ニューロン膜プロテアソーム (NMP) は、触覚、痛み、かゆみの知覚の重要な調節因子として、体性感覚ニューロンのサブセットで最近同定されました。この記事では、細胞ソーティング、トランスクリプトームプロファイリング、および培養ベースの免疫蛍光分析を使用して、細胞型特異的NMPの発現と機能を分析するための堅牢なワークフローを紹介します。
Method Article
ニューロン膜プロテアソーム (NMP) は、触覚、痛み、かゆみの知覚の重要な調節因子として、体性感覚ニューロンのサブセットで最近同定されました。この記事では、細胞ソーティング、トランスクリプトームプロファイリング、および培養ベースの免疫蛍光分析を使用して、細胞型特異的NMPの発現と機能を分析するための堅牢なワークフローを紹介します。
感覚ニューロンのシグナル伝達は機能的なプロテアソームに依存し、それらの細胞内局在化は機能に影響を与えます。特殊なプロテアソーム複合体であるニューロン膜プロテアソーム (NMP) は、末梢体性感覚ニューロンの亜集団で最近同定されました。NMPは、体細胞の原形質膜と近位軸索と遠位軸索の両方にのみ局在します。単一細胞 RNA シーケンシング (scRNA-seq) により、通常の状態では、NMP が主に MrgprA3+ および Cysltr2+ ニューロンで発現し、機械的、かゆみ、および痛みの感覚を媒介することが明らかになりました。マウスの足の皮膚における急性の選択的NMP阻害は、熱感覚に影響を与えることなく、機械的および痛みの感受性を低下させました。特に、全体的なプロテアソーム阻害とは異なり、選択的 NMP 阻害は神経障害を引き起こしません。インビトロ研究では、NMPがシグナル伝達ペプチドの放出を通じてニューロン間のコミュニケーションを促進し、刺激に対する正常なニューロン反応に不可欠であることが示唆されています。これらの発見により、NMP が正常な触覚、痛み、かゆみの感覚に必要な感覚ニューロンのクロストークの重要な調節因子であることが特定されました。したがって、NMP は疼痛管理の潜在的なターゲットとなります。この記事では、抗体摂食と蛍光活性化細胞選別(FACS)を使用して、NMP発現ニューロン集団と非NMP発現ニューロン集団の両方を単離する方法を紹介します。これらの集団は、scRNA-seqによる細胞型特異的発現プロファイリングや、NMP発現動態の培養ベースの分析に適しています。これらの方法を組み合わせることで、NMP 発現動態と痛みに関連する疾患状態への寄与を調査するための堅牢なワークフローが提供されます。
プロテアソーム機能は、末梢神経系(PNS)1,2,3,4,5,6の最適な発達と維持に不可欠です。プロテアソーム阻害剤を使用した in vitro および in vivo の両方の研究では、プロテアソーム活性が神経発達、髄鞘形成、興奮性、およびグリア細胞機能に重要であることが実証されています 7,8,9,10。さらに、プロテアソーム阻害剤ベースの化学療法は、患者の30〜60%に痛みを伴う神経障害を誘発し、多くの場合、慢性的な痛みと四肢の感覚の変化を特徴とします8,9,11,12,13。興味深いことに、これらの同じ阻害剤の低用量投与は、痛みを伴う刺激に対する感受性を低下させ、感覚処理におけるプロテアソームの複雑な役割を示唆しています6,14,15。しかし、これらの広範な研究にもかかわらず、PNS におけるプロテアソームの特定の機能は十分に理解されていません。
プロテアソームは、生命のあらゆる領域における主要なタンパク質分解機構であり、タンパク質の恒常性を維持するために不可欠です16。20Sコアプロテアソームは、α、β、β、αサブユニットの4つのヘプタマ環で構成され、ユビキチン非依存性タンパク質分解を媒介します17,18。調節粒子との結合は、ユビキチン依存性タンパク質分解を媒介する26Sおよび30Sキャップ付きプロテアソームを形成します4,17。ニューロンでは、プロテアソームはすべての細胞コンパートメントで同定されており、それらの細胞内局在は機能に影響を与えることが知られています19。しかし、一般的に使用されるプロテアソーム阻害剤の多くは、差次的に局在するプロテアソーム集団を選択的に標的とする特異性を欠いています。
実際、非透過性細胞における膜不透過性プロテアソーム阻害剤および抗体標識を用いて、ニューロン特異的プロテアソーム複合体が体性感覚ニューロンのサブセットにおいて原形質膜に局在することが判明した20。プロテアソームサブユニットに対する抗体摂食とFACSソーティングを介してNMP+およびNMP-集団に分離された初代後根神経節(DRG)ニューロンのscRNA-seq解析により、転写的に異なる20の細胞クラスター20が得られました。さらなる分析により、NMP+ 細胞は 20 個のクラスターのうち 3 個にのみクラスター化していることが明らかになりました。特定のニューロンサブタイプの遺伝子マーカーセットを使用して、13の異なる体性感覚ニューロンサブタイプが同定されました20。NMP+ ニューロンの大部分は、MrgprA3+ および Cysltr2+ 感覚ニューロンとクラスター化しました20。最小数のNMP +細胞が3番目のクラスターにクラスター化され、特定の遺伝子セットが同定されなかったため、このクラスターは割り当てられずに残されました20。MrgprA3+ および Cysltr2+ ニューロンは、熱、機械的、および掻痒性刺激に敏感な C 型侵害受容器であり、それぞれ CGRP-θ および SST ニューロンのサブタイプ21,22 に対応します。同定された20の細胞クラスターのうち、7つのNMPクラスターは、シュワン細胞、サテライトグリア、免疫細胞などの非ニューロン細胞と一致する遺伝子マーカーを発現し、20も割り当てられていませんでした。DRGニューロン培養中に非ニューロン細胞とニューロン細胞を分離することは不可能であるため、これらの細胞集団は予想されていました20。
