RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Maria Lucia Pigazzini*1,2, Christian Gallrein*1, Manuel Iburg*1, Gabriele Kaminski Schierle3, Janine Kirstein1,4
1Leibniz Research Institute for Molecular Pharmacology im Forschungsverbund Berlin, 2NeuroCure Cluster of Excellence,Charité - Universitätsmedizin Berlin, 3Molecular Neuroscience Group, Department of Chemical Engineering and Biotechnology,University of Cambridge, 4Cell Biology,University of Bremen
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Флуоресценция жизни визуализации мониторов, количественно и отличает агрегации тенденции белков в жизни, старение, и подчеркнул C. elegans модели болезни.
Амилоидные фибрилки связаны с рядом нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Гентингтона, Паркинсона или болезнь Альцгеймера. Эти амилоидные фибриллы могут секвестировать эндогенные метастабильные белки, а также компоненты сети протеостаза (PN) и тем самым усугубить неправильное сворачивание белка в клетке. Существует ограниченное количество инструментов для оценки процесса амилоидных белков в животном. Мы представляем протокол для флуоресценции жизни микроскопии (FLIM), что позволяет контролировать, а также количественноать амилоидной фибрилизации в конкретных клетках, таких как нейроны, в неинвазивной образом и с прогрессированием старения и при возмущении PN. FLIM не зависит от уровня экспрессии фторофора и позволяет анализпроцесса агрегации без каких-либо дальнейших окрашивания или отбеливания. Флюорофоры угасают, когда они находятся в непосредственной близости от амилоидных структур, что приводит к снижению срока службы флуоресценции. Закалка напрямую коррелирует с агрегацией амилоидного белка. FLIM является универсальным методом, который может быть применен для сравнения процесса фибрилизации различных амилоидных белков, экологических стимулов, или генетических фонов in vivo в неинвазивной манере.
Агрегация белка происходит как при старении, так и при заболеваниях. Пути, которые приводят к образованию и осаждению крупных амилоидов или аморфных включений трудно следовать и их кинетика также сложно разгадать. Белки могут неправильно сложиться из-за внутренних мутаций в их последовательности кодирования, как и в случае генетических заболеваний. Белки также неправильно, потому что протеостаз сети (PN), что держит их растворимыми и правильно сложены нарушается, как это происходит во время старения. PN включает в себя молекулярные сопровождающие и машины деградации и отвечает за биогенез, складные, торговые и деградации белков1.
C. elegans стала моделью для изучения старения и болезней из-за его короткой продолжительности жизни, изогенной природы и простоты генетических манипуляций. Было создано несколько трансгенных штаммов C. elegans, которые выражают белки, вызывающие болезни человека, в уязвимых тканях. Важно отметить, что многие штаммы, содержащие агрегации подверженных белков резюме отличительной чертой амилоидных расстройств, формирование крупных включений. Благодаря прозрачному телу C. elegans, эти агрегаты могут быть визуализированы in vivo, неинвазивно и неразрушительно2. Генерация любого белка, представляющих интерес (POI) в синтезе с фторфором позволяет исследовать его местоположение, торговлю людьми, сеть взаимодействия и общую судьбу.
Мы представляем протокол для мониторинга агрегации болезнетворных белков в жизни и старения C. elegans с помощью флуоресценции визуализации микроскопии (FLIM). FLIM является мощным методом, основанным на жизни фторфора, а не его спектры выбросов. Срок службы (тау, ) определяется как среднее время, требуемое фотоном для распада от возбужденного состояния обратно в его наземное состояние. Срок службы данной молекулы рассчитывается с помощью метода временной домены учета одного фотона (TCSPC). В TCSPC-FLIM функция флуоресцентного распада получается путем захватывающих флюорофора с короткими, высокочастотными лазерными импульсами и измерения времени прибытия испускаемого фотона на детектор по отношению к импульсам. При сканировании образца для каждого пикселя создается трехмерный массив данных: массив содержит информацию о распределении фотонов в их x,y пространственных координатах и кривой временного распада. Таким образом, данный образец становится картой жизней, раскрывающей информацию о структуре белка, связывании и окружающей среде3,,4. Каждый флуоресцентный белок обладает внутренней и точно определенной продолжительности жизни, как правило, в несколько наносекунд (нс), в зависимости от его физиохимических свойств. Важно отметить, что срок службы флюорофора не зависит от его концентрации, флуоресцентной интенсивности и методологии визуализации. Тем не менее, в биологической системе, это может быть влияние экологических факторов, таких как рН, температура, концентрации ионов, насыщение кислородом, и его партнеров взаимодействия. Сроки службы также чувствительны к внутренним структурным изменениям и ориентации. Слияние фторофора с POI приводит к изменению в его жизни и, следовательно, информация о поведении слитого белка. Когда фторофор окружен или инкапсулирован в плотно связанной среде, такой как антипараллельные бета-листы амилоидной структуры, он теряет энергию нерадиационно, процесс, известный как закалка5. Утоления фторофора приводит к сокращению его очевидной жизни. Когда растворимый, срок службы белка будет оставаться ближе к его первоначальной, более высокой стоимости. В отличие от этого, когда белок начинает агрегироваться, его срок службы неизбежно перейдет к более низкому значению6,,7. Таким образом, становится возможным контролировать склонность к агрегации любого амилоидного белка в разном возрасте в живых C. elegans.
Здесь мы описываем протокол для анализа агрегации белка синтеза, состоящего из различных полиглютамин (CAG, No) тянется (No40, No 44, и No 85). Мы иллюстрируем, как этот метод может быть применен в равной степени к различным флуоророромам, таким как циановый флуоресцентный белок (CFP), желтый флуоресцентный белок (YFP) и мономерный красный флуоресцентный белок (mRFP); и во всех тканях C. elegans, включая нейроны, мышцы и кишечник. Кроме того, в контексте протеостаза, FLIM является очень полезным инструментом для наблюдения за изменениями при истощении молекулярных сопровождающих. Сбив ая расшатывание одного из ключевых молекулярных сопровождающих, белок теплового шока 1(hsp-1),с помощью РНК-интерференции производит преждевременное искажение белков. Увеличение нагрузки агрегации в результате старения, болезни или дефицита сопровождающих, затем измеряется как снижение продолжительности жизни флуоресценции.
1. Синхронизация C. elegans
2. РНК-опосредованный нокдаун сопровождающего оборудования через кормление
ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните нокдаун белка теплового шока 1(hsp-1) сопровождающего путем кормления соответствующего вектора РНК нематодами10. Плазмида hsp-1 RNAi была получена из библиотеки Ahringer (клон ID: F26D10.3).
3. Подготовка слайдов микроскопии
4. Установка нематод на микроскопии слайды
ПРИМЕЧАНИЕ: FLIM требует, чтобы нематод были обездвижены. Выполните этот шаг после установки изображений (например, микроскопы, лазеры, детекторы) будет готово к использованию.
5. Приобретение данных FLIM
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе срок службы фторофора приобретается с помощью метода TCSPC. FLIM требует импульса света, который будет генерироваться лазером с установленной скоростью и постоянной скоростью повторения. Скорость повторения варьируется в зависимости от типа лазера и должна быть известна пользователю. Пожизненные измерения достигаются детекторами и электронным оборудованием, установленным рядом с обычным микроскопом. В этом протоколе, измерения выполняются на трех различных лазерных сканирования конфокальных микроскопов с детекторами и программное обеспечение, предоставляемые двумя различными компаниями(Таблица материалов) для приобретения mRFP, CFP, и YFP жизни, соответственно. Убедитесь, что правильные фильтры выбросов / возбуждения на месте и свести к минимуму любой фон или мониторинг подсветки перед запуском. Перед началом любого эксперимента установите фотостабильность выбранного фторофора. Если фторофор отключит в течение короткого времени в нематод тканях, он не подходит для измерений FLIM в C. elegans.
6. Анализ данных FLIM с использованием программного обеспечения FLIMfit
ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните анализ данных с помощью программного инструмента FLIMfit, разработанного в Имперском колледжеЛондона 12 (см. рисунок 1).
7. Графические представления данных FLIM
ПРИМЕЧАНИЕ: Сроки, собранные из различных образцов, могут быть визуально представлены различными способами. Выберите для обозначения значений продолжительности жизни в наносекундах или пикосекундах.
Протокол показывает, как точно контролировать формирование агрегированных видов в живых C. elegans,как во время его естественного старения и при воздействии стресса. Мы отобрали четыре различных штамма трансгенных нематод, выражающих полиглутамин белки либо 40 ", 44" или 85 "повторов. Эти белки синтезируются в различных тканях и были слиты с различными флюорофорами. Штаммы C. elegans либо выражали 40-mRFP в мышцах стенки тела (m'40-RFP), q40-CFP в нервной системе (n'40-CFP), либо q44-YFP или Q85-YFP в кишечнике (i'44-YFP и i'85-YFP)13. Чтобы проиллюстрировать, как старение способствует агрегации, мы собрали срок службы этих штаммов полиэ в молодых нематод, на 4-й день жизни, и старые нематоды, на 8-й день. Чтобы показать последствия дефицита в PN, мы выполнили нокдаун hsp-1 в m'40-RFP и штаммов n'40.
После того, как значения продолжительности жизни были экстраполированы с помощью программного обеспечения FLIMfit, полученные данные показали явное сокращение срока службы любой из построек поли, когда агрегировались из-за либо глутаминовой нагрузки, старения или стресса. FLIM различал растворимые фракции белка и агрегированные виды, и их переход, записывая сдвиг в их жизни.
На 4-й день, m'40-RFP отображается средняя продолжительность флуоресценции 1,69 нч(Рисунок 2). При старении, более агрегированные виды возникли, появляясь как низкий уровень жизни очагов в жизни изображения и смещения гистограммы на сокращение продолжительности жизни(Рисунок 2A). Путем построения средней флуоресценции жизни каждого приобретенного изображения в течение возраста нематод значительное сокращение продолжительности жизни флуоресценции, и, следовательно, накопление агрегированных видов, стал видимым (Рисунок 2B). Способность сворачивать протеина PN уменьшила после дня 4 жизни в C. elegans14 и связанных с агрегацией протеинов далее misfolded для того чтобы сгруппировать в амилоидные и аморфные агрегаты. Помимо PN, внутренняя агрегация склонности определенного белка сыграли важную роль в прогрессировании совокупного образования. Это было проанализировано путем сравнения поведения i'44-YFP и i'85-YFP. Более длинний й-стрейч i'85 был более склонен к агрегации и демонстрировал флуоресценцию жизни сдвиг в гистограмме уже на 4-й день жизни(Рисунок 3A). В самом деле, на 4-й день, образование очагов наблюдалось для i'85, в то время как все еще отсутствует в i'44. Однако при старении, i'44 также проявлял образование очагов и, таким образом, уменьшал срок службы флуоресценции. Так как i'85 уже выставлены агрегаты в раннем взрослом возрасте прогрессирование агрегации на старение было менее выраженным, но значительным (Рисунок 3B). Наконец, мы не обнаружили образования очагов и не уменьшили срок службы флуоресценции в штамме n'40-CFP(рисунок 4A). Для этого штамма, были только тонкие, незначительные изменения в среднем флуоресценции жизни на старение (Рисунок 4B), потенциально из-за нейронов менее восприимчивы по еще неизвестным причинам.
Сбив ая чсп-1 представляет собой проблему для PN из м-40 и n-40, выражающих нематод. РНК-опосредовано истощение hsp-1 привело к значительному увеличению агрегации(рисунок 5 и рисунок 6). 40- в мышцах стенки тела, как правило, образуют небольшое количество крупных очагов, окруженных неагрегированным материалом. Это привело к двум различимым пикам в гистограммах (около 1,7 нс и 1,4 нс, см. Рисунок 5А). В возрасте и РНК лечение нематод показали сильное увеличение в низкий пик жизни в конечном счете, уменьшая средний срок службы флуоресценции(рисунок 5B). По сравнению с этим бифазам поведения в 40 фунтов в мышцах, нейрональные No 40 отображается более разнообразное поведение агрегации. Мы не могли напрямую соотнести образование очагов с агрегацией, как в мышечном напряжении экспрессии(рисунок 6А). Поскольку FLIM предлагает возможность оценить степень агрегации, гистограммы показали, что не было четкого пика, но широкое распространение флуоресценции жизней, указывая на сложный состав различных олигомеров и высшего порядка агрегатов. Тем не менее, общая степень агрегации может быть оценена путем построения среднего срока службы флуоресценции(рисунок 6B), показывая, что hsp-1 нокдаун привел к увеличению агрегации.
Важно отметить, что срок службы фторофоров, свободных от партнера по слиянию и вне биологической системы, был выше. Поскольку срок службы зависит в первую очередь от окружающей среды, небольшое сокращение срока службы YFP и RFP уже было заметно в тканях C. elegans. Поэтому важно, чтобы получить срок службы растворимых POI в нематод в качестве подходящего контроля. Сравнение между растворимым фракцией с более высоким сроком службы и агрегированной фракцией с более низким сроком службы может быть сделано. Здесь снижение продолжительности жизни коррелирует с образованием видимых очагов в мышечных и кишечных клетках. Тем не менее, доля фоци не продемонстрировала никакого снижения продолжительности жизни флуоресценции (см. Рисунок 2 и Рисунок 3, белые стрелки). Эта функция показывает, как только часть конструкции синтеза может быть агрегирована в определенной пространственно-временной точке, а также наличие и наличие несвязанного белка. Более сложный сценарий возник в результате исследования штамма нейронов No40-CFP. CFP внутренне обладает двумя различными флуоресценции жизни. Хотя CFP является идеальным флюорофором для рецензирования энергии Фюрстера (FRET)15 измерений, в сочетании с YFP, не рекомендуется использовать его для мониторинга формирования агрегатов в C. elegans.

Рисунок 1: Скриншот программного интерфейса FLIMFit. Скриншот программного обеспечения, используемого для расчета продолжительности жизни флуоресценции. Окно изображает интерфейс после того, как параметры были определены как описанные в тексте, и вычисление продолжительности жизни было выполнено. Пронумерованные стрелки относятся к определенным шагам в протоколе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Флуоресценция жизни мышечной 40-RFP уменьшается с возрастом. (A) Представитель карты C. elegans, выражающие мышечную 40-RFP на 4-й день или день 8 жизни, порожденных FLIMfit. Флуоресценция жизни, интенсивность флуоресценции, и слияние изображения обоих предоставляются. Шкала баров 25 мкм. Гистограммы показывают распределение измеренных сроков жизни для всех проанализированных нематод, разделенных на 100 категорий. (B) Бар участков, показывающих взвешенные средние жизни флуоресценции всех проанализированных животных на день 4 или 8 день жизни, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3: Флуоресценция жизни кишечника No 44-YFP и кишечного No 85-YFP снизилась с возрастом. (A) Представитель карты C. elegans, выражающие кишечные No 44-YFP или кишечных No 85-YFP на 4-й день или день 8 жизни, порожденных FLIMfit. Флуоресценция жизни, интенсивность флуоресценции, и слияние изображения обоих предоставляются. Шкала баров 25 мкм. Гистограммы показывают распределение измеренных сроков жизни для всех проанализированных нематод, разделенных на 100 категорий. (B) Бар участков, показывающих взвешенные средние жизни флуоресценции всех проанализированных животных на день 4 или 8 день жизни, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4: Флуоресценция жизни нейронов No 40-CFP не меняется с возрастом. (A) Представитель карты C. elegans, выражающие нейронные 40-CFP на 4-й день или день 8 жизни, порожденных FLIMfit. Флуоресценция жизни, интенсивность флуоресценции, и слияние изображения обоих предоставляются (вторая жизнь, No 2, указывается во всех образцах). Шкала баров 25 мкм. Гистограммы показывают распределение измеренных сроков жизни для всех проанализированных нематод, разделенных на 100 категорий. (B) Бар участков, показывающих взвешенные средние жизни флуоресценции всех проанализированных животных на день 4 или 8 день жизни, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 5: Флуоресценция жизни мышечной 40-RFP снизилась после нокдауна hsp-1. (A) Представитель карты C. elegans, выражающие мышечную 40-RFP на 4-й день или день 8 жизни, порожденных FLIMfit. Отображается слияние карты продолжительности жизни и интенсивности флуоресценции. Для обеих временных точек показаны нематоды, которые росли на бактериях, выражающих пустой вектор (контроль) или бактерии, выражающие конструкцию hsp-1 RNAi. Шкала баров 25 мкм. Гистограммы показывают распределение измеренных сроков жизни для всех проанализированных нематод, разделенных на 100 категорий. (B) Бар участков, показывающих взвешенные средние жизни флуоресценции всех проанализированных животных на день 4 или 8 день жизни, с контролем или hsp-1 РНК, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 6: Флуоресценция жизни нейронов No 40-CFP снизилась после нокдауна hsp-1. (A) Представитель карты C. elegans, выражающие нейронные 40-CFP на 4-й день жизни, порожденных FLIMfit. Отображается слияние карты продолжительности жизни и интенсивности флуоресценции. Нематоды показаны были выращены на бактериях, выражающих пустой вектор (контроль) или бактерий, выражающих hsp-1 РНК конструкции. Шкала баров 25 мкм. Гистограммы показывают распределение измеренных сроков жизни для всех проанализированных нематод, разделенных на 100 категорий. (B) Бар участков, показывающих взвешенные средние жизни флуоресценции всех проанализированных животных на 4-й день, с контролем РНК или hsp-1 РНК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Авторам нечего раскрывать.
Флуоресценция жизни визуализации мониторов, количественно и отличает агрегации тенденции белков в жизни, старение, и подчеркнул C. elegans модели болезни.
Напряжение мышц-40-mRFP, предоставляемое CGC, которое финансируется NiH Управлением научно-исследовательских инфраструктурных программ (P40 OD010440). Нейрон-40-CFP был добрым подарком лаборатории Моримото. Мы признаем DFG (KI-1988/5-1 в JK, NeuroCure PhD стипендий по NeuroCure кластера передового опыта в MLP), EMBO (краткосрочные стипендии для MLP) и компании биологов (путешествия гранты CG и MLP) для финансирования. Мы также признаем, что центр расширенной световой микроскопии в Центре молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Берлине предоставляет установку для изображения, построенного YFP.
| Agar-Agar Kobe I | Carl Roth GmbH + Co. KG | 5210.2 | NGM компонент Ahringer |
| Library hsp-1 siRNA | Source BioScience UK Limited | F26D10.3 | |
| Ампициллин | Carl Roth GmbH + Co. KG | K029.3 | Антибиотик |
| B& H DCS-120 SPC-150 | Becker & Hickl GmbH | FLIM Aquisition программное обеспечение | |
| B& H SPC830-SPC Изображение | Becker & Hickl GmbH | FLIM Программное обеспечение | |
| для приобретения BD Bacto Peptone | BD-Bionsciences | 211677 | компонент NGM |
| C. elegans iQ44-YFP | CAENORHABDITIS GENETICS CENTER (CGC) | OG412 | |
| C. elegans iQ85-YFP | Добрый подарок от Morimoto Lab | ||
| C. elegans mQ40-RFP | Добрый подарок от Morimoto Lab | ||
| C. elegans nQ40-CFP | Добрый подарок от Morimoto Lab | ||
| Deckglä ser-18x18mm | Carl Roth GmbH + Co. KG | 0657.2 | Защитные накладки |
| Изопропил-&бета;-D-тиогалактопиранозид (IPTG) | Carl Roth GmbH + Co. KG | 2316.4 | |
| Leica M165 FC | Leica Camera AG | Монтажный стереомикроскоп | |
| Leica TCS SP5 | Leica Camera AG | Конфокальный микроскоп | |
| Левамизол гидрохлорид | AppliChem GmbH | A4341 | Анестетик |
| OP50 Escherichia coli | CAENORHABDITIS GENETICS CENTER (CGC) | 50 | |
| PicoQuant PicoHarp300 | PicoQuant GmbH | FLIM Программное обеспечение для эквизиции | |
| Азид натрия | Carl Roth GmbH + Co. KG | K305.1 | Анестетик |
| хлорид натрия | Carl Roth GmbH + Co. KG | 3957.2 | Компонент |
| NGMStandard-Objektträ ger | Carl Roth GmbH + Co. KG | 0656.1 | Предметные стекла |
| Universal Agarose | Bio & Продам GmbH | BS20.46.500 | |
| Zeiss AxioObserver.Z1 | Carl Zeiss AG | Конфокальный микроскоп | |
| Zeiss LSM510-Meta NLO | Carl Zeiss AG | Конфокальный микроскоп |