Tutaj prezentujemy protokół opisujący prostą, szybką i efektywną technikę wzmacniania prionów, metodę konwersji indukowanej wstrząsami w czasie rzeczywistym (RT-QuIC).
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj prezentujemy protokół opisujący prostą, szybką i efektywną technikę wzmacniania prionów, metodę konwersji indukowanej wstrząsami w czasie rzeczywistym (RT-QuIC).
Technika RT-QuIC to czuły test amplifikacji prionów in vitro bez komórek, oparty głównie na nieprawidłowym fałdowaniu i agregacji substratu rekombinowanego białka prionowego (PrP) przy użyciu nasion prionów jako matrycy do konwersji. RT-QuIC to nowatorska technika wysokoprzepustowa, która jest analogiczna do reakcji łańcuchowej polimerazy w czasie rzeczywistym (PCR). Wykrywanie wzrostu włókien amyloidowych opiera się na barwniku Tioflavinie T, który fluoryzuje po specyficznej interakcji z białkami bogatymi w β arkusze. W ten sposób tworzenie się amyloidu może być wykrywane w czasie rzeczywistym. Podjęliśmy próbę opracowania wiarygodnego nieinwazyjnego testu przesiewowego do wykrywania prionów przewlekłej choroby wyniszczającej (CWD) w ekstrakcie kałowym. W tym przypadku specjalnie dostosowaliśmy technikę RT-QuIC, aby ujawnić aktywność wysiewu PrPSc w kale jeleniowatych zakażonych CWD. Początkowo aktywność wysiewu przygotowanych przez nas ekstraktów kałowych była stosunkowo niska w RT-QuIC, prawdopodobnie ze względu na potencjalne inhibitory oznaczania w materiale kałowym. Aby poprawić aktywność wysiewu ekstraktów z kału i usunąć potencjalne inhibitory testów, zhomogenizowaliśmy próbki kału w buforze zawierającym detergenty i inhibitory proteazy. Poddaliśmy również próbki różnym metodologiom w celu zagęszczenia PrPSc na podstawie wytrącania białek przy użyciu kwasu fosforofosforanowego sodu i siły odśrodkowej. Na koniec ekstrakty z kału zostały przetestowane za pomocą zoptymalizowanego RT-QuIC, który obejmował wymianę substratu w protokole w celu poprawy czułości wykrywania. W związku z tym opracowaliśmy protokół czułego wykrywania aktywności wysiewu prionów CWD w kale przedklinicznych i klinicznych jeleniowatych za pomocą RT-QuIC, który może być praktycznym narzędziem do nieinwazyjnej diagnostyki CWD.
Choroby prionowe lub pasażowalne encefalopatie gąbczaste (TSE) są zaburzeniami neurodegeneracyjnymi, w tym chorobą Creutzfeldta-Jakoba (CJD) u ludzi, gąbczastą encefalopatią bydła (BSE) u bydła, trzęsawką owiec i kóz oraz przewlekłą chorobą wyniszczającą (CWD) u jeleniowatych 1,2. TSE charakteryzują się charakterystycznym gąbczastym wyglądem i utratą neuronów w mózgu. Zgodnie z hipotezą "tylko białko", priony składają się głównie z PrPSc ("Sc" dla trzęsawki) 3, nieprawidłowo sfałdowanej izoformy kodowanego przez gospodarza komórkowego białka prionowego, PrPC. PrPSc powstaje w wyniku przekształcenia PrPC w konformację wzbogaconą w arkusze β 4,5,6, który może działać jako ziarno do wiązania i przekształcania innych cząsteczek PrPC. Nowo wygenerowane cząsteczki PrPSc są włączane do rosnącego polimeru 7,8, który rozpada się na mniejsze oligomery, co skutkuje większą liczbą zakaźnych jąder. PrPSc jest podatny na agregację i jest częściowo odporny na proteazy 9,10.
CWD dotyka dzikich i hodowlanych łosi (Cervus canadensis), mulaków (Odocoileus hemionus), jeleni białoogonowych (WTD; Odocoileus virginianus), łoś (Alces alces) i renifer (Rangifer tarandus tarandus) 11,12,13. Uważa się, że jest to najbardziej zaraźliwa choroba prionowa z transmisją poziomą, której sprzyjają interakcje jeleniowatych i środowiskowe utrzymywanie się zakaźności 14,15. W przeciwieństwie do innych chorób prionowych, w których akumulacja i zakaźność PrPSc są ograniczone do mózgu, w CWD występują one również w tkankach obwodowych i płynach ustrojowych, np. ślinie, moczu i kale. 16,17,18.
Immunohistochemia jest uważana za złoty standard w diagnostyce CWD do wykrywania dystrybucji PrPSc i zmian gąbczastych 19,20. Test ELISA, a w rzadszych przypadkach western blot są również wykorzystywane w diagnostyce CWD. Tak więc obecna diagnostyka choroby prionowej opiera się głównie na wykrywaniu prionów w tkankach pośmiertnych. Diagnostyka przedśmiertna CWD jest dostępna poprzez pobranie migdałków lub biopsji tkanki limfatycznej związanej z błoną śluzową odbytu i odbytu (RAMALT); Procedura ta jest jednak inwazyjna i wymaga schwytania zwierząt. W związku z tym wykorzystanie łatwo dostępnych próbek, takich jak mocz i kał, byłoby praktycznym sposobem wykrywania prionów CWD. Jednak odchody te zawierają stosunkowo niskie stężenia prionów poniżej granicy wykrywalności obecnych metod diagnostycznych. W związku z tym potrzebne jest bardziej czułe i wysokowydajne narzędzie diagnostyczne. Systemy konwersji in vitro, takie jak test cyklicznej amplifikacji nieprawidłowego fałdowania białek (PMCA) 21, test wysiewu amyloidu i test konwersji indukowanej wstrząsaniem w czasie rzeczywistym (RT-QuIC) 22,23,24 są bardzo potężnymi narzędziami do wykorzystania zdolności PrPSc do samorozprzestrzeniania się do naśladowania in vitro proces konwersji prionów, a tym samym zwiększyć obecność niewielkich ilości PrPSc do wykrywalnych poziomów 25,26. Metoda RT-QuIC wykorzystuje jednak fakt, że produkt konwersji wzbogacony w strukturę drugorzędową β arkuszy może specyficznie wiązać tioflawinę T (Th-T). Dlatego rekombinowany PrP (rPrP) po konwersji wysiewu wyrasta na fibryle amyloidowe, które wiążą Th-T, a tym samym można je wykryć w czasie rzeczywistym, mierząc fluorescencję Th-T wyrażoną jako względne jednostki fluorescencji (RFU) w czasie. Po monitorowaniu RFU może być używany do oceny względnych działań wysiewu i parametrów ilościowych, takich jak faza opóźnienia. Faza opóźnienia reprezentuje czas (h) wymagany do osiągnięcia progu, podczas którego konwersja rPrP na wczesnym etapie reakcji jest poniżej granicy wykrywalności fluorescencji Th-T. Koniec pozornej fazy opóźnienia, towarzyszący tworzeniu się wystarczającej ilości jądra amyloidu (zarodkowanie/wydłużenie), następuje, gdy fluorescencja Th-T przekracza poziom progowy i staje się dodatnia. Wzrost włókienek amyloidowych można wykryć w czasie rzeczywistym, a początkowa aktywność PrP,Sc lub wysiewu zawarta w próbce jest wzmacniana przez segmentację, która generuje więcej nasion. Nasiona te z kolei indukują szybką fazę wykładniczą wzrostu włókien amyloidowych.
Ponieważ ten test jest w stanie wykryć zaledwie 1 fg PrPSc 24, wysoka czułość kwalifikuje tę technikę do osiągnięcia diagnozy ante mortem lub nieinwazyjnej poprzez wykrycie PrPSc w różnych tkankach obwodowych, wydalinach lub innych rodzajach próbek o niskim poziomie zakaźności. RT-QuIC zdecydowanie zapewnia przewagę nad innymi testami ze względu na powtarzalność, praktyczność, szybkość (mniej niż 50 godzin) i niskie koszty w porównaniu z testami biologicznymi. Pozwala to uniknąć zawiłości technicznych, takich jak sonikacja stosowana w PMCA; Odbywa się to również w mikropłytce uszczelnionej taśmą, co minimalizuje ryzyko zanieczyszczenia aerozolem każdej studzienki. Format wielodołkowy umożliwia analizę do 96 próbek w tym samym eksperymencie. Aby przeciwdziałać nawracającemu problemowi wyników fałszywie dodatnich i spontanicznej konwersji rPrP w testach konwersji in vitro, bardzo przydatne jest zastosowanie progu (punktu odcięcia) w RT-QuIC. Rzeczywiście, na podstawie wyników kontroli ujemnej (średnia RFU próbek ujemnych +5 SD 27) ustala się linię bazową, na podstawie której można dokonać rozróżnienia między próbkami dodatnimi i ujemnymi. Użycie czterech powtórzeń dla każdej próbki może zatem pomóc w zdefiniowaniu próbki jako dodatniej, gdy co najmniej 50% powtórzeń wykazuje sygnał pozytywny, tj. przecina granicę odcięcia 28. Homologia między nasionem a substratem nie jest wymagana w RT-QuIC, ponieważ np. w poprzednim badaniu stwierdzono, że rPrP chomika jest bardziej wrażliwym substratem w porównaniu z substratem homologicznym w ludzkich reakcjach wysiewanych PrPvCJD i zasiewanych trzęsawką owiec 29. Zasugerowano również, że chimeryczny rPrP chomika i owcy jest bardziej odpowiednim substratem niż ludzki rPrP do wykrywania ludzkich wariantów prionów CJD 30. W związku z tym stosowanie substratów rPrP z różnych gatunków jest bardzo powszechne w tym teście. Test ten został z powodzeniem zastosowany w kilku chorobach prionowych, takich jak sporadyczne CJD 31,32,33, genetyczne choroby prionowe 34, BSE 35,36,37, trzęsawka 23,36 oraz CWD 38,39,40,41,42. Badania z użyciem przetworzonego płynu mózgowo-rdzeniowego, krwi pełnej, śliny i moczu jako nasion w RT-QuIC zakończyły się sukcesem w wykrywaniu PrPSc 38,39,40,41,42. Aby zwiększyć zdolność wykrywania w próbkach takich jak osocze krwi, które mogą zawierać inhibitory tworzenia amyloidu, Orrú i wsp. (2011) opracował strategię usuwania potencjalnych inhibitorów powstawania amyloidu poprzez połączenie etapu immunoprecypitacji PrPSc (IP) i RT-QuIC, nazwanego testem "enhanced QuIC" (eQuIC). Ponadto zastosowano etap wymiany substratu po ~24 h czasie reakcji w celu poprawy czułości. Ostatecznie, już 1 ag PrPSc było wykrywalne przez eQuIC 30.
W celu oczyszczenia ekstraktów z kału i usunięcia ewentualnych inhibitorów testów w kale, próbki kału pobrane na etapie przedklinicznym i klinicznym od łosia po eksperymentalnym zakażeniu jamy ustnej zostały zhomogenizowane w buforze zawierającym detergenty i inhibitory proteazy. Ekstrakty z kału poddano następnie różnym metodologiom w celu zagęszczenia PrPSc w próbkach wykorzystujących wytrącanie białek poprzez wytrącanie kwasu fosforaungstycznego sodu (NaPTA). Metoda wytrącania NaPTA, po raz pierwszy opisana przez Safara i wsp.43, służy do koncentracji PrPSc w próbkach testowych. Inkubacja NaPTA z próbką skutkuje preferencyjnym wytrącaniem PrPSc zamiast PrPC. Jednak mechanizm molekularny jest nadal niejasny. Ten krok pomógł również powstrzymać i zapobiec spontanicznej konwersji rPrP, którą obserwuje się w niektórych przypadkach. Na koniec ekstrakty z kału przetestowano za pomocą zoptymalizowanego RT-QuIC przy użyciu mysiego rPrP (aa 23-231) jako substratu i z uwzględnieniem wymiany substratu w protokole w celu poprawy czułości wykrywania.
Wyniki tutaj pokazują, że ta ulepszona metoda może wykrywać bardzo niskie stężenia prionów CWD i zwiększa czułość wykrywania i swoistości w próbkach kału w porównaniu do protokołu bez wytrącania NaPTA i wymiany substratu. Metoda ta potencjalnie może być stosowana do innych tkanek i płynów ustrojowych i może być bardzo przydatna do nadzoru nad CWD u dzikich i żyjących w niewoli jeleniowatych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. RT-QuIC przy użyciu materiału kałowego
2. Oczyszczanie rekombinowanego białka prionowego (rPrP)
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ekstrakty kałowe CWD przygotowane na poziomie 10% (w/v) były w stanie wywołać reakcję RT-QuIC, jednak czułość wykrywania była niska 27. Użycie specyficznego buforu do homogenizacji kału było krytycznym krokiem w celu uniknięcia wysokiej fluorescencji tła w reakcjach RT-QuIC towarzyszącej zastosowaniu mysiego substratu rPrP zamiast rPrP jelenia, co pozwoliło uzyskać bardziej szczegółowe wyniki 27. Dodanie wytrącania NaPTA zmniejszyło spontani...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
RT-QuIC był wcześniej stosowany do wykrywania prionów CWD w moczu i ekstraktach kałowych zakażonych doustnie jeleni białoogonowych i mulaków 38. System przedstawiony w tym manuskrypcie jest zaadaptowaną metodą testu RT-QuIC. Do "klasycznego" testu RT-QuIC włączono dodatkowe kroki w celu poprawy wykrywania i czułości testu na obecność prionów CWD w materiale kałowym zakażonych zwierząt.
Niska czułość detekcji w ekstraktach z kału doprowadziła nas do udoskonalenia protoko...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Jesteśmy wdzięczni Dr. Byronowi Caughey'owi (NIH Rocky Mountain Laboratories) za zapewnienie szkolenia i badania plazmidu ekspresji bakteryjnej PrP jeleniowatej. SG jest wspierany przez program Canada Research Chair. Dziękujemy, że SG otrzymuje fundusze na te badania od Genome Canada, Alberta Prion Research Institute oraz Alberta Agriculture and Forestry za pośrednictwem Genome Alberta i University of Calgary w celu wsparcia tych prac. Potwierdzamy grant badawczy przyznany przez Margaret Gunn Foundation for Animal Research.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Materiały | |||
| Acrodisc filtry do seringów | PALL | 4652 | |
| amicon Ultra-15 Filtr odśrodkowy | Millipore | UCF901024 | |
| BD 10 ml seringe | VWR | CA75846-842 | |
| Chloramfenikol | Sigma-Aldrich | C0378 | |
| Corning Filtry próżniowe | Sigma-Aldrich | 431118 | |
| Kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA) | Sigma-Aldrich | E4884 | |
| gentleMACS M Tube | Miltenyi Biotec | 130-093-236 | |
| Chlorowodorek guanidyny | Sigma-Aldrich | G4505 | |
| Imidazol | Sigma-Aldrich | I5513 | |
| Izopropanol | Sigma-Aldrich | I9516 | |
| Siarczan kanamycyny | Sigma-Aldrich | 60615 | |
| Rosół Luria-Bertani (LB) | ThermoFisher Scientific | 12780029 | |
| Chlorek magnezu | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| Suplement N2 (100X) | ThermoFisher Scientific | 15502048 | |
| Sól sodowa N-lauroilsarkozyny (sarkozyl) | Sigma-Aldrich | ML9150 | |
| Urządzenia odśrodkowe Nanosep z membraną omega 100K | Taśmy uszczelniające PALL | OD100C34 | |
| Nunc | ThermoFisher Scientific | 232702 | |
| Parafilm M | VWR | 52858-000 | |
| fluorek fenylometylosulfonylu (PMSF) | Sigma-Aldrich | P7626 | |
| Tabletka inhibitora proteazy | Roche | ||
| Chlorek sodu | Sigma-Aldrich | S3014 | |
| Deoksycholan sodu | Sigma-Aldrich | D6750 | |
| Dodecylosiarczan sodu (SDS) | Calbiochem | 7910-OP | |
| fosforan sodu | Sigma-Aldrich | 342483 | |
| Fosforan sodu dwuzasadowy bezwodny | Sigma-Aldrich | S9763 | |
| Fosforan sodu jednozasadowy jednowodny | Sigma-Aldrich | S9638 | |
| Hydrat fosforanu sodu (NaPTA) | Sigma-Aldrich | 496626 | |
| Tioflawina T | Sigma-Aldrich | T3516 | |
| Tris-Hydroksy-Metylo-Amino-Methan (Tris) | Sigma-Aldrich | T6066 | |
| Triton-100 | Calbiochem | 9410-OP | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949 | |
| Nazwa | >Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
| Komercyjne i roztwory | |||
| BugBuster Master Mix | Nogagen | 71456-4 | |
| Ni-NTA superflow | Qiagen | 1018401 | |
| sól fizjologiczna buforowana fosforanami (PBS) pH 7,4 (1X) | Life Technoligies | P5493 | |
| Ultraczysta woda destylowana | Invitrogen | 10977015 | |
| Nazwa | Company | Numer katalogowy | Komentarze |
| Standardy i zestawy komercyjne | |||
| Express Autoinduction System 1 | Novagen | 71300-4 | |
| Pierce BCA Zestaw do oznaczania białek | ThermoFisher Scientific | 23227 | |
| Nazwa | Company | Numer katalogowy | Uwagi |
| >Konfiguracja sprzętu | |||
| AKTA systemy oczyszczania białek FPLC | GE Healthcare Life Sciences | ||
| Beckman Avanti J-25 Wirówka | Beckman Coulter | ||
| Beckman Rotor JA-25.50 | Beckman Coulter | ||
| Beckman JA-10 | Beckman Coulter | ||
| Czytnik mikropłytek FLUOstar Omega | BMG Labtech | ||
| gentleMACS Disocjator | Miltenyi Biotec | 130-093-235 | |
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
| Sofware | |||
| Analiza danych MARS Oprogramowanie | BMG Labtech | ||
| GraphPad Prism6 | GraphPad |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie