층병증 장애는 종종 핵막의 변화를 일으켜 핵 누출 및 누출을 유발할 수 있습니다. 이 연구는 이중 가닥 DNA(dsDNA)와 함께 핵 층을 시각화하는 면역형광 방법을 제시하여 포유류 세포의 핵 구조와 무결성을 평가할 수 있는 수단을 제공합니다.
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층병증 장애는 종종 핵막의 변화를 일으켜 핵 누출 및 누출을 유발할 수 있습니다. 이 연구는 이중 가닥 DNA(dsDNA)와 함께 핵 층을 시각화하는 면역형광 방법을 제시하여 포유류 세포의 핵 구조와 무결성을 평가할 수 있는 수단을 제공합니다.
핵 층(nuclear lamina)은 핵막의 기저에 있는 필라멘트 네트워크로, 층판과 층류 관련 단백질로 구성됩니다. 핵 구조, 핵 기공 위치, 유전자 발현 조절, 염색질 조직, DNA 복제 및 DNA 복구에서 중요한 역할을 합니다. 라민 단백질의 발현 또는 번역 후 처리에 관여하는 유전자의 돌연변이는 층병증(laminopathies)으로 알려진 유전 질환을 유발합니다. 특히, LMNA 또는 ZMPSTE24 유전자의 돌연변이는 완전히 처리된 라민 A에는 없는 파르네실기와 메틸기를 유지하는 불완전하게 처리된 형태의 라민 A의 축적으로 이어질 수 있습니다. 이러한 불완전하게 처리된 lamin A 단백질은 성숙한 lamin A가 있는 핵 lamina 대신 내부 핵막에 국한됩니다. 잘못 국소화된 라민 단백질은 핵 기능과 구조를 심각하게 방해하여 종종 핵 기포를 유발합니다. 심한 경우 핵 파열이 발생하여 구획화가 손실되고 게놈 DNA가 세포질로 누출될 수 있습니다. 비정상적인 핵 구조 및 구획화 손실은 고정된 세포의 간접 면역형광(IF)을 통해 확인할 수 있습니다. 이 연구는 라민 단백질과 이중 가닥 DNA(dsDNA)에 대한 특정 항체를 사용하여 핵막과 DNA를 동시에 시각화하는 방법을 설명합니다. 이 접근 방식을 사용하면 핵 구조 무결성과 핵 DNA가 세포질로 누출될 가능성을 신속하게 평가할 수 있습니다.
핵 얇은 판은 핵막의 기초가 되는 필라멘트 네트워크이며 얇은 판이라고 하는 단백질로 구성됩니다. 핵층은 핵 구조, 핵공의 위치, 유전자 발현 조절, 염색질 조직, DNA 복제 및 DNA 복구에 필수적인 역할을 합니다 1,2,3. 라민 단백질의 발현에 중요한 역할을 하는 유전자의 돌연변이는 층병증(laminopathies)이라고 하는 유전적 질환을 유발한다3.
제한적 피부병증(RD)은 주로 ZMPSTE24 유전자4에 조기 종결 코돈을 생성하는 복합 이형접합 돌연변이에 의해 유발되는 심각한 층병증 질환으로, 금속프로테아제 ZMPSTE24의 부재를 초래합니다. 이 층병증은 자궁 내 성장 지연, 단단하고 경직된 피부, 작은 입, 얇은 모발, 뼈 광물화 결함을 특징으로 한다1. RD 환자는 일반적으로 폐부전으로 인해 생후 첫 주를 넘기지 못한다1. 비정형 허친슨-길포드 조로증 증후군(AT-HGPS)과 하악 이형성증 B형(MAD-B)으로 알려진 두 가지 다른 층병증 장애는 ZMPSTE24 발현 감소를 수반하고 수명 감소와 관련이 있으며 조기 노화 장애와 유사성을 보인다5. 이러한 층병증에 영향을 받는 ZMPSTE24 프로테아제는 핵 층의 중요한 구성 요소인 lamin A의 번역 후 변형에 필수적입니다. ZMPSTE24 결핍은 prelamin A2로 알려진 불완전하게 처리된 farnesylated 형태의 lamin A의 축적을 초래합니다.

