Prion-like propagation of protein aggregates has recently emerged as being implicated in many neurodegenerative diseases. The goal of this protocol is to describe, how to use the nematode C. elegans as a model system to monitor protein spreading and to investigate prion-like phenomena.
Prions are unconventional self-propagating proteinaceous particles, devoid of any coding nucleic acid. These proteinaceous seeds serve as templates for the conversion and replication of their benign cellular isoform. Accumulating evidence suggests that many protein aggregates can act as self-propagating templates and corrupt the folding of cognate proteins. Although aggregates can be functional under certain circumstances, this process often leads to the disruption of the cellular protein homeostasis (proteostasis), eventually leading to devastating diseases such as Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), or transmissible spongiform encephalopathies (TSEs). The exact mechanisms of prion propagation and cell-to-cell spreading of protein aggregates are still subjects of intense investigation. To further this knowledge, recently a new metazoan model in Caenorhabditis elegans, for expression of the prion domain of the cytosolic yeast prion protein Sup35 has been established. This prion model offers several advantages, as it allows direct monitoring of the fluorescently tagged prion domain in living animals and ease of genetic approaches. Described here are methods to study prion-like behavior of protein aggregates and to identify modifiers of prion-induced toxicity using C. elegans.
מחלות רבות ניווניות, כוללים מחלת אלצהיימר, מחלת פרקינסון (PD) (AD), טרשת לרוחב amyotrophic (ALS), וencephalopathies transmissible spongiform (TSEs), המשויכות חלבוני צבירה מועדת ומכאן ידועות קולקטיבי חלבון misfolding הפרעות (PMDs ). TSEs או מחלות פריון מהוות מעמד ייחודי של PMDs בכך שהם יכולים להיות זיהומיות, באדם ובעלי החיים 1. ברמה המולקולרית, פריונים לשכפל על ידי גיוס והמרת PRP monomeric α-helix-עשיר בקידוד המארח הסלולרי (PRP C) לקונפורמציה PRP Sc β גיליון העשיר פתולוגי 2,3. אגרגטים חלבון עצמי הפצת גם זוהו בפטריות, אשר חולקות מאפיינים חשובים עם פריונים יונקים 4,5. בנוסף, פריונים יונקים מסוגלים לנוע מתא אל תא ולהדביק תאים נאיביים 6,7.
בעוד oth PMDsאה מ TSEs אינו מדבק, הם חולקים עיקרון פתוגניים משותף עם מחלות פריון 8,9. למרות שהחלבונים הקשורים לכל אחד מPMDs אינם קשורים במבנה או פונקציה, הם כל אגרגטים הטופס באמצעות תהליך התגבשות כמו שנקרא גרעיניים או זרע פילמור; יתר על כן זרעים חלבוניים לגדול על ידי גיוס isoforms המסיס 2,10,11. היעילות להפיץ עצמי משתנה in vivo, בהתאם למאפיינים הפנימיים של החלבון, אשר יחד עם גורמים סלולריים נוספים כגון מלווים מולקולריים סופו של דבר יקבעו את התעריפים של התגרענות כוללת, זריעה, פיצול והפצת 12-15. מכאן, שחייב להתקיים איזון עדין בין הגורמים הללו, המאפשר התפשטות יעילה של צבירת חלבון. זה עשוי גם להסביר מדוע רק חלק אגרגטים amyloidogenic נמל המאפיינים של פריון, ולכן לא כל PMDs הם מדבקים. נראים פריונים לייצג o 'מלמעלה מבצעים'ספקטרום רחב של fa אגרגטים חלבוניים המשכפלים את עוצמה, מה שהופך אותם כלי רב עוצמה כדי ללמוד PMDs 8,13.
