Summary

Sélection d'aptamères pour amyloïde β-protéine, l'agent causal de la maladie d'Alzheimer

Published: May 13, 2010
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Summary

Les aptamères sont sélectionnés par ribo-/deoxyribo-oligonucleotides courte<em> In-vitro</em> Les méthodes basées sur l'évolution affinité pour une cible spécifique. Les aptamères sont des outils de reconnaissance moléculaire avec polyvalente applications thérapeutiques, diagnostiques et de recherche. Nous démontrons méthodes de sélection des aptamères pour amyloïde β-protéine, l'agent causal de la maladie d'Alzheimer.

Abstract

La maladie d'Alzheimer (MA) est une progressive, dépendant de l'âge, maladie neurodégénérative avec une évolution insidieuse qui rend son diagnostic présymptomatique difficiles 1. AD diagnostic définitif est réalisé l'autopsie seulement, établissant ainsi présymptomatique, le diagnostic précoce de la MA est crucial pour développer et administrer des traitements efficaces 2,3.

Amyloïde β-protéine (Aß) est au centre de la pathogenèse AD. Soluble, oligomérique assemblées Aßi auraient des effets sur la neurotoxicité dysfonction sous-jacente synaptique et la perte de neurones dans l'AD 4,5. Diverses formes de Aß solubles assemblées ont été décrits, cependant, leurs interrelations et de la pertinence de l'étiologie et la pathogenèse AD sont complexes et mal comprises 6. Des outils spécifiques de reconnaissance moléculaire peut démêler les relations entre les assemblées Aßi et de faciliter la détection et la caractérisation de ces assemblées au début de l'évolution de la maladie avant que les symptômes apparaissent. La reconnaissance moléculaire s'appuie souvent sur des anticorps. Cependant, une autre classe d'outils de reconnaissance moléculaire, des aptamères, offre des avantages importants par rapport aux anticorps 7,8. Les aptamères sont des oligonucléotides générés par la sélection in vitro: l'évolution systématique des ligands par enrichissement exponentiel (SELEX) 9,10. SELEX est un processus itératif qui, semblable à l'évolution darwinienne, permet la sélection, d'amplification, d'enrichissement, et la perpétuation d'une propriété, par exemple, avide, ligand spécifique, contraignant (aptamères) ou de l'activité catalytique (ribozymes et ADNzymes).

Malgré l'émergence d'aptamères comme outils de la biotechnologie moderne et la médecine 11, ils ont été sous-utilisés dans le domaine de l'amyloïde. Peu ou ARN aptamères ADNss ont été sélectionnés contre les différentes formes de protéines du prion (PrP) 12-16. Un aptamère ARN générés contre la PrP recombinante bovine a été montré à reconnaître la PrP bovine β-17, une forme soluble, oligomérique, β-feuille riche en variantes de conformation de la PrP pleine longueur qui forme des fibrilles amyloïdes 18. Les aptamères générés en utilisant les formes monomériques et plusieurs de β 2-microglobuline fibrillaire (β 2 m) ont été trouvés pour lier les fibrilles de certaines autres protéines amyloïdogéniques dehors β 2 m 19 fibrilles. Ylera et al. décrit aptamères d'ARN sélectionnés contre immobilisé monomère Aß40 20. De façon inattendue, ces aptamères liés fibrillaire Aß40. Au total, ces données soulèvent plusieurs questions importantes. Pourquoi aptamères sélectionnés contre des protéines monomériques reconnaître leurs formes polymères? Pourriez aptamères contre les formes monomères et / ou oligomères de protéines amyloïdogéniques être obtenus? Pour répondre à ces questions, nous avons tenté de sélectionner des aptamères pour covalente stabilisée oligomères Aß40 21 généré en utilisant la photo-induite de réticulation des protéines non modifiées (PICUP) 22,23. Similaires aux constatations antérieures 17,19,20, ces aptamères ont réagi avec des fibrilles de Aß et de plusieurs autres protéines amyloïdogéniques susceptible de reconnaître une substance amyloïde potentiellement communes structurelles aptatope 21. Ici, nous présentons la méthodologie utilisée dans la production SELEX de ces aptamères 21.

