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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ici, des protocoles standardisés sont présentés pour évaluer l’induction de la réponse de choc thermique (HSR) à Caenorhabditis elegans en utilisant RT-qPCR au niveau moléculaire, les journalistes fluorescents au niveau cellulaire, et la thermorecovery au niveau de l’organisme.
La réponse de choc thermique (HSR) est une réponse de stress cellulaire induite par la mauvaise pliage de protéines cytosoliques qui fonctionne pour restaurer l’homéostasie de pliage des protéines, ou protéostasie. Caenorhabditis elegans occupe une niche unique et puissante pour la recherche HSR parce que le HSR peut être évalué aux niveaux moléculaire, cellulaire et organisme. Par conséquent, les changements au niveau moléculaire peuvent être visualisés au niveau cellulaire et leurs impacts sur la physiologie peuvent être quantités au niveau de l’organisme. Bien que les essais de mesure du RSH soient simples, les variations dans le moment, la température et la méthodologie décrites dans la littérature rendent difficile la comparaison des résultats entre les études. De plus, ces questions constitueraient un obstacle pour quiconque cherche à intégrer l’analyse du RSS dans ses recherches. Ici, une série de protocoles est présenté pour mesurer l’induction du HSR d’une manière robuste et reproductible avec RT-qPCR, les journalistes fluorescents, et un essai thermorecovery organisme. En outre, nous montrons qu’un test de thermotélérance largement utilisé ne dépend pas du régulateur principal bien établi du HSR, HSF-1, et ne devrait donc pas être utilisé pour la recherche HSR. Enfin, les variations de ces essais trouvés dans la littérature sont discutées et les meilleures pratiques sont proposées pour aider à normaliser les résultats dans tout le domaine, en fin de compte faciliter la maladie neurodégénérative, le vieillissement, et la recherche HSR.
La réponse de choc thermique (HSR) est une réponse universelle de stress cellulaire induite par l’erreur de protéine cytosolique causée par des augmentations de température et d’autres contraintes protéotoxiques. L’activation du HSR à Caenorhabditis elegans conduit à l’upregulation transcriptionnelle des gènes de choc thermique tels que hsp-70 et hsp-16.2. De nombreuses protéines de choc thermique (HSP) fonctionnent comme des chaperons moléculaires qui restaurent l’homéostasie pliable des protéines, ou protéostasie, en interagissant directement avec des protéines mal repliées ou endommagées. Le régulateur principal du HSR est le facteur de transcription Heat Shock Factor 1 (HSF-1), dont l’activation est élégamment contrôlée via plusieurs mécanismes1.
Le rôle de HSF-1 ne se limite pas au stress. HSF-1 est nécessaire pour une croissance et un développement normaux, car la suppression de hsf-1 conduit à l’arrestation larvaire2. HSF-1 est également important pendant le vieillissement et les maladies neurodégénératives liées à l’âge caractérisées par l’accumulation d’agrégats de protéines et une incapacité à maintenir la protéostase. Knockdown de hsf-1 provoque l’accumulation d’agrégats de protéines et une durée de vie raccourcie, tandis que la surexpression de hsf-1 réduit l’agrégation des protéines et prolonge la durée de vie3,4. Par conséquent, la régulation du HSF-1 au niveau moléculaire a de vastes implications pour la physiologie et la maladie de l’organisme.
C. elegans est un organisme modèle puissant pour la recherche HSR parce que le HSR peut être mesuré aux niveaux moléculaire, cellulaire et organisme4,5,6. Soulignant la puissance de ce modèle, des progrès clés dans la délimitation de la voie HSR, telles que les différences spécifiques aux tissus dans la régulation du RSH, ont été découverts dans C. elegans7,8. En outre, C. elegans est largement utilisé pour la recherche sur le vieillissement et est un système émergent pour la modélisation des maladies liées à la perturbation de la protéostase.
Bien que les expériences de choc thermique avec C. elegans puissent être rapides et reproductibles, il y a plusieurs questions à considérer avant de commencer. Par exemple, quelle température doit être utilisée pour l’induction du RSH et combien de temps les vers doivent-ils être exposés? Est-il préférable d’utiliser un incubateur sec ou un bain d’eau? Quel stade de développement doit être utilisé? Malheureusement, les méthodes utilisées pour étudier le RSH varient considérablement d’un laboratoire à l’autre, ce qui cause de la confusion lors de la sélection des meilleures méthodologies et rend difficile la comparaison des résultats sur le terrain.
Nous présentons des protocoles robustes et normalisés pour l’utilisation de RT-qPCR, de reporters fluorescents et de thermorecovery pour mesurer le HSR. Bien que ces trois approches soient complémentaires, elles présentent chacune des avantages et des inconvénients uniques. Par exemple, rt-qPCR est la mesure la plus directe et quantitative du RSH, et ce test peut être facilement étendu pour inclure de nombreux gènes différents de choc thermique inductible. Cependant, RT-qPCR est le plus cher, peut être techniquement difficile, et nécessite l’utilisation d’équipement spécialisé. En revanche, les journalistes fluorescents ont l’avantage de mesurer les différences spécifiques aux tissus dans l’induction du HSR. Cependant, ils sont difficiles à quantifier avec précision, ne peuvent mesurer l’induction au-dessus d’un certain seuil, et nécessitent l’utilisation d’un microscope à fluorescence. En outre, les souches de journaliste décrites ici sont en retard de développement par rapport à la souche standard N2. Bien que de nouvelles souches de reporter contenant des transgènes à copie unique soient disponibles, elles n’ont pas été testées ici9. Le troisième test, la thermorecovery, a l’avantage de fournir une lecture physiologiquement pertinente au niveau de l’organisme. Cependant, ce test est sans doute le moins sensible et le plus indirect. Enfin, nous discutons de quelques variations communes trouvées dans ces essais et proposons un ensemble de pratiques exemplaires pour faciliter la recherche dans ce domaine.
1. Entretien et synchronisation de C. elegans
2. Imagerie fluorescente des journalistes HSR
3. Mesure de l’expression génique HSR à l’aide de RT-qPCR
4. Essai de thermorecovery pour mesurer le HSR au niveau de l’organisme
À l’aide des protocoles décrits dans ce manuscrit, l’induction du HSR a été mesurée à l’aide de reporters fluorescents, de RT-qPCR et d’essais de thermorecovery. Dans chaque cas, la procédure de la section 1.2 a été utilisée pour générer des vers synchronisés et jeunes adultes qui n’avaient pas atteint la maturité reproductive.
Pour visualiser l’induction HSR au niveau cellulaire, les souches de reporter fluorescents AM446 (hsp-70p::gfp) et CL2070 (hsp-16.2p::gfp) ont été analysées à la suite de la section 2 du protocole. Dans les échantillons de contrôle négatifs sans choc thermique, le journaliste hsp-16.2 n’a montré que l’autofluorescence normale, mais le journaliste hsp-70 a eu la fluorescence constitutive dans le muscle dépresseur anal comme précédemment rapporté4 (Figure 1A). Après 1 h de choc thermique à 33 °C, une fluorescence robuste a été observée chez les deux reporters; toutefois, le modèle d’expression était distinct selon le journaliste utilisé (figure 1B). Le journaliste hsp-70 était le plus brillant dans l’intestin et le spermatheca, tandis que le journaliste hsp-16.2 était le plus brillant dans le pharynx. En outre, le journaliste hsp-16.2 avait un degré élevé de variabilité de ver à ver dans la quantité d’induction comme précédemment décrit, mais le journaliste hsp-70 n’a pas13.
Une variante couramment utilisée de la section 2 est d’effectuer le choc thermique dans un incubateur sec au lieu d’un bain d’eau circulant. Par conséquent, la différence entre les deux méthodes a également été testée. Il a été constaté que les deux protocoles ont entraîné l’induction robuste des deux reporters fluorescents en utilisant nos conditions, bien qu’un bain d’eau circulant soit recommandé comme pratique exemplaire (voir Discussion) (figure 1B).
Pour tester la dépendance des journalistes sur le facteur de transcription HSF-1, l’alimentation RNAi a été utilisé pour knockdown hsf-1 avant l’induction du journaliste a été mesurée. Il a été constaté que la fluorescence des deux souches a été sévèrement réduite à la suite de l’élimination du HSF-1, ce qui indique que ces reporters dépendent du HSF-1, comme le décrit la littérature4 (Figure 2). Cependant, il a également été observé que la fluorescence pharyngée persistait dans les deux reporters sur hsf-1 knockdown, ce qui est compatible avec les rapports précédents que le muscle pharyngéal est résistant à l’ARNAi en nourrissant14.
Pour quantifier l’induction de ver entier du HSR au niveau moléculaire, deux HSP endogènes ont été mesurés avec RT-qPCR utilisant la section 3 du protocole. Les échantillons ont été mesurés en triple, une courbe standard a été générée pour chacun des amorces, et une courbe de fonte a été analysée pour chaque échantillon pour le contrôle de la qualité. Il a été constaté qu’un choc thermique de 33 °C pendant 1 h a entraîné une augmentation de plus de 2 000 x del’expressionrelative pour deux gènes de choc thermique, hsp-70 et hsp-16.2 ( figure 3 ). Ces résultats montrent que les deux gènes endogènes sont adaptés à la mesure de l’induction du HSR et qu’un choc thermique de 33 °C pendant 1 h est suffisant pour générer une réponse substantielle. Toutefois, il convient de faire preuve de prudence dans l’interprétation du degré absolu d’induction de choc thermique, car les niveaux d’ARNm en l’absence de choc thermique sont très faibles.
Pour analyser une réponse physiologique au choc thermique, un test de thermorecovery organisme a été testé à l’aide de la section 4 du protocole. Il a été constaté que l’exposition des vers à un choc thermique de 6 h à 33 °C a conduit à une diminution de 20 % des vers avec un mouvement normal après une récupération de 48 h (figure 4A). La dépendance de cet essai sur le facteur de transcription HSF-1 a été testée à l’aide de l’alimentation RNAi pour renverser hsf-1 avant d’exposer les vers au stress. Il a été constaté que knockdown de hsf-1 a causé une diminution spectaculaire du mouvement normal, avec >95% des vers montrant un mouvement saccadé ou la paralysie après avoir été poussé avec un pic de fil de platine.
Nous avons comparé cet essai de thermorecovery à un essai d’organisme alternatif largement utilisé communément appelé thermotolérance. Dans le test de thermotolérance, les vers sont exposés à une température continue de 35 °C à l’aide d’un incubateur sec, et le pourcentage de vers vivants est mesuré à différents moments. À l’aide de ce test, il a été constaté que les vers témoins continuellement exposés à 35 °C sont morts après environ 8 h d’exposition (figure 4B). Cependant, quand la dépendance de cet essai sur HSF-1 a été testée utilisant l’élimination d’ARNAi, il a été constaté que l’inhibition du hsf-1 n’a pas causé une diminution de la thermotolerance. Des résultats similaires ont été précédemment montrés utilisant des mutations de HSF-1 (voir discussion). Par conséquent, l’utilisation de l’essai de thermotolerance pour mesurer le HSR n’est pas recommandée, et la thermorecovery est la méthode préférée pour examiner le HSR au niveau de l’organisme.

Figure 1 : Induction HSR mesurée avec des reporters fluorescents. (A) L’expression basale et (B) à la chaleur de hsp-70p::gfp et hsp-16.2p::gfp reporter souches après 1 h de choc thermique à 33 °C dans un bain d’eau ou un incubateur. Les vers ont été élevés sur les bactéries OP50 pendant 64 h, la chaleur a choqué, puis récupéré à 20 °C pendant 8 h avant l’imagerie. À titre de référence, les vers sans choc thermique dans (A) ont été renormalisés dans (B) pour correspondre à la gamme et la saturation des vers de chaleur-choqué. Des images représentatives de deux répliques expérimentales sont montrées. Barre d’échelle = 250 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : L’induction du RSH mesurée à l’aide de reporters fluorescents dépend du HSF-1. Les souches contenant le hsp-70p::gfp et hsp-16.2p::gfp reporters ont été soulevées sur le contrôle (vecteur vide L4440) ou hsf-1 plaques RNAi pendant 64 h, exposés à un choc thermique de 1 h à 33 °C dans un bain d’eau, puis récupéré à 20 °C pendant 8 h avant l’imagerie. Des images représentatives de deux répliques expérimentales sont montrées. Barre d’échelle = 250 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Induction HSR mesurée avec RT-qPCR. Les vers N2 ont été élevés sur les bactéries HT115 pendant 60 h, puis la chaleur a choqué pendant 1 h dans un bain d’eau de 33 °C. Les niveaux relatifs d’ARNm de hsp-70 (C12C8.1) et hsp-16.2 sont montrés normalisés à la commande sans choc thermique. Les valeurs tracées sont la moyenne de quatre répliques biologiques et les barres d’erreur représentent ± SEM. La signification statistique a été calculée à l’aide du test t d’un élève non apparié. **p < 0,01. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : La thermorecovery, mais pas la thermotolérance, dépend du HSF-1. Les vers N2 ont été soulevés sur des plaques de commande (L4440) ou hsf-1 RNAi pendant 60 h, puis déplacés vers soit : (A) Un bain d’eau de 33 °C pendant 6 h et récupérés à 20 °C pendant 48 h avant de marquer pour le mouvement normal (thermorecovery), ou (B) Un incubateur sec de 35 °C et enlevé tous les 2 h jusqu’à la mort (thermotoler). Chaque test a été fait avec n ≥ 30 individus sur 2 jours indépendants. La moyenne est indiquée. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ici, des protocoles standardisés sont présentés pour évaluer l’induction de la réponse de choc thermique (HSR) à Caenorhabditis elegans en utilisant RT-qPCR au niveau moléculaire, les journalistes fluorescents au niveau cellulaire, et la thermorecovery au niveau de l’organisme.
Ce travail a été soutenu par un don de Frank Leslie. Certaines souches ont été fournies par la CCG, qui est financée par le Bureau des programmes d’infrastructure de recherche des NIH (P40 OD010440).
| 18S-forward primer | TTGCGTCAACTGTGGTCGTG | ||
| 18S-reverse primer | CCAACAAAAAGAACCGAAGT CCTG | ||
| AM446 rmIs223[phsp70 ::gfp ; pRF4(rol-6(su1006))] | Morimoto lab | http:// groups.molbiosci.northwestern.edu/morimoto/ | |
| C12C8.1-forward primer | GTACTACGTACTCATGTGTCG GTATTT | ||
| C12C8.1-reverse primer | ACGGGCTTTTTTTTGTTTCC | ||
| CFX Connect Real-Time PCR Detection System | Bio Rad | 1855200 | |
| CL2070 dvIs70 [hsp-16.2p ::GFP + rol-6(su1006)] | Caenorhabditis Centre de Génétique (CGC) | https://cgc.umn.edu/ | |
| EasyLog Sonde de thermistance Enregistreur de données avec LCD | Lascar | EL-USB-TP-LCD | |
| Greenough Stéréo Microscope Série S9i | Leica | ||
| Hard Shell 96 Well PCR Plates | Bio Rad | HSS9601 | |
| hsp-16.2-forward primer | ACTTTACCACTATTTCCGTCC AGC | ||
| hsp-16.2-reverse primer | CCTTGAACCGCTTTTTTTTTTG | ||
| iScript cDNA Synthesis Kit | Bio Rad | 1708891 | |
| iTaq Universal Sybr Green Super Mix | Bio Rad | 1725121 | |
| Laser Scanning Confocal Microscope | Nikon | Eclipse 90i | |
| MultiGene OptiMax Thermo Cycler | Labnet | TC9610 | |
| N2 (WT) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | https://cgc.umn.edu/ | |
| Nanodrop Lite Spectrophotomètre | Thermo Scientific | ND-LITE | |
| Parafilm M Roll | Bemis | 5259-04LC | |
| Kit d’élimination d’ADN | RapidOut Thermo Scientific | K2981 | |
| Bain-marie chauffé à recirculation | Lauda Brinkmann | RE-206 | |
| Thermomètre numérique ultra-précis en platine traçable | Fisher Scientific | 15-081-103 | |
| Réactif TRIzol | Invitrogen | 15596026 | Isolement de l’ARN réactif |
| TurboMix Attachment | Scientific Industries | SI-0564 | |
| Vortex-Genie 2 | Scientific Industries | SI-0236 |