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
it_IT
Menu
Menu
Menu
Menu
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Qui, vengono presentati protocolli standardizzati per valutare l'induzione della risposta agli shock termici (HSR) in Caenorhabditis elegans utilizzando RT-qPCR a livello molecolare, reporter fluorescenti a livello cellulare e termorecupero a livello di organismo.
La risposta allo shock termico (HSR) è una risposta allo stress cellulare indotta da misfolding di proteine citosoliche che funziona per ripristinare l'omeostasi pieghevole delle proteine, o proteostasi. Caenorhabditis elegans occupa una nicchia unica e potente per la ricerca HSR perché l'HSR può essere valutato a livello molecolare, cellulare e dell'organismo. Pertanto, i cambiamenti a livello molecolare possono essere visualizzati a livello cellulare e il loro impatto sulla fisiologia può essere quantificato a livello dell'organismo. Mentre i test per misurare l'HSR sono semplici, le variazioni nella tempistica, nella temperatura e nella metodologia descritte nella letteratura rendono difficile confrontare i risultati tra gli studi. Inoltre, questi problemi fungono da barriera per chiunque cerchi di incorporare l'analisi HSR nella loro ricerca. Qui, viene presentata una serie di protocolli per misurare l'induzione dell'HSR in modo robusto e riproducibile con RT-qPCR, giornalisti fluorescenti e un test di termorecupero a effetto organismo. Inoltre, mostriamo che un saggio di termotolleranza ampiamente usato non dipende dal regolatore principale ben consolidato dell'HSR, HSF-1, e quindi non deve essere utilizzato per la ricerca HSR. Infine, vengono discusse le variazioni di questi saggi presenti nella letteratura e vengono proposte le migliori pratiche per aiutare a standardizzare i risultati in tutto il settore, facilitando in ultima analisi la ricerca sulle malattie neurodegenerative, sull'invecchiamento e sull'HSR.
La risposta di shock termico (HSR) è una risposta universale allo stress cellulare indotta da un misfolding delle proteine citosoliche causato da aumenti di temperatura e altri stress proteotossici. L'attivazione dell'HSR in Caenorhabditis elegans porta alla regolazione trascrizionale dei geni shock termici come hsp-70 e hsp-16.2. Molte proteine da shock termico (HSP) funzionano come chaperones molecolari che ripristinano l'omeostasi pieghevole delle proteine, o proteostasi, interagendo direttamente con proteine piegate in modo non corretto o danneggiate. Il regolatore principale dell'HSR è il fattore di trascrizione Heat Shock Factor 1 (HSF-1), la cui attivazione è elegantemente controllata tramite più meccanismi1.
Il ruolo di HSF-1 non è limitato allo stress. HSF-1 è necessario per la crescita normale e lo sviluppo, come la delezione di hsf-1 porta all'arresto larvale2. HSF-1 è importante anche durante l'invecchiamento e le malattie neurodegenerative legate all'età caratterizzate dall'accumulo di aggregati proteici e dall'incapacità di mantenere la proteostasi. La caduta di hsf-1 causa l'accumulo di aggregati proteici e una durata ridotta, mentre la sovraespressione di hsf-1 riduce l'aggregazione delle proteine e prolunga la durata della vita3,4. Pertanto, la regolazione dell'HSF-1 a livello molecolare ha ampie implicazioni per la fisiologia e la malattia dell'organismo.
C. elegans è un potente organismo modello per la ricerca HSR perché l'HSR può essere misurato ai livelli molecolari, cellulari e dell'organismo4,5,6. Evidenziando la potenza di questo modello, sono stati scoperti i progressi chiave nel delineare il percorso HSR, come le differenze specifiche dei tessuti nella regolazione HSR, in C. elegans7,8. Inoltre, C. elegans è ampiamente utilizzato per la ricerca sull'invecchiamento ed è un sistema emergente per la modellazione di malattie legate all'interruzione della proteostasi.
Anche se gli esperimenti di shock termico con C. elegans possono essere rapidi e riproducibili, ci sono diverse domande da considerare prima di iniziare. Ad esempio, quale temperatura deve essere utilizzata per l'induzione dell'HSR e per quanto tempo devono essere esposti i vermi? È meglio usare un'incubatrice asciutta o un bagno d'acqua? Quale fase di sviluppo deve essere utilizzata? Sfortunatamente, le metodologie utilizzate per studiare l'HSR variano ampiamente da laboratorio a laboratorio, causando confusione nella scelta delle migliori metodologie e rendendo difficile confrontare i risultati in tutto il campo.
