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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
El proteasoma de membrana neuronal (NMP) se identificó recientemente en un subconjunto de neuronas somatosensoriales como un regulador clave del tacto, el dolor y la percepción de la picazón. Este artículo presenta un flujo de trabajo sólido para analizar la expresión y función de NMP específica del tipo de célula mediante clasificación celular, perfiles de transcriptoma y análisis inmunofluorescentes basados en cultivos.
La señalización neuronal sensorial depende de los proteasomas funcionales y su localización subcelular influye en la función. Un complejo de proteasoma especializado, el proteasoma de membrana neuronal (NMP), se identificó recientemente en una subpoblación de neuronas somatosensoriales periféricas. La NMP se localiza exclusivamente en la membrana plasmática del soma y en los axones proximales y distales. La secuenciación de ARN unicelular (scRNA-seq) reveló que, en condiciones normales, el NMP se expresa predominantemente en las neuronas MrgprA3+ y Cysltr2+, que median la sensación mecánica, de picazón y dolor. La inhibición aguda y selectiva de NMP en la piel de la pata de ratones redujo la sensibilidad mecánica y al dolor sin afectar la sensación térmica. En particular, a diferencia de la inhibición global del proteasoma, la inhibición selectiva de NMP no causa neuropatía. Los estudios in vitro sugieren que el NMP facilita la comunicación de neurona a neurona, potencialmente a través de la liberación de péptidos de señalización, y es esencial para las respuestas neuronales normales a la estimulación. Estos hallazgos identifican el NMP como un regulador clave de la diafonía neuronal sensorial requerida para el tacto normal, el dolor y la sensación de picazón. Por lo tanto, el NMP representa un objetivo potencial para el manejo del dolor. Este artículo presenta métodos para aislar poblaciones neuronales que expresan y no expresan NMP mediante alimentación de anticuerpos y clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS). Estas poblaciones son adecuadas para el perfil de expresión específico del tipo de célula a través de scRNA-seq o análisis basados en cultivos de la dinámica de expresión de NMP. Juntos, estos métodos proporcionan un flujo de trabajo sólido para investigar la dinámica de expresión de NMP y su contribución a las condiciones de enfermedad relevantes para el dolor.
La función del proteasoma es esencial para el desarrollo y mantenimiento óptimos del sistema nervioso periférico (SNP)1,2,3,4,5,6. Tanto los estudios in vitro como in vivo con inhibidores del proteasoma demuestran que la actividad proteasómica es crucial para el neurodesarrollo, la mielinización, la excitabilidad y la función de las células gliales 7,8,9,10. Además, la quimioterapia basada en inhibidores del proteasoma induce neuropatías dolorosas en el 30-60% de los pacientes, a menudo caracterizadas por dolor crónico y alteración de la sensibilidad en las extremidades 8,9,11,12,13. Curiosamente, la administración de dosis bajas de estos mismos inhibidores reduce la sensibilidad a los estímulos dolorosos, lo que sugiere un papel complejo del proteasoma en el procesamiento sensorial 6,14,15. Sin embargo, a pesar de estos extensos estudios, la función específica de los proteasomas en el SNP ha permanecido poco conocida.
Los proteasomas son la principal maquinaria de degradación de proteínas en todos los dominios de la vida y son esenciales para mantener la homeostasis de las proteínas16. El proteasoma central 20S está compuesto por cuatro anillos heptáméricos de subunidades α, β, β α y media la degradación de proteínas independientes de la ubiquitina17,18. La asociación con partículas reguladoras forma el proteasoma tapado con 26S y 30S, que media la degradación de proteínas dependiente de ubiquitina 4,17. En las neuronas, se han identificado proteasomas en todos los compartimentos celulares y se sabe que su localización subcelular influye en la función19. Sin embargo, muchos inhibidores del proteasoma de uso común carecen de especificidad para dirigirse selectivamente a poblaciones de proteasomas localizadas diferencialmente.
De hecho, utilizando inhibidores del proteasoma impermeables a la membrana y etiquetado de anticuerpos en células no permeabilizadas, se encontró que un complejo de proteasoma específico de neuronas se localizaba en la membrana plasmática en un subconjunto de neuronas somatosensoriales20. El análisis scRNA-seq de las neuronas del ganglio de la raíz dorsal primaria (DRG), separadas en poblaciones NMP+ y NMP- mediante la alimentación de anticuerpos contra una subunidad de proteasoma y la clasificación FACS, dio como resultado 20 grupos celulares transcripcionalmente distintos20. Un análisis posterior reveló que las células NMP+ se agruparon en solo 3 de los 20 grupos. Utilizando conjuntos de marcadores genéticos para subtipos neuronales específicos, se identificaron 13 subtipos diferentes de neuronas somatosensoriales20. La mayoría de las neuronas NMP+ se agruparon con las neuronas sensoriales MrgprA3+ y Cysltr2+ 20. Un número mínimo de células NMP+ se agruparon en un tercer grupo, en el que no se identificaron conjuntos de genes específicos, por lo que este grupo se dejó sin asignar20. Las neuronas MrgprA3+ y Cysltr2+ son nociceptores de tipo C, sensibles al calor, estímulos mecánicos y pruritogénicos, correspondientes a los subtipos neuronales CGRP-θ y SST, respectivamente21,22. De los 20 grupos celulares identificados, 7 grupos de NMP- expresaron marcadores genéticos consistentes con células no neuronales, incluidas las células de Schwann, la glía satélite y las células inmunes, y también se dejaron sin asignar20. Estas poblaciones celulares eran esperadas, ya que no es posible separar las células no neuronales de las neuronales durante el cultivo de neuronas DRG20.
Al investigar su función, la inhibición in vitro del NMP alteró la excitabilidad neuronal a la estimulación de KCl, histamina y αβ-metilenadenosina 5'-trifosfato20. In vivo, la inhibición de NMP redujo la sensibilidad a estímulos mecánicos y dolorosos sin efectos sobre la sensación térmica20. Estos hallazgos revelan que la NMP es un regulador clave de la sensación mecánica, de dolor y picazón, y un objetivo terapéutico potencial para el manejo del dolor20. Sin embargo, los mecanismos específicos que vinculan la actividad de NMP con el desarrollo del dolor en diferentes contextos de enfermedad siguen siendo poco conocidos. Por lo tanto, se justifica una mayor investigación sobre la dinámica y la función de la expresión de NMP en afecciones asociadas con el dolor y la neuropatía.
Aquí, este artículo describe un flujo de trabajo sólido (Figura 1) para identificar y aislar poblaciones neuronales NMP+ DRG. Este enfoque permite la investigación específica del tipo de célula de la dinámica de la expresión de NMP mediante la clasificación FACS, scRNA-seq y la inmunotinción. Estos enfoques permiten un análisis de alta resolución de la expresión de NMP de una manera específica del tipo de célula, que se puede utilizar para investigar el papel de la NMP en condiciones normales y diversas asociadas al dolor.
Todos los métodos descritos con animales de experimentación fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Facultad de Medicina Stritch de la Universidad Loyola de Chicago.
1. Preparación de soluciones de digestión, medios DRG y medios FACS
2. Preparación de la suspensión de neuronas DRG unicelulares
3. Alimentación de anticuerpos para etiquetar neuronas positivas para NMP
4. Separación de neuronas NMP positivas (NMP+) y NMP negativas (NMP-) mediante clasificación FACS
5. Secuenciación de ARN unicelular de neuronas NMP+ y NMP-
6. Cultivos primarios de neuronas NMP+ y NMP- enriquecidas
7. Análisis de expresión de NMP específico del tipo de célula
La capacidad de distinguir entre el NMP y los proteasomas intracelulares se basa en enfoques de etiquetado impermeables a la membrana. La alimentación con anticuerpos permite el uso de anticuerpos específicos de subunidades de proteasoma en neuronas vivas para etiquetar proteasomas accesibles solo desde el exterior de la célula. Debido a su tamaño e hidrofilia, los anticuerpos no pueden atravesar las membranas celulares intactas24. Las neuronas vivas mantienen la integridad de la membrana, evitando que los anticuerpos entren en la célula. Usando este enfoque, es posible etiquetar de manera confiable el NMP y distinguir las neuronas que lo expresan (NMP +) de las que no lo hacen (NMP-) (Figura 2A). Las células de control que reciben solo el etiquetado secundario de anticuerpos no muestran el etiquetado de NMP (Figura 2B). Además, este método demuestra que solo una subpoblación de neuronas DRG expresa el NMP. Para separar las neuronas DRG en poblaciones NMP+ y NMP- para estudios adicionales, utilice la clasificación FACS. La clasificación celular de neuronas marcadas con NMP ha arrojado resultados consistentes. El clasificador se ajusta primero para excluir las células muertas y los desechos mediante la aplicación de estrategias de activación de dispersión hacia adelante y hacia los lados para aislar eventos consistentes con el tamaño (>10 μm de diámetro) y la granularidad de las neuronas DRG. Luego, las células se clasifican en poblaciones NMP + y NMP - según la presencia o ausencia de fluorescencia positiva 555 (Figura 3A). La clasificación FACS muestra que las neuronas NMP+ DRG comprenden aproximadamente el 4% de la población celular clasificada, mientras que ~40-60% de las células son NMP- (Figura 3B).
Inmediatamente después de la clasificación FACS de las neuronas NMP+ y NMP-, scRNA-seq se realiza en estudios posteriores para analizar la expresión génica dependiente de NMP en distintas poblaciones neuronales. Los resultados representativos de este análisis de secuenciación se reportan en Villalón Landeros et al.20. Es importante destacar que las células clasificadas siguen siendo viables para el cultivo, lo que permite examinar poblaciones enriquecidas de neuronas NMP+ y NMP- con marcadores específicos del tipo de célula (NF-H, CGRP, IB4) (Figura 4). Esto demuestra que el flujo de trabajo produce poblaciones viables y analizables para análisis moleculares y basados en cultivos.

Figura 1: Flujo de trabajo para el etiquetado, la clasificación celular y el análisis posterior de neuronas NMP+ y NMP-DRG. Descripción general de los pasos necesarios para obtener neuronas DRG, identificar y aislar células que expresan NMP, seguido de scRNA-seq en profundidad para perfiles de expresión específicos del tipo de célula o análisis basados en cultivos de la dinámica de expresión de NMP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Alimentación de anticuerpos en suspensión unicelular. (A) Imágenes de inmunofluorescencia representativas de neuronas en suspensión que muestran el etiquetado selectivo de células NMP+ (rojas) utilizando un anticuerpo contra la subunidad de proteasoma PSMA2. (B) No se observó etiquetado en el control primario de anticuerpos. La fluorescencia verde es representativa de la autofluorescencia celular normal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Clasificación celular activada por fluorescencia de neuronas NMP+ marcadas con Alexa Fluor 555. (A) El gráfico FACS (derecha) muestra la identificación de neuronas NMP+ marcadas con Alexa Fluor 555. El gráfico FACS (izquierda) no muestra detección de 555 neuronas positivas en el control no primario. (B) Cuantificación de poblaciones neuronales clasificadas que muestra que las neuronas NMP- representan ~46 % de las células clasificadas, mientras que las neuronas NMP+ representan ~4%. n = 2 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Etiquetado específico del tipo de célula en cultivos neuronales seleccionados. Tinción inmunofluorescente de cultivos neuronales en el día in vitro 4 que muestra un etiquetado representativo de los subtipos neuronales NF-H (verde), CGRP (magenta) e IB4 (amarillo). El azul representa la tinción nuclear con Hoechst. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores declaran que no tienen conflictos de intereses.
El proteasoma de membrana neuronal (NMP) se identificó recientemente en un subconjunto de neuronas somatosensoriales como un regulador clave del tacto, el dolor y la percepción de la picazón. Este artículo presenta un flujo de trabajo sólido para analizar la expresión y función de NMP específica del tipo de célula mediante clasificación celular, perfiles de transcriptoma y análisis inmunofluorescentes basados en cultivos.
