 nm para confirmar las diferentes cantidades de muestras (Figura 2C y Figura 3C).
La latrunculina, un agente despolimerizante de actina reduce la unión de la faloidina etiquetada
La latrunculina A es conocida por despolimerizar los filamentos de actina y reducir los niveles de F-actina36,37,38,39. Los homogenados de roedores o tejidos cerebrales humanos se incubaron con latrunculina A de 2 μM durante 1 hora a 37 °C para despolimerizar los filamentos de actina. Los respectivos conjuntos de control no tratados se incubaron con DMSO durante la misma duración de 1 hora a 37 °C. El ensayo midió robustamente la pérdida de los niveles de F-actina de 95,7 ± 6,6 (media ± SEM) en muestras de control a 72,0 ± 3,2 (media ± SEM) μU de faloidina unida en muestras tratadas con latrunculina A en homogenados cerebrales de roedores(Figura 4A). También se observó una disminución similar (de 83,7 ± 3,9 a 66,9 ± 4,2 μU) en la retención de faloidina etiquetada cuando los homogeneados de los tejidos cerebrales humanos fueron sometidos al tratamiento con latrunculina A(Figura 4B). Cabe destacar que los niveles totales de actina, según lo evaluado por inmunoblotting, no se alteraron tras el tratamiento con latrunculina A tanto en ratas(Figura Suplementaria 1A-B)como en humanos(Figura Suplementaria 1C-D)homogeneados cerebrales.
La despolarización de terminales sinápticos aisladosestimula la polimerización de actina y la formación de filamentos
La despolarización ex vivo de terminales sinápticos aislados se ha mostrado para dar lugar al estímulo rápido de la polimerización6,30,40,y este fenómeno fue utilizado como otra confirmación del análisis divulgado adjunto. Las fracciones bioquímicas enriquecidas en terminales sinápticos fueron preparadas de dos diversas maneras; un método de ultracentrifugación basado en gradiente para obtener "sinaptosomas"41,42,43,44 y un protocolo secuencial basado en filtración para obtener "sinaptoneurosomas"43,45,46. Debido a que el rendimiento de este último es mayor, lo utilizamos para los tejidos cerebrales post mortem humanos en los que las cantidades de tejido a menudo son limitantes. Por otro lado, preferimos utilizar sinaptosomas con un mayor grado de enriquecimiento de fragmentos sinápticos41 para nuestros experimentos de tejido cerebral de rata.
La despolarización de synaptosomes o synaptoneurosomes y el estímulo de la polimerización de la actinia fueron alcanzados por una explosión corta (30 segundos) del aumento en K extracelular+ a 50 milímetros. La exposición al KCl dio lugar a un aumento de la unión a faloidina en casi un 40% en los sinaptosomas cerebrales de roedores en comparación con los respectivos controles simulados estimulados(Figura 5A;véase también la Figura suplementaria 2A). Un menor (alrededor del 20%) pero también se observó un aumento constante en los sinaptoneurosomas humanos tratados con KCl(Figura 5B;véase también la Figura Suplementaria 2A). Estos experimentos validan la robustez de nuestro ensayo en la determinación de alteraciones en los niveles de F-actina en muestras de tejido cerebral, incluyendo terminales sinápticos aislados.

Figura 1. Curva estándar para fluorescencia de Alexa Fluor 647 Phalloidin. La linealidad de la emisión de fluorescencia de diferentes cantidades (25-500 μU) de faloidina etiquetada fue confirmada por espectroscopia de fluorescencia a una excitación de 645 nm y emisión de 670 nm(R2 = 0,9942). Los datos se representan como media ± SEM (n=3). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 2. Linearidad del phalloidin que atasca a los homogenados de la entero-célula del tejido cerebral de la rata. (A)Se evaluó la unión de faloidina a diferentes cantidades de homogenados (proteína de 50-300 μg). (B)La unión fue lineal en el rango de 50-200 μg de proteína(R2 = 0,9602). (C)Se utilizó la dispersión a 540 nm para confirmar diferentes cantidades de las muestras(R2 = 0,8319). Los datos se representan como media ± SEM (n=4). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 3. Phalloidin que atasca a los homogenados de la entero-célula del tejido cerebral humano post mortem. (A)Se evaluó la retención de faloidina en un rango de cantidades de homogenados (proteína de 50-300 μg). (B)Se encontró que la unión a faloidina era lineal en el rango de 50-200 μg de proteína(R2 = 0,8832). (C) La dispersión a 540 nm confirmó las cantidades variables de las muestras (R2 = 0,9730). Los datos se representan como media ± SEM (n=4). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 4. Efectos de la latrunculina A sobre los niveles de F-actina. El tratamiento de los homogenados cerebrales con el agente despolimerizante de actina Latrunculina A (2 μM, 1 h a 37°C) dio lugar a una disminución significativa de las cantidades de filamentos de actina en comparación con las respectivas muestras de control tratadas con simulación, evaluadas por la retención de faloidina etiquetada tanto en roedores (p = 0,0034; prueba tde Student de dos colas emparejada)(A)como en tejidos humanos post mortem (p = 0,0011; prueba tde Student de dos colas emparejada)(B). Los datos se representan como media ± SEM (n=6 pares). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 5. Efectos de la despolarización KCl-mediada sobre cantidades de la F-actina en terminales sinápticos aislados. (A)La incubación de sinaptosomas del cerebro de rata con 50 mM de KCl durante 30 s a 37 °C estimuló la polimerización de actina que, en consecuencia, dio lugar a un aumento en la unión a faloidina (p = 0,0014; prueba tde Student de dos colas emparejada). (B)También se observó un aumento menor en la fracción sinaptoneurosómica de los tejidos cerebrales humanos post mortem (p = 0,014; prueba tde Student de dos colas emparejada). Los datos se representan como media ± SEM (n=6 pares). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura suplementaria 1. Efectos de la latrunculina A sobre los niveles totales de actina. Los homogenados cerebrales se incubaron con latrunculina A (2 μM, 1 h a 37°C) o volumen igual de DMSO (1 h a 37°C). Se recogieron 10 μg de proteína por muestra (controles tratados con latrunculina A y dmso simulados tratados) antes de la fijación. Los niveles totales de la actina fueron evaluados immunoblotting. Las manchas rubias representativas se muestran para los homogenados cerebrales de rata(A)y humanos(C). La latrunculina A no alteró los niveles totales de la actinia en rata(B;p = 0,40; t-prueba de estudiante de dos colas apareada) y humano(D;p = 0,42; homogenados apareados del cerebro de tde Student de dos colas). Los datos se representan como media ± SEM (n=3 pares). Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 2. Efectos de la despolarización KCl-mediada sobre niveles de la F-actina en synaptosomes de la rata y synaptoneurosomes humanos. (A)La incubación de sinaptosomas del cerebro de rata con 50 mM de KCl (30 s a 37 °C) estimuló la polimerización de actina y un consiguiente aumento en la unión a faloidina (p = 0,0019; prueba tde Student de dos colas emparejada). (B)El aumento en la retención del phalloidin también fue observado en la fracción synaptoneurosomal humana despolarizada por KCl comparado a los controles sin estimular respectivos (p = 0,015; apareadode dos colas t de Student - prueba). Los datos se representan como media ± SEM (n=6 pares). Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.
Los autores no tienen nada que revelar.
Divulgamos un ensayo simple, eficiente en el tiempo y de alto rendimiento basado en espectroscopia de fluorescencia para la cuantificación de filamentos de actina en muestras biológicas ex vivo de tejidos cerebrales de roedores y sujetos humanos.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Neurológica de Nueva Zelanda (1835-PG), el Consejo de Investigación de Salud de Nueva Zelanda (#16-597) y el Departamento de Anatomía de la Universidad de Otago, Nueva Zelanda. Estamos en deuda con el Banco de Tejidos Neurológicos del Biobanco HCB-IDIBAPS (España) para tejidos cerebrales humanos. Agradecemos a Jiaxian Zhang por su ayuda en la grabación y edición del video.
| Tubo de policarbonato de pared gruesa abierto de 3,5 ml | Beckman Coulter | 349622 | para centrifugación en gradiente (preparación de sinaptosomas) |
| Alexa Fluor 647 Phalloidin | Thermo Fisher Scientific | A22287 | Antígeno específico de F-actina |
| Anticuerpo contra b-actina | Santa Cruz Biotechnology | Sc-47778 | Para la evaluación de los niveles totales de actina por inmunotransferencia |
| Anticuerpo contra GAPDH | Abcam | Ab181602 | Para la evaluación de los niveles de GAPDH por inmunotransferencia |
| Bio-Rad Ensayo de proteínas Concentrado de reactivo de colorante Bio-Rad | 5000006 | Estimación de proteínas basada en Bradford | |
| Cloruro de calcio dihidratado (CaCl2· 2H2O) | Sigma-Aldrich | C3306 | Componente tampón Krebs |
| cOmplete, Mini, sin EDTA Cóctel de inhibidores de proteasa | Sigma-Aldrich 4693159001 | Para la inhibición de la actividad endógena de la proteasa durante la preparación de muestras | |
| Corning de 96 pocillos Poliestireno transparente de fondo plano | Corning | 3596 | Para mediciones de dispersión de luz |
| D-(+)-Glucosa | Sigma-Aldrich | G8270 | Componente tampón Krebs |
| Dimetilsulfóxido | Sigma-Aldrich | D5879 | Disolvente para faloidina y latrunculina A |
| Escáner plano fluorescente (Odyssey Infrared Scanner) | Li-Cor Biosciences | Para la detección de señales inmunorreactivas | en inmunoblots |
| Solución de glutaraldehído (25% en agua) Grado II | Sigma-Aldrich | G6257 | Fijador |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | Ingrediente tampón para la preparación de muestras y componente tampón Krebs |
| Latrindulina A | Sigma-Aldrich | L5163 | Despolimerizador de filamentos de actina |
| Cloruro de magnesio hexahidratado (MgCl2· 6H2O) | Sigma-Aldrich | M2670 | Krebs componente tampón |
| Microplacas Filtro de | |||
| membrana Mitex 5 mm | Millipore | LSWP01300 | Preparación de sinaptoneurosomas |
| Nunc F96 MicroWell Placa | Negra Thermo Fisher Scientific | 237105 | Para mediciones fluorométricas |
| Filtro de red de nylon 100 mm | Millipore | NY1H02500 | Preparación de sinaptoneurosomas Cóctel de |
| inhibidores de fosfatasa IV | Abcam | ab201115 | Para la inhibición de la actividad endógena de la fosfatasa durante la preparación de muestras |
| Cloruro de potasio (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | Krebs componente tampón y para la despolarización de terminales sinápticas |
| Fosfato de potasio monobásico ((KH2PO4 ) | Sigma-Aldrich | P9791 | Componente tampón Krebs |
| Borohidruro de sodio (NaBH4) | Sigma-Aldrich | 71320 | Componente del tampón de permeabilización |
| Cloruro de sodio (NaCl) | LabServ (Thermo Fisher Scientific)BSPSL944 | Componente tampón Krebs | |
| Hidrogenocarbonato de sodio (NaHCO3) | LabServ (Thermo Fisher Scientific) | BSPSL900 | Componente tampón Krebs |
| SpectraMax i3x | Dispositivos | moleculares | Para mediciones fluorométricas |
| Sacarosa | Fisher Chemical | S/8600/60 | Ingrediente tampón para la preparación de muestras |
| Swimnex Portafiltros | Millipore | Sx0001300 | Preparación de sinaptoneurosomas |
| Molinillo de tejidos 5 mL Potter-Elvehjem | Duran Wheaton Kimble | 358034 | Para la homogeneización de tejidos |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Componente de tampón de permeabilización |
| Trizma base | Sigma-Aldrich | T6066 | Ingrediente tampón para la preparación de muestras |