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Research Article
Maria Lucia Pigazzini*1,2, Christian Gallrein*1, Manuel Iburg*1, Gabriele Kaminski Schierle3, Janine Kirstein1,4
1Leibniz Research Institute for Molecular Pharmacology im Forschungsverbund Berlin, 2NeuroCure Cluster of Excellence,Charité - Universitätsmedizin Berlin, 3Molecular Neuroscience Group, Department of Chemical Engineering and Biotechnology,University of Cambridge, 4Cell Biology,University of Bremen
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
蛍光寿命イメージングは、生きている、老化、およびストレスを受けたC.エレガンス病モデルにおけるタンパク質の凝集傾向を監視し、定量化し、区別する。
アミロイド線維は、ハンチントン、パーキンソン病、またはアルツハイマー病などの神経変性疾患の数に関連付けられている。これらのアミロイド線維は、内因性の転移性タンパク質ならびにプロテオスタシスネットワーク(PN)の成分を隔離し、細胞内のタンパク質のミスフォールディングを悪化させることができる。動物内のアミロイドタンパク質の凝集過程を評価するために利用可能なツールの数は限られています。我々は、非侵襲的な方法で、老化の進行と摂動時に、ニューロンなどの特定の細胞におけるアミロイド線維化のモニタリングおよび定量化を可能にする蛍光寿命顕微鏡(FLIM)のプロトコルを提示するPN.FLIMは、フルオロフォアの発現レベルとは無関係であり、さらなる染色や漂白を行うことなく凝集プロセスの分析を可能にします。蛍光体はアミロイド構造の近傍にあるときに消光し、蛍光寿命の減少をもたらす。この焼入れはアミロイドタンパク質の凝集と直接相関する。FLIMは、異なるアミロイドタンパク質、環境刺激、または生体内の遺伝的背景のフィブリリゼーションプロセスを非侵襲的な方法で比較するために適用できる汎用性の高い技術です。
タンパク質凝集は、老化と病気の両方で起こります。大きいアミロイドまたは非晶質の含物の形成および沈着につながる経路は従いにくく、それらのキネティックは同様に解明に挑戦する。タンパク質は、遺伝性疾患の場合のように、コード配列内の本質的な突然変異のために誤って折り畳まれる可能性があります。タンパク質は、老化の間に起こるように、それらを可溶性に保ち、適切に折り畳まれたプロテオスタシスネットワーク(PN)が損なわれるので、誤って折り畳まれる。PNは、分子シャペロンと分解機械を含み、タンパク質の生物発生、折りたたみ、人身売買、および分解を担当しています。
C.エレガンスは、その短い寿命、等元性の性質、および遺伝子操作の容易さのために老化と病気を研究するためのモデルとして登場しました。脆弱な組織でヒト疾患を引き起こすタンパク質を発現するいくつかのC.エレガン株トランスジェニック株が作成されました。重要なことに、凝集しやすいタンパク質を含む株の多くは、アミロイド障害の特徴を再現し、大きな含入物の形成を行う。C.エレガンスの透明なボディのおかげで、これらの凝集体は生体内で、非侵襲的かつ非破壊的に2で視覚化することができる。フルオロフォアとの融合で目的のタンパク質(POI)を生成することで、その位置、人身売買、相互作用ネットワーク、および一般的な運命を調査することができます。