מעניין לגלות שההרעלה כרוכה באגרגטים הקשורים למחלות לעתים קרובות יש מרכיב אוטונומי של תאים הלא 16,17. משמעות דבר היא כי הם משפיעים על תאים שכנים, שאינו מבטאים את הגן המתאים, בניגוד להשפעה אוטונומית תא בהחלט, מה שמרמז שרק תאים המבטאים את גן התערוכה פנוטיפ הספציפי. הדבר בא לידי הביטוי משכנע על ידי ביטוי רקמות ספציפיות או להפיל של החלבונים המתאימים במספר רב של דגמים של מחלות ניווניות 18-26. מנגנונים שונים הוצעו כבסיס לרעילות זו אינה תא אוטונומית בPMDs, כוללים אספקת חומרי מזון פחת, חוסר איזון באיתות עצבית, הפעלת יתר רעילה גלוטמט, וneuroinflammation 16,27,28. בנוסף, תנועה כמו פריון-אגרגטים צמודי מחלה בין תאי might לתרום להיבט זה 29,30. ראיות מצביעות על כך שהגדלת תכלילים חלבון אחרים מאשר פריונים יכולים לשדר מתא אל תא, שעשוי להסביר את מאפיין הפצה של פתולוגיה שנצפתה בPMDs רב 30-36. עם זאת, זה עדיין לא נקבע אם יש קשר סיבתי ברור בין תנועה בין תאית של חלבוני מחלה וההשפעה הרעילה על תאי שכנים. לכן, הבנה טובה יותר של המסלולים הסלולריים העומדים בבסיס שידור ורעילות אוטונומית שאינו תא תא אל התא היא הכרחית וחיונית לפיתוח תרופות חדשניות. עם זאת, היבטים רבים של פריון כמו גורמי הפצה וסלולריים המשפיעים על העברת תא אל התא של חלבוני misfolded בmetazoans אינם מובנה היטב, בפרט ברמת האורגניזם.
יש נמטודות elegans Caenorhabditis מספר יתרונות המספקים פוטנציאל ל לגלות היבטים חדשים של spreadi כמו פריון-ng בmetazoans 17. זה שקוף, המאפשר למעקב in vivo חלבונים של מתויגים fluorescently באורגניזם החי. יתר על כן, תהליכים תאיים ופיסיולוגיים רבים במחלה נשמרים מתולעים לאדם, ו- C. elegans הוא גם נוח למגוון רחב של מניפולציות גנטיות וניתוחים מולקולריים וביוכימיים 37-39. בדיוק 959 תאים סומטיים מרכיבים את אנדרוגינוס המבוגר עם תכנית גוף פשוט כי עדיין יש כמה סוגי רקמות שונים, כולל שרירים, תאי עצב ומעי.
לבסס מודל פריון חדש בג elegans, בחרנו להביע אקסוגני גלוטמין / -rich פריון NM תחום של חלבון פריון שמרי cytosolic Sup35 asparagine המאופיין היטב (Q / N), שכן אין חלבוני פריון אנדוגני ידועים בתולעים 4,40. פריונים שמרים כבר לא יסולא בפז בהבהרת מנגנונים בסיסיים של שכפול פריון 41-44. יתר על כן, NM הוא האשוחחלבון st cytosolic כמו פריון-שהוכח לשחזר את מחזור החיים המלא של פריון בתרבית תאי יונקים 45,46. כמו כן, כאשר באו לידי ביטוי בג elegans, תחום פריון Sup35 אימץ להפליא לדרישות השונות לריבוי בתאים מטזואניים בהשוואה לתאי שמרים ותכונות עיקריות הציגו ביולוגיה פריון צבירת 40. NM הייתה קשורה עם פנוטיפ רעיל עמוק, כוללים השיבוש של יושרה ומראה של המיטוכונדריה שלפוחית שונות הקשורים autophagy ברמה התאית, כמו גם מעצר עוברי וזחל, עיכוב התפתחותי, והפרעה נרחבת של סביבת קיפול חלבונים ברמת האורגניזם. באופן מפתיע, תחום הפריון מציג רעילות אוטונומית תא תא אוטונומי ובלתי, המשפיע על רקמות השכנות, שבי transgene לא באו לידי ביטוי. יתר על כן, תחבורת לפוחי של תחום הפריון בתוך ובין התאים היא פיקוח בזמן אמת <em> In vivo 40.
כאן אנו מתארים כיצד לבחון הפצה כמו פריון-בג elegans. אנו נסביר כיצד לפקח על תחבורת התוך ובין תאית של שלפוחית המכילה תחום הפריון באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי הזמן לשגות. אנו להדגיש את השימוש בחיישני קיפול רקמות ספציפיות וכל מקום בגוף הביעו כתבי לחץ כדי לבדוק את השפעות תא אוטונומיות ובלתי תא אוטונומיות על כושר סלולארי. לבסוף, נתאר את ההליך של מסך הגנום ביצע לאחרונה רחב התערבות RNA (RNAi) לזהות מכפילי חדשים של רעילות עקב פריון. בשילוב, שיטות אלה יכולים לעזור ללהפריד מסלולים גנטיים מעורבים בתנועה בין תאית של חלבונים והרעילות האוטונומית מסוג התאים לא.
