ミクログリア細胞からの精製ミトコンドリアの調製、 N型糖鎖放出のためのミトコンドリアタンパク質の単離、および赤外マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化と高分解能精密質量分析装置質量分析法を組み合わせた細胞内ミトコンドリア糖鎖の迅速な検出のためのプロトコールが開発されました。
ミクログリア細胞からの精製ミトコンドリアの調製、 N型糖鎖放出のためのミトコンドリアタンパク質の単離、および赤外マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化と高分解能精密質量分析装置質量分析法を組み合わせた細胞内ミトコンドリア糖鎖の迅速な検出のためのプロトコールが開発されました。
ミクログリアにおけるミトコンドリアタンパク質のグリコシル化パターンを理解することは、神経変性疾患におけるミトコンドリアタンパク質の役割を決定するために重要です。ここでは、培養ミクログリアから単離されたミトコンドリアタンパク質のグリコミクス分析のための新しいハイスループットな方法論を紹介します。この分析法では、ミクログリア培養物からのミトコンドリアの単離、ミトコンドリアサンプルの品質評価、糖鎖検出を最大化するための最適化されたタンパク質抽出、およびミトコンドリアのグリコシル化の詳細なプロファイルを提供するための赤外線マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化(IR-MALDESI)高分解能精密質量(HRAM)質量分析が含まれます。
このプロトコルは、単離中にミトコンドリアの完全性を維持することの重要性を強調し、抽出後のミトコンドリアの純度の測定など、再現性を確保するために厳格な品質管理を採用しています。このアプローチにより、 in vitroでのさまざまな実験条件下でのミクログリアミトコンドリアのグリコシル化変化の包括的なプロファイリングが可能になり、神経変性疾患に関連するミトコンドリアの変化に関する洞察が得られます。このアプローチは、他の in vitro 治療、他の培養細胞タイプ、または初代細胞に適応できる可能性があります。この標準化されたアプローチを通じて、ミクログリアミトコンドリア糖鎖の理解を深め、神経変性研究の幅広い分野に貢献することを目指しています。
ミクログリアは、脳内に優勢に存在する自然免疫細胞であり、成体脳の細胞の10-15%を占めている1,2。彼らは、受容体のレパートリーを使用して、脳の微小環境を動的に監視し、正常な脳機能を調節して脳の恒常性を維持します3。ミクログリアは、その微小環境の変化に非常に敏感で、病的状態やさまざまな刺激によって細胞の形態、免疫表現型、機能に変化が生じます。ミクログリアの活性化状態は、食作用、サイトカイン産生、組織修復など、その機能に必要な細胞エネルギー需要の影響を受けます。したがって、細胞のエネルギー代謝は、ミクログリア機能の変化を調節する上で重要な役割を果たします4。ミクログリアの調節不全は、炎症誘発性サイトカイン(IL-1β、TNF-αなど)と活性酸素種(ROS)の過剰な放出につながり、脳が神経炎症を起こしやすくなる5,6。慢性的なミクログリアの調節不全とそれに伴う神経炎症環境は、神経変性の基礎を築きます7。
脳は体重のわずか2%を占めていますが、体の総エネルギー消費量の20%を占めています。ミトコンドリアは、脳細胞の主要なエネルギー源であり、急性および慢性の脳障害の病因における主要なプレーヤーとして機能します8。これまでの研究で、老化9やアルツハイマー病などの加齢性疾患10,11におけるミクログリアの活性化と代謝機能障害との間に強い相関関係があることが明らかになっており、細胞の老化と神経変性におけるミトコンドリアの重要な役割が浮き彫りになっています。ミトコンドリアの機能障害は、老化や加齢性疾患の際のエネルギー産生の低下、酸化ストレスの増加、神経炎症の増加につながります。
エネルギー代謝、老化、脳障害におけるミトコンドリアの役割は、広範な研究によって解明されてきましたが、ミトコンドリアの生物学と機能におけるグリコシル化などの一般的な翻訳後修飾の役割については、まだ十分に調査されていません。グリコシル化は、グリコシル化酵素によってグリカンと呼ばれる糖部分がタンパク質に酵素的に付加されるもので、ミクログリアを含むほとんどの脳細胞で最も一般的な翻訳後修飾です。活性化されたミクログリアは、炎症刺激下で細胞内または細胞表面の糖鎖発現を調節することにより、免疫機能を調節します12。刺激後にミクログリアが示す炎症誘発性および抗炎症性応答は、糖鎖によっても調節される13。ミトコンドリアタンパク質にもこれらの糖鎖修飾があり、その機能と局在が制御されています。しかし、ミクログリアにおける細胞特異的なミトコンドリアのグリコシル化パターンの詳細な解析は、細胞内グリコシル化の研究には技術的な課題があるため、不足しています。ミクログリアの表現型の調節におけるグリコシル化の役割は十分に特徴付けられていますが、ミトコンドリア機能の調節、ひいてはミクログリアの細胞免疫表現型における糖鎖の役割については、まだ十分に理解されていません。
ミトコンドリアタンパク質のグリコシル化を調査した研究は限定的であり、主にレクチンに基づくグリコシル化パターンの同定に焦点を当ててきました。レクチンは、生体分子の糖鎖部分に結合する糖鎖結合タンパク質であり、14,15、糖鎖組成に関する詳細な情報を提供する特異性と能力を欠いています。質量分析モダリティは、レクチン分析によってもたらされる分析上の課題を克服するための糖鎖組成の詳細な同定を提供します。そのようなモダリティの1つである赤外線マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化(IR-MALDESI)は、中赤外レーザーを使用して生体試料16に見られる水を共鳴励起し、中性種を脱着させ、それらを直交するエレクトロスプレープルームにさらした後、高分解能精密質量Orbitrap質量分析計を使用して分析するハイブリッドイオン化戦略を採用しています。IR-MALDESIは、組織代謝物の直接分析17でこれまでに実証されており、迅速分析18、軟イオン化法、および塩素化糖鎖付加物19の同位体分布パターンに基づくN-結合型糖鎖のシアル酸含量の予測可能性という明確な利点があります。しかし、このプラットフォームが細胞内糖鎖の直接分析に適応していることは実証されていません。
ここでは、ミクログリア細胞からのミトコンドリア単離、ミトコンドリア N型糖鎖の単離、およびIR-MALDESI質量分析を用いたミトコンドリア N型糖鎖の検出と分析のためのハイスループットプロトコールを報告します。このプロトコルは、ミトコンドリア機能におけるグリコシル化の役割に関する新たな洞察を明らかにするための基礎となり、神経炎症性疾患および神経変性疾患の新たな治療標的を特定する可能性があります。
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1. BV2ミクログリア細胞株培養
2. ミクログリア細胞からのミトコンドリアの単離
注:手順全体を通してすべてを氷の上に保ちながら、迅速に作業します。ミトコンドリア単離に用いるミトコンドリア単離キットは、試薬A(細胞溶解緩衝液)、試薬B(安定化緩衝液)、試薬C(ミトコンドリア洗浄緩衝液)の3つの成分で構成されています。使用直前に試薬Aと試薬Cにプロテアーゼ阻害剤を添加してください。
3. microBCAアッセイを用いたタンパク質推定
注:このプロトコルのタンパク質推定は、異なる試薬とアッセイを使用して実行できます。細胞質タンパク質またはミトコンドリアタンパク質の定量は、アッセイで使用される総タンパク質濃度に対して標準化することで実行できます。
4. ミトコンドリア調製物の品質管理(ウェスタンブロット)
5. ミクログリアからのN型糖鎖抽出のためのミトコンドリアタンパク質の単離
6. IR-MALDESIのためのミトコンドリア N 糖鎖調製
7. IR-MALDESI質量分析法による遊離糖鎖の検出
8. ミトコンドリア N- 糖鎖データ解析
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図1は、質量分析糖鎖分析のためのBV2ミクログリア細胞株からのミトコンドリアの単離に関与するステップの概略図を示しています。ミクログリア細胞の同じ開始密度からの異なるミトコンドリア調製物間のミトコンドリアタンパク質単離の再現性を 図2に示しますが、マイクロBCAアッセイを使用して推定したミトコンドリアタンパク質濃度との間に有意差はありません。
図3は、COX IVおよびGAPDHのウェスタンブロット分析を使用したミトコンドリア単離の純度を示しています。ここでは、プロトコールで使用される試薬ベースの単離の最終ステップで単離されたミトコンドリア画分におけるミトコンドリアタンパク質COX IVの発現が見られます。イムノブロットは、単離されたミトコンドリア画分に顕著なCOX IVバンドを示しますが、GAPDHは同じ曝露で細胞質画分でのみ検出されます。露光時間が長いと、かすかなGAPDHバンドが検出される可能性があ...
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ミクログリアは脳に常在する免疫細胞であり、糖鎖修飾はミクログリアの免疫表現型と機能を調節します。これらの免疫機能は、主にミトコンドリアによって供給される大量の細胞エネルギーを必要とします。特に、ミトコンドリアタンパク質は糖鎖修飾も示しますが、細胞内グリコシル化の研究における技術的課題のために、これは大幅に研究が進んでいません。ミトコンドリアのグリコシル化を調査するほとんどの研究は、レクチンによる糖鎖パターンの同定に依存しています22が、これらのアプローチはレクチンの結合特異性が低いために制限されています。この研究で提示された技術的アプローチの本質的な進歩は、i)ミクログリア細胞からのミトコンドリア N型糖鎖の再現性のある単離、およびii)IR-MALDESI HRAM質量分析法を使用したミトコンドリア N型糖鎖の検出と同定です。ここで説明するワークフローは、ミクログリア細胞の生理学的レベルで発現するミトコンドリア糖タンパク質から遊離した N型糖鎖の検出に関する最初の報告...
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著者は、宣言する利益相反を持っていません。
著者らは、質量分析プロトコルのビデオ録画に協力してくれたNCSUのMuddiman研究室の大学院生であるSeth Eisenbergに感謝します。この研究は、アラバマ大学バーミンガム校の工学部イノベーションフェロープログラムによって部分的に支援され、AG068309はD.J.T.、R01GM087964-12はD.C.M.でした。この原稿の回路図は、BioRenderを使用して描画されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| Amersham 600 イメージャー | Cytvia | 29194217 | ゲルおよびメンブレンイメージャー |
| Countess 3 自動セルカウンター | Fisher Scientific | X003SZ1LY9 | |
| Dry Bath Stdrd 4 blck 100-120V | Thermofisher scientific | 88870003 | |
| i-Blot2 ゲル転写装置 | Invitrogen | IB21001 | ウェスタンブロット転写システム |
| 立顕微鏡 | Cell Treat | 04355223EA | |
| マイクロプレートリーダー | 82050-760 | ||
| ミニゲルタンク | Invitrogen | A25977 | |
| オープンエアロッカー | フィッシャーブランド | 88861025 | |
| ピペットボーイ | BioTek | 229310 | |
| ボルテックスミキサー | Integra- VWR | ||
| strong>ミトコンドリア分離試薬 | |||
| ミトコンドリア分離キット | Thermofisher scientific | 89874 | |
| ホスホターゼ阻害剤 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 1861274 | |
| プロテアーゼ阻害剤 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 1861281 | |
| N-糖鎖単離およびIR-MALDESI試薬 | |||
| 酢酸 | ッシャー サイエンティフィ | A11350 | 50% ESI 溶媒ア |
| セトニトリル | Sigma Aldrich | 34851-4L | 1 mM ESI溶媒中 |
| 炭酸アンモニウム | Fisher Scientific | A643500 | 100 mM |
| 校正液 | Thermofisher Scientific | A39239 | Pierce FlexMix |
| ジチオスレイトール | シグマ アルドリッチ | AC426380100 | 1 M |
| ヨードアセトアミド | シグマ アルドリッチ | A322-10VL | |
| LC/MS グレードの水 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 047146.M6 | |
| PNGase F | ブルドッグ バイオ | NZPP010 | 75000 U/mL、N-糖鎖放出用酵素 |
| N-糖鎖分離およびIR-MALDESI消耗品 | |||
| Amicon遠心フィルターFisher | Scientific | UFC501024 | 10 kDa MWCO |
| 質量分析計 | Orbitrap Exploris 240 | ||
| 中赤外レーザー | JGM Associates、米国マサチューセッツ州バー | ||
| フロンマイクロウェルスライド | Prosolia、インディアナポリス、インディアナ州、米国< | ||
| strong>N-糖鎖分析ソフトウェア | |||
| GlycoMod | エクスパシー | https://web.expasy.org/glycomod/ | |
| GlyConnect | Expasy | https://glyconnect.expasy.org/ | |
| タンパク質単離およびウェスタンブロット消耗品 | |||
| Basix ゲルローディングチップ (10 & micro;L) | Basix | 13-611-102 | |
| Basix ゲルローディングチップ (200 & micro;L) | Basix | 13-611-116 | |
| セル スクレーパー | VWR ラボ | 14-388-100 | |
| i-Blot NC レギュラー スタック | Invitrogen | IB23001 | |
| i-Blot2 PVDF レギュラー スタック | Invitrogen | IB24001 | |
| 10 µL マイクロピペット | Fisher Scientific | FBE00010 | |
| 20 & micro;L マイクロピペット | Invitrogen | FBE00020 | |
| 200 & micro;L マイクロピペット | フィッシャーブランドFBE00200 | ||
| 1000µL マイクロピペット | フィッシャー ブランド | FBE01000 | |
| 10 & マイクロ;Lピペットチップ | VWR ラボ | 76322-528 | |
| 20 µL ピペット チップ | VWR ラボ | 76322-134 | |
| 200 µLピペットチップ | VWR ラボ | 76322-150 | |
| 1000 µL ピペット チップ | VWR ラボ | 76322-154 | |
| ウェル プレート | フィッシャーブランド | 14-388-100 | |
| タンパク質分離およびウェスタンブロット試薬 | |||
| アクチン抗体(宿主:ウサギ) | Cell Signaling Technologies | 8457T | |
| 抗ウサギ IgG HRP Linked | Cell Signaling Technologies | 7074S | |
| Bolt 4-12% Bis-Tris Plus | Invitrogen | NW04120BOX | |
| ウシ血清アルブミン | フィッシャーバイオ試薬 | BP9700-100 | |
| COXIV 抗体 (宿主 : ウサギ) | Cell Signaling Technologies | 4844S | |
| GAPDH 抗体 (宿主 : ウサギ) | Cell Signaling Technologies | 2118S | |
| MicroBCAタンパク質アッセイキット | Thermofisher scientific | 23235 | |
| Nupage MOPS SDS ランニング バッファー [20x] | サーモフィッシャー サイエンティフィック | NP0001 | |
| PAGE 定規染色済みタンパク質ラダー | Thermofisher scientific | 815-968-0747 | 釈=7 µを使用;Lを最初のウェルにロードします |
| 酸緩衝生理食塩水 | Aniara Diagnostics | A12-9423-5 | 10x 粉末から 1x PBS を調製します。 |
| Pierce ECL ウェスタンブロッティング基質 | Thermofisher scientific | 32106 | 化学発光基質キット |
| RIPA バッファー | サーモフィッシャー scientific | 89901 | |
| サンプルバッファー | Novex | B0007 | ボルト LDS サンプルバッファーは、サンプルとサンプルバッファーの比率を 3:1 で調製します |
| Tween-20 | MP Biomedicals | TWEEN201 | |
| 組織培養消耗品 | |||
| Countess Slides | Avantor | 229411 | |
| Eppendorf tubes | Cell Treat | 414004-265612-5884 | |
| 2 mL 吸引ピペット | Vista lab | 5090-0010E | |
| 5 mL 血清学的ピペット | フィッシャーサイエンティフィ | 13-678-11D | |
| 10 mL 血清学的ピペット | Basix | 13-678-11E | |
| 25 mL血清ピペット | Vista lab | FB012937 | |
| 50 mL血清ピペット | Vista lab | 14955233 | |
| 15 mL コニカルチューブ | Avantor | 229225A | |
| 50 mLコニカルチューブ | 治療 | 4190-0050 | |
| T-75 cm2 組織培養フラスコ | Fisher Scientific | FB012937 | |
| T-180 cm2 組織培養フラスコ | Fisher Scientific | FB012939 | |
| 組織培養試薬 | |||
| BV2ミクログリア細胞株 | クリエイティブバイオアレイ | CSC-I2227Z | C57/BL6 新生児ミクログリアに由来する不死化マウスミクログリア (BV2 ); |
| 細胞解離酵素 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 12563029 | トリップLE |
| ダルベッコの修正イーグル培地 (DMEM) 低グルコース培地 | Gibco | 10567014 | |
| ウシ胎児血清 | Cytiva | SH30071.03HI | |
| 最小必須培地 (MEM) 非必須アミノ酸 | Gibco | 11140050 | |
| ペニシリウム ストレプトマイシン | Cytivia | SV30010 | |
| リン酸塩緩衝液生理食塩水 | Corning | 21-040-CV | |
| トリパンブルー染色剤 0.4% | Invitrogen | T10282 |
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