我々は、蛍光生涯イメージング顕微鏡(FLIM)を介して、生きているおよび老化したC.エレガンsにおける疾患を引き起こすタンパク質の凝集を監視するプロトコルを提示する。FLIMは、発光スペクトルではなく、蛍光素の寿命に基づく強力な技術です。寿命(τ,τ)は、励起状態から地盤状態に戻るためにフォトンが必要とする平均時間として定義されます。特定の分子の寿命は、時間相関単一光子カウント(TCSPC)の時間領域技術で計算されます。TCSPC-FLIMでは、蛍光減衰機能は、短い高周波レーザーパルスで蛍光関数を励起し、発光子がパルスに関して検出器に到着する時間を測定することによって得られます。サンプルをスキャンする場合、各ピクセルに 3 次元データ配列が作成され、X、Y空間座標におけるフォトンの分布と時間減衰曲線に関する情報が配列に含まれます。したがって、特定のサンプルは、タンパク質の構造、結合、および環境33、44に関する情報を明らかにする寿命のマップになります。各蛍光タンパク質は、その生理化学的特性に依存する、通常は数ナノ秒(ns)の固有かつ正確に定義された寿命を有する。重要なことに、蛍光体の寿命は、その濃度、蛍光強度、およびイメージング方法論とは無関係である。しかし、生物学的システム内では、pH、温度、イオン濃度、酸素飽和度、および相互作用パートナーなどの環境要因の影響を受ける可能性があります。有効期間は、内部構造の変化や方向にも敏感です。蛍光体をPOIに融合させることで、その寿命が変化し、融合タンパク質の挙動に関する情報が得られます。フルオロフォアがアミロイド構造の抗並列βシートのような密結合環境に包囲または封入されると、非放射的にエネルギーを失い、クエンチ5と呼ばれるプロセスである。フルオロフォアの焼入れは、その明らかな寿命の短縮をもたらす。可溶性の場合、タンパク質の寿命は元の、より高い値に近いままになります。対照的に、タンパク質が凝集し始めると、その寿命は必然的に低い値66、7にシフトします。したがって、生きているC.エレガンスにおいて異なる年齢で任意のアミロイド形成タンパク質の凝集傾向を監視することが可能になる。
ここでは、異なるポリグルタミン(CAG、Q)ストレッチ(Q40、Q44、およびQ85)を含む融合タンパク質の凝集を分析するプロトコルについて説明します。我々は、シアン蛍光タンパク質(CFP)、黄色蛍光タンパク質(YFP)および単量体赤色蛍光タンパク質(mRFP)などの異なる蛍光性に対してこの技術を均等に適用する方法を示しています。そして、ニューロン、筋肉、および腸を含むC.エレガンスのすべての組織で。さらに、プロテオスタシスの文脈では、FLIMは、分子シャペロンの枯渇時の変化を観察するのに非常に有用なツールです。RNA干渉を介して重要な分子シャペロンの1つであるヒートショックタンパク質1(hsp-1)をノックダウンすると、タンパク質の早期ミスフォールディングが発生します。老化、疾患、またはシャペロン欠損の結果としての凝集負荷の増加は、次いで、蛍光寿命の減少として測定される。
1. C.エレガンスの同期
2. 給餌によるシャペロン機械のRNAi媒介ノックダウン
注:熱ショックタンパク質1(hsp-1)シャペロンのノックダウンを行い、対応するRNAiベクターを線虫10に供給する。hsp-1 RNAiプラスミドは、アリンガーライブラリから得られた(クローンID:F26D10.3)。
3. 顕微鏡スライドの作成
4. 顕微鏡スライドへの線虫の取り付け
注: FLIM は線虫を固定化する必要があります。イメージング設定(例えば、顕微鏡、レーザー、検出器)を使用する準備ができたら、このステップを実行します。
5. FLIMデータの取得
注: このプロトコルでは、フルオロフォアの寿命は時間領域 TCSPC 法を介して取得されます。FLIMは、設定された一定の繰り返し速度でレーザーによって生成される光のパルスを必要とします。繰り返し速度はレーザーの種類によって異なり、ユーザーが知る必要があります。寿命測定は、従来の顕微鏡と一緒に設置された検出器と電子機器によって達成されます。このプロトコルでは、mRFP、CFP、およびYFPの寿命を取得するために、2つの異なる企業(材料表)が提供する検出器とソフトウェアを備えた3つの異なるレーザースキャン共焦点顕微鏡で測定を行います。発光/励起の正しいフィルタが適切に配置されていることを確認し、開始する前にバックグラウンドまたはモニタバックライトを最小限に抑えてください。実験を開始する前に、選択した蛍光素の写真安定性を確立します。フルオロフォアが線虫組織内で短時間で漂白する場合、C.エレガンスにおけるFLIM測定には適さない。
6. FLIMfit ソフトウェアを用いた FLIM データの解析
メモ:インペリアル・カレッジ・ロンドン12で開発されたFLIMfitソフトウェアツールを使用してデータ分析を実行します(図1を参照)。
7. FLIM データのグラフィカル表現
