Burada, nematod C. elegans hücresel proteotoksik stres yanıtları floresan transkripsiyonel muhabirlerin aktivasyonunu ölçerek ve fizyolojik strese duyarlılık belirterek karakterize.
Organizmalar genellikle dalgalanan ortamlara ve hücre içi homeostazdeğişikliklerine maruz kalırlar, bu da proteom ve fizyolojileri üzerinde zararlı etkilere yol açabilir. Böylece, organizmalar hasar onarmak ve homeostaz korumak için adanmış hedefli ve özel stres yanıtları gelişti. Bu mekanizmalar arasında endoplazmik retikulum (UPRER),mitokondri (UPRMT),ısı şoku yanıtı (HSR) ve oksidatif stres tepkisinin (OxSR) ortaya çıkan protein yanıtı yer almaktadır. Burada sunulan protokoller, bu yolların aktivasyonunu ve bunların nematod, C. elegans’takifizyolojik sonuçlarını tespit etme ve karakterize etme yöntemlerini tanımlar. İlk olarak, hızlı hücresel karakterizasyon, ilaç taraması veya büyük ölçekli genetik tarama (örneğin, RNAi veya mutant kütüphaneler) için yola özgü floresan transkripsiyonel muhabirlerin kullanımı açıklanmıştır. Buna ek olarak, tamamlayıcı, sağlam fizyolojik tahliller açıklanmıştır, hangi doğrudan belirli stres hayvanların duyarlılığını değerlendirmek için kullanılabilir, transkripsiyonel muhabirlerin fonksiyonel doğrulama olarak hizmet vermektedir. Birlikte, bu yöntemler iç ve dış proteotoksik pertürbations hücresel ve fizyolojik etkileri hızlı karakterizasyonu için izin verir.
Bir organizmanın hücre içi ve hücre dışı ortamdaki değişikliklere yanıt verebilme yeteneği hayatta kalması ve adaptasyonu için çok önemlidir. Bu hücre bütünlüğünü sağlamak çok sayıda koruyucu yollar aracılığıyla hücresel düzeyde gerçekleştirilir. Çok sayıda hücresel bileşenler stresle ilişkili hasara maruz kalırken, hücresel stres yanıtlarının önemli bir tutulumu hücresel proteomun homeostazını onarmak ve korumaktır. Ancak, proteinlerin organel adı verilen özel yapılara bölünmesi, hücre içindeki tüm proteinlerin düzgün bir şekilde katlanıp işlevsel olmasını sağlamak için merkezi bir protein kalite kontrolü formuna güvenemeyeceği nden, hücre için bir sorun teşkil etmektedir. Bu nedenle, proteinleri için tedirginlikile başa çıkmak için, organeller yanlış katlanmış proteinleri algılamak ve bu bölme içinde stresi hafifletmek için bir girişim bir stres yanıtı etkinleştirmek özel kalite kontrol mekanizmaları, gelişti. Örneğin, sitosol ısı şoku tepkisine (HSR) dayanırken, endoplazmik retikulum (ER) ve mitokondriler kompartmana özgü açılmakta olan protein yanıtlarına (UPR) güvenirler. OxSR reaktif oksijen türlerinin toksik etkilerini hafifletmek için hizmet vermektedir (ROS). Her stres tepkisi hücresel sorunlar ve çevresel hakaretvarlığında tetiklenir ve özel bir transkripsiyonel tepki neden olur. Bu yanıtların ayırıcı özellikleri, yanlış katlanmış proteinleri (şaperonlar gibi) uygun organelle yeniden katlayan veya alternatif olarak protein yıkımı ile hasarlı proteinleri ortadan kaldıran moleküllerin sentezlemesidir. Bu stres yanıtlarının etkinleştirilmesinin sağlanamaması hasarlı proteinlerin birikmesine, dokuların sistemik yetmezliğine yayılan hücresel disfonksiyona ve sonunda organizmanın ölümüne yol açar. Farklı stres yanıtlarının işlevi ve düzenlenmesi başka bir yerde gözden geçirilir1.
Hücresel stres yanıtlarının düzenlenmesi ve aktivitesi ile ilgili birçok anlayışlar nematod atfedilmiştir, Caenorhabditis elegans, genetik araştırmalarda çok hücreli model organizma. Nematodlar sadece hücredüzeyinde stres yanıtlarının aktivasyonçalışmasına izin değil, aynı zamanda organizma düzeyinde; nematodlar genetik tedirginliklerin veya ilaçlara ve kirleticilere maruz kalmanın büyüme ve hayatta kalma üzerindeki etkilerini incelemek için kullanılmıştır. Onların hızlı nesil zaman, izojeni, şeffaflık, genetik sistemlilik, ve deneme sırasında kullanım kolaylığı onları bu tür çalışmalar için ideal olun. Ayrıca, strese nispeten hızlı fizyolojik tepki (saat ve birkaç gün arasında) ve hücresel yolların evrimsel korunması nematodlar stres direnci çalışmalarında önemli bir araç olun.
