このプロトコルは、シ ロイヌズナ の葉から細胞外小胞(EV)を分離し、下流の分子および機能解析を支援する最適化方法を説明しています。
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このプロトコルは、シ ロイヌズナ の葉から細胞外小胞(EV)を分離し、下流の分子および機能解析を支援する最適化方法を説明しています。
細胞外小胞(EV)は、多様な生物や細胞タイプによって分泌される膜に結合されたナノ粒子であり、細胞間および界を超えたコミュニケーションの重要な媒介者としてますます認識されています。哺乳類システムではEV生物学が確立されていますが、植物EV研究は比較的最近で急速に拡大しています。これは、植物EVが免疫や植物と微生物の相互作用に関与する小さなRNA、mRNA、タンパク質、その他の貨物を運搬できることの証拠に部分的に支えられています。しかし、高純度の植物EVの単離は、硬い細胞壁、豊富な二次代謝物、そして網膜液収集時の細胞質汚染リスクのため、技術的には依然として困難です。このプロトコルは、 シロイナナズナ の葉組織から植物EVを分離・精製するための効率的なワークフローを示しています。細胞損傷や細胞質漏れを最小限に抑えるために穏やかな注射器を用いた浸透ステップが用いられ、葉柄や血管組織を含まない個々の葉片を使用することで、血管関連および細胞内内容物からの汚染を減らすのに役立ちます。EVは最初、差動遠心分離で濃縮され、さらにスロース密度勾配分画またはサイズ排除クロマトグラフィー(SEC)を用いて精製されます。このプロトコルは、ナノ粒子追跡解析および透過電子顕微鏡による評価により、細胞損傷や細胞質液の収集時に細胞損傷や細胞質漏れを最小限に抑えることで、構造的な完全性を保ち、細胞汚染を最小限に抑えるEVを実現します。これらのEVサンプルは、RNAプロファイリング、プロテオミクス、植物と微生物の相互作用研究のための機能的アッセイなどの後継用途に適しています。全体として、この方法は高品質なプラントEVを再現可能かつ適応性のある方法で実現します。
細胞外小胞(EV)は、細菌から人間に至るまで幅広い生物によって分泌される脂質二重層結合膜粒子です1,2。動物系では、EVは生合成経路とサイズ3に基づいてエクソソーム、微小胞、アポトーシス体に分類されることが多いです。エクソソーム(直径約30〜150 nm)は多胞体(MVB)が細胞膜と融合し、体内小胞4が放出されることから発生し、微小小胞(直径約100〜1000 nm)が細胞膜から直接芽生えます。エクソソームや微小胞に加え、哺乳類の細胞はプログラムされた細胞死の際に放出されるアポトーシス体も産生します。これらの小胞は免疫調節、腫瘍の進行、治療的投与に関与していることが示されており、活発な生物医学研究の対象となっています7,8。植物では、EVの分類は動物よりも明確に定義されていません。シロイナドプシス・タリアナの研究では、タンパク質マーカー、サイズ、推定される生物生成経路の違いに基づき、複数の植物のEVサブタイプが特定されています。これには、多胞体由来のエクソソーム様小胞と考えられるテトラスパニン(TET)陽性のEV9,10、シンタキシンタンパク質Penetration 1(PEN1)陽性EV11、エキソシスト陽性オルガネラ(EXPO)由来のEV12,13、そしてオートファジー関連EV14や花粉体15などの他のEV集団が含まれます。
増え続ける証拠は、植物が病原体に対する防御戦略の一環としてEVを分泌していることを示唆しています。植物のEVは、小さなRNA、mRNA、その他の調節分子を含む多様な分子貨物を届け、真菌や卵菌類病原体の病原性を抑制します(10,16,17,18,19)。これらの発見は、EVが「RNA戦争」の手段として機能し、植物が病原体遺伝子発現を直接抑制するメカニズムであることを強調しています。このメカニズムは作物保護に深い影響を持ちます。免疫だけでなく、植物のEVは細胞壁の再構築、ストレス応答、発生シグナル伝達にも寄与する可能性があります21。動物EV研究とは異なり、標準化された分離および特性評価プロトコルが広く確立されていますが、植物EV分野はまだ形成段階にあります。これにより、研究間の再現性と比較性が制限され、これらの小胞を分離・研究するための堅牢で標準化された方法論が緊急に求められています。
植物用EVを隔離することは、動物システムでは経験されない独特の技術的課題を伴います。損傷した植物組織には豊富な二次代謝物、細胞壁の残片、細胞門断片が含まれており、これらはEVと共純化できるため、下流の特性評価を複雑にします。さらに、工場のEV分離および精製の起始材料として一般的に用いられるアポプラスティック洗浄液(AWF)は、しばしば不均一な小胞と汚染物質の混合物を生み出します。差動遠心分離は依然として広く使われている基礎的手法ですが、異なるEVサブ集団を完全に分離したり、共分離された高分子複合体からEVを分離したりすることはできません。最近のレビューと方法論的研究は、植物EVの分離と特性評価に関する重要な指針とベストプラクティスの考慮事項を提供しています(27,28,29,30,31)。それでもなお、これらの手法の実践的な実装と統合は依然として困難であり、EVの純度や再現性を向上させるためには、密度勾配遠心分離やサイズ除外クロマトグラフィーなどの追加の精製工程がしばしば必要とされています。
ここでは、多段階精製戦略を用いて シロイナズナ の外膜洗浄液からEVを分離するための簡潔なプロトコルを紹介します。一般的に用いられている植物EV分離法が真空ポンプによる全植物浸透に依存するのに対し、このプロトコルは葉柄や維管束組織の含有を避けており、これにより維管束構造からの汚染が増加することがあります。代わりに、分離された葉片と穏やかな注射器を用いた浸透法が用いられ、組織の破壊を最小限に抑えつアポクラストの収集を改善します。葉の取り扱い、向き付け、遠心分離の慎重な条件により、細胞内成分からの汚染をさらに減らし、EVの隔離に向けたよりクリーンな出発材料を提供します。差分遠心分離後、EVはショ糖密度勾配分画またはサイズ排除クロマトグラフィーを用いてさらに精製され、より高い小胞純度と分解能を実現できます。得られるEV製剤は、RNAシーケンス、プロテオムプロファイリング、病原体相互作用やEV取り込み研究などの機能的アッセイなどの下流応用に適しており、植物EV研究における再現性と解釈性を高めています。
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注意:EVの完全性を保つために、冷蔵遠心分離機で4°Cの遠心分離工程を実施してください。滅菌チューブの使用が推奨されます。すべてのサンプル取り扱いステップは迅速かつ効率的に行われるべきであり、理想的には複数の人が同時に作業することで組織損傷を最小限に抑え、EVの品質を損なう汚染を防ぐことができます。
1. 葉の準備と浸透
2. 離胞洗浄液(AWF)の収集
3. 差動遠心分離によるAWFからのシロイヌスEV分離
4. ショ糖密度勾配分画を用いたEV精製
注:超遠心分離だけでは複数の種類の小胞が共に沈殿します。より細かい分解能を得るために、密度勾配分画を用い、浮力密度や浮力特性に応じて小胞を分離します。このアプローチでは、ショ糖勾配を用いて定義されたEVサブ集団を濃集します。または、ヨジキサノール勾配を用いることもできます。
5. EVを精製するためのサイズ排除クロマトグラフィー(35nmカラム)の使用
6. EVの検証、定量化、サイズ/形態評価
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最適化されたAWF採取プロトコルが組織損傷および細胞質汚染を軽減するかどうかを評価するため、我々の方法(方法1)で得られたAWFを、全植物のバキュームポンプ浸透に基づく代替方法(方法2)と直接比較しました。浸透後の細胞損傷はTrypan Blue染色で評価され、方法1で処理した葉の染色が著しく減少し、細胞破裂のレベルが低いことが示されました(図3A)。収集されたAWFの細胞質汚染をさらに評価するため、クロロフィル含有量および葉緑体マーカータンパク質であるRBCLが調査されました。方法1で採取したAWFは、代替方法と比べてクロロフィルレベルが大幅に低く、RBCL信号も低下しました(図3B,C)。これらの結果を総合すると、最適化されたAWF採取プロトコルが細胞損傷と細胞質漏れを最小限に抑え、下流の細胞外小胞分離のためのよりクリーンな出発材料を提供することが示されています。
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植物のEVは植物免疫の重要な役割を果たしており、特に菌類病原体との王国間コミュニケーションの媒介において活用されています32。増え続ける証拠は、植物がアポプラストにEVを分泌し、そこで小さなRNA(sRNA)、mRNA、そしてBotrytis cinerea、Rhizoctonia solani、卵菌病原体Phytophthora capsici10,18,33などの侵入病原体の病原性を抑制するタンパク質を伝達する機能があることを示しています.しかし、高純度植物EVの再現性のある分離は、植物組織の構造的複雑さや細胞壁の破片やタンパク質集合体などの豊富な汚染物質の存在により技術的に依然として困難である31。したがって、植物と微生物の相互作用...
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著者たちは利益相反を一切開示していません。
B.D.はテキサスA&M大学のPathways to the Doctorateフェローシップの支援を受けています。B.H.はテキサスA&M大学および米国農務省HATCHのスタートアップ資金の支援を受けており、プロジェクト番号7009138 TEX08074。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.45 & micro;Mナイロンフィルター | VWR | 76479-032 | |
| 1mlの不要注射器 | BDバイオサイエンス | 309659 | |
| 100 kDa 超遠心フィルター | アミコン | UFC 910008 | |
| 100mlの不要注射器 | BDバイオサイエンス | 551721050 | |
| 15ml円錐管 | VWR | 89039-664 | |
| 50ml円錐管 | VWR | 89039-656 | |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 研究所管理のライン | 該当しません | |
| カーボン・フォームバー300メッシュグリッド | テッド・ペラ | 01753-F | |
| クリアテープ | スコッチ・マジックテープ | S-9783 | |
| パラフィルム | フィッシャー・サイエンティフィック | 13-374-12 | |
| PBSバッファ | 自社製 | 該当しません | |
| qEV オリジナルカラム Gen2 35 nm | アイゾンサイエンス | ICO-35 | |
| 冷蔵遠心分離機 | エッペンドルフ | 5810R | |
| 冷蔵遠心機固定角度ローター | エッペンドルフ | F-34-6-38 | |
| 冷蔵遠心分離機スイングバケットローター | エッペンドルフ | A-4-62 | |
| ショ糖 | VWR | 470302-810 | |
| 超遠心分離機 | ベックマン・カウルター | XPN-100 | |
| 超遠心分離管 | ベックマン・カウルター | 337986 | |
| UranyLessステイン | 電子顕微鏡科学 | 250218-01 |
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