注: さまざまなサンプルから収集された有効期間は、さまざまな方法で視覚的に表現できます。有効期間の値をナノ秒またはピコ秒で表します。
このプロトコルは、自然な老化時とストレスを受けたときの両方で、生きているC.エレガンスにおける凝集種の形成を正確に監視する方法を示しています。ポリグルタミンタンパク質を発現するトランスジェニック線虫の4種類の株を40Q、44Q、または85Q反復で選択しました。これらのタンパク質は、異なる組織で合成され、異なるフルオロフォアに融合した。C.エレガン株は、体壁筋肉(mQ40-RFP)、神経系のQ40-CFP(nQ40-CFP)、および腸内のQ44-YFPまたはQ85-YFP(iQ44-YFPおよびiQ85-YFP)13を表す。13老化が凝集を促進する方法を説明するために、我々は8日目に若い線虫、4日目の若い線虫、および古い線虫におけるこれらのpolyQ株の寿命を収集した。PNの欠乏の影響を示すために、mQ40-RFP株とnQ40株でhsp-1のノックダウンを行いました。
FLIMfitソフトウェアを介して生涯値を外挿すると、得られたデータは、グルタミン負荷、エージング、またはストレスのいずれかのために凝集した場合、polyQ構造のいずれかの寿命の明確な減少を示した。FLIMは、その寿命の変化を記録することによって、可溶性タンパク質画分と凝集された種とその遷移を区別した。
4日目の時点で、mQ40-RFPは平均蛍光寿命1.69nsを示した(図2)。加齢に伴い、より多くの凝集された種が生じ、生涯画像に低寿命の病巣として現れ、ヒストグラムを寿命を減らすことにシフトする(図2A)。線虫の年齢を超える全ての獲得画像の平均蛍光寿命をプロットすることにより、蛍光寿命の有意な減少、したがって凝集された種の蓄積が目に見えるようになりました(図2B)。PNのタンパク質折りたたみ能力は、C.エレガンス14での生活の4日目後に低下し、凝集しやすいタンパク質はさらにアミロイドおよびアモルファス凝集体にクラスター化するために誤って折りたたまれた。PNとは別に、あるタンパク質の本質的な凝集傾向は、凝集体形成の進行において重要な役割を果たした。iQ44-YFPとiQ85-YFPの挙動を比較して分析した。iQ85の長いQストレッチは凝集しやすく、すでに4日目の生命でヒストグラムに蛍光寿命シフトを示した(図3A)。実際、4日目には、iQ85に対して病巣形成が観察されたが、iQ44には依然として存在しなかった。しかし、老化の際、iQ44は病巣形成を示し、したがって蛍光寿命を減少させた。iQ85は成人期初期に既に集合体を呈しているため、老化時の凝集の進行はあまり顕著ではなかったが、有意であった(図3B)。最後に、nQ40-CFP株における病巣形成や蛍光寿命の低下を検出しなかった(図4A)。この株に対して、老化時の平均蛍光寿命にわずかな、重要でない変化があった(図4B)、ニューロンがまだ未知の理由で影響を受けにくいためである可能性がある。
hsp-1をノックダウンすると、線虫を表現するmQ40とnQ40のPNに挑戦します。RNAi媒介性hsp-1の枯渇は、凝集の有意な増加につながった(図5および図6)。体壁の筋肉で表現されたQ40は、非凝集材料に囲まれた少数の大きな病巣を形成する傾向があった。その結果、ヒストグラム内の 2 つの識別可能なピークが生じ (図5Aを参照)。老齢およびRNAi処理線虫は、平均蛍光寿命を最終的に減少させる低寿命ピークの強い増加を示した(図5B)。筋肉におけるQ40のこの二額挙動と比較して、神経細胞Q40はより多様な凝集挙行動を示した。筋肉発現株のように、病巣形成と凝集を直接相関させるものはできなかった(図6A)。FLIMは凝集度を評価する機会を提供するため、ヒストグラムは明確なピークはなく、蛍光寿命の広範な分布があることを明らかにし、異なるオリゴマーおよび高次凝集体の複雑な組成を指摘した。それでも、全体的な凝集度は、平均蛍光寿命(図6B)をプロットすることによって評価することができ、hsp-1ノックダウンが凝集の増加につながったことを示す。
核融合パートナーから、生物学的システムの外から離れたフルオロフォアの寿命が高かったことに注意することが重要です。寿命は主にその環境によって影響を受けるため、YFPとRFPの寿命のわずかな減少は、C.エレガンスの組織内ですでに顕著であった。したがって、適当な対照として線虫内の可溶性POIの寿命を得ることが重要である。より高い寿命の可溶性分数と、より低い寿命を持つ凝集分との比較を行うことができます。ここで、寿命の減少は、筋肉および腸細胞内の可視病巣の形成と相関した。それでも、病巣の一部は蛍光寿命の減少を示さなかった(図2および図3、白い矢印を参照)。この機能は、融合構造の一部のみが特定の時空間的な点で凝集する方法と、非結合タンパク質の存在および可用性を強調する。より複雑なシナリオは、神経細胞Q40-CFP株の調査から生じた。CFPは本質的に2つの異なる蛍光寿命を有する。CFPは、フェルスター共鳴エネルギー伝達(FRET)15の測定に理想的な蛍光色15素であるが、YFPと組み合わせて、C.エレガンスにおける凝集体の形成を監視するためにそれを採用することはお勧めできない。

図 1: FLIMFit ソフトウェア インターフェイスのスクリーンショット蛍光寿命を計算するために使用されるソフトウェアのスクリーンショット。このウィンドウは、テキストに記述された設定が定義され、有効期間の計算が実行された後のインターフェイスを示します。番号付き矢印は、プロトコル内の特定のステップを指します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:筋肉質Q40-RFPの蛍光寿命は年齢とともに減少した。(A) FLIMfit によって生成された 4 日目または 8 日目の筋肉質 Q40-RFP を表現するC. エレガンスの代表的な地図。蛍光寿命、蛍光強度、および両者の合成画像が提供される。スケールバー = 25 μm. ヒストグラムは、分析されたすべての線虫の測定寿命分布を100カテゴリーに分けて示します。(B)4日目または8日目の全ての分析動物の加重平均蛍光寿命をそれぞれ示すバープロット。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:腸管Q44-YFPおよび腸管Q85-YFPの蛍光寿命は、年齢とともに減少した。(A)FLIMfit によって生成された 4 日目または 8 日目の腸管 Q44-YFP または腸管 Q85-YFP を発現するC. エレガンスの代表的な地図。蛍光寿命、蛍光強度、および両者の合成画像が提供される。スケールバー = 25 μm. ヒストグラムは、分析されたすべての線虫の測定寿命分布を100カテゴリーに分けて示します。(B)4日目または8日目の全ての分析動物の加重平均蛍光寿命をそれぞれ示すバープロット。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:神経細胞Q40-CFPの蛍光寿命は年齢とともに変化しなかった。(A) FLIMfit によって生成された 4 日目または 8 日目のニューロン Q40-CFP を発現するC. エレガンスの代表的な地図。蛍光寿命、蛍光強度、および両方の合成画像が提供されます(第2の寿命τ2は、すべてのサンプルに示されています)。スケールバー = 25 μm. ヒストグラムは、分析されたすべての線虫の測定寿命分布を100カテゴリーに分けて示します。(B)4日目または8日目の全ての分析動物の加重平均蛍光寿命をそれぞれ示すバープロット。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 5: hsp-1のノックダウンで筋肉質 Q40-RFP の蛍光寿命が減少した。(A) FLIMfit によって生成された 4 日目または 8 日目の筋肉質 Q40-RFP を表現するC. エレガンスの代表的な地図。蛍光寿命と強度マップの結合が表示されます。両方の時点について、空のベクター(対照)またはhsp-1 RNAi構築物を発現する細菌を発現する細菌上で増殖した線虫が示されている。スケールバー = 25 μm. ヒストグラムは、分析されたすべての線虫の測定寿命分布を100カテゴリーに分けて示します。(B)4日目または8日目の寿命の全ての分析動物の加重平均蛍光寿命を示すバープロット、それぞれ対照またはhsp-1 RNAiを有する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図6: 神経細胞Q40-CFPの蛍光寿命はhsp-1のノックダウンで減少した。(A)FLIMfitによって生成された生命の4日目に神経細胞Q40-CFPを発現するC.エレガンスの代表的な地図。蛍光寿命と強度マップの結合が表示されます。示された線虫は、空のベクター(対照)またはhsp-1 RNAi構築物を発現する細菌を発現する細菌上で増殖させた。スケールバー = 25 μm. ヒストグラムは、分析されたすべての線虫の測定寿命分布を100カテゴリーに分けて示します。(B)4日目に分析されたすべての動物の加重平均蛍光寿命を示すバープロット、対照RNAiまたはhsp-1 RNAi。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
