ここでは、ポリグルタミン凝集、神経細胞死、および化学回避行動を含む Caenorhabditis elegansにおける試験化合物の神経保護活性を評価するためのプロトコル、ならびに複数の表現型の例示的な統合を提示する。
方法論記事
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ここでは、ポリグルタミン凝集、神経細胞死、および化学回避行動を含む Caenorhabditis elegansにおける試験化合物の神経保護活性を評価するためのプロトコル、ならびに複数の表現型の例示的な統合を提示する。
加齢に伴うミスフォールディングおよび病原性タンパク質の凝集は、いくつかの神経変性疾患の原因である。例えば、ハンチントン病(HD)は、主に、ハンチンチンタンパク質中の拡張グルタミン管をコードするCAGヌクレオチド反復によって駆動される。したがって、ポリグルタミン(polyQ)凝集の阻害、特に凝集関連神経毒性は、HDおよび他のpolyQ関連状態の予防のための有用な戦略である。この論文では、確立されたpolyQトランスジェニック Caenorhabditis elegans モデルを使用して、HDに対する試験化合物の神経保護能力を評価するための一般化された実験プロトコルを紹介します。AM141株は、polyQ::YFP融合タンパク質の筋肉特異的発現により、離散的な蛍光凝集体の加齢表現型が成体段階で体壁内で容易に観察できるため、polyQ凝集アッセイに選択される。対照的に、ASHニューロンにおけるpolyQ拡張路の強い発現を有するHA759モデルは、ニューロン死および化学回避行動を調べるために使用される。標的化合物の神経保護能力を包括的に評価するために、上記の試験結果は、最終的に、直接比較および直接観察の方法で複数の表現型のプロファイリングを伴うレーダーチャートとして提示される。
HDにおける進行性神経変性は、CAGトリヌクレオチド反復1、2、3によってコードされるpolyQの異常なストレッチを有する病原性突然変異ハンチンチンを含む。37以上のグルタミン反復を有する変異型ハンチンチンタンパク質は、HD患者および動物モデル4,5の脳に凝集して蓄積する傾向があり、最終的に神経変性をもたらす6。疾患病態5におけるpolyQ凝集体の役割に関する明確さの欠如にもかかわらず、polyQ凝集およびそれに関連する毒性の阻害は、HDおよび他のpolyQ疾患に対する有用な治療戦略である4、7、8。
ニューロンシグナル伝達経路の保存および構築が容易なトランスジェニック疾患モデルのために、Caenorhabditis elegansは、神経学的障害の調査のための主要なモデル生物として広く使用されている9、10、11、12。例えば、凝集を起こしやすいpolyQ拡張を発現するトランスジェニックC.エレガンスモデルは、選択的ニューロン細胞喪失、細胞質凝集体形成、および行動欠陥などのHD様特徴を客観的に模倣することができる13。確立されたpolyQ線虫モデルにおけるこれらの表現型を逆転させる試験サンプルの潜在的な効果の調査は、様々な有望な治療候補、例えば、多糖類7、14、15、オリゴ糖16、天然小分子17、18、およびハーブ抽出物および式19、20の同定をもたらした。
ここで説明するのは、2つの主要なpolyQ C. elegansモデルと、アストラガラス・メンブラナセウス7から単離された多糖であるアストラガランに関する研究によって例示されるような潜在的な用途のための関連プロトコルである。C. elegansにおけるpolyQ凝集アッセイのために、使用されたモデルはトランスジェニック株AM141であり、これはQ40::YFP融合タンパク質の発現により成体期に達したときに体壁筋中に分散した蛍光パンクタを示し、黄色蛍光タンパク質(YFP)に融合した40残基(polyQ40)のpolyQ管21,22.HA759株は、緑色蛍光タンパク質(GFP)およびHtn-Q150(150残基のヒトハンチンチン由来polyQ管)の両方をASHニューロンでは強く発現するが、他のニューロンでは弱く、進行性神経変性およびASH細胞死をもたらすため、ニューロンの生存および化学回避行動を調べるために使用された7,13。治療候補の神経保護可能性の包括的な要約は、異なるアッセイからの結果を統合することによって提供される。
注: このプロトコルで使用されるソリューションのレシピについては、 表 1 を参照してください。
1. Caenorhabditis elegans アッセイのための材料の調製
2. PolyQ凝集アッセイ
(1)3. PolyQ媒介性神経毒性アッセイ
(2)
(3)4. レーダーチャートの作成
このトランスジェニックpolyQ株AM141は、その体壁筋細胞においてQ40::YFP融合タンパク質を強く発現している7,21。図1Aに示すように、この株の離散的な凝集体表現型は、この記事で説明する自動イメージングおよび分析プロトコルによって同定することができる。AM141線虫におけるQ40::YFP凝集体の量は、L1段階から48時間後に有意に増加した。しかしながら、この増加傾向は、レンゲ治療によって抑制され(図1B)、polyQ凝集に対するレンゲの保護可能性を実証した。通常、試験サンプルの凝集防止効果を評価するために、Q40::YFP凝集体をカウントする時点として72時間または96時間のいずれかを便利に使用できます。このプロトコールでは、AM141線虫の蛍光凝集体を自動イメージングシステムによって捕捉したが、蛍光顕微鏡もこの目的に使用することができる7。