Vi presentiamo protocolli robusti e standardizzati per l'utilizzo di RT-qPCR, giornalisti fluorescenti e termorecovery per misurare l'HSR. Sebbene questi tre approcci siano complementari, ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi unici. Ad esempio, RT-qPCR è la misurazione più diretta e quantitativa dell'HSR, e questo test può essere facilmente ampliato per includere molti diversi geni inducibili da shock termico. Tuttavia, RT-qPCR è il più costoso, può essere tecnicamente difficile e richiede l'uso di attrezzature specializzate. Al contrario, i reporter fluorescenti hanno il vantaggio di misurare le differenze specifiche dei tessuti nell'induzione dell'HSR. Tuttavia, sono difficili da quantificare con precisione, possono misurare solo l'induzione al di sopra di una certa soglia e richiedono l'uso di un microscopio a fluorescenza. Inoltre, i ceppi di reporter qui descritti sono in ritardo dello sviluppo rispetto al ceppo N2 standard. Anche se sono disponibili ceppi di reporter più recenti contenenti transgeni a copia singola, non sono stati testati qui9. Il terzo saggio, thermorecovery, ha il vantaggio di fornire una lettura fisiologicamente rilevante a livello di organismo. Tuttavia, questo saggio è probabilmente il meno sensibile e più indiretto. Infine, discutiamo di alcune variazioni comuni trovate in questi saggi e proponiamo una serie di migliori pratiche per facilitare la ricerca in questo campo.
1. Manutenzione e sincronizzazione di C. elegans
2. Imaging fluorescente dei giornalisti HSR
3. Misurazione dell'espressione genica HSR con RT-qPCR
4. Valutazione termorecovery per misurare l'HSR a livello di organismo
Utilizzando i protocolli descritti in questo manoscritto, l'induzione hSR è stata misurata utilizzando reporter fluorescenti, RT-qPCR e saggi termorecovery. In ogni caso, la procedura nella sezione 1.2 è stata utilizzata per generare vermi di giovani adulti sincronizzati che non avevano raggiunto la maturità riproduttiva.
Per visualizzare l'induzione HSR a livello cellulare, sono stati analizzati i ceppi di reporter fluorescenti AM446 (hsp-70p::gfp) e CL2070 (hsp-16.2p::gfp) dopo la sezione 2 del protocollo. Nei campioni di controllo negativi senza shock termico, il reporter hsp-16.2 mostrava solo la normale autofluorescenza, ma il reporter hsp-70 aveva fluorescenza coniugale nel muscolo depressore anale come precedentemente riportato4 (Figura 1A). Dopo 1 h di scossa di calore a 33 gradi centigradi, è stata osservata una forte fluorescenza in entrambi i reporter; tuttavia, il modello di espressione era distinto a seconda di quale reporter è stato utilizzato (Figura 1B). Il reporter hsp-70 era più luminoso nell'intestino e nella spermatheca, mentre il reporter hsp-16.2 era più luminoso nella pharynx. Inoltre, il reporter hsp-16.2 aveva un alto grado di variabilità worm-to-worm nella quantità di induzione come descritto in precedenza, ma il reporter hsp-70 non ha13.
Una variante comunemente utilizzata della sezione 2 è quella di eseguire lo shock termico in un'incubatrice secca invece di un bagno d'acqua circolante. Pertanto, è stata anche testata la differenza tra le due metodologie. Si è scoperto che entrambi i protocolli hanno portato a una robusta induzione dei due reporter fluorescenti utilizzando le nostre condizioni, anche se un bagno d'acqua circolante è raccomandato come best practice (vedi Discussione) (Figura 1B).
Per testare la dipendenza dei reporter dal fattore di trascrizione HSF-1, l'RNAi di alimentazione è stato utilizzato per abbattere hsf-1 prima che l'induzione del reporter fosse misurata. Si è constatato che la fluorescenza di entrambi i ceppi è stata gravemente ridotta al momento del knockdown HSF-1, indicando che questi giornalisti sono dipendenti dall'HSF-1 come descritto nella letteratura4 (Figura 2). Tuttavia, è stato anche osservato che la fluorescenza faringea leale persisteva in entrambi i giornalisti al knockdown di hsf-1, il che è coerente con i rapporti precedenti che il muscolo fantasmangeale è resistente all'RNAi alimentando14.