著者らは開示するものは何もない。
蛍光寿命イメージングは、生きている、老化、およびストレスを受けたC.エレガンス病モデルにおけるタンパク質の凝集傾向を監視し、定量化し、区別する。
研究インフラプログラムのNIH局(P40 OD010440)によって資金提供されているCGCによって提供される筋肉-Q40-mRFP株。ニューロンQ40-CFPは森本研究室の一種の贈り物でした。我々は、DFG(KI-1988/5-1からJKへ、ニューロキュア・ド・エクセレンス・クラスターによるニューロキュア博士課程のフェローシップからMLP)、EMBO(MLPへの短期フェローシップ)、生物学者企業(CGおよびMLPへの旅行助成金)を承認する。また、ベルリンのマックス・デルブリュック分子医学センターにある先端光顕微鏡イメージング施設が、YFP構造を画像化するためのセットアップを提供していることを認めています。
| 寒天 神戸 | I カール・ロス GmbH + Co. KG | 5210.2 | NGM 成分 |
| アーリンガー ライブラリー hsp-1 siRNA | ソース バイオサイエンス UK リミテッド | F26D10.3 | |
| アンピシリン | カール・ロス GmbH + Co. KG | K029.3 | 抗生物質 |
| B&H DCS-120 SPC-150 | ベッカー &Hickl GmbH | FLIM Aquisitionソフトウェア | |
| B&H SPC830-SPC イメージ | ベッカー&Hickl GmbH | FLIM Aquisition software | |
| BD Bacto Peptone | BD-Bionsciences | 211677 | NGM component |
| C. elegans iQ44-YFP | CAENORHABDITIS GENETICS CENTER (CGC) | OG412 | |
| C. elegans iQ85-YFP | Kind gift from Morimoto Lab | ||
| C. elegans mQ40-RFP | 森本研究室からの親切な贈り物 | ||
| C. elegans nQ40-CFP | 森本研究室からの親切な贈り物 | ||
| Deckgläser-18x18mm | Carl Roth GmbH + Co. | KG 0657.2 | カバー スリップ |
| イソプロピル -&β;-D-チオガラクトピラノシド (IPTG) | Carl Roth GmbH + Co. KG | 2316.4 | |
| ライカ M165 FC | ライカカメラ AG | 取り付け 実体顕微鏡 | |
| ライカ TCS SP5 | ライカカメラ AG | 共焦点顕微鏡 | |
| レバミゾール塩酸塩 | AppliChem GmbH | A4341 | 麻酔薬 |
| OP50 Escherichia coli | CAENORHABDITIS GENETICS CENTER (CGC) | OP50 | |
| PicoQuant PicoHarp300 | PicoQuant GmbH | FLIM Aquisition software | |
| アジ化ナトリウム | Carl Roth GmbH + Co. | KG K305.1 | 麻酔薬 |
| 塩化ナトリウム | Carl Roth GmbH + Co. KG | 3957.2 | NGM コンポーネント |
| Standard-objektträger | Carl Roth GmbH + Co. KG | 0656.1 | ガラススライドユニバーサル |
| アガロース | バイオ&GmbH | BS20.46.500 | |
| Zeiss AxioObserver.Z1 | Carl Zeiss AG | 共焦点顕微鏡 | |
| Zeiss LSM510-Meta NLO | Carl Zeiss AG | 共焦点顕微鏡 |