Физиологическая модель in vivo α-синуклеина необходима для изучения и понимания патогенеза болезни Паркинсона. Описан метод мониторинга цитотоксичности и агрегатного образования α-синуклеина с использованием гуманизированной дрожжевой модели.
Методическая статья
Физиологическая модель in vivo α-синуклеина необходима для изучения и понимания патогенеза болезни Паркинсона. Описан метод мониторинга цитотоксичности и агрегатного образования α-синуклеина с использованием гуманизированной дрожжевой модели.
Болезнь Паркинсона является вторым наиболее распространенным нейродегенеративным расстройством и характеризуется прогрессирующей гибелью клеток, вызванной образованием клеток Леви, содержащих неправильно свернутые и агрегированные α-синуклеин. α-синуклеин является обильным пресинаптическим белком, который регулирует торговлю синаптическими пузырьками, но накопление его белковых включений приводит к нейротоксичности. Недавние исследования показали, что различные генетические факторы, включая бактериальные шапероны, могут уменьшить образование α-синуклеиновых агрегатов in vitro. Тем не менее, также важно контролировать антиагрегационный эффект в клетке, чтобы применять его в качестве потенциального лечения для пациентов. Было бы идеально использовать нейронные клетки, но с этими клетками трудно обращаться и требуется много времени, чтобы продемонстрировать фенотип антиагрегации. Поэтому для дальнейшей оценки антиагрегационной активности in vivo требуется быстрый и эффективный инструмент in vivo . Описанный здесь метод использовался для мониторинга и анализа антиагрегационного фенотипа в гуманизированных дрожжах Saccharomyces cerevisiae, которые экспрессировали человеческий α-синуклеин. Этот протокол демонстрирует инструменты in vivo , которые могут быть использованы для мониторинга клеточной токсичности, вызванной α-синуклеином, а также образования агрегатов α-синуклеина в клетках.
Болезнь Паркинсона (БП) является серьезной проблемой для стареющих обществ во всем мире. Агрегация α-синуклеина тесно связана с БП, а белковые агрегаты α-синуклеина широко используются в качестве молекулярного биомаркера для диагностики заболевания1. α-синуклеин представляет собой небольшой кислый белок (140 аминокислот в длину) с тремя доменами, а именно N-концевым липидсвязывающим α-спирали, амилоид-связывающим центральным доменом (NAC) и С-концевым кислотным хвостом2. Неправильное сворачивание α-синуклеина может происходить спонтанно и в конечном итоге приводит к образованию амилоидных агрегатов, называемых тельцами Леви3. α-синуклеин может способствовать патогенезу БП несколькими способами. В целом, считается, что его аномальные, растворимые олигомерные формы, называемые протофибриллами, являются токсичными видами, которые вызывают гибель нейрональных клеток, воздействуя на различные клеточные мишени, включая синаптическую функцию3.
Биологические модели, используемые для изучения нейродегенеративных заболеваний, должны иметь отношение к людям в отношении их генома и клеточной биологии. Лучшими моделями будут клеточные линии нейронов человека. Однако эти клеточные линии связаны с несколькими техническими проблемами, такими как трудности в поддержании культур, низкая эффективность трансфекции и высокие затраты4. По этим причинам требуется простой и надежный инструмент для ускорения прогресса в этой области исследований. Важно отметить, что инструмент должен быть простым в использовании для анализа собранных данных. С этой точки зрения широко используются различные модельные организмы, включая Drosophila, Caenorhabditis elegans, Danio rerio, дрожжи и грызунов5. Среди них дрожжи являются лучшим модельным организмом, потому что генетические манипуляции просты, и они дешевле, чем другие модельные организмы. Самое главное, дрожжи имеют большое сходство с человеческими клетками, такие как 60% гомология последовательности для человеческих ортологов и 25% близкая гомология с генами, связанными с человеческими заболеваниями6, и они также разделяют фундаментальную эукариотическую клеточную биологию. Дрожжи содержат много белков с аналогичными последовательностями и аналогичными функциями в клетках человека7. Действительно, дрожжи, экспрессирующие человеческие гены, широко использовались в качестве модельной системы для выяснения клеточных процессов8. Этот штамм дрожжей называется гуманизированными дрожжами и является полезным инструментом для изучения функции генов человека9. Гуманизированные дрожжи имеют преимущества для изучения генетических взаимодействий, потому что генетические манипуляции хорошо известны в дрожжах.
В этом исследовании мы использовали дрожжи Saccharomyces cerevisiae в качестве модельного организма для изучения патогенеза БП, в частности, для изучения образования агрегатов α-синуклеина и цитотоксичности10. Для экспрессии α-синуклеина в почковых дрожжах штамм W303a использовался для трансформации с плазмидами, кодирующими дикий тип и семейные PD-ассоциированные варианты α-синуклеина. Поскольку штамм W303a имеет ауксотрофную мутацию на URA3, он применим для отбора клеток, содержащих плазмиды с URA3. Экспрессия α-синуклеина, закодированного в плазмиде, регулируется промотором GAL1 . Таким образом, уровень экспрессии α-синуклеина можно контролировать. Кроме того, слияние зеленого флуоресцентного белка (GFP) в С-концевой области α-синуклеина позволяет контролировать образование α-синуклеиновых очагов. Чтобы понять характеристики семейных PD-ассоциированных вариантов α-синуклеина, мы также экспрессировали эти варианты в дрожжах и изучили их клеточные эффекты. Эта система является простым инструментом для скрининга соединений или генов, проявляющих защитные роли против цитотоксичности α-синуклеина.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Подготовка носителей и решений
2. Трансформация дрожжей
ПРИМЕЧАНИЕ: Плазмида pRS426 использовалась для клонирования гена α-синуклеина и содержала ген URA3 в качестве выбираемого маркера. Существуют семейные PD-ассоциированные варианты α-синуклеина, которые имеют тяжелые фенотипы заболевания (например, цитотоксичность). Эти варианты также использовались здесь для мониторинга их цитотоксичности и образования агрегированных очагов. Используйте одну и ту же колонию дрожжевых трансформантов для всех экспериментов, чтобы получить последовательные результаты.
3. Споттинг-анализ
ПРИМЕЧАНИЕ: Известно, что экспрессия GFP-меченого α-синуклеина в плазмидах с высоким числом копий связана с цитотоксичностью в дрожжах10.
4. Измерение роста дрожжей с помощью микропластичного считывателя
5. Флуоресцентная микроскопия
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Известно, что высокая экспрессия α-синуклеина связана с гибелью нейрональных клеток и БП в модельных системах БП. В данном исследовании описаны три метода мониторинга цитотоксичности α-синуклеина и образования очагов агрегированного α-синуклеина в дрожжах. Здесь α-синуклеин был чрезмерно экспрессирован в дрожжах, и были исследованы фенотипы α-синуклеина дикого типа и трех вариантов α-синуклеина, известных как семейные мутанты БП (рисунок 1 и Таблица материалов).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Учитывая сложность различных клеточных систем у человека, выгодно использовать дрожжи в качестве модели для изучения нейродегенеративных заболеваний человека. Хотя почти невозможно исследовать сложные клеточные взаимодействия человеческого мозга с использованием дрожжей, с точки зрения одноклеточных клеток дрожжевые клетки имеют высокий уровень сходства с клетками человека с точки зрения гомологии геномной последовательности и фундаментальных эукариотических клеточных процессов 8,13
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.
Мы благодарим Джеймса Бардуэлла и Тьяго Ф. Аутейро за любезное распространение плазмид, содержащих α-синуклеин. Чанхан Ли получил финансирование от Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемого корейским правительством (MSIT) (грант 2021R1C1C1C1011690), Программы фундаментальных научных исследований через NRF, финансируемой Министерством образования (грант 2021R1A6A1A10044950), и нового исследовательского фонда факультета Университета Аджу.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 96 луночная пластина | SPL | 30096 | |
| Agarose | TAESHIN | 0158 | |
| Bacto Agar | BD Difco | 214010 | |
| Breathe-easy | диверсифицированная биотехнологическая | BEM-1 | Газопроницаемая уплотнительная мембрана для микротитровальных пластин |
| крышка стекла | Marienfeld | 24 x 60 мм | |
| 40014 | |||
| Cuvette | ratiolab | 2712120 | |
| D-(+)-Галактозе | сигма | G0625 | |
| D-(+)-глюкоза | сигма | G8270 | |
| D-(+)-Рафинозный пентагидрат | Daejung | 6638-4105 | |
| Инкубатор (встряхивание) | Модель лабтрона | : SHI1 | |
| Инкубатор (статический) | Зрение научное | модель: VS-1203PV-O | |
| LiAc | sigma | L6883 | |
| Микропланшетный считыватель | Tecan | 30050303 01 | Модель: Infinite 200 pro |
| многоканальный пипетка 20-200 &; L | gilson | FA10011 | |
| многоканальный дозатор 2-20 &; Л. | Гилсон | FA10009 | |
| микроскоп | Olympus | Olympus IX-53 | |
| PEG | sigma | P4338 | средний моль 3,350 |
| Petridish | SPL | 10090 | |
| pRS426 | Кристиансон, Т. В., Сикорски, Р. С., Данте, М., Шеро, Д. Х. & Хитер,. Многофункциональные челночные векторы дрожжей с высоким числом копий. Ген. 110 (1), 119-122 (1992). | ||
| pRS426 GAL1 промотор &альфа;-синуклеин A30P | Outeiro, T. F. & Линдквист, С. Дрожжевые клетки дают представление о биологии альфа-синуклеина и патобиологии. Наука. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| pRS426 GAL1 промотор α-синуклеин A53T | Outeiro, T. F. & Линдквист, С. Дрожжевые клетки дают представление о биологии альфа-синуклеина и патобиологии. Наука. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| pRS426 GAL1 -промотор &альфа;-синуклеин E46K | Outeiro, T. F. & Линдквист, С. Дрожжевые клетки дают представление о биологии альфа-синуклеина и патобиологии. Наука. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| pRS426 GAL1 -промотор &альфа;-синуклеин WT | Outeiro, T. F. & Линдквист, С. Дрожжевые клетки дают представление о биологии альфа-синуклеина и патобиологии. Наука. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| Резервуар | SPL | 23050 | |
| Спектрофотометр | eppendorf | 6131 05560 | |
| W303a | Присутствует от Джеймса Бардуэлла | ||
| Дрожжевая азотная основа без аминокислот | Difco | 291940 | |
| Дрожжи синтетическая среда для выпадения добавок без урацила | сигма | Y1501 | |
| YPD | Condalab | 1547.00 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение