본 프로토콜은 축삭 수송에 대한 전체 분석 절차를 설명합니다. 특히, 일시정지를 포함하지 않는 수송 속도의 계산과 오픈 액세스 소프트웨어 "KYMOMAKER"를 사용한 시각화 방법을 소개합니다.
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방법 논문
본 프로토콜은 축삭 수송에 대한 전체 분석 절차를 설명합니다. 특히, 일시정지를 포함하지 않는 수송 속도의 계산과 오픈 액세스 소프트웨어 "KYMOMAKER"를 사용한 시각화 방법을 소개합니다.
뉴런 세포(neuronal cell)는 고정관념적으로 여러 개의 수상돌기와 축삭돌기를 품고 있는 고도로 분극화된 세포입니다. 축삭돌기의 길이는 운동 단백질에 의한 효율적인 양방향 수송을 필요로 합니다. 다양한 보고서에서 축삭 수송의 결함이 신경 퇴행성 질환과 관련이 있다고 제안했습니다. 또한 여러 운동 단백질의 조정 메커니즘은 매력적인 주제였습니다. 축삭돌기에는 단방향 미세소관이 있기 때문에 어떤 운동 단백질이 움직임에 관여하는지 더 쉽게 확인할 수 있습니다. 따라서 축삭 화물 운송의 기저에 있는 메커니즘을 이해하는 것은 신경 퇴행성 질환의 분자 메커니즘과 운동 단백질의 조절을 밝히는 데 중요합니다. 여기에서는 마우스 1차 피질 뉴런의 배양, 화물 단백질을 인코딩하는 플라스미드의 transfection, 일시 중지의 영향이 없는 방향 및 속도 분석을 포함한 축삭 수송 분석의 전체 프로세스를 소개합니다. 또한 오픈 액세스 소프트웨어 "KYMOMAKER"가 도입되어 카이모그래프를 생성하여 방향에 따라 전송 추적을 강조 표시하고 축삭 전송을 더 쉽게 시각화할 수 있습니다.
Kinesin 패밀리 구성원과 세포질 dynein은 세포의 미세소관을 따라 이동하여 화물을 운반하는 운동 단백질입니다1. 대부분의 kinesin은 플러스 끝을 향해 이동하는 반면 dynein은 미세소관의 마이너스 끝을 향해 이동합니다. 뉴런 축삭돌기에서 화물 수송의 기능과 메커니즘은 광범위하게 조사되었습니다. 축삭돌기는 길이가 길기 때문에 뉴런의 건강을 유지하기 위해 안정적인 장거리 이동이 필요합니다. 아밀β로이드 단백질 전구체(APP)를 포함하는 미토콘드리아, 자가포식소체 및 소포의 수송 결함은 신경퇴행성 질환의 원인으로 보고되었습니다 2,3. 수많은 체외 연구를 통해 운동 단백질에 의한 조정 수송의 기저에 있는 메커니즘이 밝혀졌으며, 정제된 운동 단백질과 미세소관을 사용하는 다양한 연구에서 운동 분자가 미세소관을 따라 이동하는 방식을 밝혀냈습니다 4,5. 전형적으로, 다수의 모터가 단일 화물(6)에 관련되어 있다. 그러나 반대 모터가 화물 운송의 방향을 결정하는 방법에 대한 몇 가지 모델이 있습니다. 하나는 "연관/해리 모델"입니다. 여기서 단방향 모터만 단방향 운송 중에 화물과 연결됩니다. 두 번째, "조정 모델"에서는 두 모터가 동일한화물에 부착되고 모터의 한쪽 만 활성화됩니다. 세 번째 "줄다리기 모델"에서 kinesins와 dyneins 사이의 힘의 균형은 수송 방향 7,8,9를 결정합니다. 또한, 여러 보고서에서 활성화된 운동 단백질의 균형과 수가 체외 화물 운송 속도에 영향을 미친다고 제안했습니다 8,10.
대답되지 않은 질문은 kinesin 또는 dynein의 이러한 활동이 살아있는 세포에서 어떻게 조절되는지입니다. 이전 보고서는 축삭돌기에서 미세소관의 아세틸화를 보여주었으며, 신경영양 인자는 축삭 수송을 향상시킵니다11,12. 또한, 다양한 유형의 화물 및 화물 어댑터는 해당 방식으로 모터 활성제로서 기능한다(13,14). 많은 것들이 수송 소포의 막과 관련되어 있으며, 그 기능은 번역 후 변형(post-translational modifications)15과 같은 신호에 의해 조절됩니다. 따라서 살아있는 세포의 수송 방향과 속도를 관찰하면 체외 실험에서 화물 운송의 분자 조절에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 축삭 수송의 관찰을 통해 kinesin-based 수송과 dynein 기반 수송을 구별할 수 있습니다. 축삭돌기는 플러스 말단 단방향 미세소관16을 품고 있기 때문에, 화물은 키네신(kinesin)에 의해 전방(즉, 소마에서 축삭 말단으로)으로 운송되고 다인(dyneins)에 의해 역행적으로(즉, 축삭 말단에서 소마로) 운송됩니다.
본 연구에서는 1차 배양 뉴런에서 축삭 수송을 관찰하고 분석하는 방법을 설명합니다. 일례로써, 막단백질-APP, 칼신테닌-1/알카데인 α(Alcα), 칼신테닌-3/알카데인 β(Alcβ)-함유 소포의 축삭 수송을 관찰하는 절차가 기재되어 있다. APP-함유 소포의 선행성 수송은 Alcα 함유 소포의 수송보다 상당히 빠른 것으로 알려져 있지만, 둘 다 kinesin-1에 의해 수송됩니다 17,18,19. 이전 보고서에서는 속도를 측정하기 위해 여러 가지 방법이 사용되었습니다. 가장 가변적인 단계는 운송 중 일시 중지를 처리하는 것입니다. 살아있는 세포에서 수송은 때때로 미세소관을 따라 있는 장애물에 의해 방해를 받습니다. 그러나, 모터는 일시정지(20)가 있거나 없는 영역을 우회할 수 있다. 더 긴 관측 시간에 대한 속도 계산은 일시 중지의 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 속도 추정이 느려질 수 있습니다. 여기서, 모터의 물리적 일시 중지의 영향을 배제하기 위해 세그먼트화된(200ms) 기간에 걸친 이동을 사용하는 방법이 설명됩니다. 마지막으로 "KYMOMAKER"21라는 오픈 액세스(Windows 전용) 소프트웨어 프로그램이 도입되었습니다. 카이모그래프는 소포 수송을 시각화하는 데 널리 사용되며 동영상 없이 각 화물의 운송 방향을 시각화하는 데 유용합니다. 이 소프트웨어는 이미지를 회전하는 동안 1차원 유역 알고리즘을 여러 번 적용하여 타임랩스 동영상에서 카이모그래프를 생성합니다. 이를 통해 결과 카이모그래프는 미세한 구조를 효율적이고 쉽게 표시할 수 있습니다. 또한 KYMOMAKER는 방향에 따라 트레일을 자동으로 감지하고 강조 표시하며 이해하기 쉬운 다이어그램을 만들 수 있습니다.
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이 실험은 ARRIVE(Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments) 지침에 따라 홋카이도 대학의 동물 연구 위원회의 승인을 받았습니다. 본 연구에는 암컷 C57BL/6J 마우스(임신, 15.5일)를 사용했습니다.
1. 마우스 1차 피질 배양 뉴런의 준비
2. 인산칼슘 방법을 사용하여 플라스미드를 1차 배양된 뉴런으로 형질주입
참고: 언급된 부피는 8웰 유리 바닥 챔버에서0.8cm 2 웰에 대한 것입니다( 재료 표 참조).
3. 축삭 수송의 관찰
4. 이미지 처리
5. KYMOMAKER를 사용하여 카이모그래프 그리기 및 추적 감지
6. 속도 결정
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E15.5 마우스 피질로부터 1차 배양된 뉴런을 설명된 바와 같이 유리 바닥 접시에서 배양했습니다. 예를 들어, APP-EGFP, Alcα-EGFP 또는 Alcβ-EGFP는 1차 피질 뉴런에서 발현되었습니다. APP와 Alcα는 kinesin-1 2,17에 의해 축삭돌기로 운반되는 것으로 알려져 있습니다. APP는 어댑터 단백질 JIP1(JNK-상호 작용 단백질 1)을 통해 kinesin-1과 결합하는 반면, Alcα는 이중 W-산성 모티프를 통해 직접 결합합니다. Alcβ는 Alcadein 계열의 일원이며 W-산성 모티프가 하나뿐이다24. 각 단백질을 Div. 5 뉴런으로 transfection하고, transfection 후 14-16시간 후에 TIRF 현미경을 사용하여 200ms마다 이미지를 획득했습니다. APP-EGFP, Alcα-EGFP 또는...
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축삭 수송에 대한 분석 방법이 설명되며, 여기에는 분할 속도 계산 및 카이모그래프 생성이 포함됩니다. transfection 단계에서 중요한 단계는 배양된 뉴런의 건강을 유지하는 것입니다. Jiang과 Chen[29 ]에 의해 기술된 형질주입 방법은 약간의 수정을 가하였다. DNA/CaCl2 용액과 2x HBS를 부드럽게 혼합하면 침전물의 크기를 줄여 transfection의 효율성을 높일 수 있었습니다. 침전물이 세포를 손상시키는 것을 방지하기 위해 세포를 산성화된 매체로 헹궈냈습니다. 배양 없이 빠르게 헹구는 것만으로도(2회 또는 3회) 세포에서 침전물을 제거하기에 충분했습니다. 여기에서는 배양된 1차 뉴런을 사용했습니다. 쥐 좌골 신경의 수송은 수술을 통해 생체 내 컨포칼 현미경으로 관찰할 수 있으며(26), 최근 다광자 현미경의 개발로 생쥐 ...
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이 연구는 KAKENHI(22K15270, Grant-in-Aid for Young Scientists)와 아키야마 생명과학재단(Akiyama Life Science Foundation for YS)의 지원을 받았습니다. 홋카이도 대학 생명과학부 분자세포역학연구실의 긴조 마사타카 박사와 기타무라 아키라 박사가 연구에 큰 도움을 준 데 중요한 의견과 전문 지식을 제공해 주신 데 대해 감사의 말씀을 드립니다. TIRF 현미경을 사용한 관찰은 홋카이도 대학 첨단 생명 과학 학부 분자 세포 역학 실험실에 설치된 기기를 사용하여 수행되었습니다. 이 기기는 홋카이도 대학 크리에이티브 연구 기관(Creative Research Institution)의 글로벌 시설 센터(Global Facility Center)에서 관리하는 개방형 시설(Open Facility) 시스템(AP-100138)에 등록되어 있습니다. 일본 후쿠오카시 규슈 대학교 정보 과학 및 전기 공학부 첨단 정보 기술학과 휴먼 인터페이스 연구실의 Seiichi Uchida 박사에게 Kymomaker 응용 프로그램을 사용한 회의에 감사드립니다. 홋카이도 대학 약학연구과 치매 첨단 예방 및 연구소는 주식회사 Japan Medical Leaf의 지원을 받고 있습니다.
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| 데옥시리보뉴클레아제 I | 시그마-알드리치 | DN-25 | |
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| Feather 수술용 칼날 핸들 | Feather | No. 3 | |
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| KCl | Wako | 163-03545 | |
| KH2PO4 | Wako | 169-04245 | |
| KYMOMAKER | http://www.pharm.hokudai.ac.jp/shinkei/Kymomaker.html | ||
| L-15 Medium (Leibovitz) | Sigma-Aldrich | L5520 | |
| MetaMorph 버전 6.2r1 | Metamorph | ||
| Na2HPO4 | Wako | 197-02865 | |
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