C. elegansbüyümek için bir besin kaynağı olarak kullanılan iki yaygın olarak kullanılan E. coli suşları vardır: standart OP50, hangi en deney tarihsel2 ve HT115, hemen hemen tüm RNAi deneyleri için kullanılan bir K-12 suşu yapılmıştır bir B suşu3,4. OP50 ve HT115 bakteriyel diyetler arasında önemli farklılıklar olduğunu unutmayın. Bu farklı bakteriyel kaynaklarda büyüme metabolik profil, mitokondriyal DNA kopya numarası ve yaşam süresi5de dahil olmak üzere birçok önemli fenotipler, önemli farklılıklara neden olduğu gösterilmiştir . Bu farklılıkların bazıları OP50 bakteri büyüme ile ilişkili Vitamin B12 eksikliği atfedilir, mitokondriyal homeostaz kusurları ve patojenler ve streslere karşı artan duyarlılık neden olabilir. Tüm bu fenotiplerin HT115 bakterisi üzerinde büyüme ile hafifletilmiş olduğu gösterilmiştir, Hangi B12 vitamini daha yüksek düzeyde var6. Bu nedenle, rnai koşullarının gerekliliğine bakılmaksızın HT115 bakterileri üzerinde fizyolojik stres yanıtları üzerinde tüm deneylerin yapılması tavsiye edilir. Ancak, OP50’de hayvanların bakım kolaylığı nedeniyle, tüm standart büyüme (yani hayvanların bakımı ve amplifikasyonu) OP50 üzerinde gerçekleştirilebilir, çünkü burada açıklanan deneysel paradigmalarda önemli farklılıklar saptanamamıştır, op50’de tutulan solucanlarda, ht115 sonrası senkronizasyona (yani, l1 tutuklaması ile veya l1 tutuklaması olmadan yumurta dan beyazlatma dan) geçirilmelerinden itibaren fark edilmemiştir.
Burada iki fonksiyonel yöntem kullanılarak hücresel stres yanıtlarının aktivitesinin karakterizasyonu açıklanmıştır. Bu protokoller sunulan öncelikle hücresel stres yanıtları ve protein homeostaz üzerindeki etkileri üzerinde duruldu unutulmamalıdır. İlk olarak, floresan transkripsiyonel muhabirler kullanılmaktadır, hangi özellikle farklı hücresel streslere yanıt olarak aktive endojen gen organizatörleri tarafından düzenlenir. Bu floresan transkripsiyonel muhabirler, stres yanıtının doğal olarak bir parçası olan spesifik genlerin transkripsiyonel indüksiyonuna dayanmaktadır. Örneğin, HSP-4, insan refakatçih HSPA5/BiP bir ısı şok proteinorolog, ER-stres üzerine aktive edilir ve stresi hafifletmek için ER lokalize. ER stres koşullarında (örneğin, tunicamycin maruz imal), yeşil floresan protein (GFP), hsp-4 organizatörü nyönetmeliği altında yer, floresan mikroskopisi ile değerlendirilebilir veya kantitatif nematodların büyük parçacık akış sitometri kullanılarak ölçülebilir yüksek seviyelerde sentezlenir7. Benzer şekilde, bir mitokondriyal şaperon organizatörü, hsp-6 (memeli HSPA9 ortologous), UPRMT8aktivasyonunu izlemek için kullanılır , ve sitosolik şaperon organizatörü-16.2 (insan kristalin alfa genlerine ortologous) HSR aktivitesini değerlendirmek için kullanılır9. Bu muhabirler çeşitli tedirginliklere yanıt olarak aktive yolları hızlı bir karakterizasyon sağlar.