Per quantificare l'induzione dell'HSR a livello molecolare, due HSP endogeni sono stati misurati con RT-qPCR utilizzando la sezione 3 del protocollo. I campioni sono stati misurati in triplice copia, è stata generata una curva standard per ciascuno dei primer ed è stata analizzata una curva di fusione per ogni campione per il controllo di qualità. Si è scoperto che uno shock termico di 33 gradi centigradi per 1 h ha provocato un aumento di oltre 2.000 volte nell'espressione relativa per due geni dello shock termico, hsp-70 e hsp-16.2 (Figura 3). Questi risultati mostrano che entrambi i geni endogeni sono adatti per misurare l'induzione di HSR e che uno shock termico di 33 gradi centigradi per 1 h è sufficiente a generare una risposta sostanziale. Tuttavia, è necessario prestare attenzione nell'interpretare il grado assoluto di induzione degli urti di calore, perché i livelli di mRNA in assenza di shock termico sono molto bassi.
Per analizzare una risposta fisiologica allo shock termico, è stato testato un test del termorecupero dell'organismo utilizzando la sezione 4 del protocollo. Si è scoperto che l'esposizione dei vermi a uno shock termico di 6 h a 33 gradi centigradi ha portato a una diminuzione del 20% dei vermi con movimento normale dopo un recupero di 48 h (Figura 4A). La dipendenza di questo test dal fattore di trascrizione HSF-1 è stata testata usando l'alimentazione di RNAi per abbattere hsf-1 prima di esporre i vermi allo stress. Si è scoperto che l'abbattimento di hsf-1 ha causato una drastica diminuzione del movimento normale, con >95% dei vermi che mostrano movimento a scatti o paralisi dopo essere stati spinti con un plettro di filo di platino.
Abbiamo confrontato questo saggio di termorecupero con un saggio organismo alternativo ampiamente usato comunemente indicato come termotolleranza. Nel saggio di termotolleranza, i vermi sono esposti a una temperatura continua di 35 gradi centigradi utilizzando un'incubatrice secca, e la percentuale di vermi vivi viene misurata in vari momenti. Utilizzando questo saggio, si è constatato che i vermi di controllo continuamente esposti a 35 gradi centigradi sono morti dopo circa 8 h di esposizione (Figura 4B). Tuttavia, quando la dipendenza di questo saggio su HSF-1 è stata testata utilizzando IL knockdown DI RNAi, si è scoperto che l'inibizione dell'hsf-1 non causava una diminuzione della termotolleranza. Risultati simili sono stati precedentemente mostrati utilizzando mutazioni HSF-1 (vedi Discussione). Pertanto, l'uso del saggio di termotolleranza per misurare l'HSR non è raccomandato, e il termorecupero è il metodo preferito per esaminare l'HSR a livello di organismo.

