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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Relazioniamo un saggio semplice, efficiente in termini di tempo e ad alta produttività a base di spettroscopia a fluorescenza per la quantificazione dei filamenti di actina in campioni biologici ex vivo provenienti da tessuti cerebrali di roditori e soggetti umani.
Actin, la componente principale del citoscheletro, svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento della struttura e della funzione neuronale. Sotto stati fisiologici, l'actina si verifica in equilibrio nelle sue due forme: globulare monomerico (G-actina) e filamentoso polimerizzato (F- actina). Ai terminali sinaptici, l'actina citoscheletro costituisce la base per le funzioni critiche pre e post-sinaptiche. Inoltre, i cambiamenti dinamici nello stato di polimerizzazione dell'actina (interconversione tra forme globulari e filamentose di actina) sono strettamente legati alle alterazioni legate alla plasticità nella struttura e nella funzione sinaptica. Qui riferiamo una metodologia modificata basata sulla fluorescenza per valutare lo stato di polimerizzazione dell'actina in condizioni ex vivo. Il saggio utilizza la phalloidina marcata fluorescentmente, una fllotoxina che si lega specificamente ai filamenti di actina (F-actin), fornendo una misura diretta dell'actina filamentosa polimerizzata. Come prova di principio, forniamo prove dell'idoneità del saggio sia negli omogeneati del tessuto cerebrale umano roditore che post mortem. Utilizzando latrunculinA A (un farmaco che depolimerizza i filamenti di actina), confermiamo l'utilità del saggio nel monitoraggio delle alterazioni nei livelli di F-actina. Inoltre, estendiamo il saggio alle frazioni biochimiche dei terminali sinaptici isolati in cui confermiamo una maggiore polimerizzazione dell'actina sulla stimolazione mediante depolarizzazione con K + extracellulareelevato.
L'actina della proteina citoscheletricha è coinvolta in molteplici funzioni cellulari, tra cui supporto strutturale, trasporto cellulare, motilità cellulare e divisione. L'actina si trova in equilibrio in due forme: actina globulare monomerica (G-actina) e actina filamentosa polimerizzata (F-actina). I rapidi cambiamenti nello stato di polimerizzazione dell'actina (interconversione tra le sue forme G e F) si traducono in un rapido assemblaggio e smontaggio dei filamenti e sono alla base dei suoi ruoli regolatori nella fisiologia cellulare. Actina forma il componente principale della struttura citoscheletricha neuronale e influenza una vasta gamma di funzioni neuronali1,2. Da notare che l'actina citoscheletro forma parte integrante della piattaforma strutturale dei terminali sinaptici. Come tale, è un importante determinante della morfogenesi sinaptica e della fisiologia e svolge un ruolo fondamentale nel controllo delle dimensioni, del numero e della morfologia delle sinapsi3,4,5. In particolare, l'actin polimerizzazione dinamica-depolimerizzazione è un fattore determinante del rimodellamento sinaptico associato alla plasticità sinaptica alla base dei processi di memoria e apprendimento. Infatti, sia le funzioni presnaptiche (come il rilascio di neurotrasmettitori6,7,8,9,10) che le funzioni postsinaptiche (rimodellamento dinamico correlato alla plasticità11,12,13,14)si basano criticamente su cambiamenti dinamici nello stato di polimerizzazione dell'actina citoscheletro.
In condizioni fisiologiche, i livelli di F-actina sono regolati dinamicamente e strettamente attraverso una via multimodale che comporta la modifica posttraslazionale4,15,16 e proteine leganti l'actina (ARP)4,17. Gli ARP possono influenzare la dinamica dell'actina a più livelli (come l'avvio o l'inibizione della polimerizzazione, l'induzione della ramificazione dei filamenti, la recidenza dei filamenti a pezzi più piccoli, la promozione della depolimerizzazione e la protezione dalla depolimerizzazione) e sono a loro volta sotto un rigoroso controllo modulatorio sensibile a vari segnali extra- e intracellulari18,19,20. Tali controlli normativi a più livelli impongono una rigida regolazione della dinamica dell'actina nel citoscheletro sinaptico, per mettere a punto gli aspetti pre e postinaptici della fisiologia neuronale sia allo stato basale che indotto dall'attività.
