1. Przygotowanie homogenatu mózgu oraz frakcji rozpuszczalnych w detergencie (S2) i nierozpuszczalnych (P2)
- Odważ 100 mg zamrożonej tkanki mózgu ludzkiego i dodaj 100 μl buforu do lizy (10 mM Tris, 150 mM NaCl, 0,5% Nonidet P-40 (NP-40), 0,5% EDTA, pH 7,4).
- Homogenizuj próbkę na lodzie za pomocą tłuczka napędzanego silnikiem akumulatorowym, zamroź w suchem lodzie przez 5 min, a następnie homogenizuj ponownie, najpierw ręcznie, a potem za pomocą silnika, i dodaj 300 μl lub 800 μl buforu do lizy (co odpowiada odpowiednio 20% lub 10% całkowitego homogenatu mózgu).
- Wirowkuj 20% lub 10% całkowitego homogenatu mózgu w wirówce stołowej z prędkością 1 000 x g przez 10 min w temperaturze 4 °C, aby zebrać supernatant (S1).
- Przeprowadź ultrawirowanie 10% frakcji S1 przy 35 000 rpm (100 000 x g) w rotorze SW55 (Beckman Coulter, Fullerton, CA) przez 1 h w temperaturze 4 °C. Przenieś supernatanty (S2) zawierające frakcję rozpuszczalną w detergentach do czystej probówki. Przesuspenduj osady zawierające frakcję nierozpuszczalną w detergentach (P2) w 100 μl lub 200 μl buforu do lizy, aby uzyskać preparat stężony 10- lub 5-krotnie.
- W celu trawienia PK inkubuj próbki z takimi samymi ilościami PK w stężeniu 50 μg/ml w temperaturze 37 °C przez 1 h dla obu frakcji, S2 i P2. Aby przerwać trawienie PK, dodaj fenylometylosulfonian fluorowy do stężenia końcowego 5 mM oraz równą objętość buforu do próbek SDS (3% SDS, 2 mM EDTA, 4% β-merkaptoetanol, 10% glicerol, 50 mM Tris, pH 6,8). Gotuj próbki przez 10 min, a następnie chłodź w temperaturze pokojowej przez 5 min. Próbki są gotowe do analizy Western blotting.
2. Sedymentacja prędkościowa w gradientach skokowych sacharozy
- Inkubować 450 μl 20% S1 z równą objętością 2% sarkosylu w H2O przez 30 min na lodzie.
- Do probówki Beckman o maksymalnej pojemności 5 ml dodać po 0,5 ml sacharozy o stężeniach 60%, 30%, 25%, 20%, 15% i 10%.
- Nanieść 0,4 ml S1 na górę skokowego gradientu sacharozy 10-60%.
- Wirować przy 48 000 obr./min (200 000 x g, rotor SW55) przez 1 h w temperaturze 4 °C.
- Zbierać frakcje o objętości 283 μl każda, zaczynając od góry probówki, aby uzyskać łącznie 12 frakcji.
- Przenieść 20 μl każdej frakcji do nowej probówki Eppendorf, dodać 20 μl buforu do próbek i gotować przez 10 min.
- Schładzać próbki przez 4 min w dygestorium, wirować przy 1 000 x g przez 1 min, a następnie wymieszać w wirówce typu vortex. Nanieść próbki na gotowy żel.
3. Chromatografia żelowa (wykluczania rozmiarów)
- Do wyznaczenia stanu oligomerycznego cząsteczek PrP należy użyć kulek Superdex 200 HR (Pharmacia, Uppsala, Szwecja) w kolumnie o wymiarach 1 x 30 cm.
- Siedem markerów masy cząsteczkowej (Sigma, St. Louis, MI), w tym błękitny dekstran (2,000 kDa), tyreoglobulina (669 kDa), apoferrytyna (443 kDa), β-amylaza (200 kDa), dehydrogenaza alkoholowa (150 kDa), albuminy (66 kDa) oraz anhidraza węglanowa (29 kDa), jest nakładana niezależnie w stężeniach zalecanych przez firmę Sigma w objętościach próbek 200 μl.