Genellikle, burada sunulan muhabirler stres yanıtlarının aktivasyonu nitel bir çıkış sağlayan mikroskopi kullanılarak görüntülenir. Ancak, görüntüleme teknikleri yukarıda açıklanan gazetecilerin yoğunluğu ve doku konumu hakkında hem bilgi sağlarken, onun nicelliği her zaman doğru veya sağlam değildir. Görüntüleme analiz araçları kullanılarak floresan aktivasyonu ölçmek mümkün olmakla birlikte, bu yöntemler nispeten düşük iş akışı ve örnek boyutu küçüktür, çünkü görüntülenmiş hayvan sayısı nispeten düşüktür. Kolaylık ve hayvanların büyük miktarlarda elde etmek için yeteneği hızla C. elegans ideal bir model sistemi büyük bir parçacık akışı sitometre kullanımı ile floresan stres muhabirlerinin aktivasyonunu titretmek için olun. Büyük parçacık akış sitometresi, birçok canlı hayvanın boyutuna ve floresansına göre kayıt, analiz ve sıralama yeteneğine sahiptir. Bu yöntemi kullanarak, binlerce solucan için floresan yoğunluğu, boyutu ve mekansal (2D) bilgi almak mümkündür. Sistem flowpilot kullanılarak kontrol edilir, hangi gerçek zamanlı veri toplama ve ölçülen parametrelerin analizi sağlar. Burada, büyük parçacık akış sitometresi kullanarak hem mikroskobik görüntüleme hem de kantitatif analiz yöntemleri stres yanıtlarının aktivasyonunu ölçmek için yöntemler olarak sunulmuştur.
Muhabir analizinin ötesinde, hayvanların strese karşı duyarlılığı veya direnci fizyolojik stres tahlilleri kullanılarak ölçülebilir. Bu belirli hücresel stres yollarını etkinleştirmek stresli ortamlara hayvanların maruz kalma ile elde edilir. Burada, tüm hayvanların belirli stres türlerine karşı duyarlılığını ölçmek için çeşitli yöntemler sağlanmaktadır.
ER stres ilerkist asyon, n-bağlı glikozilasyon blokları, ER10yanlış katlanmış proteinlerin birikimine neden kimyasal ajan, tunicamycin kullanılarak C. elegans uygulanır. C. elegansolarak , ER fonksiyonunda majör pertüreasyonlar tunicamycin sonuçlarına maruz kalma üzerine büyüme, ve önemli ölçüde azalmış ömrü11. Tunicamisin içeren plakalar üzerinde hayvanların hayatta kalma ölçümü ile, hayvanların ER stres duyarlılığı ölçülebilir. Örneğin, ektopik UPRER indüksiyonu olan ve böylece ACIL’de protein misfolding strese karşı direnci artmış olan hayvanlar yabani tip hayvanlara göre tunicamycin maruz kalma üzerine artan bir sağkalım var12.
Oksidatif ve mitokondriyal stres C. elegans kimyasal ajan, paraquat hayvanlar maruz tarafından uygulanır. Paraquat özellikle mitokondri13süperoksit oluşumuna neden olan yaygın olarak kullanılan herbisit vardır. Mitokondri kaynaklı reaktif oksijen türlerinin (ROS) spesifik lokalizasyonu nedeniyle, paraquat tahlilleri genellikle “mitokondriyal” stres tahlilleri olarak kullanılır. Ancak, süperoksit hızla mitokondriyal süperoksit dismutazlar tarafından hidrojen peroksit dönüştürülür (SODs)14. Hidrojen peroksit daha sonra mitokondri dışına yayılabilir ve hücrenin diğer bölümlerinde oksidatif strese neden olabilir. Bu nedenle, paraquat sağkalım tahlilleri hem mitokondriyal hem de oksidatif strese duyarlılık ölçümü olarak tanımlarız (diğer oksidatif stres tahlilleribulunabilir 15).
Termotolerans tahlilleri C. elegans yüksek sıcaklıklarda hayvanlar yerleştirerek yapılır. Nematodlar için ortam sıcaklıkları ~15-20 °C’dir ve termal gerilim 25 °C16,17üzerindeki sıcaklıklarda indüklenir. Termotolerans tahlilleri genellikle 30-37 °C arasında değişen sıcaklıklarda yapılır, hayvanlar bu sıcaklıkta büyük hücresel bozukluklar sergilerler ve hayatta kalma tahlilleri 24 saat içinde tamamlanır16,18. Burada termotolerans tahlillerinin icrası için iki alternatif yöntem sağlanmaktadır: 34 °C’de büyüme ve 37 °C’de büyüme. Burada sunulan protokoller birlikte, RNA paraziti veya kimyasal ilaç kütüphaneleri kullanılarak standart gen knock-down ile birleştirildiğinde büyük ölçekli ekranlar gerçekleştirmek için kullanılabilir.