השיטות שתוארו כאן לעזור כדי להמחיש מתפשטים ורעילות אוטונומית תא התא המורכב אוטונומית ולא של חלבונים כמו פריון. לאחרונה גילינו שתחום פריון cytosolic צבירה מועדת הוא נלקח לתוך שלפוחית קרום הנכנס בתהליך autophagy קשור. תת-קבוצה מסוימת של שלפוחית אלה משלוחי תחום הפריון בת…
The authors have nothing to disclose.
We thank Cindy Voisine and Yoko Shibata for helpful discussion and critical comments on the manuscript. We acknowledge the High Throughput Analysis Laboratory (HTAL) and the Biological Imaging Facility (BIF) at Northwestern University for their assistance. This work was funded by grants from the National Institutes of Health (NIGMS, NIA, NINDS), the Ellison Medical Foundation, and the Daniel F. and Ada L. Rice Foundation (to R.I.M.). C.I.N.-K. was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (KR 3726/1-1).
Reagent | |||
Nanosphere size standards 100 nm | ThermoScientific | 3100A | |
Levamisole | Sigma | L-9756 | |
IPTG | Sigma | 15502-10G | |
Ahringer RNAi library | Source BioScience LifeSciences | http://www.lifesciences.sourcebioscience .com/clone-products/non-mammalian/c-elegans/c-elegans-rnai-library/ |
|
Equipment | |||
Sorvall Legend XTR Refrigerated Centrifuge, 120VAC | ThermoScientific | 75004521 | http://www.coleparmer.com/Product/Thermo_Scientific_Sorvall_Legend_ XTR_Refrigerated_Centrifuge_120 VAC/EW-17707-60 |
96 pin replicator | Scionomix | http://www.scinomix.com/all-products/96-pin-replicator/ | |
HiGro high-capacity, incubating shaker | Digilab | http://www.digilabglobal.com/higro | |
Multidrop Combi Reagent Dispenser | Titertrek | http://groups.molbiosci.northwestern.edu/hta/titertek.htm | |
Biomek FX AP96 Automated Workstation | Beckman Coulter | http://groups.molbiosci.northwestern.edu/hta/biomek_multi.htm | |
Innova44 shaker | New Brunswick | http://www.eppendorf.com/int///index.php?sitemap=2.3&pb=d78efbc05310ec 04&action=products&contentid=1& catalognode=83389 |
|
M205 FA | Leica | http://www.leica-microsystems.com/de/produkte/stereomikroskope-makroskope/fluoreszenz/details/product/leica-m205-fa/ | |
ORCA-R2 C10600-10BDigital CCD camera | Hamamatsu | http://www.hamamatsu.com/jp/en/community/life_science_camera/product/search/C10600-10B/index.html | |
Spinning Disc AF Confocal Microscope | Leica | http://www.leica-microsystems.com/products/light-microscopes/life-science-research/fluorescence-microscopes/details/product/leica-sd-af/ | |
Falcon 4M60 camera | Teledyne Dalsa | http://www.teledynedalsa.com/imaging/products/cameras/area-scan/falcon/PT-41-04M60/ | |
Software | |||
MetaMorph Microscopy Automation & Image Analysis Software | Molecular Devices | http://www.moleculardevices.com/products/software/meta-imaging-series/metamorph.html | |
Hamamatsu SimplePCI Image Analysis Software | Meyer Instruments | http://meyerinst.com/imaging-software/hamamatsu/index.htm | |
ImageJ | NIH | http://rsbweb.nih.gov/ij/download.html | |
wrMTrck plugin for ImageJ | http://www.phage.dk/plugins/wrmtrck.html | ||
C. elegans strains | |||
N2 (WT) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | http://www.cgc.cbs.umn.edu/strain.php?id=10570 | |
AM815 rmIs323[myo-3p::sup35(r2e2)::rfp] | Morimoto lab | available from our laboratory | |
See table 1 for a source for folding sensor and stress reporter strains |