В исследовании продемонстрирован количественный анализ на основе ПЦР для активации первичного сигнального пути Sonic Hedgehog (SHH) с использованием агониста SHH в клеточной модели цилиогенеза.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
В исследовании продемонстрирован количественный анализ на основе ПЦР для активации первичного сигнального пути Sonic Hedgehog (SHH) с использованием агониста SHH в клеточной модели цилиогенеза.
Цилиопатия относится к совокупности мультисистемных и полигенных заболеваний и расстройств человека, которые возникают из-за аберрации структуры или функции подвижных или неподвижных (первичных) ресничек, которые представляют собой выпячивания клеток на основе микротрубочек. Первичные реснички (РПЖ) присутствуют в большинстве эпителиальных и эндотелиальных тканей человека и служат концентратором для передачи физиологических сигналов, включая передачу сигналов звукового ежа (SHH). Различные ситуации требуют изучения функции ФХ, что может быть достигнуто путем измерения канонического сигнального пути SHH, который почти исключительно опосредован ФХ. Здесь разработана методика, основанная на количественной ПЦР (кПЦР), для измерения уровня транскрипции генов пути SHH в покоящихся клетках hTERT-RPE1 (или RPE1), которые в основном содержат PC. Затишье в клетках RPE1 достигается путем сывороточного голодания в течение 48 ч, в то время как активация пути SHH стимулируется определенным агонистом. Этот анализ на основе клеточных культур прост в использовании и чувствителен. Успешная демонстрация этого анализа на реснитчатых клетках RPE1 указывает на его огромный потенциал в качестве анализа in vitro для изучения надлежащей функции РПЖ при генетическом или эпигенетическом изменении одного или нескольких генов, которые могут быть связаны с различными цилиопатиями.
Ресничка представляет собой выступ на основе микротрубочек и оболоченный мембраной выступ с поверхности клетки, который собран на базальном теле1. У позвоночных животных наблюдаются два типа ресничек, а именно подвижные и неподвижные. Подвижные реснички расположены в специализированных тканях и придают моторику. Неподвижные первичные реснички (РПЖ) присутствуют в большинстве клеток позвоночных, выполняют сенсорные функции и передают критические сигналы из внеклеточной среды внутрь клеток2. После сборки удлинению ресничек способствует механизм внутрижгутикового транспорта (IFT), который представляет собой двунаправленную транспортную систему, несущую груз, приводимый в движение кинезинами (антероградное движение) и моторными белками динеина-II (ретроградное движение)3,4. Структурные или функциональные дефекты подвижных или первичных ресничек могут привести к множеству мультисистемных заболеваний человека, которые в совокупности известны как цилиопатии 5,6.
ПК служит центром для различных сигнальных процессов развития, таких как бескрылые (Wnt), рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR), рецептор-тирозинкиназы (RTK), трансформирующий фактор роста β (TGFβ) и тромбоцитарный фактор роста (PDGF) 7,8. У млекопитающих передача сигналов Sonic Hedgehog (SHH) является критически важной, которая почти исключительно передается PC в клетках, содержащих PC 9,10,11. Аберрантная структура или функция РПЖ приводит к ослаблению сигнальных путей, которые связаны с такими заболеваниями, как врожденные пороки сердца, поликистоз почек, черепно-лицевые аномалии, дистрофия сетчатки и некоторые редкие заболевания, такие как синдром Барде-Бидля (BBS), синдром Жубера (JBTS), синдром Альстрёма, удушающая торакальная дисплазия Жёна:12,13,14,15. Большинство из них являются полигенными заболеваниями эпителиальных или эндотелиальных тканей, что затрудняет раннюю диагностику и лечение этих заболеваний. Определение того, как такие мутации способствуют ослаблению PC-опосредованной передачи сигналов в модели клеточной культуры, может не только дать представление о молекулярной сложности этого сигнального пути, но и облегчить диагностику различных цилиопатий и предложить терапевтические вмешательства. Исходя из этого, был разработан количественный анализ на основе ПЦР (кПЦР) для определения изменений в ПК-опосредованном сигнальном пути SHH в иммортализированных пигментных эпителиальных клетках сетчатки (hTERT-RPE1) теломеразы обратной транскриптазы человека (hTERT-RPE1). Клетки RPE1 представляют собой почти диплоидные, нетрансформированные человеческие клетки, которые широко используются в качестве клеточной модели цилиогенеза, поскольку примерно 75-80% этих клеток собирают ПК после истощения сыворотки (инкубируя клетки в бессывороточной среде) в течение 24-48 часов, по сравнению с 15-18% инфузорий в асинхронно растущей культуре клетокRPE116.
Передача сигналов ежа (HH) сохраняется у позвоночных для эмбрионального развития17. У млекопитающих наблюдаются три различных типа передачи сигналов ежа: звуковая (SHH), индийская (IHH) и пустынная (DHH), из которых SHH и IHH демонстрируют перекрывающиеся функциина тканевом уровне. Передача сигналов SHH играет ключевую роль во время эмбрионального развития, регулируя структуру конечностей и спецификацию типов клеток в нервной системе и поддерживая гомеостаз взрослой ткани 10,11,18. Несмотря на то, что передача сигналов SHH является сложной, появляется все больше доказательств того, что каноническая передача сигналов SHH зависит от PC 7,11,19, которая опосредована коллективными функциями факторов транскрипции Gli (Gli1, Gli2 и Gli3). Было высказано предположение, что передача сигналов HH и ФК эволюционировали совпадая, при этом критические сигнальные компоненты концентрируются в компактном объеме на кончике реснички, чтобы обеспечить эффективный ответ на низкие отношениялигандов.
В отсутствие лигандов SHH Patched1 (Ptch1), который локализован на мембране PC, ингибирует активность Smoothened (Smo) с помощью плохо изученного механизма, который, вероятно, включает транспорт липидов, тем самым поддерживая подавленный путь 7,20. Конститутивно активный цилиарный GPR161, который является G-сопряженным белковым рецептором и негативным регулятором системы, обеспечивает поддержание репрессии за счет сохранения высоких уровней цилиарного циклического АМФ (цАМФ), повышающего активность протеинкиназы А (PKA)21, и за счет поддержания цилиарной локализации PKA7. Активность PKA, наряду с казеинкиназой 1 (CK1) и гликогенсинтазной киназой 3 β (GSK3β), фосфорилирует множественные остатки белков Gli, Gli2 и Gli3, внутри ПК. Gli2 и Gli3 могут выступать как активаторы, так и репрессоры транскрипции генов-мишеней. PKA-опосредованное фосфорилирование вызывает ингибирование активаторной функции Gli2, в то время как фосфорилированный Gli3 расщепляется протеазами с образованием репрессорной формы Gli3R22. В целом, экспрессия генов-мишеней SHH в таких условиях подавляется.
Когда лиганд SHH присутствует, Ptch1 связывается с ним, и GPR161 покидает PC, а Smo, фосфорилированный киназой 2 (GPRK2) и CK1, транспортируется в PC, вместе с β-арестином и мотором микротрубочек KIF3A23. В совокупности локализация Gli2/3, супрессора Fused (SUFU) и Kif7 на кончике реснички способствует снижению расщепления Gli2/3, тем самым увеличивая активаторную функцию Gli2/324,25. После активации Gli2/3 индуцирует экспрессию Gli1, который может функционировать только как активатор, и тем самым усиливает реакцию пути SHH22. Связывание SHH с Ptch1 облегчается CAM-связанным/подавленным онкогенами (CDO), братом CDO (BOC), специфичным для остановки роста 1 (GAS1) и белком 2, связанным с рецептором липопротеинов низкой плотности (LRP2). И наоборот, белок, взаимодействующий с ежом (HHIP), может секвестрировать SHH, напрямую взаимодействуя с ним, а также конкурирует с Ptch1 за счет взаимодействия с SHH26. Важно отметить, что GLI1, HHIP и PTCH1 транскрибируются при активации пути SHH, в то время как последние два участвуют в негативной регуляции пути SHH.
Предыдущие исследования показали, что уровни транскриптов генов-мишеней SHH могут быть измерены для оценки пути SHH, хотя они могут значительно варьироваться у разных типов клеток27,28. Такая вариабельность в ответе пути SHH может быть связана с различными комбинациями PC-опосредованной передачи сигналов SHH и передачи сигналов SHH, которая опосредована клеточной мембраной, вероятно, в отсутствие PC. SAG является Smo-агонистом, который используется в этом методе для имитации активации сигнализации SHH в клетках RPE1, испытывающих сывороточный голод, которые в основном реснитчатые. Уровни транскриптов генов-мишеней SHH, таких как HHIP, GLI1 и PTCH1, а также нецелевого гена SMO измеряли с помощью количественной ПЦР в контрольных клетках и клетках, обработанных SAG, и сравнивали для определения активации пути SHH. Успешная демонстрация этого чувствительного анализа на основе клеточных культур для измерения PC-опосредованной передачи сигналов SHH предполагает его многообещающее применение в биомедицинских исследованиях, связанных с первичной функцией ресничек.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Культура клеток
2. Рост клеток, сывороточное голодание и лечение САК
3. Сбор клеток
4. Получение общей РНК и кДНК
5. Количественная ПЦР
6. Иммуноокрашивание и получение изображений с помощью флуоресцентной микроскопии
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Активация ПК-опосредованного пути передачи сигнала SHH — это способ понять правильное функционирование ПК7. В данном случае относительная экспрессия генов-мишеней пути SHH измеряется с помощью анализа RT-qPCR при SAG-опосредованной активации пути SHH в клетках RPE1, которые в основном реснитчатые. Прямые транскрипционные выходы пути SHH GLI1 и PTCH1 часто используются для измерения активности этого пути11. Этот протокол также включает в себя транскрипт HHIP, который регулир...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Изучение функциональности ПК является важным шагом на пути к пониманию динамики образования и заболеваний или расстройств, связанных с дисфункцией РПЖ. Помимо изучения инфузории путем иммуноокрашивания на цилиарные маркеры или структурные компоненты ресничек, меченные флуорофорами, функцию РПЖ обычно определяют путем анализа канонической активации пути SHH путем измерения ресничной транслокации Smo в тканях и клетках с помощью флуоресцентной микроскопии27,31<...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Эта работа поддерживается стипендией Рамалингасвами для SM от Департамента биотехнологии (DBT) правительства Индии и исследовательским грантом от Совета по научным и инженерным исследованиям (SERB) правительства Индии для SM (CRG/2020/004042). Стипендия PH спонсируется Университетской комиссией по грантам (UGC) правительства Индии. Авторы искренне благодарят д-ра Чандраму Мукерджи и г-на Авика Мукерджи из лаборатории RNABio Института медицинских наук Президентского университета за доступ к инструменту для количественной ПЦР и обучение работе с этим инструментом соответственно.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| ДМСО, стерильный фильтрованный | Sigma | D2650 | |
| Осел, антимышиный IgG (H+L) Alexa Fluor 488 | ThermoFisher Scientific | A21202 | |
| Осел, антикролик IgG (H+L) Alexa Fluor 568 | ThermoFisher Scientific | A10042 | |
| модифицированная орлиная среда Дульбекко (DMEM) | Gibco, ThermoFisher Scientific | 41965039 | |
| Фосфатно-солевой буфер Dulbecco (DPBS) | Gibco, ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
| Фетальная бычья сыворотка (FBS) | Himedia | RM1112 | |
| с 60-кратным объективом | Carl Zeiss | Axio observer colibri 5 | |
| hTERT-RPE1 клетки | ATCC | CRL-4000 | |
| iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad Laboratories | 1708891 | |
| мыши, моноклональное антитело к ацетилированному тубулину | Milipore Sigma-Aldrich | T7451 | Окончательное разведение 1:1000 |
| Пенициллин-стрептомицин, 100X | Gibco, ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
| Количественная ПЦР-машина, CFX 96 | Bio-Rad Laboratories | ||
| Кролик, поликлональное антитело Arl13B | ProteinTech | 17711-1-AP | Окончательное разведение 1:250 |
| Кролик, поликлональное антитело Cep135 | ProteinTech | 24428-1-AP | Окончательное разведение 1:500 |
| SlowFade gold Antifade moutant | ThermoFisher Scientific | S36940 | |
| Smoothened Агонист (САГ) | Abmole | M4865 | Стоковый раствор: в ДМСО, 5 мМ |
| SsoAdvanced Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad Laboratories | 1725271 | |
| TRIzol Reagent | Invitrogen | 15596026 | |
| TrypLE | Gibco, ThermoFisher Scientific | 12605028 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.