EVL fue apoyado por fondos iniciales de la Facultad de Medicina Stritch de Chicago de la Universidad de Loyola. Nos gustaría agradecer a Robert Ladd por su consejo y asistencia con FACS.
| 1 M de solución tampón HEPES, pH 7,3 | Calidad Biológica | 118-089-721 | Zona de influencia FACS |
| 10x PBS | Thermo Fisher Scientific | 70011-044 | Zona de influencia FACS |
| Solución madre de paraformaldehído (PFA) al 16%; Grado EM | EMS | 15710 | solución fijadora |
| 1x solución salina tamponada con fosfato (PBS) | Fisher Scientific | 10-010-023 | Lavados FACS |
| Tubo de poliestireno de fondo redondo de 5 ml | Fisher Scientific | 14-959-6 | Tubos FACS |
| 7-aminoactinomicina D (7-AAD) | Invitrogen | A1310 | Etiquetas células muertas |
| Suplemento B27 | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | medio de cultivo |
| Albúmina sérica bovina | MilliporeSigma | A9647; CAS: 9048-46-8 | BSA/TI/DMEM |
| El cloruro de calcio dihidratado (CaCl?-2H? O) | MilliporeSigma | C7902 | Solución salina completa |
| Cadena pesada anti-neurofilamentos de pollo (NF-H) | MilliporeSigma | AB5539 | anticuerpo |
| DMEM/F12 1:1 | Thermo Fisher Scientific | 11320033 | medio de cultivo; BSA/TI/DMEM |
| IgG anticabra burro (H+L) Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Fisher Scientific | Referencia A32816 | anticuerpo |
| Burro anti-conejo IgG (H+L) Alexa Fluor Plus 488 | Thermo Fisher Scientific | Referencia A32790 | anticuerpo |
| DyLight 405 burro antipollos | Inmunoinvestigación de Jackson | 703-475-155 | anticuerpo |
| EDTA | MilliporeSigma | E5134; CAS: 6381-92-6 | Soluciones de trabajo de papaína Liberase TM/Liberase TL |
| Suero fetal bovino (FBS) | MilliporeSigma | Referencia A9647 | medio de cultivo/solución tampón/bloqueo FACS |
| Pipeta pasteur de vidrio, 9 pulgadas | Fisher Scientific | 1367820D | Valoración |
| Cabra anti-PSMA2 | Hecho en casa | NA | anticuerpo |
| HEPES en polvo | MilliporeSigma | H4034 | Solución salina completa |
| Hoechst | Thermo Fisher Scientific | H21492 | mancha nuclear |
| Suero de caballo | Thermo Fisher Scientific | 26050070 | Solución de bloqueo |
| IB4, conjugado de biotina | MilliporeSigma | L2140 | anticuerpo |
| Laminina | Sigma-Aldrich | L2020-1MG | plato de cultivo |
| L-glutamina | Thermo Fisher Scientific | 25030081 | medio de cultivo |
| Trituración de liberasa baja (TL) | MilliporeSigma | 54010200001 | Solución madre Liberase TL |
| Trituración de liberasa moderada (TM) | MilliporeSigma | 5401119001 | Solución madre Liberase TM |
| El cloruro de magnesio hexahidratado (MgCl?-6H? O) | MilliporeSigma | M2393 | Solución salina completa |
| Medios de montaje | SouthernBiotech | 0100-01 | Fluoromount-G |
| Papaína | Worthington | # de catálogo: 9001-73-4 | Solución de trabajo Liberase TL-papain |
| Penicilina/estreptomicina | MilliporeSigma | 15140122 | medio de cultivo/tampón FACS |
| Bromhidrato de poli-L-lisina (PLL) | MilliporeSigma | P4707 | plato de cultivo |
| Cloruro de potasio (KCl) | MilliporeSigma | P5405 | Solución salina completa |
| Conejo anti-CGRP | Inmunoestrella | 24112 | anticuerpo |
| cloruro de sodio (NaCl) | MilliporeSigma | S9888; CAS: 7647-14-5 | Solución salina completa |
| Sorbitol | MilliporeSigma | 56755-M | Solución salina completa |
| Conjugado de estreptavidina Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | S21374 | anticuerpo |
| Sacarosa | Sigma-Aldrich | S0389-500G | solución fijadora |
| Inhibidor de tripsina | MilliporeSigma | T9253; CAS: 9035-91-8 | BSA/TI/DMEM |