- Objętość elucji błękitnego dekstranu służy do wyznaczenia objętości martwej (V0 = 8.45 ml), a całkowita objętość (Vt = 24 ml) jest podana w instrukcji produktu. Objętości elucji pików (Ve) oblicza się na podstawie chromatogramu i retencji frakcyjnej. Współczynnik podziału Kav (definiujący zachowanie próbki) oblicza się według równania: Kav = (Ve - V0)/(Vt - V0). Krzywą kalibracyjną wyznacza się, nanosząc Kav standardów białkowych względem log MW standardów8.
- Masę cząsteczkową (MW) różnych form PrP odzyskanych w poszczególnych frakcjach FPLC ocenia się zgodnie z krzywą kalibracyjną wygenerowaną za pomocą filtracji żelowej różnych standardów.
- W każdym przebiegu do kolumny należy wstrzyknąć 200 μl S1 w buforze lizującym zawierającym 1% sarkosylu.
- Chromatografię przeprowadza się w systemie FPLC (GE Healthcare) przy szybkości przepływu 0,25 ml/min, a frakcje o objętości 0,25 ml każda zbiera się za pomocą kolektora frakcji (Amersham Biosciences, RediFrac).
- Każdą frakcję o objętości 0,125 ml inkubuje się z 0,5 ml schłodzonego wcześniej metanolu w temperaturze -20 °C przez 2 h.
- Próbki wiruje się w mikrocentry fudze laboratoryjnej przy 13,000 x g przez 30 min w temperaturze 4 °C. Następnie odrzuca się nadsącz, a osad resuspenduje w 20 μl buforu do próbek SDS, jak wspomniano powyżej, gotuje przez 10 min, chłodzi do temperatury pokojowej i nakłada na gotowy żel.
4. Wychwytywanie PrP przez g5p
- Cząsteczkę g5p (100 μg) (uprzejmie udostępnioną przez drów Geoffa Kneale'a i Johna McGeehana z University of Portsmouth, UK) konjuguje się z 7 x 108 magnetycznymi kulkami aktywowanymi tosylanem, inkubując 100 μg g5p oraz 350 μl kulek g5p w 1 ml soli fizjologicznej buforowanej fosforanowo (PBS) w temperaturze 37 °C przez 20 h. Kulki g5p przyciąga się do ścianek probówek Eppendorf za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, a następnie usuwa cały roztwór. Kulki przemywa się trzykrotnie 1 ml PBS zawierającego 0,1% albuminy surowicy bydlęcej (BSA).
- Kulek skoniugowanych z g5p inkubuje się w 1 ml 0,2 M Tris-HCl, pH 7,4 zawierającego 0,1% BSA w temperaturze 37 °C przez 5 h w celu zablokowania niespecyficznego wiązania, a następnie przemywa się kulki trzykrotnie 1 ml PBS zawierającego 0,1% BSA, zgodnie z opisaną wcześniej procedurą. Roztwór usuwa się i dodaje 1 ml PBS do kulek. Przygotowane kulki g5p są stabilne przez co najmniej 3 miesiące w temperaturze 4 °C.
- Wychwytywanie PrP przez g5p przeprowadza się poprzez inkubację 100 μl frakcji S1 lub P2 z 60 μl kulek skoniugowanych z g5p (10 μg białka/6 X 107 kulek) w 1 ml buforu wiążącego (3% Tween-20, 3% NP-40 w PBS, pH 7,5).
- Po inkubacji przy stałej rotacji przez 3 h w temperaturze pokojowej, kulki g5p zawierające PrP są przyciągane do ścianek probówek Eppendorf za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, co umożliwia łatwe usunięcie wszystkich niewiązących się cząsteczek z roztworu.
- Po trzykrotnym przemyciu w buforze piorącym (2% Tween-20 i 2% NP-40 w PBS, pH 7,5), kulki g5p są zbierane i podgrzewane do 95 °C przez 5 min w buforze do próbek SDS (3% SDS, 2 mM EDTA, 10% glicerolu, 50 mM Tris-HCl, pH 6,8).
- Po schłodzeniu próbek przez 5 min w temperaturze pokojowej, próbki wiruje się przy 1 000 x g przez 5 min w temperaturze pokojowej. Nadlodze są gotowe do analizy Western blotting.
5. Western blotting
- Próbki zagotowane w buforze do próbek SDS nanosi się na 15% gotowe żele Tris-HCl Criterion (Bio-Rad) przy napięciu 150 V przez około 80 min.
- Białka z żeli przenosi się na membranę PVDF przez 2 h przy 70V.
- Po zablokowaniu membran w 5% roztworze mleka w soli buforowanej Trisem zawierającej 0,01% Tween-20 (TBS-T), membrany inkubuje się przez 2 h w temperaturze pokojowej z pierwotnym przeciwciałem monoklonalnym lub poliklonalnym 3F4 (1:40 000), 1E4 (1:1 000), anty-N8 (1:6 000) lub anty-C8 (1:6 000) w celu detekcji cząsteczki PrP.
- Po inkubacji z przeciwciałem wtórnym: owczym anty-mysim IgG sprzężonym z HRP w rozcieńczeniu 1:3000 lub oslim anty-kroliczym IgG w rozcieńczeniu 1:3 000, prążki PrP wizualizuje się na filmie Kodak przy użyciu zestawu ECL Plus, zgodnie z protokołem producenta.
6. Reprezentatywne wyniki
W porównaniu z próbkami sporadycznego CJD, w frakcji P2 w normalnych mózgach wykryto niewielką ilość iPrPC, choć większość PrPC odzyskano we frakcji S2 (Rysunek 1). Jak wskazano wcześniej8, iPrP stanowi około 5-25% całkowitego PrP, w tym form pełnowymiarowych i skróconych z N-końca.
Analizy z wykorzystaniem sedymentacji w gradientach skokowych sacharozy wykazały, że choć większość PrPC z mózgów osób bez CJD odzyskano w górnych frakcjach 1-3, niewielkie ilości PrP wykryto również w dolnych frakcjach 9-11, które zazwyczaj zawierają duże agregaty8 (Rysunek 2).
Za pomocą filtracji żelowej w mózgu z chorobą Creutzfelda-Jakoba wyizolowano różne gatunki PrPSc, obejmujące monomery, małe oligomery oraz większe agregaty (Rysunek 3A). Jednakże w frakcjach nierozpuszczalnych prawidłowych mózgów wykryto również niewielką ilość większych agregatów o masie cząsteczkowej przekraczającej 2 000 kDa (Rysunek 3C). Co więcej, dimery i tetramery PrPC wykryto nie tylko we frakcjach nierozpuszczalnych, ale również we frakcjach rozpuszczalnych (Rysunek 3B i 3C).
Po traktowaniu PK i PNGazą, PrP wychwycone przez g5p wykryto za pomocą przeciwciała 1E4 przeciwko PrP97-105 8. Wykryto trzy odporne na PK fragmenty rdzeniowe nazwane PrP*20, PrP*19 i PrP*7, które migrowały odpowiednio na poziomie ~20 kDa, ~19 kDa i ~7 kDa (Rysunek 4, panel lewy). Jednak nie wykryto żadnego PrP, gdy przeciwciało 1E4 inkubowano wstępnie z syntetycznym peptydem o sekwencji identycznej z epitopem 1E4 (Rysunek 4, panel środkowy), co wskazuje, że prążki wykryte przez 1E4 są fragmentami PrP. Ponadto przeciwciało anty-C ujawniło dwa różne fragmenty PrP migrujące na poziomie ~18 kDa (PrP*18) i ~12-13 kDa (PrP-CTF12/13), oprócz PrP*20 (Rysunek 4, panel prawy).

Rysunek 1. Detekcja iPrPC i iPrPSc. Po traktowaniu PNGazą F w ilości 1/10 całkowitej objętości reakcji w temperaturze 37 °C przez 1 h w celu usunięcia glikanów z białka, pełnowymiarowe lub ucięte z końca N-końcowego formy PrP w frakcjach rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych (S2 i P2) izolowanych przez ultrawirowanie w próbkach mózgu z grupy kontrolnej (CTL) oraz z przypadków sporadycznego CJD (sCJD) wykryto za pomocą przeciwciała 3F4 przeciwko PrP106-112 (lewy panel), przeciwciała anti-N przeciwko PrP23-40 (środkowy panel) oraz przeciwciała anti-C przeciwko PrP220-231 (prawy panel). W próbkach CTL niewielka ilość PrP jest wykrywana w P2, podczas gdy duża ilość występuje w S2. W przeciwieństwie do tego, w próbkach sCJD w P2 wykryto więcej PrP niż w S2.

Rycina 2. Sedymentacja PrP w skokowych gradientach sacharozy. PrP w poszczególnych frakcjach od 1 do 11 z próbki mózgu S1 (bez CJD) wykryto metodą Western blotting z użyciem przeciwciała 3F4. Choć większość PrPC wykryto w górnych frakcjach 1-3, niewielkie ilości PrP zaobserwowano również w dolnych frakcjach 9-11. Ponadto wzór prążkowy PrP z góry i dołu różni się od siebie: PrP odzyskano w górnych frakcjach z dominującym górnym prążkiem, natomiast PrP odzyskano w dolnych frakcjach z dominującym dolnym prążkiem. Jako kontrola, po prawej stronie blotu, naniesiono PrPSc traktowane PK.

Rysunek 3. Detekcja rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych oligomerów PrPC. Rozpuszczalne i nierozpuszczalne PrPC z normalnych ludzkich mózgów zostały rozdzielone za pomocą ultrawirowania, a następnie poddane odpowiednio filtracji żelowej. Wielkości cząsteczkowe poszczególnych frakcji zmierzono poprzez przeprowadzenie analizy grupy markerów masy cząsteczkowej. (A) Formy PrPSc z próbek mózgu sCJD. Wykryto dwie populacje form PrP: frakcje filtracji żelowej 49-65 zawierają monomery i małe oligomery, natomiast frakcje 27-33 zawierają duże agregaty. Wykryto formy PrPC z frakcji rozpuszczalnej (S2) (B) i frakcji nierozpuszczalnej (P2) (C) z normalnych kontroli. PrP wykazano przy użyciu przeciwciała 3F4. Dimery (frakcja 55) i tetramery (frakcja 51) PrP wykryto nie tylko w P2, ale także w S2 próbek normalnego mózgu (B i C). Duże agregaty wykryto wyłącznie w P2 próbek normalnych (C).

Rysunek 4. Detekcja różnych fragmentów iPrP opornych na działanie PK w preparatach wzbogaconych o g5p z normalnych ludzkich mózgów. Próbki wzbogacone o g5p poddano działaniu PK i PNGase F przed przeprowadzeniem analizy Western blot z użyciem przeciwciał 1E4 (lewy panel), 1E4 preinkubowanych z syntetycznym peptydem o sekwencji identycznej z epitopem 1E4 (środkowy panel) oraz przeciwciał anti-C (prawy panel). Przeciwciało 1E4 wykryło trzy oporne na PK fragmenty PrP nazwane PrP*20, PrP*19 oraz PrP*7 (lewy panel). Po zablokowaniu 1E4 peptydem nie wykryto żadnych PrPres (środkowy panel), co wskazuje, że prążki wykryte za pomocą 1E4 są fragmentami PrP. Przeciwciało anti-C ujawniło dwa dodatkowe oporne na PK fragmenty PrP nazwane PrP*18 oraz PrP-CTF12/13, oprócz PrP*20.