在体外陶氏蛋白聚集与药物筛选研究方法

Neuroscience
 

Summary

本手稿中描述的 tau 聚集分析模拟了体内tau 错误折叠和聚集的预期特征。

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Crespo, R., Koudstaal, W., Apetri, A. In Vitro Assay for Studying the Aggregation of Tau Protein and Drug Screening. J. Vis. Exp. (141), e58570, doi:10.3791/58570 (2018).

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Abstract

tau 蛋白的聚集和配对螺旋细丝的形成是阿尔茨海默氏症和其他黑色素病的标志。与其他与神经退行性疾病相关的蛋白质相比, 报告的陶蛋白体外聚集动力学表现出相对较高的变异性。在这里, 我们描述了一种体外聚集试验的发展, 该方法模拟了与 tau 在体内的错误折叠和聚集相关的预期步骤。该分析使用最长的 tau 异形 (hutau441), 其中包含 n 端酸性插入物以及四个微管结合域 (mbd)。肝素的加入引发了肝素的体外聚集, 并以96孔微板的形式持续采用硫代黄素 t 荧光。tau 聚集试验在不同的井、实验运行和蛋白质批次之间具有很高的重现性。聚集导致 tau phf 样形态, 在新纤维结构的形成方面非常有效. 目前的检测方法除了在研究陶氏错折叠和聚集的机理方面的应用外, 还是筛选可能干扰陶氏发病机制的药物的有力工具。

Introduction

阿尔茨海默病是一种毁灭性的神经退行性疾病, 其组织病理学定义是聚集的淀粉样蛋白β1和细胞内神经纤维缠结的聚集性的细胞外的老年病斑块的积累。高磷酸化 tau 蛋白2。生理 tau 是单体的, 表现为6个独特的异形, 包含0-2n 端子插入物和3或4个微管结合域 3,4产生于替代拼接和平均2-3 磷酸化。据认为, 高磷酸化, 错误折叠和自聚集到纤维结构是 tau 发病机制的关键要素, 病理评估在精神病个体5,6

聚集神经纤维瘤不仅是 ad 的标志, 也是其他程度的神经病的标志, 包括额叶变性 (ftld)、拾取病、进行性超核麻痹 (psp)、前颞叶痴呆 (ftd) 和原发性与年龄有关的癌症 (部分)2。从生化的角度来看, 了解 tau 错误折叠和聚集的机制可以揭示与 ad 和其他尾毒病相关的病理过程。除了科学方面, 稳健的体外聚集检测是筛选候选药物78910的宝贵工具。认为 tau 的聚集遵循的是一个与成核依赖的聚合过程 (ndp)11,12,13,14。ndp 动力学是 sigmoidal 的, 从一个非常不利的成核步骤开始, 然后是一个快速的能量下坡聚集过程。

与其他淀粉样蛋白 (包括 prion 蛋白、淀粉样β和α-sycornin) 不同, tau 不会在生理条件下自发聚集, 甚至极端的 ph 或高温也不利于聚集15。这很可能是由于 tau 聚集界面中存在的水相相互作用。然而, 当使用诸如肝素16或其他多阴离子17、18的诱导剂时, tau 会在生理浓度有效地聚集。

以前建立体tau 聚集检测的努力已经为 tau 错误折叠和聚集的细节提供了一些线索, 但它们没有模仿被认为是体内tau 聚集动力学的东西。在大多数情况下, 陶粒聚集动力学缺乏与陶粒核相关的初始滞后期。这可能是使用非常高的陶蛋白浓度的结果, 在开始的陶蛋白制剂中存在聚集物, 或使用与更多的生理全长陶相比, 有更高的聚集倾向的陶片片段蛋白质19,20,21,22,23。此外, 以前的研究没有涉及 tau 聚集动力学的重现性和鲁棒性方面。

在这里, 我们描述了一个强大的体外tau 聚集试验, 它模仿了核依赖聚合的主要特征, 初始滞后阶段对应于 tau 成核, 然后是指数增长阶段。此外, 所产生的重组陶属具有纤维化性质, 具有极高的播种能力。该检测在 tau 批次之间也是高度可重复性的, 是筛选聚集抑制剂的宝贵工具。