Figura 1: induzione HSR misurata con reporter fluorescenti. (A) L'espressione basale e(B)inducibile dal calore di hsp-70p::gfp e hsp-16.2p::gfp reporter ceppi dopo 1 h di shock termico a 33 gradi centigradi in un bagno d'acqua o incubatrice. I vermi sono stati allevati sui batteri OP50 per 64 h, riscaldati dal calore, e poi recuperati a 20 gradi centigradi per 8 h prima dell'imaging. Per riferimento, i vermi non di shock termico in (A) sono stati rinormalizzati in (B) in modo che corrispondano alla gamma e alla saturazione dei vermi riscaldati. Vengono mostrate immagini rappresentative di due repliche sperimentali. Barra di scala 250 m. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: l'induzione dell'HSR misurata con i reporter fluorescenti dipende dall'HSF-1. Le cinghie contenenti i reporter hsp-70p::gfp e hsp-16.2p::gfp sono stati sollevati a controllo (l4440 vettore vuoto) o piastre rnsf-1 RNAi per 64 h, esposte a uno shock termico di 1 h a 33 gradi centigradi in un bagno d'acqua, e poi recuperate a 20 gradi centigradi per 8 h prima dell'imaging. Vengono mostrate immagini rappresentative di due repliche sperimentali. Barra di scala 250 m. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: induzione HSR misurata con RT-qPCR. I vermi N2 sono stati allevati sui batteri HT115 per 60 h e poi il calore ha scioccato per 1 h in un bagno d'acqua a 33 gradi centigradi. I livelli relativi di mRNA di hsp-70 (C12C8.1) e hsp-16.2 sono mostrati normalizzati al controllo senza shock termico. I valori tracciati sono la media di quattro repliche biologiche e le barre di errore rappresentano : SEM. La rilevanza statistica è stata calcolata utilizzando un test t di Student non accoppiato. < 0,01. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: La termorecovery, ma non la termotolleranza, dipende dall'HSF-1. I vermi N2 sono stati allevati sulle piastre di controllo (L4440) o hsf-1 rUM per 60 h e poi spostati su uno dei due: (A) A 33S C bagnodum d'acqua per 6 h e recuperati a 20 gradi centigradi per 48 h prima di segnare per il movimento normale (termorecupero), o (B) A 35 gradi secco incubatore e rimosso ogni 2 h fino a morto (termotolleranza). Ogni saggio è stato fatto con n - 30 individui su 2 giorni indipendenti. Viene visualizzata la media. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Qui, vengono presentati protocolli standardizzati per valutare l'induzione della risposta agli shock termici (HSR) in Caenorhabditis elegans utilizzando RT-qPCR a livello molecolare, reporter fluorescenti a livello cellulare e termorecupero a livello di organismo.
Questo lavoro è stato sostenuto da una donazione di Frank Leslie. Alcuni ceppi sono stati forniti dal CGC, che è finanziato dall'Ufficio NIH dei programmi di infrastruttura di ricerca (P40 OD010440).
| 18S-primer | in avanti TTGCGTCAACTGTGGTCGTG | ||
| 18S-innesco | inverso CCAACAAAAAAGAACCGAAGT CCTG | ||
| AM446 rmIs223[phsp70::gfp; pRF4(rol-6(su1006))] | Morimoto lab | http:// groups.molbiosci.northwestern.edu/morimoto/ | |
| C12C8.1-primer | diretto | GTACTACGTACTCATGTGTCG GTATTT | |
| C12C8.1-primer | inverso | ACGGGCTTTCCTTTTGTTTTCC | |
| CFX Connect Sistema di rilevamento PCR in tempo reale | Bio Rad | 1855200 | |
| CL2070 dvIs70 [hsp-16.2p::GFP + rol-6(su1006)] | Caenorhabditis Genetics Center (CGC)< | a href="https://cgc.umn.edu/" target="_blank">https://cgc.umn.edu/ | |
| EasyLog Termistore Probe Data Logger con LCD | Lascar | EL-USB-TP-LCD | |
| Greenough Stereomicroscopio Serie S9i | |||
| Leica Hard Shell 96 Piastre PCR a 96 pozzetti Bio | Rad | HSS9601 | |
| hsp-16.2-primer | in avanti | ACTTTACCACTATTTCCGTCC AGC | |
| hsp-16.2-primer | inverso | CCTTGAACCGCTTCTTTTTTTG | |
| iScript Kit di sintesi cDNA | BioRad | 1708891 | |
| iTaq Universal Sybr Green Super Mix | Bio Rad | 1725121 | |
| Laser Scanning Confocal Microscopio | Nikon | Eclipse 90i | |
| MultiGene OptiMax Thermo Cycler | Labnet | TC9610 | |
| N2 (WT) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | https://cgc.umn.edu/ | |
| Nanodrop Lite Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-LITE | |
| Parafilm M Roll | Bemis | 5259-04LC | |
| Kit di rimozione del DNA RapidOut | Thermo Scientific | K2981 | |
| Bagno d'acqua riscaldata a ricircolo | Lauda Brinkmann | RE-206 | |
| Termometro digitale ultra-accurato in platino tracciabile | Fisher Scientific | 15-081-103 | |
| Reagente TRIzol | Isolamento | 15596026 | RNA reagente |
| TurboMix Attachment | Scientific Industries | SI-0564 | |
| Vortex-Genie 2 | Scientific Industries | SI-0236 |