Dati gli importanti ruoli dell'actina nella fisiologia neuronale, non sorprende che diversi studi abbiano fornito prove di alterazioni della dinamica dell'actina come eventi patogeni critici legati a una vasta gamma di disturbi neurologici tra cui neurodegenerazione, malattie psicologiche e disturbi del neurosviluppo3,21,22,23,24,25,26,27. Nonostante la ricchezza di dati di ricerca che indicano ruoli chiave dell'actina nella fisiologia neuronale e nella fisiopatologia, tuttavia, permangono lacune significative nella comprensione delle dinamiche dell'actina, in particolare nel citoscheletro sinaptico. Sono necessari ulteriori studi di ricerca per avere una migliore comprensione dell'actina neuronale e delle sue alterazioni in condizioni patologiche. Una delle principali aree di interesse in questo contesto è la valutazione dello stato di polimerizzazione dell'actina. Esistono kit commerciali occidentali a base di gonfiore (kit biochimico di dosaggio G-Actin/F-Actin in vivo; Cytoskeleton SKU BK03728,29) e saggi fatti in casa per la valutazione dei livelli di F-actin6. Tuttavia, poiché questi richiedono l'isolamento biochimico di F-actina e G-actina e poiché la loro successiva quantificazione si basa su protocolli di immunoblotting, possono richiedere molto tempo. Nel presente documento viene descritto un saggio a base di spettroscopia a fluorescenza adattato da unostudio precedente 30 con modifiche che possono essere utilizzate per valutare sia i livelli basali di F-actina, sia i cambiamenti dinamici nel suo assemblaggio-smontaggio. In particolare, abbiamo modificato in modo efficiente il protocollo originale che richiede campioni adatti per una cuvetta da 1 mL all'attuale formato di piastra da 96 porti. Il protocollo modificato ha quindi ridotto significativamente la quantità di tessuto/campione richiesta per il saggio. Inoltre, forniamo prove che il protocollo è adatto non solo per gli omogeneati del tessuto cerebrale, ma anche per le frazioni subcellulari come terminali sinaptici isolati (sinaptosomi e sinaptoneurosomi). Infine, il saggio può essere utilizzato per tessuti cerebrali roditori appena sezionati e campioni cerebrali umani post mortem conservati a lungo termine. Da notare che, mentre il saggio è presentato in un contesto neuronale, può essere opportunamente esteso ad altri tipi di cellule e processi fisiologici ad essi associati.
Tutte le procedure sperimentali sono state svolte in conformità con le normative del Comitato Etico dell'Università di Otago nella cura e nell'uso degli animali da laboratorio (Protocollo Etico n. AUP95/18 e AUP80/17) e legislatura neozelandese. I tessuti cerebrali umani sono stati ottenuti dalla Banca neurologica dei tessuti dell'ospedale Clínic-IDIBAPS BioBank di Barcellona, spagna. Tutti i protocolli di raccolta dei tessuti sono stati approvati dal Comitato Etico dell'Ospedale Clínic di Barcellona, e il consenso informato è stato ottenuto dalle famiglie.
1. Preparazione di tamponi e reagenti
2. Omogeneizzazione dei tessuti cerebrali
3. Preparazione di terminali nervosi isolati
4. Depolarizzazione mediata da KCl di terminali sinaptici isolati
5. Fissazione e colorazione delle phalloidina dei campioni
6. Analisi fluorometrica e dispersione della luce
7. Analisi dei dati
Linearità del saggio per la valutazione dei livelli di F-actin
In primo luogo, è stata accertata una curva standard per l'aumento lineare della fluorescenza della fluorescenza di Alexa Fluor 647 Phalloidin ed è stata ripetuta per ogni seriedi esperimenti (figura 1). Per studiare la gamma lineare del saggio, sono state elaborate diverse quantità di omogeneati cerebrali provenienti dai roditori(figure 2A e 2B)e dai soggetti umani post mortem(figure 3A e 3B). Il saggio è stato trovato lineare nell'intervallo di 50-200 μg di proteine valutato in base alle quantità di phalloidin etichettate conservate. La diffusione della luce a 540 nm è stata utilizzata per confermare le diverse quantità di campioni (Figura 2C e Figura 3C).