Protocol

1. 试剂制备

  1. 反应缓冲器
    1. 准备反应缓冲液: 0.5 mm tcep 在 pbs 中, ph 6.7 通过溶解 tcep 干粉 (mM = 286.65 g/mol) 在 pbsstock 溶液中, ph 7.4。
      注: tcep 的存在是由于桥接聚集研究使用野生类型的 tau 蛋白, 其中包含半胱氨酸。在目前的协议中, tcep 仅用于将 pbs 的 ph 值从7.4 调整到 6.7, 在调节任何氧化还原反应方面没有任何作用。
    2. 通过0.22μm 孔径 pes 膜过滤器彻底混合并过滤溶液。
    3. 在-80°c 时进行液体储存。
    4. 使用前在长凳上解冻并稳定在 rt。
  2. 胡陶441
    1. 删除 hutau441 (用于蛋白质表达和纯化, 请参见 apetri等人.24) 从-80°c 冰柜。
    2. 在长凳上解冻, 并平衡到室温 (rt)。
    3. 在20-25 的 12, 000 x 克的情况下, 用蛋白质库存旋转管 5分钟, 以消除气泡。
    4. 使用 0.31 ml mg-1 厘米-1 厘米-1 的消光系数, 在280纳米的情况下通过吸收测量 hutau441 的浓度
  3. 硫代黄素 t
    1. 在35毫升反应缓冲液中溶解10毫克的 tht 干粉 (mwtectxice18.3886 g/mol), 制备500μm 硫代黄素 t (t) 库存溶液。
    2. 以最大速度彻底混合, 旋涡 3次, 持续 20秒, 并通过0.22μm 孔径 pes 膜过滤器过滤溶液。
    3. 使用 22, 000 m-1 cm-1 的消光系数在411纳米处通过吸收测量确定浓度, 并将 tht 浓度调整为500μm。存储在 rt 保护免受光线的影响。每2个月准备一次新鲜的。
  4. 肝 素
    1. 在 rt 1 毫升反应缓冲液中溶解1毫克 hmw 肝素干粉 (mL = 17-19 kda), 制备新鲜的55μm 肝素溶液。
    2. 用力摇晃, 涡旋 2次, 持续5秒。
    3. 过滤溶液通过一个不育0.20μm 孔径 pes 膜过滤器 (注射器)。

2. 多模微板读卡器上的连续模式 tht 聚合检测

注: 在反应中添加了 tht 染料, 以连续模式 (自动测量) 监测 hutau441 聚集动力学。虽然反应之后可以使用常规的 cuvette 进行常规荧光计, 但操作的手动性质限制了测量频率, 并损害了记录的动力学曲线的准确性。因此, 使用了自动多模微板读取器。