Protocol

Partie 1: préparation de protéines et de réticulation Initialement, la protéine utilisée pour SELEX est prétraitée avec 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFIP) pour obtenir homogène, sans agrégat préparations, comme décrit précédemment 23. Cette étape est nécessaire car pré-formé des agrégats induire l'agrégation rapide des protéines amyloïdogénique, résultant en mauvaise reproductibilité expérimentale 24 ans, et sont indésirables pour la s?…

Discussion

Le point de départ du processus SELEX est la synthèse d'une bibliothèque d'oligonucléotides aléatoires contenant typiquement 10 12 -10 15 séquences. Dans l'ADN SELEX, cette bibliothèque est utilisée directement après une piscine ADNss est généré, alors que dans l'ARN SELEX, démontré ici, la bibliothèque ADNss est convertie d'abord à un pool d'ARN enzymatiquement par transcription in vitro. Puis, SELEX est réalisé itérativement lequel chaq…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par des subventions du NIH AG030709 / NIA et 07-65798 du California Department of Public Health. Nous reconnaissons Margaret M. Condron pour la synthèse peptidique et de l'analyse des acides aminés, le Dr Elizabeth F. Neufeld pour les aider et de soutenir les premières étapes du projet, le Dr Chi-Hong Chen B. de fournir un soutien et des réactifs, et le Dr Andrew D . Ellington pour les discussions utiles.

Materials

Material Name Type Company Catalogue Number Comment
Aβ40   UCLA Biopolymers Laboratory   Lyophilized powder
MX5 Automated-S Microbalance   Mettler Toledo    
Silicon-coated, 1.6-ml tubes   Denville Scientific C19033 or C19035  
1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFIP)   TCI America H0424 Use in a fume hood.
Ammonium persulfate   Sigma A-7460 Vortex until the solution is clear. APS is prepared freshly each time and should be used within 48 h.
Tris(2,2-bipridyl)dichlororuthenium(II) hexahydrate   Sigma 224758-1G Vortex until the solution is clear. Cover the RuBpy tube with foil to protect the reagent from ambient light. RuBpy is prepared freshly each time and should be used within 48 h.
Dithiothreitol (DTT)   Sigma 43815  
D-Salt™ Excellulose™ desalting columns   Thermo Scientific 20449  
Ammonium acetate   Fisher Scientific A637-500  
Silicon-coated, 0.6-ml tubes   Denville Scientific C19063  
Novex Tricine Gels (10–20%)   Invitrogen EC6625B0X 10-well; mini size (8 cm X 8 cm); 25 μl loading volume per well; separation range 5 kDa to 40 kDa
Quartz cuvette   Hellma 105.250-QS  
Beckman DU 640 spectrophotometer   Beckman    
ssDNA library   Integrated DNA Technologies Custom-ordered The library was designed to contain 49 random nucleotides flanked by two constant regions containing primer-binding and cloning sites: 5′-TAA TAC GAC TCA CTA TAG GGA ATT CCG CGT GTG C (N:25:25:25:25%) (N)49 G TCC GTT CGG GAT CCT C-3′