그림 1: 일반 vs. RD 세포. 정상 세포의 Lamin A 처리 경로(왼쪽)와 RD 또는 ZMPSTE 결핍 세포의 변형된 lamin A 처리(오른쪽). 파르네실(Fa) 및 메틸(Me) 그룹이 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 1에서 볼 수 있듯이 일반 라민 A 공정에서 파르네실(지질) 그룹이 C-말단 근처의 시스테인 잔기에 부착된 후 3개의 C 말단 아미노산의 단백질 분해 절단이 발생합니다 3,6. 그런 다음 시스테인 잔류물이 메틸화됩니다. 이 두 가지 변형은 prelamin A가 내부 핵막2를 표적으로 할 수 있도록 합니다. 그런 다음 ZMPSTE24는 farnesyl 및 methyl group과 함께 마지막 15 개의 C 말단 아미노산을 제거하여 핵 lamina 6,7,8로 전달되는 성숙한 Lamin A 단백질을 생성하는 절단 반응을 수행합니다. RD, AT-HGPS 및 MAD-B에서는 ZMPSTE24 금속단백분해효소가 부족하거나 완전히 기능하지 않기 때문에 처리의 최종 단계가 효과적으로 발생하지 않습니다 8,9. 그 결과 프레알라민 A가 축적되며, 이는 영구적으로 파르네실화되고메틸화되어 9. 이러한 후자의 그룹은 그림 1에서 볼 수 있듯이 prelamin A가 핵 lamina에 국한하는 대신 내부 핵막에 달라 붙게합니다. 따라서 ZMPSTE 결핍은 핵 구조10,11,12,13,14,15와 함께 다양한 핵 기능에 지대한 영향을 미칩니다. 이러한 핵 구조의 변화에는 핵 블리빙(nuclear blebring) 및 핵 파열(nuclear rufturing)이 포함될 수 있으며, 이로 인해 DNA가 사이토졸로 누출되고 세포질이 핵으로 유입될 수 있습니다. 비정상적인 모양의 핵은 실제로 판병증 장애의 특징이며, 결함 있는 prelamin A 처리에 의해 유발되는 수많은 다른 표현형과 함께16,17. 핵층의 결함은 핵 단백질의 품질 관리 및 핵질에서 DNA 복구 단백질의 국소화 오류를 포함하여 여러 가지 해로운 영향을 미치며, 이는 차례로 핵 기능에 수많은 결함을 초래합니다18. 층병증의 이러한 특징을 식별하고 모니터링하는 데 도움이 될 수 있는 간단한 기술을 보유하여 층병증 표현형을 개선하기 위한 치료 접근법 개발에 대한 연구를 촉진하는 것이 중요합니다. 층병증이 있는 마우스의 경우, 핵 기포의 제거는 층병증 표현형의 일반화된 제거와 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다16. 인간 세포의 핵 무결성을 모니터링할 수 있는 기술은 질병 표현형을 제거하거나 크게 개선하기 위한 잠재적 치료법에 대한 연구를 향상시킬 수 있습니다.
간접 면역형광(IF)은 1차 비표지 항체와 1차 항체를 인식하여 관심 표적을 검출하는 형광단 표지 2차 항체를 모두 사용하는 민감하고 널리 사용되는 기술입니다19. IF 방법은 특정 세포 내 구성 요소 및 구조를 시각화하기 위한 강력한 수단을 제공할 수 있습니다. 또한 하나 이상의 2차 항체 분자가 1차 항체와 상호 작용하여 신호19의 증폭을 초래할 수 있습니다. 간접 IF는 2차 항체가19종 내에서 보존된 1차 항체의 Fc 도메인에 대해 발생하기 때문에 상대적으로 적은 2차 항체 세트로 여러 1차 항체를 검출할 수 있는 다목적 기술입니다.
이 논문에서는 이중 가닥 DNA(dsDNA)와 lamin B1에 대한 항체를 사용하여 DNA와 핵 층을 각각 검출하여 ZMPSTE24이 결핍된 세포의 핵 블리빙 및 DNA 누출을 평가하는 간접(IF) 방법을 설명합니다. 이 접근법의 유용성을 입증하기 위해 ZMPSTE24 발현이 넉아웃된 HeLa 세포주와 ZMPSTE24 발현하는 HeLa 세포주에 이 절차를 적용하고 두 세포주에 대한 결과를 비교했습니다.
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시약 및 사용된 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 재료 준비
2. 솔루션 준비
3. 원하는 세포 성장
참고: HeLa 세포는 이 프로토콜에서 T75 플라스크 내에서 합류하도록 성장했습니다.
4. 세포 정착 및 투과성
5. 면역형광 염색
| 항체 | 근원 | 회사 | 참조 | ||
| dsDNA 마커 항체 (HYB331-01) | 마우스 단클론 바이러스 | 산타 크루즈 | 사우스캐롤라이나-58749 | ||
| 염소 안티 마우스 IgG(H+L) 고도로 교차 흡착된 2차 항체, Alexa Fluor Plus 488 | 염소 | 써모피셔 | A32723 | ||
| 염소 안티 마우스 IgG(H+L) 고도로 교차 흡착된 2차 항체, Alexa Fluor Plus 405 | 염소 | 인비트로젠 | A31553 | ||
| Lamin B1 다클론 항체 | 토끼 | 프로테인텍 | 12987-1-AP 통신 | ||
| 염소 항토끼 IgG(H+L) 고도로 교차 흡착된 2차 항체, Alexa Fluor 594 | 염소 | 인비트로젠 | A11037 | ||
표 1: 항체. 이 프로토콜에 사용되는 모든 항체 목록입니다.
6. 이미지 획득
7. 데이터 분석
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본 연구에서는 이중가닥 DNA(double-stranded DNA)와 함께 핵층을 시각화하는 IF 방법을 소개합니다. IF가 수행되면 캡처된 이미지를 검사하여 핵 블리빙 및 DNA 누출의 징후를 확인할 수 있습니다.

그림 2: HeLa CT 및 ZMPSTE24 KO 세포 의 핵 블리빙.blebbed nuclei의 빈도를 결정하는 데 사용되는 두 세포주의 대표 이미지. (A) 적색(Alexa Fluor 594 conjugate...
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제시된 프로토콜에는 몇 가지 중요한 단계가 포함되어 있으며, 가장 중요한 것은 1차 및 2차 항체로 고정된 세포를 처리하는 것입니다. 사용된 현미경 범위 내에서 형광단을 함유한 올바른 2차 항체와 함께 관심 표적에 대해 우수한 품질의 1차 항체를 사용하면 최적의 결과를 얻을 수 있습니다19. 항체의 품질은 결함 있는 항체가 비특이적 표적과 상호 작용하거나 관심 표적을 인식하지 못할 수 있기 때문에 이 기술의 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다19,20. 또한, 신호가 거의 또는 전혀 없는 경우, 1차 및 2차 항체의 희석을 조정하여 백그라운드에서 충분한 신호가 검출되도록 해야 하며, 신호19,20을 과포화시키지 않도록 ...
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저자는 공개할 내용이 없습니다.
이 작업은 ASW에 대한 National Institute on Aging 보조금 R03AG064525의 지원을 받았습니다. 기술 멘토링에 도움을 주신 Jason A. Stewart 박사와 사용된 현미경을 제공해 주신 Hui Chen 실험실에 감사드립니다. 또한 이러한 실험에 사용된 HeLa 세포주에 대해 Fabio Martinon에게 감사의 뜻을 전합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 22mm 사각형 유리 커버슬립 | 프로퍼 제조 회사 | M8710 | 표준 현미경 슬라이드에 고정할 수 있다면 어떤 크기나 모양이든 사용할 수 있습니다. |
| 36.5% 포름알데히드 | 시그마 Aldrich | F8775 | 고정 시약. |
| 75cm 2 플라스크 | Corning | 430725U | 세포 배양용. |
| 소 혈청 알비눔 (BSA) | Fisher Scientific | 9048-46-8 | 항체 희석 완충액. |
| 1 g/L 포도당, L-글루타민 & 피루브산나트륨이 함유된 DMEM | Corning | 10-014-CV | 세포 배양용. |
| 에탄올 (200 Proof) | Decon Laboratories | 2701 | 장착 전 샘플의 탈수를 위해 여러 농도를 만들기 위해 희석합니다. |
| EVOS FL 디지털 반전 형광 현미경 | Fisher Scientific | 12-563-460 | 이미징. |
| Fish Gelatin | Sigma Aldrich | G7041 | 항체 희석 완충액. |
| Fluoromount-G | Southern Biotech | 0100-01 | 광표백을 방지하기 위한 장착 매체. |
| 파라필름 (4인치) | Fisher Scientific | 13-374-12 | 사용되는 커버슬립이 맞을 수 있다면 어떤 크기든지 대체할 수 있습니다. |
| 페니실린-스트렙토마이신 | Gibco | 15-140-122 | 세포 배양용. |
| 인산염 완충 식염수(PBS) | N/A | N/A | 조직 배양 및 용액을 위해 실험실에서 제조 및 멸균되었습니다. |
| 프리미엄 태아 소 세럼 (FBS) | Atlanta Biologicals | S11150 | 세포 배양용. |
| Superfrost 프리미엄 현미경 슬라이드 | Fisher Scientific | 12-544-7 | 모든 표준 현미경 슬라이드를 사용할 수 있습니다. |
| 조직 배양 처리된 6-웰 플랫 바텀 플레이트 | Falcon | 353046 | 세포 배양을 위해. |
| TritonX-100 | 써모피셔 사이언티픽 | A16046. AP | 세탁용. |
| 트립신-EDTA (0.5%) | Gibco | 15-400-054 | 세포 배양용 |
| Tween 20 | Fisher Scientific | 9005-64-5 | 세포 투과 시약. |
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