  1. 仪器设置
    1. 打开计算机和多模式微板读取器。让设备稳定10分钟。
    2. 启动软件并准备协议。
      1. 选择协议类型: 标准协议 (每个板块独立执行数据缩减)。
      2. 将温度设置为 37°c, 并在继续使用协议之前选择预处理。
      3. 设置动能运行: 运行时间 50小时/测量间隔: 15分钟。
      4. 在连续模式下将轨道晃动设置为 425 cpm (3 毫米)。
      5. 选择读取方法: 荧光强度-内点-动力学-单色仪波长: 励磁440纳米 (20 纳米带宽)/发射 485 nm (20 纳米带宽)-光学位置: 顶部-正常读取速度-读取高度: 4.50 mm
      6. 使用创建的协议启动运行。命名实验, 选择新创建的文件的目标, 并允许仪器预先平衡到所需的温度。
  2. 自发 hutau441 转换
    1. 在 1.5 ml 管中制备反应样品。每个反应使用200μl 混合和至少4个重复 (4个复制物的反应体积 = 800μl)。
    2. 制备含有 15μm hutau441、8μm 肝素和50μm 肝素的800μl 反应样品 (在4个重复的情况下), 首先将蛋白质与反应缓冲液混合, 加入肝素和 tht, 然后向上和向下向上和向下移液5次。遵守指定的试剂添加顺序。
    3. 在 12, 000 x g 和25°c 下旋转样品 5分钟, 以消除气泡。
    4. 在96孔微板 (96 孔黑色固体微板, 井体积 360μl, 平底) 中, 每口井分配200μl 反应样品。避免气泡的形成。
    5. 密封微板, 避免蒸发。
    6. 将微板放置在多模微板读取器中, 并开始测量。
    7. 实验完成后, 从设备中取出板材, 并将数据导出到数据处理软件中。
  3. 产品转化、种子收集和储存的质量检查。
    1. 从板材上取下封口机, 并将不同的重复物集中在 1.5 ml 管中。在收集样品之前, 通过向上和向下两次移液, 将汇总后的样品很好地混合在井中。总的总量往往会沉积在井底。
    2. 通过向上和向下5次移液, 在 1.5 ml 管中彻底混合, 并在云母表面分配 10-20μl, 以便通过 afm 分析聚集体 (详情见 apetri等.24).
    3. 在 20, 000 x g 和4°c 下纺 1, 000 x g 和 4°c 1小时, 收获集料。集料形成一个颗粒。
    4. 用 s-mals 分离和分析上清液, 以确认样品中没有单体 tau, 表明成功转换为聚合物 (详情见 apetri等人).24).
    5. 标记含有剩余集料 (颗粒) 的 1.5 ml 管, 表明最初的 hutau441 蛋白浓度和样品体积。捕捉冻结集料, 并将其存放在-80°c。
  4. 所需的反应
    1. 从-80°c 冷冻机中取出 hutau441 集料。加入标签上标明的反应缓冲量 (初始样品体积), 让管材稳定到 rt, 通过移液5到8次重新将聚合物重新移出5至8倍。
    2. 对汇总样本进行分类。对于200μl 样品 (15μm hutau441), 使用半英寸微尖端 (从100μl 到 10 ml) 在冰上超声, 总共有15秒的时间, 使用的脉冲为 1秒, 振幅为30%--为 2秒 (声纳器250瓦)。将样品重新平衡到 rt。
      注: 使用的超声条件导致相同的卷纤维种群, 长度为20-50 纳米24
    3. 在 1.5 ml 管中制备反应样品。每个反应使用200μl 混合和至少4个重复 (4个复制物的反应体积 = 800μl)。
    4. 制备含有 15μm hutau441、8μm 肝素和50μm 肝素的800μl 反应样品, 首先将蛋白质与反应缓冲液混合, 加入肝素和 tht, 通过向上和向下移液5次进行良好的混合。遵守指定的试剂添加顺序。
    5. 在 12, 000 x g 和25°c 下旋转样品 5分钟, 以消除气泡。
    6. 在96井 (96 孔黑色固体微板, 井体积 360μl, 平底) 中, 每口井分配200μl 反应样品。避免气泡的形成。
    7. 通过重复向上和向下移液 (5次) 彻底同质化预成型的纤维样品, 并将相应的种子百分比添加到每口井中。对于200μl 井总体积, 2μl 的预成型种子添加为 1% (v/v)。在井中加入时, 通过向上和向下三次进行移液混合, 避免形成气泡。
    8. 密封微板, 避免蒸发。
    9. 将微板放置在多模微板读取器中, 并开始测量。
    10. 从设备中取出板, 并将数据导出到电子表格中。

Representative Results

包含 c291a 和 c322a 突变的重组 hutau441 和 n-终止他和 c-终止 c 标记被表达和纯化, 如前面所述的 24。hutau441 批次是高度纯的, 因为在 sds-page 上显示, 几乎100% 的单体由 s-mals 评估 (图 1)。通过添加 8μm hmw 肝素诱导 15μm hutau441 的聚集, 并在反应之后, 用多模微板读取器连续进行 tht 荧光反应。激发波长为440纳米 (带宽 20 nm), 而发射功率为 485 nm (带宽 20 nm)。该检测结果具有高度的重现性, 来自10口不同井的结果几乎无法区分 (图 2a)。afm 对高温后的 tht 阳性 hutau441 集合体的形态进行了评估。聚集型 hutau441 是不同长度的纤维结构的均匀混合物, 类似于报告的体外形态 (图 2b)。此外, 最终反应混合物不含单体, 这表明如 s-mals 测量 (图 2c) 所示, 将其完全转化为集料。在独立实验过程中, hutau441 聚集的动力学与类似的 sigmoidal 曲线和无法区分的滞后和生长阶段所强调的非常相似 (图 3)。当使用不同批次的蛋白质时, 可保持较高的重现性 (图 4)。此外, 预先形成的 hutau441 集料在招募 tau 单体和诱导形成新的 tau集料方面非常有效。低至 0.0025% (v2) 的预制 tau 集料能够绕过新纤维的成核和触发生成(图 5)。

Figure 1
图 1: 重组 hutau441 是单体和高度纯.a) 在 4-12 sds-page 凝胶 (包括分子量标准凝乳) (车道 1) 的变性条件下进行纯度评估;流经最终的 c-标签亲和力净化步骤 (行2车道);柱洗分数 (车道 3), 洗脱 hutau441 蛋白峰, 前 (车道 4) 和缓冲交换后 (车道 5), 分别)。b) huTau441 的 s-maals 分析。蛋白质显示为 & gt; 99.9% 单体, 摩尔质量为 51 kda, 不含聚集体或片段。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 重组 hutau441 的聚集具有很高的重现性, 并在数量上导致纤维结构.a) 肝素诱导的 hutau441 聚集动力学在96种井微板中进行了连续监测。hutau441 和肝素的浓度分别为15μm 和8μm。这10条曲线对应于同一微板的10口井中同一蛋白质批次的转换, 其特征是在 18.8±0.40 h 的平均 (sd) 滞后相位为14.2±0.38 小时和 t50 。c 曲线, 在上渐近线线性下降。通过线性回归在预测值之间进行插值计算滞后相位和 t50 。滞后相位是在 tht 荧光信号增加3% 的基础上计算出来的。利用 ibm spss 统计20.0.0.2 版本获得了曲线拟合和汇总统计。在50小时的时间里, tau 集料显示 phf 样形态, 由 afm 成像显示;c). s-maals 分析单分子 hutau441 (t = 0 h) 和反应混合物在反应完成时的上清液 (t = 50h)。在50小时的时间点上, 反应混合物在 20, 000 x g 和4°c 下离心了 1小时, 并在 s-mals 上注入了上清液。单体峰的消失证实了陶的完全聚集。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: tau 聚合分析显示独立实验运行之间的高重现性.这两个面板显示了四个单独的动力学痕迹自发 hutau441 聚集收集在两个独立的实验中使用同一批 hutau441 蛋白质。hutau441 和肝素的浓度分别为15μm 和8μm。动力学的特点是平均 (sd) 滞后阶段为 12.2±0.18 h 和 t50的 17.8±0.8 h (运行 1) 和 11.6±0, 52 h 和 t50的 17.8±0.23 (运行 2)。动力学数据与5参数逻辑曲线吻合, 上渐近线呈线性下降。t50是通过线性回归在预测值之间的插值计算的。滞后相位是在 tht 荧光信号增加3% 的基础上计算出来的。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: tau 聚集分析显示不同批次的 hutau441 蛋白之间具有较高的重现性.每个面板显示四个与特定 hutau441 批次相对应的副本。在独立实验中跟踪了每个批次的聚合。hutau441 和肝素的浓度分别为15μm 和8μm。与四个个别 tau 批次相对应的聚合动力学的特征是, 在21.1±0.46 小时 (第1批) 的平均 (sd) 滞后阶段为 15.3±0.38 h 和 t50 ;198±0.34 h 的 12.5±0.07 h 和 t50的滞后相位 (第2批);在 21.9±0.86 h (第3批) 的 150.1±0.34 h 和 t50的滞后阶段和 17.8±0.29 (第4批) 的 11.5±0.29 h 和 t50 的滞后阶段。动力学数据与5参数逻辑曲线吻合, 上渐近线呈线性下降。通过线性回归在预测值之间进行插值计算滞后相位和 t50 。滞后相位是在 tht 荧光信号增加3% 的基础上计算出来的。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: 预制后置的 hutau441 集料具有较高的播种活性.为开始播种, 在单体 hutau441 中加入了声纳 tau 集料。从红色到蓝色, 不同动力学曲线的每种颜色分别代表不同数量的添加种子: 1.25、0.63、0.63、0.63、0.08%、0.02%、0.01%、0.005% 和 0.005% (v/v)。hutau441 的自发转换在黑色代表。所有条件均经过四式两份测试。与一定浓度的种子相关的四种动能复制是高度可重复的, 在大多数情况下无法区分。hutau441 和肝素的浓度分别为15μm 和8μm。加入少量的预成型声纳纤维结构消除了在自发转化过程中观察到的初始滞后期, 其效果与种子的数量成正比。从红色到蓝色, 观察到的 t 50 ( t 50海绵. cont-t50种子) 的差异分别为18.40、18.40、17.8、17.3、16.6、16.1、15.4、14.7、14.2 和13.7 小时。hutau441 的自转化特征是平均 t50 (sd) 为 19.85±0.54 h. 动力学数据与5参数的逻辑曲线匹配, 上渐近呈线性下降。t50是通过线性回归在预测值之间的插值计算的。请点击这里查看此图的较大版本.

Discussion

尽管作出了许多努力, 但迄今为止文献中报告的 tau 聚集动力学缺乏所需的可重复性水平和/或核依赖性聚合一些特征 19,20,21,22,23,25. 由于没有滞后阶段、播种效率低下和 tau 集料的非纤维性质, 这一点往往得到了强调。造成这些缺点的原因可能各不相同, 包括不理想的 tau 蛋白质量 (碎裂、集料的存在、低纯度)、蛋白质的选择和诱导试剂以及或实验条件。另一个复杂的因素是位于 tau 聚集界面周围的两个半胱氨酸残留物, 它们可以根据氧化还原环境形成分子内或分子间二硫化桥, 并影响 tau 聚集的效率。在大多数方法中, 还原试剂 (如 dtt 或 tcep) 被用于以减少的形式保持半胱氨酸残留物, 从而提高重现性 25.此外, 陶的消光系数很低, 给蛋白质浓度的准确测量带来了困难。

我们特别关注一些参数和质量属性, 我们认为这对于 tau 蛋白的可靠、可复制和具有代表性的聚集配置文件至关重要: 消除分子内和分子间二硫化形成的可能性,生成高度纯的 tau 单体, 提高浓度测定的准确性。所有这些试剂相关的问题都是我们认为对最佳检测开发至关重要的潜在关注点。为了解决这些问题, 用 c291a 和 c322a 这两种突变以及 n 和 c-端子标记表示了全长 hutau441。半胱氨酸残基的突变对 tau 蛋白的影响最小, 同时消除了原本很难控制二硫桥接的问题。用相对较短的 n-和 c-末端标记表示蛋白质, 使我们能够采用两步亲和力纯化协议, 从而获得非常高的纯度、完整性和单体含量。此外, 我们引入了 f8w 突变, 增加了蛋白质的消光系数, 并允许更准确的浓度测量24

除了使用高质量的蛋白质试剂外, 还对其他检测参数进行了优化。最佳 tau:heparin 比率被确定为 0.5 (m/2), 这与先前发表的研究报告26一致。此外, 机械和光学仪器设置对于确保重现性至关重要, 最佳参数可能因制造商的不同而有一定程度的不同。

本试验中描述的 tau 聚集显示了与 ad 和相关的 tau 发病机制有关的特征。这个过程从与高能核形成相对应的初始滞后阶段开始, 然后是与纤维生长相对应的快速生长阶段。滞后时间足够长, 可以打开一个广阔的窗口, 详细研究涵盖广泛种子浓度的播种过程 (图 5), 而仍然不会太长, 因此避免蛋白质降解和/或非特异性聚集 (图图2). 当 hutau441 等本质上无序的蛋白质长期暴露在生理条件下时, 这些次生事件尤其可能发生。所获得的 tau 聚集体显示了从 ad 患者大脑中分离出的 phf 的形态, 并且在招募单体 tau 并将其转化为生成的聚集体 (这一过程称为播种体) 方面非常有效。该检测具有很高的重现性, 动态曲线在井、实验运行和蛋白质批次之间几乎无法区分。虽然目前的分析只集中在最长的 tau 异形 hutau441, 该应用程序可以适应研究其他形式的 tau 的转换 (ameijde等人, acta 神经病理学通讯, 在报刊上) 此外, 它使机械研究的重点是 tau 等形的相互作用, 并可能揭示在 ad 的 tau 发病机制之间的差异, 其中3r 和4r 等形都存在于 phf 和运动员的疾病或 Frontotemporal 痴呆, 其中 tau 病理主要包含3r 和 4r tau 等形式, 分别为 27

该检测的高重现性应允许读者在其特定的实验室设置中相对轻松地实施该检测。该分析方法模仿了被认为是陶氏体内的错误折叠和聚集, 从而能够进行机械研究, 揭示陶氏的发病机制, 并成为筛选候选药物和评估其干扰的宝贵工具与不同的步骤的发病过程。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者感谢 hector quirante 对 hutau441、hanna inganäs 和 margot van winsen 的表达和纯化, 感谢他们提供了出色的技术支持, 并感谢 martin keldijk 提供了数据分析。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Thioflavin T Sigma-Aldrich T3516-5G dry powder (Mw = 318.86 g/mol)
Heparin  Sigma-Aldrich H3393-50KU dry powder (Mw = 17-19 kDa)
TCEP Sigma-Aldrich 75259-1G dry powder (MW= 286.65 g/mol)
PBS Gibco-Life Technologies 10010-015 Sterile, pH 7.4 (1X)
0.22 μm sterile filter Corning 431160 PES membrane 
0.20 μm sterile serynge filter Corning 431229 PES membrane 
96-well microplates Thermo Scientific 9502867 Black, flat botton
Microplate sealers  R&D Systems DY992 Adhesive strips 
Synergy Neo2 Multi-Mode Microplate Reader  Biotek Synergy Neo2 Hybrid Technology, Gen5 Software
Eppendorf Tubes Eppendorf  0030 120.086 1,5 ml tubes
Ultrasonics-Branson SFX250 Branson 101-063-966R 1/2" Solid Horn and 1/8" microtip 

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References

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