Lizosomy to organelle kataboliczne, które rozkładają makrocząsteczki poprzez szlak lizosomalno-autofagiczny1. Oprócz degradacji, lizosomy biorą udział w różnych funkcjach komórkowych, takich jak transdukcja sygnałowa, wykrywanie składników odżywczych i wydzielanie2,3,4. Perturbacje w funkcji lizosomalnej są związane z lizosomalnymi zaburzeniami spichrzeniowymi, rakiem, starzeniem się i neurodegeneracją3,5,6,7. W przypadku neuronów postmitotycznych i silnie spolaryzowanych lizosomy odgrywają kluczową rolę w homeostazie komórek neuronalnych, uwalnianiu neuroprzekaźników i transporcie na duże odległości wzdłuż aksonów8,9,10,11. Jednak badanie lizosomów w ludzkich neuronach było trudnym zadaniem. Ostatnie postępy w technologiach neuronów pochodzących z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) umożliwiły hodowlę żywych ludzkich neuronów, które wcześniej były niedostępne, wypełniając lukę między modelami zwierzęcymi a ludzkimi pacjentami w celu zbadania ludzkiego mózgu12,13. W szczególności zaawansowana technologia i3Neuron stabilnie integruje czynnik transkrypcyjny neurogeniny-2 z genomem iPSC pod promotorem indukowanym doksycykliną, powodując różnicowanie się iPSC w czyste neurony korowe w ciągu 2 tygodni14,15.
Ze względu na wysoce dynamiczną aktywność lizosomalną, uchwycenie interakcji lizosomalnych z innymi składnikami komórkowymi jest technicznie trudne, szczególnie w trybie wysokoprzepustowym. Technologia znakowania zbliżeniowego doskonale nadaje się do badania tych dynamicznych oddziaływań ze względu na jej zdolność do wychwytywania zarówno stabilnych, jak i przejściowych/słabych interakcji białkowych o wyjątkowej specyficzności przestrzennej16,17. Zmodyfikowana peroksydaza lub ligaza biotyny może być genetycznie połączona z białkiem przynęty. Po aktywacji wytwarzane są wysoce reaktywne rodniki biotyny, które kowalencyjnie znakują sąsiednie białka, które następnie mogą być wzbogacone o kulki pokryte streptawidyną do dalszej proteomiki bottom-up za pomocą platform chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas (LC-MS)17,18,19,20,21.
Endogenna metoda proteomiki oznaczania bliskości lizosomów została niedawno opracowana w celu uchwycenia dynamicznego mikrośrodowiska lizosomów w i3Neurons22. Zmodyfikowana peroksydaza askorbinianowa (APEX2) została wbita na C-koniec lizosomalnego białka błonowego 1 (LAMP1) w iPSC, które można następnie różnicować w neurony korowe. LAMP1 jest licznie występującym lizosomalnym białkiem błonowym i klasycznym markerem lizosomalnym23. LAMP1 ulega również ekspresji w późnych endosomach, które dojrzewają do lizosomów; Te późne lizosomy endosomów i lizosomy niedegradacyjne są w tym protokole określane jako lizosomy. Ta endogenna sonda LAMP1-APEX, ulegająca ekspresji na poziomie fizjologicznym, może zmniejszyć artefakty błędnej lokalizacji i nadekspresji LAMP1. Setki lizosomalnych białek błonowych i lizosomalnych interaktorów można zidentyfikować i określić ilościowo z doskonałą rozdzielczością przestrzenną w żywych ludzkich neuronach.
Tutaj opisano szczegółowy protokół proteomiki znakowania bliskosomów w ludzkich neuronach pochodzących z iPSC z dalszymi ulepszeniami w stosunku do niedawno opublikowanej metody22. Ogólny przebieg pracy jest zilustrowany na Rysunek 1. Protokół obejmuje hodowlę neuronów pochodzących z hiPSC, aktywację znakowania zbliżeniowego w neuronach, walidację aktywności APEX za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, określenie optymalnego stosunku kulek streptawidyny do białka wejściowego, wzbogacenie białek biotynylowanych, trawienie białek na kulkach, odsalanie i kwantyfikację peptydów, analizę LC-MS oraz analizę danych proteomicznych. Omówiono również wskazówki dotyczące rozwiązywania problemów i optymalizacje eksperymentalne w celu poprawy jakości i wydajności etykietowania zbliżeniowego.