C.エレガンス株HA759は、その感覚ASHニューロンにおいてGFPマーカーおよびHtn−Q150の両方を発現し、これらのニューロンの進行性喪失および機能不全をもたらす11,13。線虫を2%アガロースパッドに装着してASHニューロン生存率を決定し(図2A)、顕微鏡で可視化してASHニューロンを検出した。線虫の頭部領域における両側ASHニューロンにおけるGFP蛍光の喪失は、ASHニューロン死を示す(図2B)。HA759線虫におけるASHニューロンの生存率は、15°Cで3日間インキュベートした後の対照群において<40%であり、7,20であり、polyQ媒介性神経毒性を示す。したがって、このASHニューロン生存アッセイは、C.エレガンスニューロンに対する試験化合物の効果、例えば、ポリアグリカンではなくレンゲの神経保護効果を視覚的に評価するために使用することができる(図2C)。
行動機能障害はpolyQ疾患の主要な臨床症状であるため、多数のHA759線虫を用いた化学感覚回避アッセイ(図3A)は、polyQ凝集によって媒介されるASHニューロンの機能喪失に対する試験サンプルの影響を調べるための簡略化された試験として設計されています。 図3Bに示すように、未処置対照群におけるHA759線虫の回避指数は〜0.5であり、以前に報告されたものと同様である14。興味深いことに、アストラガランを15°Cで3日間処理した線虫では、回避指数が>0.6に増加し(図3B)、行動障害に対する多糖類の神経保護効果が実証された。
試験化合物の全体的な神経保護能力を評価するために、上記の個々のアッセイからのデータを統合して、複数の表現型のレーダーチャートとして提示することができ、直接比較および直接表示に適したpolyQ表現型の統一的な特徴となる。 図4に示すように、レンゲ処理区における三角形の面積が対照群のそれよりも大きいことは、多糖類の抗polyQ効果を示す。

図1:ポリQ40凝集に対するレンゲの効果(A)レンゲの有無にかかわらず20°Cで96時間処理した後のAM141線虫の代表画像。 蛍光画像(左パネル)は、高含有イメージングおよび分析システムを使用して384ウェルプレートから取得され、Q40::YFP凝集体(右パネル)はシステムによって自動的に同定された。インセットは、polyQ凝集体を示す線虫画像の拡大図である。スケールバー = 500 μm. (B) Q40::YFP 凝集体の定量化。AM141線虫中のQ40::YFP凝集体の数は、20°Cでレンゲの有無にかかわらず治療後4日間、24時間ごとに高含量イメージングシステムを使用してモニターした。 各群の約100〜150匹の線虫を、各時点での凝集体についてスコア化した。結果は、線虫あたりの凝集体の平均数に基づく適合曲線として示されます。略語: polyQ = ポリグルタミン;YFP = 黄色蛍光タンパク質;FITC=フルオレセインイソチオシアネート。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:Htn-Q150媒介性ASHニューロン死に対するレンゲの効果。(b)400倍の倍率を用いたASHニューロン生存および死亡を有するHA759線虫の代表的な顕微鏡写真。スケールバー = 20 μm。HA759線虫を、L1から15°Cで3日間、レンゲの有無にかかわらず処理した後に蛍光顕微鏡を用いて撮影した。(C)polyQ媒介性ASHニューロン死に対するレンゲの保護効果。ポリアココス由来の多糖であるポリアグリカンをコントロールとして用いた。データは、3回の反復のSD±手段として提示され、3つ以上の独立した実験を表す。統計解析は、対照群のデータをレンゲおよびポリアグリカン群のデータと比較するために、ペア化されていない両側t検定を用いて実施した。*p < 0.05;ns = 有意なし。略称:GFP=緑色蛍光タンパク質。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:Htn-Q150媒介性行動機能障害に対するレンゲの効果。(b)回避アッセイの代表的な結果。回避指数は、プレート上の線虫の総数に対するNゾーン内の線虫の割合として定義した。結果は、3つの反復のSD±手段として提示され、3つの独立した実験を表す。回避指数の統計的分析は、ペア化されていない両側t検定を用いて行った。**p < 0.01.この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:アストラガランの全体的な神経保護能力。 3つの異なるアッセイからのデータがOriginProソフトウェアにインポートされ、作成されたレーダーチャートが提示され、polyQによって媒介される複数の表現型に対するレンゲの一般的な効果をプロファイルするために提示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
polyQ凝集およびタンパク質毒性は、ハンチントン病13などのpolyQ障害の重要な特徴であるため、AM141株のpolyQ凝集アッセイ、HA759株のASHニューロン生存アッセイ、およびHA759株の化学感覚回避アッセイを含む、試験化合物の神経保護能力を包括的に評価するために、複数のモデルおよび方法の使用を推奨する。ここに提示されたプロトコールは、polyQ凝集および関連する神経毒性の両方に対する阻害効果を含む、polyQ毒性に対する試験サンプルの神経保護能力を評価するために使用されてきた7,14,15,16,17,19,20、HDおよび他のpolyQ疾患の創薬におけるそれらの可能性を実証している。
ポリQ凝集アッセイにおけるpolyQ凝集体の検出および計数のために、自動化されたイメージングおよび分析システムが導入されています。この方法には、高スループットで時間効率が良いという利点があり、面倒な計数プロセスにおける主観的なエラーが大幅に減少します。384ウェルプレート全体の場合、画像の取得と解析を完了するのに<1時間しかかかりません。しかしながら、従来の顕微鏡撮像法は、自動撮像装置7を用いずに本研究室においても同様の性能を示している。
各時点の典型的なQ40::YFP凝集アッセイでは、1処置あたり合計100〜150個の線虫が推奨され、それぞれ10〜15個の線虫を含む複製ウェルで実施することができる。しかし、L1幼虫は、いくつかの治療またはより高い濃度に対してより敏感であり得ることに留意すべきである。したがって、高用量の試験化合物は、その成長を阻害し、成長が遅いため偽陽性の結果をもたらし、したがって、polyQ凝集が遅れる可能性がある。通常、この懸念に対処し、試験化合物23の適切な濃度範囲を確保するために、食品クリアランスアッセイを行うことができる。
polyQ神経毒性アッセイで使用されるHA759トランスジェニック線虫は、OSM-10::GFPおよびHtn-Q150を共発現し、両側性ASH感覚ニューロンを明確に同定することを可能にする。したがって、ASHニューロン生存率は、GFP発現の有無によって評価される。通常、対照線虫中のASHニューロンの〜40〜75%が23,24死んでいる。興味深いことに、pqe-1(ポリグルタミンエンハンサー-1)のHA759株における遺伝子変異の背景(pqe-1;Htn-Q150)はpolyQ媒介毒性を加速し、15°Cでも3日以内にほとんどのASHニューロンを死に至らしめるため、この株はニューロン生存アッセイのために15°Cで増殖する(以前に報告された23,24)。
HA759線虫におけるASHニューロンの機能的喪失は、細胞死およびタンパク質凝集体の検出前に起こり得る13;したがって、浸透圧回避挙動アッセイは、polyQ媒介毒性の評価に不可欠です。低温での活性の低いHA759線虫の行動実験に対する潜在的な影響を最小限に抑えるために、回避アッセイプレートを、この株を用いたニューロン生存アッセイのように15°Cではなく加湿した23°Cのインキュベーターでインキュベートする。さらに、Htn-Q150/OSM-10::GFPトランスジェニック線虫は鼻触りに非常に敏感であることが報告されています。したがって、ASHニューロン機能の代替検出は、ノーズタッチアッセイ13である。
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
この論文で使用されているプロトコルの開発と改善に協力してくれた黄研究室の元メンバー、特にHanrui Zhang、Lingyun Xiao、Yanxia Xiangに感謝します。この研究は、111プロジェクト(助成金番号B17018)と河北省自然科学財団(助成金番号H2020207002)の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| C. elegans strains | |||
| AM141 rmIs133 [unc-54p::Q40::YFP]< | em>Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | https://cgc.umn.edu/strain/AM141 | |
| HA759 rtIs11 [osm-10p::GFP + osm-10p::HtnQ150 + dpy-20(+)] | Caenorhabditis Genetics Center(CGC) | https://cgc.umn.edu/strain/HA759 | |
| 大腸菌株 | |||
| NA22 | Caenorhabditis (Genetics Center(CGC) | https://cgc.umn.edu/strain/NA22 | |
| OP50 | Caenorhabditis Genetics Center(CGC) | ||
| https://cgc.umn.edu/strain/OP50試薬 | |||
| Agar | Shanghai EKEAR Bio-Technology Co., Ltd. | EQ1001-500G | |
| https://www.ekear.com Agarose | Biowest | 111860 | |
| Butanedione | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 80042427 | https://www.reagent.com.cn/goodsDetail/d027c00e64c9404d9aa41391fbb59 5d0 |
| コレステロール | Sigma-Aldrich | C8667 | https://www.sigmaaldrich.cn/CN/zh/product/sigma/c8667?context=product |
| グリセロール | アラジン(株) | G116203 | https://www.aladdin-e.com/zh_cn/g116203.html |
| Peptone | Guangdong HuanKai Microbial Science and Technology Co., Ltd. (ペプトン広東環凱微生物科学技術有限公司) | 050170B | |
| https://www.huankai.com/show/21074.html アジ化ナトリウム | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 80115560 | https://www.reagent.com.cn/goodsDetail/5e981aa807664e26af 551e96ff5f07cd |
| 水酸化ナトリウム | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 10019718 | https://www.reagent.com.cn/goodsDetail/450dfdb1132a4d8a817 d3d8c68ec25e6 |
| 亜塩素酸ナトリウム溶液 | 広州化学試薬工場 | 7681-52-9 | http://www.chemicalreagent.com/product/DetailProduct.aspx?id=125 |
| Tryptone | Oxoid Ltd. | LP0042B | https://www.thermofisher.cn/order/catalog/product/LP0042B#/LP0042B |
| 酵母エキス | オキソイド株式会社 | LP0021B | |
| https://www.thermofisher.cn/order/catalog/product/LP0021B#/LP0021BEquipment | |||
| 384ウェル細胞培養プレート | ネストバイオテクノロジー株式会社 | 761001 | https://www.cell-nest.com/page94?_l=en&product_id=85 |
| 48ウェル細胞培養プレート | ネストバイオテクノロジー(株) | 748001 | https://www.cell-nest.com/page94?_l=en&product_id=85 |
| 90mmシャーレ | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | F611003 | https://www.sangon.com/productDetail?productInfo.code=F611003 |
| オートクレーブ | パナソニック | MLS-3781L-PC | |
| 解剖顕微鏡 | 慶光学有限公司 | ZSA0745 | http://www.coicuop.com/plus/view.php?aid=64 |
| 蛍光顕微鏡 | 広州マイクロショット光学技術有限公司 | Mshot MF31-LED | https://www.mshot.com/article/442.html |
| ハイコンテントイメージングシステム | Molecular Devices | ImageXpress | |
| https://www.moleculardevices.com/products/cellular-imaging-systems#High-Content-Imaging 微量遠心分離機 | GeneCompany | GENESPEED X1 | https://www.genecompany.com/index.php/Home/Goods/goodsdetails/gid/189.html |
| 顕微鏡デジタルカメラ | 広州マイクロショット光学技術有限公司 (Guangzhou Micro-shot Optical Technology Co., Ltd.) | MS60 | https://www.mshot.com/article/677.html |
| マイクロ波 | 美的(株) | M1-211A | https://www.midea.cn/10000/10000000001 00511264425.html |
| パラフィルムM | シグマ-アルドリッチ | P7793-1EA | https://www.sigmaaldrich.cn/CN/en/product/sigma/p7793?context=product |
| Shaker | Zhicheng Inc. | ZWY-2102C | |
| http://www.zhicheng.net/Product/0865291356.htmlソフトウェア | |||
| 画像取得・解析ソフトウェア | Molecular Devices | MetaXpress | https://www.moleculardevices.com/products/cellular-imaging-systems/acquisition-and-analysis-software/metaxpress |
| OriginPro | OriginLab Corp. | バージョン 9.8.5.204 | 1.ソフトウェア紹介: https://www.originlab.com/index.aspx?go=Products/Origin 2. レーダーチャートの作成方法: https://www.originlab.com/doc/Origin-Help/RadarChart-Graph 3.レーダーチャートを作成するためのビデオチュートリアル:https://www.originlab.com/videos/details.aspx?pid=1813 |