その機能を調査すると、NMP の in vitro 阻害は、KCl、ヒスタミン、および αβ-メチレンアデノシン 5'-三リン酸刺激に対するニューロンの興奮性を変化させました20。In vivoでは、NMP阻害は、熱感覚に影響を与えずに、機械的および痛みの刺激に対する感受性を低下させました20。これらの発見は、NMP が機械的、痛み、およびかゆみの感覚の重要な調節因子であり、疼痛管理の潜在的な治療標的であることを示しています20。しかし、NMP 活性とさまざまな疾患状況にわたる疼痛の発症を結びつける具体的なメカニズムは、依然としてよくわかっていません。したがって、痛みおよび神経障害関連疾患における NMP 発現動態と機能に関するさらなる調査が必要です。
この記事では、NMP+ DRGニューロン集団を同定および単離するための堅牢なワークフロー(図1)について説明します。このアプローチにより、FACSソーティング、scRNA-seq、および免疫染色を使用して、NMP発現動態の細胞型特異的な調査が可能になります。これらのアプローチにより、細胞型特異的な方法で NMP 発現の高分解能分析が可能になり、正常およびさまざまな痛みに関連する状態における NMP の役割を調査するために使用できます。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
実験動物を使用して記述されたすべての方法は、シカゴのロヨラ大学ストリッチ医学部の施設動物管理および使用委員会 (IACUC) によって承認されました。
1. 消化液、DRG培地、FACS培地の調製
2. 単一細胞DRGニューロン懸濁液の調製
3. NMP陽性ニューロンを標識するための抗体供給
4. FACSソーティングによるNMP陽性(NMP+)およびNMP陰性(NMP-)ニューロンの分離
5. NMP+およびNMP-ニューロンの単一細胞RNAシーケンシング
6. 濃縮NMP+およびNMP-ニューロンの初代培養
7. 細胞型特異的NMP発現解析
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
NMP と細胞内プロテアソームを区別する能力は、膜不透過性標識アプローチに依存しています。抗体摂食により、生きたニューロンにプロテアソームサブユニット特異的抗体を使用して、細胞の外部からのみアクセスできるプロテアソームを標識することができます。抗体は、そのサイズと親水性のために、無傷の細胞膜を通過することができません24。生きたニューロンは膜の完全性を維持し、抗体が細胞に侵入するのを防ぎます。このアプローチを使用すると、NMPを確実に標識し、それを発現するニューロン(NMP+)と発現しないニューロン(NMP-)を区別することができます(図2A)。二次抗体標識のみを受けた対照細胞は、NMP標識を示しません(図2B)。さらに、この方法は、DRGニューロンの亜集団のみがNMPを発現することを示しています。さらなる研究のためにDRGニューロンをNMP +
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
プロテアソームはすべての細胞に不可欠であり、細胞全体のすべてのコンパートメントに見出すことができます19。中枢25、26、27および末梢20 神経系のニューロンにおける特殊なプロテアソーム複合体である NMP の最近の発見により、プロテアソームの機能に関する現在の理解が変わりました。以前の研究では、NMPが感覚ニューロン間のクロストークを媒介して、機械的、痛み、およびかゆみの感覚に対する感受性を調節するシグナル伝達プロテアソームとして機能することが示されています20。NMPは細胞質20Sプロテアソームと構造的に同一であるようであり、その機能的独自性はその膜局在から生じることを示唆しています20。N...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
著者は、利益相反がないことを宣言します。
E.V.Lは、ロヨラ大学シカゴ・ストリッチ医学部のスタートアップ資金によって支援されました。FACSに関するアドバイスと支援をしてくれたRobert Laddに感謝したいと思います。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1 M HEPES緩衝液、pH 7.3 | 品質生物学 | 118-089-721 | FACSバッファ |
| 10 倍の PBS | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 70011-044 | FACSバッファ |
| 16% パラホルムアルデヒド (PFA) 原液;EMグレード | EMS対応 | 15710 | 固定液 |
| 1x リン酸緩衝生理食塩水(PBS) | フィッシャーサイエンティフィック | 10-010-023 | FACS洗浄 |
| 5 mLポリスチレン丸底チューブ | フィッシャーサイエンティフィック | 14-959-6 | FACSチューブ |
| 7-アミノアクチノマイシンD (7-AAD) | インビトロゲン | A1310 | 死んだ細胞にラベルを付けます |
| B27サプリメント | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 17504044 | 培地 |
| ウシ血清アルブミン | ミリポアシグマ | A9647;CAS:9048-46-8 | BSA/TI/DMEM |
| 塩化カルシウム二水和物(CaCl?-2H?O) | ミリポアシグマ | C7902 | 完全な生理食塩水溶液 |
| ニワトリ抗ニューロフィラメント重鎖(NF-H) | ミリポアシグマ | AB5539 | 抗体 |
| DMEM/F12 1:1 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 11320033 | 培地;BSA/TI/DMEM |
| ロバ抗ヤギ IgG (H+L) Alexa Fluor Plus 555 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A32816 | 抗体 |
| ロバ抗ウサギ IgG (H+L) Alexa Fluor Plus 488 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A32790 | 抗体 |
| ダイライト405ロバアンチチキン | ジャクソン・イムノリサーチ | 703-475-155 | 抗体 |
| EDTAの | ミリポアシグマ | E5134;CAS:6381-92-6 | Liberase TM/Liberase TL-パパイン作業ソリューション |
| ウシ胎児血清 (FBS) | ミリポアシグマ | A9647 | 培地/FACS緩衝液/ブロッキング溶液 |
| ガラスパスツールピペット、9インチ | フィッシャーサイエンティフィック | 1367820D | 滴定 |
| ヤギ用抗PSMA2 | 自社製 | NA | 抗体 |
| HEPESパウダー | ミリポアシグマ | H4034 | 完全な生理食塩水溶液 |
| ヘクスト | サーモフィッシャーサイエンティフィック | H21492 | 核染色 |
| 馬の血清 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 26050070 | ブロッキングソリューション |
| IB4、ビオチン複合体 | ミリポアシグマ | L2140 | 抗体 |
| ラミニン | シグマ・アルドリッチ | L2020-1MG | 文化皿 |
| L-グルタミン | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 25030081 | 培地 |
| リベラーゼ粉砕低(TL) | ミリポアシグマ | 54010200001 | Liberase TLストック溶液 |
| リベラーゼ粉砕中程度(TM) | ミリポアシグマ | 5401119001 | リベラーゼTMストック溶液 |
| 塩化マグネシウム六水和物(MgCl?-6H?O) | ミリポアシグマ | M2393 | 完全な生理食塩水溶液 |
| 取付媒体 | サザンバイオテック | 0100-01 | フルオロマウント-G |
| パパイン | ワージントン | カタログ#: 9001-73-4 | リベラーゼTL-パパイン作業溶液 |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | ミリポアシグマ | 15140122 | 培地/FACSバッファー |
| ポリ-L-臭化水素酸塩(PLL) | ミリポアシグマ | P4707 | 文化皿 |
| 塩化カリウム(KCl) | ミリポアシグマ | P5405 | 完全な生理食塩水溶液 |
| ウサギ抗CGRP | イムノスター | 24112 | 抗体 |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | ミリポアシグマ | S9888;CAS:7647-14-5 | 完全な生理食塩水溶液 |
| ソルビトール | ミリポアシグマ | 56755-M | 完全な生理食塩水溶液 |
| ストレプトアビジンAlexa Fluor 647複合体 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | S21374 | 抗体 |
| 蔗糖 | シグマ・アルドリッチ | S0389-500G | 固定液 |
| トリプシン阻害剤 | ミリポアシグマ | T9253;CAS:9035-91-8 | BSA/TI/DMEM |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission