この研究は、繊毛形成の細胞モデルにおけるSHHアゴニストを用いた一次繊毛媒介性ソニックヘッジホッグ(SHH)シグナル伝達経路活性化のための定量的PCRベースのアッセイを実証しています。
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この研究は、繊毛形成の細胞モデルにおけるSHHアゴニストを用いた一次繊毛媒介性ソニックヘッジホッグ(SHH)シグナル伝達経路活性化のための定量的PCRベースのアッセイを実証しています。
繊毛症とは、微小管ベースの細胞突起である運動性または非運動性(一次性)繊毛の構造または機能の異常により生じる、多系統性および多遺伝子性のヒト疾患および障害の集合体を指します。一次繊毛(PC)は、ほとんどのヒト上皮組織および内皮組織に存在し、ソニックヘッジホッグ(SHH)シグナル伝達を含む生理学的シグナル伝達のハブとして機能します。さまざまな状況でPCの機能を調べる必要がありますが、これは、PCによってほぼ独占的に媒介される標準的なSHHシグナル伝達経路を測定することによって達成される可能性があります。ここでは、主にPCを含む静止期のhTERT-RPE1(またはRPE1)細胞におけるSHH経路遺伝子の転写レベルを測定するための定量的PCR(qPCR)ベースの技術が開発されています。RPE1細胞の静止は、48時間の血清飢餓によって達成されますが、SHH経路の活性化は特定のアゴニストによって促進されます。この細胞培養ベースのアッセイは、追跡が容易で感度が高いです。繊毛RPE1細胞におけるこのアッセイの成功した実証は、さまざまな繊毛障害に関連する可能性のある1つまたは複数の遺伝子の遺伝的またはエピジェネティックな変化に対するPCの適切な機能を調べるin vitro アッセイとしてのその計り知れない可能性を示しています。
繊毛は、細胞表面からの微小管ベースの膜被覆突起であり、基底体1上に組み立てられています。脊椎動物では、運動性と非運動性の2種類の繊毛が観察されます。運動性繊毛は特殊な組織に位置し、運動性を与えます。非運動性の一次繊毛(PC)は、ほとんどの脊椎動物細胞に存在し、感覚機能を果たし、細胞外環境から細胞内部に重要なシグナルを伝達します2。組み立てられると、毛様体伸長は、キネシン(順行性運動)とダイニン-IIモータータンパク質(逆行性運動)によって駆動される貨物を運ぶ双方向輸送システムである鞭毛内輸送(IFT)機械によって助けられます3,4。運動性繊毛または一次繊毛の構造的または機能的欠陥は、繊毛症と総称される多数の多系統性ヒト疾患につながる可能性があります5,6。
PCは、Wingless(Wnt)、G-protein-coupled receptors(GPCR)、receptor-tyrosine kinases(RTK)、Transforming growth factor β of s(TGFβ)、Platelet-derived growth factor(PDGF)シグナル伝達など、さまざまな発生シグナル伝達プロセスのハブとして機能します7,8。哺乳動物では、ソニックヘッジホッグ(SHH)シグナル伝達は重要なものであり、PC9,10,11を含む細胞内では、ほぼ独占的にPCによって形質導入されます。PCの構造または機能の異常は、先天性心疾患、多発性嚢胞腎、頭蓋顔面異常、網膜ジストロフィーなどの疾患、およびバルデ・ビードル症候群(BBS)、ジュベール症候群(JBTS)、アルストロム症候群、ジューヌ窒息性胸部異形成(JATD)などのいくつかのまれな疾患に関連するシグナル伝達経路の減衰につながります12,13,14,15.これらのほとんどは上皮組織または内皮組織の多遺伝子性疾患であり、これらの疾患の早期診断と治療に課題をもたらします。このような変異が細胞培養モデルにおけるPC媒介シグナル伝達の減弱にどのように寄与するかを明らかにすることは、そのシグナル伝達経路の分子的複雑さについての洞察を提供するだけでなく、さまざまな繊毛症の診断を容易にし、治療的介入を示唆する可能性があります。この概念により、ヒトテロメラーゼ逆転写酵素 (hTERT) 不死化網膜色素上皮細胞 (hTERT-RPE1、ここでは RPE1) における PC 媒介性 SHH シグナル伝達経路の変化を決定するための定量的 PCR (qPCR) ベースのアッセイが開発されています。RPE1細胞は、RPE1細胞の非同期増殖培養物におけるわずか15%〜18%の繊毛と比較して、これらの細胞の約75%〜80%が血清飢餓(無血清培地中で細胞をインキュベート)すると24〜48時間PCを組み立てるので、繊毛形成の細胞モデルとして広く使用されている、ほぼ二倍体、非形質転換ヒト細胞である16。
ハリネズミシグナル伝達(HH)は、胚発生のために脊椎動物間で保存されています17。哺乳類では、ソニック(SHH)、インディアン(IHH)、デザート(DHH)の3種類のヘッジホッグシグナル伝達が見られ、そのうちSHHとIHHは組織レベルで重複する機能を示しています11。SHHシグナル伝達は、神経系における四肢のパターン形成および細胞型の仕様を調節し、成体組織の恒常性を維持することにより、胚発生において重要な役割を果たす10,11,18。SHHシグナル伝達は複雑ですが、標準的なSHHシグナル伝達がPC7,11,19に依存しており、これはGli転写因子(Gli1、Gli2、およびGli3)の集合機能によって媒介されていることを示唆する証拠が増えています。HHシグナル伝達とPCは共進化しており、重要なシグナル伝達成分が繊毛先端のコンパクトなボリュームに集中して、低いリガンド比に対する効果的な応答を可能にしていることが示唆されています11。
SHHリガンドがない場合、PCメンブレンに局在するPatched1(Ptch1)は、脂質輸送が関与している可能性が高いよく理解されていないメカニズムを通じてSmoothened(Smo)の活性を阻害し、経路を抑制したままにします7,20。G共役タンパク質受容体であり、システムの負の調節因子である構成的に活性な繊毛GPR161は、プロテインキナーゼA(PKA)21の活性を増加させる高レベルの繊毛環状AMP(cAMP)を保持し、PKA7の繊毛局在を維持することにより、抑制が維持されることを保証します。PKA活性は、カゼインキナーゼ1(CK1)およびグリコーゲンシンターゼキナーゼ3 β(GSK3β)とともに、PC内のGliタンパク質Gli2およびGli3の複数の残基をリン酸化します。Gli2およびGli3は、標的遺伝子の転写の活性化因子および抑制因子の両方として作用することができます。PKAを介したリン酸化は、Gli2の活性化因子機能の阻害を引き起こすが、リン酸化されたGli3はプロテアーゼによって切断され、リプレッサー形態のGli3R22を生成する。全体として、SHH標的遺伝子の発現はそのような条件で抑制されます。
SHHリガンドが存在すると、Ptch1が結合し、GPR161がPCから出て、Gタンパク質共役受容体(GPCR)キナーゼ2(GPRK2)とCK1によってリン酸化されたSmoは、β-アレスチンと微小管モーターKIF3A23とともにPCに輸送されます。これと協調して、毛様体先端でのGli2/3、Suppressor of Fused(SUFU)、およびKif7の局在化が促進され、Gli2/3切断の減少と関連し、それによってGli2/3の活性化因子機能が向上します24,25。活性化されると、Gli2/3は、活性化因子としてのみ機能できるGli1の発現を誘導し、それによりSHH経路22の応答を増幅する。SHHのPtch1への結合は、CAM関連/がん遺伝子によるダウンレギュレーション(CDO)、CDOの兄弟(BOC)、増殖停止特異的1(GAS1)、および低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質2(LRP2)によって促進されます。逆に、ヘッジホッグ相互作用タンパク質(HHIP)は、SHHと直接相互作用することでSHHを隔離することができ、また、SHH26と相互作用することでPtch1と競合します。重要なことは、GLI1、HHIP、およびPTCH1はSHH経路の活性化時に転写されるのに対し、最後の2つはSHH経路の負の調節に関与することです。
以前の研究では、SHH標的遺伝子の転写レベルを測定してSHH経路を評価することができることが示されたが、それは異なる細胞タイプで有意に異なる可能性がある27,28。SHH経路応答のこのような変動は、PCが介在するSHHシグナル伝達と細胞膜により媒介されるSHHシグナル伝達の異なる組み合わせに起因する可能性があり、おそらくPCが存在しない。SAGは、この方法で使用されるSmoアゴニストであり、主に繊毛のある血清飢餓状態のRPE1細胞におけるSHHシグナル伝達の活性化を模倣します。HHIP、GLI1、PTCH1などのSHH標的遺伝子と非標的遺伝子SMOの転写レベルを、コントロール細胞とSAG処理細胞でqPCRを使用して測定し、SHH経路の活性化を決定するために比較しました。この細胞培養ベースの高感度アッセイによるPC媒介SHHシグナル伝達の測定の成功例は、一次繊毛機能に関連する生物医学研究への有望な応用を示唆しています。
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1. 細胞培養
2. 細胞増殖、血清飢餓、SAG治療
3. 細胞コレクション
4. 全RNAおよびcDNAの調製
5. 定量PCR
6. 蛍光顕微鏡を用いた免疫染色と画像取得
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PCを介したSHHシグナル伝達経路の活性化は、PC7の適切な機能を理解する方法です。ここでは、主に繊毛のあるRPE1細胞におけるSHH経路のSAG媒介活性化時に、RT-qPCRアッセイを用いてSHH経路標的遺伝子の相対発現を測定します。SHH経路の直接的な転写出力であるGLI1およびPTCH1は、この経路11の活性を測定するために頻繁に使用されます。このプロトコルには、SHH経路によって調節されているHHIP転写産物も含まれています。SMOはSHH経路の直接の標的ではないため、SMOの転写レベルはSHH経路の活性化によって変化することはなく、したがってコントロールとして使用されます。β-ACTINは、血清飢餓状態のRPE1細胞におけるSAG刺激によってそのレベルが変化しないため、正常化に使用されました(データは示されていません)。
この場合、RPE1細胞を繊毛形成の誘導のために血清飢餓培地で48時間インキュベートした。最後の 24 時間の間に、細胞を SAG またはコントロール溶媒 DM...
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PCの機能を調べることは、PCの機能不全に関連する繊毛と疾患または障害のダイナミクスを理解するための重要なステップです。繊毛マーカーまたは蛍光色素タグ付き繊毛構造成分の免疫染色による繊毛検査とは別に、PCの機能は、蛍光顕微鏡27,31を使用して組織および細胞におけるSmoの毛様体転座を測定することにより、標準的なSHH経路活性化をアッセイすることによって一般的に決定される。ここで説明するRT-qPCRベースのアッセイは、適切な毛様体の機能の尺度として、SAG刺激に応答したPC媒介性SHHシグナル伝達の変化を検出します。明らかに、これはこのプロトコルの最も重要なステップです。細胞培養におけるSHH経路転写レベルを評価するための同様の方法は、SHH経路が異なる細胞タイプでどのように異なり、血清飢餓培地で48時間27インキュベートしたときにPC含有細胞の割合が最も高いNIH3T3マウス線維芽細胞およびヒトRPE1...
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著者らは、競合する金銭的利益がないことを宣言します。
この研究は、インド政府のバイオテクノロジー省(DBT)によるSMへのRamalingaswamiフェローシップと、インド政府の科学工学研究委員会(SERB)からSMへの研究助成金(CRG / 2020 / 004042)によってサポートされています。PHのフェローシップは、インド政府の大学助成委員会(UGC)が後援しています。著者らは、プレジデンシー大学健康科学研究所RNABio研究室のChandrama Mukherjee博士とAvik Mukherjee氏に、それぞれqPCR機器へのアクセスと機器のトレーニングに心から感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| DMSO、滅菌フィルター | Sigma | D2650 | |
| ロバ、抗マウス IgG (H+L) Alexa Fluor 488 | ThermoFisher Scientific | A21202 | |
| ロバ、抗ウサギ IgG (H+L) Alexa Fluor 568 | ThermoFisher Scientific | A10042 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco、ThermoFisher Scientific | 41965039 | |
| ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水(DPBS) | Gibco、ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
| Fetal Bovine serum (FBS) | Himedia | RM1112 | |
| 蛍光顕微鏡、60倍対物 | Zeiss | Axio observer colibri 5 | |
| hTERT-RPE1 cells | ATCC | CRL-4000 | |
| iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad Laboratories | 1708891 | |
| Mouse, monoclonal anti-acetylated tubulin antibody | Milipore Sigma-Aldrich | T7451 | 最終希釈 1:1000 |
| Penicillin-Streptomycin, 100X | Gibco, ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
| 定量 PCR マシン、CFX 96 | Bio-Rad Laboratories | ||
| Rabbit、ポリクローナル Arl13B 抗体 | ProteinTech | 17711-1-AP | 最終希釈 1:250 |
| ウサギ、ポリクローナル Cep135 抗体 | ProteinTech | 24428-1-AP | 最終希釈 1:500 |
| SlowFade gold 退色防止剤 | ThermoFisher Scientific | S36940 | |
| スムスナイズアゴニスト(SAG) | Abmole | M4865 | ストック溶液: DMSO、5 mM |
| SsoAdvanced Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad Laboratories | 1725271 | |
| TRIzol Reagent | Invitrogen | 15596026 | |
| TrypLE | Gibco、ThermoFisher Scientific | 12605028 |
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