ここでは、レーザーマイクロダイセクションを介してヒトの死後黒質緻密組織から神経メラニン顆粒を分離するための堅牢なプロトコルを示します。この改訂および最適化されたプロトコルは、サンプル収集に必要な時間を大幅に最小限に抑え、必要なサンプル量を削減し、LC-MS/MS分析によるタンパク質の同定と定量を強化します。
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ここでは、レーザーマイクロダイセクションを介してヒトの死後黒質緻密組織から神経メラニン顆粒を分離するための堅牢なプロトコルを示します。この改訂および最適化されたプロトコルは、サンプル収集に必要な時間を大幅に最小限に抑え、必要なサンプル量を削減し、LC-MS/MS分析によるタンパク質の同定と定量を強化します。
ニューロメラニンは黒褐色がかった色素であり、 黒質のドーパミン作動性ニューロンのいわゆるニューロメラニン顆粒(NMG)に存在する。NMGには、ニューロメラニン以外にも、さまざまなタンパク質、脂質、金属が含まれています。パーキンソン病やレビー小体型認知症などの神経変性疾患では、NMGsを含むドーパミン作動性ニューロンが優先的に失われますが、NMGの形成メカニズムや健康や病気におけるNMGの役割についてはほとんど知られていません。したがって、NMGの分子特性評価に関するさらなる研究が不可欠です。残念ながら、タンパク質の単離のための標準的なプロトコルは、密度勾配超遠心分離に基づいているため、大量のヒト組織が必要です。したがって、自動レーザーマイクロダイセクション(LMD)ベースのプロトコルがここで確立され、偏りのない自動化された方法で最小限の量の組織を使用してNMGおよび周囲の 黒質 (SN)組織の収集が可能になります。その後、摘出されたサンプルを質量分析法で分析し、プロテオミクス組成を解読します。このワークフローでは、2,079のタンパク質が同定され、そのうち514のタンパク質がNMGで、181のタンパク質がSNでのみ同定されました。現在の結果は、両方のプロテオームで87.6%の重複に達する同様のLMDベースのアプローチを使用した以前の研究と比較され、ここに提示された改訂および最適化されたプロトコルの適用性を検証しました。現在の知見を検証するために、目的のタンパク質を、並行反応モニタリング(PRM)実験などの標的質量分析法で分析しました。
すべての組織は、異なる細胞タイプの不均一な混合物で構成されていますが、より正確な特性評価には、多くの場合、1つの細胞タイプの特異的分離が不可欠です。顕微鏡とレーザーアプリケーションを組み合わせたレーザーマイクロダイセクション(LMD)は、複雑な複合材料から組織領域、単一細胞、または細胞下部構造を特異的に分離するための強力なツールです。質量分析(LMD-MS)と組み合わせたLMDの適用は、DNA1、RNA2、タンパク質3,4,5の単離を含むいくつかの研究課題に対してすでに成功裏に実施されています。このプロトコルでは、パーキンソン病の新しい病態メカニズムを解読するために、ヒトの死後脳組織および細胞内成分のプロテオミクス分析のために、改訂および最適化されたLMD-MSプロトコルが説明されています。
ニューロメラニンは、黒質コンパクタ6のカテコールアミン作動性のドーパミン産生ニューロンに見られる黒色のほぼ不溶性の色素です。タンパク質や脂質とともに、ニューロメラニン顆粒(NMG)と呼ばれる二重膜に囲まれたオルガネラ様顆粒に蓄積します7,8,9。NMGは、老化プロセス中に量と密度が増加するヒトの3歳から観察することができます10,11。今日まで、ニューロメラニン形成に関する明確な仮説はありませんが、1つの仮定は、ニューロメラニンがドーパミン12の酸化によって形成されるというものです。他の仮説は、ニューロメラニン(例えば、チロシナーゼ)の酵素的産生に基づいている13。ニューロメラニン自体は、脂質、毒素、金属イオン、農薬に対して高い結合親和性を有することが判明した。これらの知見に基づいて、NMGの形成は、有毒および酸化性物質の蓄積および環境毒素から細胞を保護すると仮定されている14,15。この神経保護機能に加えて、ニューロメラニンが、例えば、鉄飽和およびそれに続くフリーラジカルの触媒作用によって、神経変性作用を引き起こす可能性があるという証拠がある16,17。さらに、神経変性プロセス中に放出されるニューロメラニンは過酸化水素によって分解される可能性があり、これは以前にニューロメラニンに結合していた反応性金属および他の毒性化合物による壊死を加速し、神経炎症および細胞損傷に寄与する可能性がある18。しかし、これまで、パーキンソン病の経過のような神経変性過程におけるNMGの正確な役割は明確に理解されていません。それでも、NMGはパーキンソン病の病因に関与しているようであり、神経変性におけるNMGの役割を解明するには、NMGの特定の分析が最も重要です。残念なことに、一般的な実験動物(例えば、マウスおよびラット)および細胞株はNMGを欠いている19。したがって、研究者は特に分析のために死後の脳組織に依存しています。過去には、密度勾配遠心分離によるNMG単離は、大量の黒質組織の利用可能性に依存していました20,21。今日、LMDは、ヒトの脳サンプルからNMGを特異的に分離し、LC-MS/MSで分析するための汎用性の高いツールを提供しています。
このプロトコルでは、NMGおよび周辺組織(SN)の単離のために、以前のプロトコル22 の改良および自動化バージョンが提示され、より速いサンプル生成、より多くの同定および定量されたタンパク質、および必要な組織量の大幅な削減を可能にする。
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人間の脳組織の使用は、ドイツの規制とガイドラインに従って、ドイツのルール大学ボーフムの倫理委員会(ファイル番号4760-13)によって承認されました。このプロトコルは、商業的に入手した 黒質コンパクタ 組織スライスに適用されています。提示されたプロトコルの概要を 図1に示します。
1.組織切片
2. レーザーマイクロダイセクションと圧力カタパルト
注:ニューロメラニン顆粒は黒茶色がかった色のために染色なしで見えるため、このプロトコルでは染色は必要ありません。それにもかかわらず、必要に応じて、異なる染色手順をこのプロトコルと組み合わせることができます。ブロッキング溶液または抗体の使用は、LC-MS/MS分析に影響を与えることに注意してください。
3.トリプシン消化
4. 高速液体クロマトグラフィー・質量分析
注:以下の高速液体クロマトグラフィー(HPLC)質量分析(MS)分析は、ここで使用するトラッピングカラムデバイスと質量分析計を備えた特定のLCシステム用に最適化されています( 材料表を参照)。他のLCおよびMSシステムでは、パラメータの適応が推奨されます。
5. MaxQuantを用いたプロテオミクス生データの解析
メモ: MaxQuant パラメータの詳細については、 補足表 2 を参照してください。以下に簡単に説明します。
6. ペルセウス座を用いた統計解析
7. 選択したタンパク質の検証
注:MSデータの検証に一般的に使用される方法は、免疫学的染色やウェスタンブロットなどです。色が濃く、ニューロメラニンが自家蛍光を発するため、西洋ワサビペルオキシダーゼ抗体または蛍光色素結合抗体によるニューロメラニン顆粒内のタンパク質の免疫学的染色は適用できません。ウェスタンブロット解析では、非常に大量の 死後 組織が必要になります。したがって、選択されたタンパク質は標的質量分析によって検証され、この場合、並行反応モニタリング(PRM)実験が設定されました。
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NMGおよびSN組織の特異的分離は、このプロトコルの適用を成功させるための最も重要なステップです。ベンダーが提供するLMDソフトウェアの 視野分析 機能を使用すると、NMGを色に応じて自動的に選択できます。したがって、NMGを含む組織領域(図2A)を特定し、色の閾値を調整した視野分析を実行して、NMGを標識する必要があります(図2B)。100μm²未満の領域をカバーする物体をフィルタリングした後は、NMGのみが分離のためにラベル付けされたままになります(図2C)。標識されたNMGの正確な分離は、レーザー設定を調整した後に達成されます(図2D)。NMGの単離後(図2E)、プロテオミクスプロファイルの比較のためにSN組織を50倍の倍率で選択し(図2F)、...
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LMDは、特定の組織領域、単一細胞、または細胞内構造の単離に広く適用可能な技術です。ここで提示された改訂および自動化されたプロトコルでは、この技術は、神経メラニン顆粒(NMG)およびNMG周辺組織(SN)の特異的単離に適用されます。これまで、人間の 死後 脳組織からNMGを分離するための2つの異なるアプローチが公開され、広く使用されていました。
a)黒質組織20の1gを消費する不連続スクロース勾配。人間の死後黒質組織はまれであり、いくつかの研究課題で高い関心が寄せられているため、残念ながら、患者ごとに大量の組織が必要な場合、大規模なコホート研究を設定することは非常に困難です。したがって、このアプローチは、NMGs26の十分な単離に必要な組織量を0.15gに低減することをさらに改善した。しかし、それでも、完全な黒質化の少なくとも半分が必要でした。
b)LMDを使用...
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著者は利益相反を宣言しません。
この作業はdeによってサポートされました。NBI、ドイツ連邦教育研究省(BMBF)(助成金番号FKZ 031 A 534A)およびP.U.R.E.(ヨーロッパ内のタンパク質研究ユニットルール)およびタンパク質診断センター(ProDi)のプロジェクト、どちらもドイツのノルトラインヴェストファーレン州のイノベーション科学研究省からの助成金。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1,4-ジチオスレイトール | AppliChem | A1101 | |
| アセトニトリル | メルク | 1.00029.2500 | |
| 重炭酸アンモニウム | Sigma-Aldrich | A6141 | |
| ギ酸 | Sigma-Aldrich | 56302 | |
| ヨードアセトアミド | AppliChem | A1666,0100 | |
| マイクロチューブ 500 | カールツァイス | 415190-9221-000 | |
| Orbitrap Fusion Lumos Tribrid 質量分析計 | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBHQ | |
| PALM MicroBeam | Zeiss | 494800-0014-000 | |
| PEN Membrane slide | Carl Zeiss | 415190-9041-000< | |
| em>substantia nigra pars compacta tissue slices | Navarrabiomed Biobank (Pamplona, Spain) | ||
| トリフルオロ酢酸 | メルク | 91707 | |
| トリプシン シーケンシング グレード | Serva | 37283.01 | |
| アルティメット 3000 RSLC ナノ LC システム | サーモフィッシャーサイエンティフィック | ULTIM3000RSLCNANO | |
| ソフトウェア名 | strong>Weblink/Company | Version | |
| FreeStyle | モフィッシャーサイエンティフィック | 1.6 | |
| MaxQuant | https://www.maxquant.org/ | 1.6.17.0 | |
| PALMRobo | Zeiss | 4.6 pro | |
| Perseus | https://www.maxquant.org/perseus/ | 1.6.15.0 | |
| Skyline | https://skyline.ms/project/home/software/Skyline/begin.view | 20.2.0.343 | |
| XCalibur | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 4.3 |
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