Latrunculin, un agente depolimerizzante actina riduce il legame della phalloidina marcata
LatrunculinA è noto per depolimerizzare i filamenti di actina e ridurre i livelli di F-actina36,37,38,39. Gli omogeneati dei tessuti cerebrali dei roditori o dell'uomo sono stati incubati con 2 μM di latrunculina A per 1 ora a 37 °C per depolimerizzare i filamenti di actina. I rispettivi set di controllo non trattati sono stati incubati con DMSO per la stessa durata di 1 ora a 37 °C. Il saggio ha misurato con forza la perdita dei livelli di F-actina da 95,7 ± 6,6 (media ± SEM) nei campioni di controllo a 72,0 ± 3,2 (media ± SEM) μU di phalloidin legato in campioni trattati con latrunculinA A negli omogeneati cerebrali dei roditori(figura 4A). Una diminuzione analoga (da 83,7 ± 3,9 a 66,9 ± 4,2 μU) nella ritenzione di falloidina etichettata è stata osservata anche quando gli omogeneati dei tessuti cerebrali umani sono stati sottoposti a trattamento con latrunculina A(figura 4B). I livelli totali di actina degni di nota, valutati mediante immunoblotting, non hanno alterato il trattamento con latrunculina A sia negli omogeneati cerebrali del ratto (figuracomplementare 1A-B)che nell'uomo ( figuracomplementare 1C-D).
La depolarizzazione di terminali sinaptici isolati stimola la polimerizzazionedell'actina e la formazione di filamenti
La depolarizzazione ex vivo dei terminali sinaptici isolati ha dimostrato di provocare una rapida stimolazione della polimerizzazione dell'actina6,30,40, e questo fenomeno è stato utilizzato come ulteriore conferma del saggio riportato nel presente documento. Le frazioni biochimiche arricchite in terminali sinaptici sono state preparate in due modi diversi; un metodo di ultracentrifugazione a base gradiente per ottenere "sinaptosomi"41,42,43,44 e un protocollo sequenziale basato sulla filtrazione per ottenere "sinaptonosomi"43,45,46. Poiché la resa per quest'ultimo è più alta, l'abbiamo usata per tessuti cerebrali post mortem umani in cui le quantità di tessuto sono spesso limitanti. D'altra parte, abbiamo preferito usare sinaptosomi con un più alto grado di arricchimento dei frammenti sinaptici41 per i nostri esperimenti sul tessuto cerebrale del ratto.
La depolarizzazione di sinaptosomi o sinaptosomi e la stimolazione della polimerizzazione dell'actina sono state ottenute da un breve (30 secondo) scoppio di aumento del K+ a 50 mM extracellulare. L'esposizione al KCl ha comportato un aumento del legame della falloidina di quasi il 40% nei sinaptosomi cerebrali dei roditori rispetto ai rispettivi controlli simulati (figura 5A; vedi anche figura supplementare 2A). Un minore (circa il 20%) ma è stato osservato un aumento consistente anche nei sinaptonosomi umani trattati con KCl (figura 5B; cfr. anche figura complementare 2A). Questi esperimenti convalidano la robustezza del nostro saggio nel determinare le alterazioni nei livelli di F-actina nei campioni di tessuto cerebrale, compresi i terminali sinaptici isolati.

Figura 1. Curva standard per la fluorescenza di Alexa Fluor 647 Phalloidin. La linearità dell'emissione di fluorescenza di quantità diverse (25-500 μU) di phalloidina etichettata è stata confermata dalla spettroscopia a fluorescenza ad un'eccitazione di 645 nm ed emissione di 670 nm (R2 = 0,9942). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=3). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Linearità del legame della falloidina agli omogeneati a cellule intere dal tessuto cerebrale del ratto. (A) È stato valutato il legame della filloidina a diverse quantità di omogeneati (proteina 50-300 μg). (B) Il legame era lineare nell'intervallo di 50-200 μg di proteina (R2 = 0,9602). (C) Lo scattering a 540 nm è stato utilizzato per confermare diverse quantità di campioni (R2 = 0,8319). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=4). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3. Legame della phalloidina con gli omogeneati a cellule intere del tessuto cerebrale umano post-mortem. (A) È stata valutata la ritenzione di phalloidina in una serie di quantità di omogeneati (proteina 50-300 μg). (B) Il legame con la phalloidina è stato trovato lineare nell'intervallo di 50-200 μg di proteina (R2 = 0,8832). (C) Lo scattering a 540 nm ha confermato le diverse quantità dei campioni (R2 = 0,9730). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=4). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4. Effetti della latrunculinA A sui livelli di F-actin. Il trattamento degli omogeneati cerebrali con agente depolimerizzante dell'actina Latrunculin A (2 μM, 1 h a 37°C) ha comportato una significativa diminuzione delle quantità di filamenti di actina rispetto ai rispettivi campioni di controllo trattati in modo fittizio valutati mediante ritenzione di falloidina etichettata sia nel roditore (p = 0,0034; accoppiati i tessuti umani a due code(A)e post mortem (p = 0,0011; test t dello studente a duecode accoppiato) (B). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=6 coppie). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Effetti della depolarizzazione mediata da KCl sulle quantità di F-actina in terminali sinaptici isolati. (A) Incubazione di sinaptosomi dal cervello del ratto con 50 mM KCl per 30 s a polimerizzazione actina stimolata a 37 °C che di conseguenza ha comportato un aumento del legame della fanodinidina (p = 0,0014; test t dello studente a due codeaccoppiato). (B) Un aumento minore è stato osservato anche nella frazione sinaptoeurosomica dei tessuti cerebrali umani post mortem (p = 0,014; test t dello studente a due codeaccoppiato). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=6 coppie). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura complementare 1. Effetti della latrunculinA A sui livelli totali di actina. Gli omogeneati cerebrali sono stati incubati con latrunculina A (2 μM, 1 h a 37°C) o con un volume uguale di DMSO (1 h a 37°C). Prima della fissazione sono stati raccolti 10 μg di proteine per campione (latrunculinA trattata con una ettaro e controlli dmso trattati in modo fittizio). I livelli totali di actina sono stati valutati mediante immunoblotting. Le macchie rappresentative sono indicate per gli omogeneaticerebralidel ratto ( A ) e umani (C). LatrunculinA non ha alterato i livelli totali di actina sia nel ratto (B; p = 0,40; test t dello studente a due codeaccoppiato) che nell'omogeneato cerebrale umano (D; p = 0,42; accoppiato il test tdello studente a due code). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=3 coppie). Clicca qui per scaricare questo file.
Figura complementare 2. Effetti della depolarizzazione mediata da KCl sui livelli di F-actina nei sinaptosomi dei ratti e nei sinaptosomi umani. (A) Incubazione di sinaptosomi dal cervello del ratto con 50 mM KCl (30 s a 37 °C) stimolata polimerizzazione dell'actina e un conseguente aumento del legame della fanodinidina (p = 0,0019; test t dello studente a due codeaccoppiato). (B) L'aumento della ritenzione di fanodini è stato osservato anche nella frazione sinaptoeurosomica umana depolarizzata da KCl rispetto ai rispettivi controlli non stimolati (p = 0,015; test t dello studente a due code accoppiato). I dati sono rappresentati come ± SEM (n=6 coppie). Clicca qui per scaricare questo file.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Relazioniamo un saggio semplice, efficiente in termini di tempo e ad alta produttività a base di spettroscopia a fluorescenza per la quantificazione dei filamenti di actina in campioni biologici ex vivo provenienti da tessuti cerebrali di roditori e soggetti umani.
Questo lavoro fu supportato dalla Fondazione Neurologica della Nuova Zelanda (1835-PG), dal Consiglio per la Ricerca sanitaria della Nuova Zelanda (#16-597) e dal Dipartimento di Anatomia dell'Università di Otago, Nuova Zelanda. Siamo in debito con la Banca neurologica dei tessuti di HCB-IDIBAPS BioBank (Spagna) per i tessuti cerebrali umani. Ringraziamo Jiaxian Zhang per il suo aiuto nella registrazione e nella modifica del video.
| 3,5 mL, provetta aperta in policarbonato a parete spessa | Beckman Coulter | 349622 | Per centrifugazione in gradiente (preparazione dei sinaptosomi) |
| Alexa Fluor 647 Falloidina | Thermo Fisher Scientific | A22287 | Ligando specifico per F-actina |
| Anticorpo contro b-actina | Santa Cruz Biotechnology | Sc-47778 | Per la valutazione dei livelli di actina totale mediante immunoblotting |
| Anticorpo contro GAPDH | Abcam | Ab181602 | Per la valutazione dei livelli di GAPDH mediante immunoblotting |
| Bio-Rad Protein Assay Concentrato di coloranti Bio-Rad | 5000006 | Stima delle proteine basata su Bradford | |
| Cloruro di calcio diidrato (CaCl2· 2H2O) | Sigma-Aldrich | C3306 | Componente tampone Krebs |
| cOmplete, Mini, EDTA-free Cocktail di inibitori della proteasi | Sigma-Aldrich | 4693159001 | Per l'inibizione dell'attività della proteasi endogena durante la preparazione del campione |
| Corning 96-well Clear Flat Bottom Polystyrene | Corning | 3596 | Per misure di diffusione della luce |
| D-(+)-Glucosio | Sigma-Aldrich | G8270 | Componente tampone Krebs |
| Dimetil solfossido | Sigma-Aldrich | D5879 | Solvente per falloidina e latrunculina Scanner |
| piano fluorescente A (Odyssey Infrared Scanner) | Li-Cor Biosciences | Per il rilevamento di segnali immunoreattivi su immunoblot | Soluzione di glutaraldeide (25% in acqua) Fissativo Sigma-Aldrich G6257 di grado II|
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | Ingrediente tampone per la preparazione del campione e componente tampone Krebs |
| Latrunculina A | Sigma-Aldrich | L5163 | Depolimerizzante di filamenti di actina |
| Cloruro di magnesio esaidrato (MgCl2· 6H2O) | Sigma-Aldrich | M2670 | Componente tampone Krebs |
| Micropiastre | |||
| Filtro a membrana Mitex 5 mm | Millipore | LSWP01300 | Preparazione dei sinaptoneurosomi |
| Nunc F96 MicroWell Black Plate | Thermo Fisher Scientific | 237105 | Per misure fluorimetriche |
| Filtro a rete in nylon 100 mm | Millipore | NY1H02500 | Preparazione di sinaptoneurosomi |
| Cocktail di inibitori della fosfatasi IV | Abcam | ab201115 | Per l'inibizione dell'attività della fosfatasi endogena durante la preparazione del campione |
| Cloruro di potassio (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | Componente tampone di Krebs e per la depolarizzazione dei terminali sinaptici |
| Fosfato di potassio monobasico ((KH2PO4 ) | Sigma-Aldrich | P9791 | Componente tampone Krebs |
| Boroidruro di sodio (NaBH4) | Sigma-Aldrich | 71320 | Componente del tampone di permeabilizzazione |
| Cloruro di sodio (NaCl) | LabServ (Thermo Fisher Scientific) | BSPSL944 | Componente tampone Krebs |
| Carbonato acido di sodio (NaHCO3) | LabServ (Thermo Fisher Scientific) | Componente | tampone BSPSL900 Krebs |
| SpectraMax i3x | Dispositivi | molecolari | Per misure fluorimetriche |
| Saccarosio | Fisher Chemical | S/8600/60 | Ingrediente tampone per la preparazione del campione |
| Portafiltro Swimnex | Millipore | Sx0001300 | Preparazione di sinaptoneurosomi |
| Macinatore di tessuti 5 mL Potter-Elvehjem | Duran Wheaton Kimble | 358034 | Per l'omogeneizzazione dei tessuti |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Componente del tampone di permeabilizzazione |
| Base Trizma | Sigma-Aldrich | T6066 | Ingrediente tampone per la preparazione del campione |