Protokol, C. eleganların büyümesi ve görüntülemeye hazırlık (bölüm 1 ve 2), transkripsiyonel muhabirlerin floresan mikroskopi kullanılarak görüntülenmesi (bölüm 3-5), büyük parçacık akış sitometresi kullanan muhabirlerin kantitatif ölçümleri (bölüm 6) ve C. elegans’taki stres hassasiyetini ölçmek için fizyolojik tahliller olmak üzere 4 geniş prosedüre bölünebilir (bölüm 7).
Burada, C. eleganshücresel stres yanıtlarını sorgulamak için yöntemler , floresan transkripsiyonel muhabirler ve fizyolojik stres sağkalım tahlilleri kullanılarak açıklanmıştır. Muhabirlerin hepsi, hücresel stres tepkilerinin artmasıyla ilgili transkripsiyon faktörlerinin aşağı transkripsiyon hedefinin organizatörü altında yönlendirilen GFP ifadesini kullanırlar. HSP-4p kullanımı::GFP XBP-1s-aracılı UPRERtarafından modüle , hsp-6p::GFP ATFS-1-aracılı …
The authors have nothing to disclose.
R.BZ. EMBO uzun vadeli burs ve Larry L. Hillblom Vakfı tarafından desteklenir. R.H.S, Ulusal Yaşlanma Enstitüsü (NIA) ve Glenn Tıbbi Araştırma Doktora Sonrası Burs Vakfı aracılığıyla 5F32AG032023-02 hibe ile desteklenir. A.F. NIA aracılığıyla Hibe F32AG051355 tarafından desteklenir. H.K.G. Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu Programı ile DGE1752814 hibe ile desteklenir. M.G.M. NIA ile 1F31AG060660-01 tarafından desteklenir. A.D. Thomas ve Stacey Siebel Vakfı, Howard Hughes Tıp Enstitüsü ve 4R01AG042679-04 ve 5R01AG05891-02 NIA ve 5R01ES021667-09 NIEHS tarafından desteklenir. Larry Joe, Melissa Sanchez, Naame Kelet ve Anel Esquivel’e önemli teknik yardımlar için teşekkür ederiz. Biz Morimoto laboratuvar ve CGC (NIH Office Araştırma Altyapı Programı P40 OD010440 tarafından finanse edilen) suşları için teşekkür ederiz.
Antimycin A | Sigma-Aldrich | A8674 | for mitochondrial stress |
Bacto Peptone | Fisher Scientific | DF0118072 | for NGM plates |
BD Difco granulated agar | VWR | 90000-782 | for NGM plates |
Calcium chloride dihydrate | VWR | 97061-904 | for NGM plates |
Carbenicillin | BioPioneer | C0051-25 | for RNAi |
Cholesterol | Sigma-Aldrich | 57-88-5 | for NGM plates |
COPAS Biosorter | Union Biometrica | 350-5000-000 | equipped with a 488 nm light source. |
COPAS Cleaning Solution | Union Biometrica | 300-5072-000 | to use with COPAS |
COPAS Sheath Solution | Union Biometrica | 300-5070-100 | to use with COPAS |
DMSO | Sigma-Aldrich | 472301 | solvent for drugs |
IPTG dioxane free | Denville Scientific | CI8280-4 | for RNAi |
LB Broth Miller | Fisher Scientific | BP1426500 | for LB |
M205FA stereoscope | Leica | 10450040 | equipped with a Leica DFC3000G monochromatic CCD camera, standard Leica GFP filter (ex 395-455, EM 480 LP), and LAS X software |
Magnesium sulfate heptahydrate | VWR | EM-MX0070-3 | for NGM plates, M9 |
Paraquat | Sigma-Aldrich | 36541 | for oxidative/mitochondrial stress |
Potassium Chloride | Fisher | P217-500 | for bleach soluton |
Potassium phosphate dibasic | VWR | EM-PX1570-2 | for NGM plates |
Potassium phosphate monobasic | VWR | EM-PX1565-5 | for M9 |
Revolve | ECHO | 75990-514 | equipped with an Olympus 4x Plan Fluorite NA 0.13 objective lens, standard Olympus FITC filter (ex 470/40; em 525/50; DM 560), and an iPad Pro for camera and to drive ECHO software |
Sodium Azide | Sigma-Aldrich | 71289-50G | for imaging |
Sodium Chloride | EMD Millipore | SX0420-5 | for NGM plates, M9 |
Sodium phosphate dibasic | VWR | 71003-472 | for M9 |
Tert-butyl hydroperoxide | Sigma-Aldrich | 458139 | for oxidative stress |
Tetracycline hydrochloride | Sigma-Aldrich | T7660-5G | for RNAi |
Tunicamycin | Sigma-Aldrich | T7765-50MG | for ER stress |