このプロトコルは、哺乳類のNeuro-2a細胞株を用いたニューロンのニコチン性アセチルコリン受容体サブユニットの発現と定量を記述しています。pH感応蛍光タグと共焦点顕微鏡は、pH中性細胞内区画での受容体局在とpH中性細胞内区画での受容体の位置を正確に評価し、nAChRの輸送および薬理学的調節の研究を促進します。
方法論記事
このプロトコルは、哺乳類のNeuro-2a細胞株を用いたニューロンのニコチン性アセチルコリン受容体サブユニットの発現と定量を記述しています。pH感応蛍光タグと共焦点顕微鏡は、pH中性細胞内区画での受容体局在とpH中性細胞内区画での受容体の位置を正確に評価し、nAChRの輸送および薬理学的調節の研究を促進します。
哺乳類細胞の細胞膜上で発現するニューロンのニコチン性アセチルコリン受容体(nAChR)の定量化は、新規標的選択療法の開発や受容体輸送を調節するシャペロンタンパク質の研究に重要です。本研究は、哺乳類のNeuro2a(N2a)細胞におけるホモマーおよびヘテロメトリックnAChRを発現し、pH感応蛍光タグを用いて表面と細胞内局在を定量化するための堅牢な手法群を提示します。pHujiおよび超黄道pHluorin(SEP)はpH感受性タンパク質であり、組換えタンパク質にタグ付けするために設計可能であり、これによりnAChRサブユニットの空間的分布を可視化できます。これらの蛍光タグは中性pHで発光しますが、酸性環境では消火されます。α7、α4、β2 nAChRサブユニットの内部対細胞膜局在を追跡するために、pHujiまたはSEPのいずれかが各DNA構成体のC末端に付加されます。α7-pHujiとそのシャペロンであるNACHO(α4-SEP;β2-pHuji)をN2a細胞で発現させるために、脂質ベースのDNAトランスフェクション試薬が用いられます。トランスフェクション試薬とプラスミドDNAは、室温の還元血清培地で別々に培養され、その後結合して脂質-DNA複合体を形成し、プラスミドの細胞内送達を促進します。培養後、細胞は高pHおよび低pH条件下、または亜型選択的蛍光配位子の存在下で生細胞共焦点顕微鏡を用いて画像化されます。画像は、関連する蛍光層チャネルにおける補正された全細胞蛍光を用いて解析され、蛍光標識されたnAChRサブユニットの細胞膜と細胞内区画間の分布に関する定量的情報を提供します。生細胞共焦点イメージングにより、nAChRサブユニットの局在をリアルタイムで追跡し、内部受容体群と表面受容体群の違いを識別できます。α7-pHuji(α4-SEP;β2-pHuji)の堅牢な細胞膜発現は、37°Cで24時間以内に達成されます。 この方法は、nAChRの輸送、薬理学的調節、疾患関連のnAChR発現変化の研究のために、追加のシャペロン、補助サブユニット、蛍光リガンドを含めることができます。
ニューロンニコチン性アセチルコリン受容体(nAChR)は、ニューロン、グリア細胞、免疫細胞を含む多くの細胞タイプの細胞膜上で発現するリガンドゲートされた膜貫通イオンチャネルです。これらの受容体はα(α2-α10)またはβ(β2-β4)のサブユニットで構成されており、これらが集合してホモメリックまたはヘテロメトリックサブタイプを形成します。特にα7およびα4β2 nAChRが脳内で最も豊富です1,2。これらのサブタイプの調節障害は、アルツハイマー病、ニコチン使用障害、睡眠関連過運動てんかん、パーキンソン病、大うつ病など、さまざまな神経学的および精神疾患と関連しています。3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.nAChRを迅速かつ確実に発現・定量化する方法は、疾患メカニズムの理解や標的選択的治療薬の開発に不可欠です。しかし、これらの受容体の堅牢な形質膜発現を達成することはしばしば困難で時間がかかります。ここで説明する方法は、DNAトランスフェクション後約24時間以内にnAChRsの強い表面発現を可能にし、受容体輸送を調節するリガンドやシャペロンタンパク質と組み合わせることが可能です。
nAChR発現には、一時的なDNAトランスフェクションや、目的のサブタイプを発現する安定細胞株の生成など、いくつかのアプローチがあります。安定した細胞株の作製は同じ受容体サブタイプを用いた長期研究に役立ちますが、このプロセスは労力集約的で数か月かかることもあります。確立されると、これらの細胞株は受容体発現が異なり、時間経過による発現喪失、または受容体機能や密度が最適でないクローンでは選択バイアスを示すことがあります。培養温度を37°Cから30°Cに下げ、ニコチンなどの分子チャペロンの追加、または潜伏時間の延長により表面発現を促進することができます。これらの制限は、適切なサブユニットの組み立てと輸送を必要とする異形型nAChRや、シャペロン補助受容体調節に焦点を当てた研究で特に顕著です。したがって、安定したnAChR発現細胞株を扱う際には、受容体サブタイプ発現のパッセージ間での定期的な検証が必要です。
研究者はしばしばnAChRサブユニットのバリアントやシャペロンまたは補助タンパク質サブユニットに関心を持ち、迅速な柔軟性を確保するために様々なDNAを短時間で発現させる必要があります。nAChRsの一時的発現はこの点で有利であり、このプロセスが迅速に完了できるため、研究者は安定した細胞株を生成するのに数か月待つことなく複数の受容体サブタイプや実験条件を研究できます。一時的な発現であっても、多くのnAChRが誘導後24時間経っても細胞内に残り、48時間16,17分の追加>潜伏期間が必要になることがよくあります。例えば、コリンエステラーゼ阻害剤(RIC)-3に対する耐性を持つシャペロンタンパク質がない場合、哺乳類のSHE-P細胞の細胞膜上で発現するα7 nAChRsはわずか~1%に過ぎません18。RIC-3の共発現により、α7 nAChRsの約20%が表面で検出されます。これは改善を示していますが、総受容体の存在比は依然として低いままです。α7 nAChRsとNACHOの共発現は表面発現をさらに促進できますが、それでも全受容体集団の40%未満が細胞膜に輸送されます19。別の方法は、形質膜発現を改善するために30°Cでトランスフェクト細胞を培養する方法です。α4β2 nAChRの場合、この温度低下は表面受容体密度の5倍のアップレギュレーションをもたらし、総サブユニットタンパク質21の増加は伴いません。しかし、この改善には少なくとも1日の追加と消耗品、試薬、計測機器の利用拡大が必要です。
本研究は、哺乳類のN2a細胞において、トランスフェクション後24時間以内に特定のnAChRサブタイプを発現・定量する最適化された手法群を提供し、α7で約83%、α4で77%、β2サブユニットが形質膜に局在する56%を達成しています。α7 nAChRの場合、細胞膜発現はα7選択的蛍光標識α-バンガロトキシン(αBTX)または組換え蛍光タグ付けを用いて定量化できます。各サブユニットを標識するために、pH感受性蛍光タンパク質pHujiおよび超黄道pHluorin(SEP)22,23,24を個々のnAChRサブユニット25,26のC末端に設計します。pHujiとSEPはそれぞれpH感受性の赤色および緑色蛍光タンパク質の変異体で、pH 7.4で蛍光を発しますが、より酸性な条件下で消光されます27,28。SEPおよびpHuji蛍光はpH<6で抑制されるため、観察される細胞内信号は細胞膜上ではなく中性区画に存在する蛍光体を反射します。ゴルジ体のような一部の小器官は酸性ルーメンを持つことに注意が必要です。したがって、nAChRサブユニットのC末端領域に付着した蛍光体は、サブユニットが分泌経路29を通過する間は検出されません。pH 7.5時とpH <6時の全蛍光の差は、細胞膜上に位置するnAChRsによって生成される信号を表しています。ライブセル共焦点顕微鏡による画像のキャプチャは高い空間分解能を提供し、サブユニットの位置特定を正確に定量化することを可能にします。さらに、すべての実験を生細胞で行うことで、各細胞が独自のコントロールとして機能し、各処理群内の細胞間タンパク質発現のばらつきを考慮します。この方法は、NACHOなどの追加のシャペロンタンパク質を含めるためにさらに適応され、nAChRの輸送を調査することが可能です。その他の応用例としては、薬理学的調節、補助サブユニットの組み込み、疾患関連のnAChR発現変化の解析などがあります。
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注:以下の手順は、nAChRサブユニットでN2a細胞株を一時的にトランスフェクションするために成功裏に用いられた方法について説明しています(図1)。活細胞共焦点顕微鏡で捉えられたものの、堅牢な形質膜発現は24時間以内に達成されます。

図1:プロトコルで提示された個々の手法の回路図的表示。 細胞はイメージング皿内で70%〜80%まで培養されます。その後、細胞はトランスフェクション試薬とDNA複合体で処理されます。 (上) 24時間後、細胞は蛍光標識リガンドで処理され、細胞膜上で発現したサブユニットを標識し、共焦点顕微鏡で画像化します。 (下) あるいは、トランスフェクション後24時間でpH感受性タンパク質でタグ付けされるよう改変されたnAChRサブユニット遺伝子については、共焦点顕微鏡を用いて細胞の全蛍光を捉えるために生きた細胞を画像化することも可能です。その後、pH 7.4のイメージングバッファーはpH 5.5のクエンチングバッファに交換されます。これにより、細胞の細胞膜上にあるnAChRサブユニットにタグ付けされたpH感受性タンパク質の蛍光が止まり、内部サブユニットのみが蛍光を保つことができます。同じ細胞を再び画像化します。画像解析はImageJを用いて内部および外部サブユニットの発現を定量化します。これらの手法は、シャペロンや補助タンパク質を取り入れるために修正可能です。BioRenderで作成。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
1. N2a nAChR過渡性トランスフェクション
注:N2a細胞株が選ばれたのは、神経表現型を示し、nAChRの内因性発現が低いためです。α7-pHuji、α4-SEP、β2-pHujiサブユニット遺伝子は、それぞれ哺乳類のpcDNA3.1(+)発現ベクターに個別に収容されています。シャペロンタンパク質のNACHOはpREP9から発現しています(ノースイースタン大学のR. Loring博士から寛大に寄贈されました)。すべての工程で無菌技術を使用し、バイオセーフティキャビネット内で作業してください。清潔な実験用コート、安全メガネ、手袋を着用してください。バイオセーフティキャビネットに出入りするすべての材料を70%エタノールで洗浄してください。以下の手順は、イメージングに適した35mmポリDリジンコーティングガラス底皿でのトランスフェクションについて説明します。培養容器によって体積は必要に応じて調整可能です。
2. αBTX Alexa Fluor 647を用いた細胞膜発現α7 nAChRの生細胞標識
注:以下の手順は通常、トランスフェクションから24時間後に実施されます。αBTX Alexa Fluor 647(αBTX-AF647)を光から保護し、蛍光色素の光破壊を防ぎます。
3. 全および内部α7-pHuji nAChRsのライブセルイメージング
注:以下の手技は、社内で製造されたα7-pHuji pcDNA3.1プラスミドをNACHOシャペロンと共トランスフェクトして使用しています。同様のプロトコルが、対照プラスミドmTagBFP2 pcDNA3.1を用いてpcDNA3.1中のα4-SEPおよびβ2-pHujiを発現するために用いられました(結果セクションで説明しています)。検査中は、蛍光色素の光破壊を防ぐために試料を光から守りましょう。
| 試薬 | 濃度(mM) |
| NaCl | 135 |
| KCl | 5 |
| MgCl2 | 1.8 |
| ヘペス | 20 |
| D-グルコース | 1 |
| 溶液をpH7.4に調整してください |
表1:イメージングバッファーレシピ。 以下の試薬を組み合わせ、溶液をpH7.4に調整しました。
| 試薬 | 濃度(mM) |
| NaCl | 135 |
| KCl | 5 |
| MgCl2 | 0.4 |
| CaCl2 | 1.8 |
| MES | 20 |
| D-グルコース | 1 |
| 溶液をpH5.5に調整してください |
表2:焼入れバッファーのレシピ。 以下の試薬を混合し、得られた溶液をpH5.5に調整しました。
4. 画像定量化
注:この手順は、ImageJ(国立衛生研究所、ベセスダ、メリーランド州)および補正全細胞蛍光法(CTCF)32を用いた細胞画像の解析方法を説明します。
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上記のトランスフェクション手順の後、α7 nAChRsとNACHOシャペロンタンパク質がN2a細胞内で共発現しました。非トランスフェクト細胞およびトランスフェクトされた細胞の両方が、DNAトランスフェクション後24時間後にαBTX-AF647で標識されました。αBTXは膜透過性がないため、検出されるすべての蛍光は細胞膜上にある受容体から発生します。 図2A,A′では、 非トランスフェクトN2a細胞で弱いαBTX-AF647染色が観察されました。N2a細胞は内因性に少量のα7 nAChRを発現しており、この最小限の標識を説明しています。対照的に、陽性トランスフェクトされた細胞は堅牢なαBTX-AF647標識を示しました(図2B,B′)。蛍光信号は、しばしば細胞膜発現と関連する離散的な点として現れます。nAChRが配位子に結合すると、エンドサ...
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哺乳類N2a細胞におけるnAChRサブユニットの発現および定量に関する方法論は、創薬、局在、輸送研究において、nAChRの細胞膜発現を迅速(~24時間)かつ豊富に達成するという長年の課題に対応しています(>60%)。このプロトコル群の重要な強みは、ホモマー(α7)およびヘテロメリック(α4β2)nAChRの両方に適応できることであり、シャペロンタンパク質の共発現とともに他のnAChRサブタイプにも応用可能である可能性が高いです。SEPやpHujiのようなpH感受性タグを活用することで、この手法は細胞膜と細胞内nAChR集団間の生細胞識別と定量化を可能にします。この区別は、nAChRサブタイプが14-3-3、NACHO、RIC-3、Lynx-1タンパク質など、さまざまなシャペロンおよび補助タンパク質、そしてニコチン17、18、35、
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著者たちは何も明かすことはありません。
著者らは、技術顕微鏡の専門知識を提供してくれたジェームズ・ジャノソ氏と、アラスカ大学フェアバンクス校の顕微鏡コアを支援してくださった国立衛生研究所一般医学科学研究所(P20GM130443 Center for Transformative Research in Metabolism、米国国立衛生研究所一般医学科学研究所)に感謝の意を表します。LWの活動は、アラスカ州がアラスカ大学を通じて提供した高等教育投資基金からの資金の一部によって支えられました。SMSの取り組みは、国立衛生研究所の国立一般医科学研究所からの機関開発賞(IDeA)による助成金番号P20GM103395によって支援されました。本出版物で報告された研究は、国立衛生研究所(NIH)国立精神衛生研究所(MMW、賞番号R03MH135358)および国立一般医科学研究所(MMW、賞番号R16GM150455)の支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.25% トリプシン-EDTA(1X) | ギブコ | 25200-056 | 細胞剥離試薬 |
| アルファ・ブンガロトキシン アレクサ フルー 647 | インビトロジェン | B35450 | アルファ-ブンガロトキシン共役体 |
| BSLレベル1 バイオセーフティキャビネット | ヌアイレ | NU-425-400 | 無菌細胞培養作業区域 |
| 塩化カルシウム | アベントル/VWR | BDH9224 | バッファ成分 |
| D-(+)-グルコース | ミリポア・シグマ | G8270 | バッファ成分 |
| L-グルタミンを用いたEMEM | ATCC | 30-2003 | 細胞培地 |
| エンドトキシンフリーDNA | Zymoキットを使って自社製 | 該当しません | 細胞一時型トランスフェクションに使用されるnAChR DNA |
| エンドトキシンフリーマイクロ遠心分離管、0.5 mL | アベントル/VWR | 89000-010 | DNAおよびトランスフェクション調製 |
| エンドトキシンフリーのマイクロ遠心分離チューブ、1.5 mL | アベントル/VWR | 20170-038 | DNAおよびトランスフェクション調製 |
| 胎児用牛血清 | アベントル/VWR | 97068-085 | 血清サプリメント |
| フルオビュー FV10i | オリンポス | FV10i | 共焦点顕微鏡 |
| ガラス底のMatTek皿 | マットテック | P35GC-0-10-C | イメージングアンテナ |
| GraphPad プリズム v. 10 | GraphPad プリズム | https://www.graphpad.com/features | データ分析ソフトウェア |
| ヘペス | ミリポア・シグマ | H3375 | バッファ成分 |
| リポフェクタミン 2000 | インビトロジェン | 11668019 | トランスフェクション試薬 |
| 塩化マグネシウム六水和物 | 熱力学 | 413410025 | バッファ成分 |
| MESハイドレート | ミリポア・シグマ | M5287 | バッファ成分 |
| mTagBFP2-pBAD | AddGene | 54572 | 細胞一時的なトランスフェクションに使用される制御DNAを指す。 |
| ニューロ2a(N2a)細胞 | アメリカン・タイプ・カルチャー・コレクション | CCL-131 | DNAトランスフェクションおよびnAChR発現に用いられる細胞 |
| オプティMEM | ギブコ | 31985-070 | 還元血清培地 |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | アベントル/VWR | K952-100mL | 抗生物質 |
| 蠕動ポンプ | ギルソン | ミニパルス3 | イメージング時のバッファの変化など; |
| リン酸塩緩衝塩水 | クオリティ・バイオロジカル | 119-069-131 | 生理食塩水バッファー |
| ピペット・エイド | Drummondとnbsp; | 140084 | 精密な液体移動 |
| ピペットチップ(無菌・内毒素フリー、1000uL) | レイニン | 30389216 | 精密な液体移動 |
| ピペットチップ(滅菌・内毒素フリー、20uL) | レイニン | 30389229 | 精密な液体移動 |
| ピペットチップ(滅菌・内毒素フリー、250uL) | レイニン | 30389246 | 精密な液体移動 |
| ピペットス、P10 | レイイン | L-10XLS | 精密な液体移動 |
| ピペット、P100 | レイイン | L-100XLS | 精密な液体移動 |
| ピペット、P1000 | レイイン | L-1000XLS | 精密な液体移動 |
| 塩化カリウム | ミリポア・シグマ | P3911 | バッファ成分 |
| 血清学的ピペット(無菌かつ内毒素フリー、10ML) | アベントル/VWR | 89130-898 | 精密な液体移動 |
| 血清学的ピペット(無菌かつ内毒素フリー、25 mL) | アベントル/VWR | 89130-900 | 精密な液体移動 |
| 血清学的ピペット(無菌かつ内毒素フリー、5 mL) | アベントル/VWR | 76201-710 | 精密な液体移動 |
| 血清学的ピペット(無菌かつ内毒素フリー、50 mL) | アベントル/VWR | 75816-088 | 精密な液体移動 |
| 塩化ナトリウム | アベントル/VWR | BDH9286 | バッファ成分 |
| 組織培養フラスコ | ファルコン | 353109 | 料理の栽培 |
| ZymoPure II プラスミド Maxiprepキット | ザイモリサーチ | D4203-A + D4203-B | エンドトキシンフリーDNAの産生 |
| α4-SEP | サーモフィッシャー・サイエンティフィック GeneArt遺伝子合成サービス | https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/cloning/c-misc/geneart.html | カスタム遺伝子合成サービス |
| α7-pフジ | ツイスト・バイオサイエンス | https://www.twistbioscience.com/ | カスタム遺伝子合成サービス |
| &ベータ;2-pフジ | サーモフィッシャー・サイエンティフィック GeneArt遺伝子合成サービス | https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/cloning/c-misc/geneart.html | カスタム遺伝子合成サービス |
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