Taq DNA polymerase   USB Corporation 71160 Recombinant Thermus aquaticus DNA Polymerase supplied with 10× PCR Buffer and a separate tube of 25 mM MgCl2 for routine PCR.
PCR Nucleotide Mix, 10 mM solution   USB Corporation 77212 (10 mM each dATP, dCTP, dGTP, dTTP)
Forward primer   Integrated DNA Technologies Custom-ordered 5′-TAA TAC GAC TCA CTA TAG GGA ATT CCG CGT GTG C-3′
Reverse primer   Integrated DNA Technologies Custom-ordered 5′-GAG GAT CCC GAA CGG AC-3′
Thermal cycler   Denville Scientific Techne TC-312  
QIAquick PCR Purification Kit (50)   QIAGEN 28104  
Agarose   Denville Scientific CA3510-8  
Conical, sterile 1.6-ml tubes with caps attached with O-rings   Denville Scientific C19040-S  
RiboMAX™ Large Scale RNA Production System–T7   Promega P1300 The kit contains: 120 μl Enzyme Mix (RNA polymerase, recombinant RNasin® ribonuclease inhibitor and recombinant inorganic pyrophosphatase); 240 μl transcription 5 buffer; 100 μl each of 4 rNTPs, 100 mM; 110 U RQ1 RNase-free DNase, 1 U/μl; 10 μl linear control DNA, 1 mg/ml; 1 ml 3M sodium acetate (pH 5.2); 1.25 ml nuclease-Free water
α-32P-cytidine 5′-triphosphate, 250 μCi (9.25 MBq),   Perkin Elmer BLU008H250UC Specific Activity: 3000 Ci (111 TBq)/mmol, 50 mM Tricine (pH 7.6)
Citrate-saturated phenol:chloroform:isoamyl alcohol (125:24:1, pH 4.7)   Sigma (Fluka) 77619  
Chloroform:Isoamyl alcohol (24:1)   Sigma C0549  
Absolute ethanol for molecular biology   Sigma E7023  
Z216-MK refrigerated microcentrifuge   Denville Scientific C0216-MK  
illustra ProbeQuant™ G-50 Micro Columns   GE Healthcare Obtained from Fisher Scientific (45-001-487) Prepacked with Sephadex™ G-50 DNA Grade and pre-equilibrated in STE buffer containing 0.15% Kathon as Biocide
Triathler Bench-top Scintillation counter   Hidex Oy, Turku, Finland Triathler LSC Model: 425-034  
Novex® TBE-Urea Sample Buffer (2×)   Invitrogen LC6876  
6% TBE-Urea Gels 1.0 mm, 10 wells   Invitrogen EC6865BOX  
Novex® TBE Running Buffer (5×)   Invitrogen LC6675  
Radioactivity decontaminant   Fisher Scientific 04-355-67  
Gel-loading tips   Denville Scientific P3080  
XCell SureLock Mini-Cell   Invitrogen EI0001 XCell SureLock Mini-Cell
Autoradiography film   Denville Scientific E3018 Use in complete darkness
Autoradiography film, Hyperfilm™ ECL   Amersham Biosciences RPN3114K Can be used under red safe light.
Membrane discs   Millipore GSWP02500 Mixed cellulose ester, hydrophilic, 0.22-μm disc membranes
Fritted glass support base for 125-ml flask   VWR 26316-696  
Petri dishes   Fisher Scientific 08-757-11YZ  
Urea   Fisher Scientific AC32738-0050  
EDTA   Fisher Scientific 118430010  
Glycogen   Sigma G1767  
2-Propanol for molecular biology   Sigma I9516  
Recombinant RNase inhibitor   USB Corporation 71571  
ImProm-II™Reverse Transcription System   Promega A3802  
Recombinant RNase inhibitor   USB Corporation 71571  
RapidRun™ Loading Dye   USB Corporation 77524  

References

  1. Monien, B. H., Apostolova, L. G., Bitan, G. Early diagnostics and therapeutics for Alzheimer’s disease-how early can we get there. Expert. Rev. Neurother. 6, 1293-1306 (2006).
  2. Nestor, P. J., Scheltens, P., Hodges, J. R. Advances in the early detection of Alzheimer’s disease. Nat. Med. 10, S34-S41 (2004).
  3. Kawas, C. H. Clinical practice. Early Alzheimer’s disease. N. Engl. J. Med. 349, 1056-1063 (2003).
  4. Haass, C., Selkoe, D. J. Soluble protein oligomers in neurodegeneration: lessons from the Alzheimer’s amyloid β-peptide. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 8, 101-112 (2007).
  5. Kirkitadze, M. D., Bitan, G., Teplow, D. B. Paradigm shifts in Alzheimer’s disease and other neurodegenerative disorders: the emerging role of oligomeric assemblies. J. Neurosci. Res. 69, 567-577 (2002).
  6. Rahimi, F., Shanmugam, A., Bitan, G. Structure-function relationships of pre-fibrillar protein assemblies in Alzheimer’s disease and related disorders. Curr. Alzheimer Res. 5, 319-341 (2008).
  7. Jayasena, S. D. Aptamers: an emerging class of molecules that rival antibodies in diagnostics. Clin. Chem. 45, 1628-1650 (1999).
  8. Bunka, D. H., Stockley, P. G. Aptamers come of age – at last. Nat. Rev. Microbiol. 4, 588-596 (2006).
  9. Ellington, A. D., Szostak, J. W. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. Nature. 346, 818-822 (1990).
  10. Tuerk, C., Gold, L. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. Science. 249, 505-510 (1990).
  11. Lee, J. F., Stovall, G. M., Ellington, A. D. Aptamer therapeutics advance. Curr. Opin. Chem. Biol. 10, 282-289 (2006).
  12. Weiss, S. RNA aptamers specifically interact with the prion protein PrP. J. Virol. 71, 8790-8797 (1997).
  13. Bibby, D. F. Application of a novel in vitro selection technique to isolate and characterise high affinity DNA aptamers binding mammalian prion proteins. J. Virol. Methods. 151, 107-115 (2008).
  14. Rhie, A. Characterization of 2′-fluoro-RNA aptamers that bind preferentially to disease-associated conformations of prion protein and inhibit conversion. J. Biol. Chem. 278, 39697-39705 (2003).
  15. King, D. J., Safar, J. G., Legname, G., Prusiner, S. B. Thioaptamer interactions with prion proteins: sequence-specific and non-specific binding sites. J. Mol. Biol. 369, 1001-1014 (2007).
  16. Proske, D. Prion-protein-specific aptamer reduces PrPSc formation. ChemBioChem. 3, 717-725 (2002).
  17. Murakami, K., Nishikawa, F., Noda, K., Yokoyama, T., Nishikawa, S. Anti-bovine prion protein RNA aptamer containing tandem GGA repeat interacts both with recombinant bovine prion protein and its β isoform with high affinity. Prion. 2, 73-80 (2008).
  18. Luhrs, T., Zahn, R., Wuthrich, K. Amyloid formation by recombinant full-length prion proteins in phospholipid bicelle solutions. J. Mol. Biol. 357, 833-841 (2006).
  19. Bunka, D. H. Production and characterization of RNA aptamers specific for amyloid fibril epitopes. J. Biol. Chem. 282, 34500-34509 (2007).
  20. Ylera, F., Lurz, R., Erdmann, V. A., Furste, J. P. Selection of RNA aptamers to the Alzheimer’s disease amyloid peptide. Biochem. Biophys. Res. Commun. 290, 1583-1588 (2002).
  21. Rahimi, F., Murakami, K., Summers, J. L., Chen, C. H., Bitan, G. RNA aptamers generated against oligomeric Aβ40 recognize common amyloid aptatopes with low specificity but high sensitivity. PLoS ONE. 4, e7694-e7694 (2009).
  22. Bitan, G., Lomakin, A., Teplow, D. B. Amyloid β-protein oligomerization: prenucleation interactions revealed by photo-induced cross-linking of unmodified proteins. J. Biol. Chem. 276, 35176-35184 (2001).
  23. Rahimi, F., Maiti, P., Bitan, G. Photo-induced cross-linking of unmodified proteins (PICUP) applied to amyloidogenic peptides. J. Vis. Exp. , (2009).
  24. Bitan, G., Fradinger, E. A., Spring, S. M., Teplow, D. B. Neurotoxic protein oligomers-what you see is not always what you get. Amyloid. 12, 88-95 (2005).
  25. Bitan, G. Structural study of metastable amyloidogenic protein oligomers by photo-induced cross-linking of unmodified proteins. Methods Enzymol. 413, 217-236 (2006).
  26. Chen, C. H., Chernis, G. A., Hoang, V. Q., Landgraf, R. Inhibition of heregulin signaling by an aptamer that preferentially binds to the oligomeric form of human epidermal growth factor receptor-3. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100, 9226-9231 (2003).
  27. Adams, D. S. . Lab math: a handbook of measurements, calculations, and other quantitative skills for use at the bench. , (2003).
  28. Gopinath, S. C. Methods developed for SELEX. Anal. Bioanal. Chem. 387, 171-182 (2007).
  29. Takahashi, T., Tada, K., Mihara, H. RNA aptamers selected against amyloid β-peptide (Aβ) inhibit the aggregation of Aβ. Mol. Biosyst. 5, 986-991 (2009).

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Cite This Article
Rahimi, F., Bitan, G. Selection of Aptamers for Amyloid β-Protein, the Causative Agent of Alzheimer's Disease. J. Vis. Exp. (39), e1955, doi:10.3791/1955 (2010).

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