Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Burada, mitokondri ile ilişkili endoplazmik retikulum (ER) membranlarının (MAM'lar) yapısal stabilizatörlerinin aksonal taşıma hızını, Alzheimer hastalığı (AD) nöronlarından nörotoksik β-amiloid (Aβ) üretimini gerçek zamanlı olarak artırarak veya sürdürerek MAM stabilizasyonunu ölçmek ve AD terapötiklerinin geliştirilmesine yardımcı olmak için doğrudan ve kantitatif bir metrik olarak hizmet etmeyi açıklıyoruz.
Alzheimer hastalığının (AD) 3 boyutlu (3D) nöral modelinde Mitokondri ile İlişkili endoplazmik retikulum Membranlarının (MAM'lar) stabilizasyonunu ölçmek için bir yöntem burada sunulmaktadır. Başlangıç olarak, ailesel Alzheimer hastalığı (FAD) veya naif ReN hücreleri içeren β-amiloid öncü proteini (APP) eksprese eden taze insan nöro progenitör ReN hücreleri, ince (1:100) Matrigel kaplı doku kültürü plakalarında büyütülür. Hücreler birleştikten sonra, bunlar, mitokondriyi tespit eden AKAP1 (34-63) (Mito-RFP) veya yapısal MAM stabilizatörleri MAM 1X veya MAM 9X'in kırmızı floresan proteini (RFP) ile konjuge mitokondri bağlama dizisini kodlayan ekspresyon plazmitleri ile elektroporasyona tabi tutulur sırasıyla sıkı (6 nm ± 1 nm boşluk genişliği) veya gevşek (24 nm ± 3 nm boşluk genişliği) MAM'ları stabilize eder. 16-24 saat sonra, hücreler toplanır ve floresanla aktive edilen bir hücre sıralayıcı (FACS) ile zenginleştirilir. Eşit sayıda FACS ile zenginleştirilmiş hücre, 3 boyutlu matriste (1: 1 Matrigel) tohumlanır ve 10 gün boyunca olgun nöronlara farklılaşmasına izin verilir. RFP konjuge MAM stabilizatörlerini eksprese eden 10 günlük farklılaşmış hücrelerin canlı hücre görüntüleri, CO2 (% 5), sıcaklık (37 ° C) ve nem (~% 90) tutan bir canlı hücre görüntüleme kültür odası ile donatılmış bir floresan mikroskop altında yakalanır. Bu amaçla, Mito-RFP ile işaretlenmiş serbest mitokondrinin motilitesini ölçmek için canlı hücre görüntüleme ve kimografik analizler gerçekleştirdik veya her bir ReN GA nöronunun en az 500 nm uzunluğundaki en geniş nöronal sürecinde, sırasıyla MAM 1X veya MAM 9X ile stabilize edilmiş sıkı veya gevşek boşluk genişliklerine sahip mitokondri, bunları akson olarak kabul ederek.
Ortaya çıkan kanıtlar, biyokimyasal olarak Mitokondri ile İlişkili ER Membranları olarak hasat edilen ve genellikle MAM 1,2 olarak adlandırılan özel Mitokondri ile ilişkili Endoplazmik Retikulum Kontaklarının (MERC'ler), AD 3,4 dahil olmak üzere çeşitli nörodejeneratif hastalıklarda rol oynadığını göstermektedir. Bu MAM'lar, ER'deki kolesterol açısından zengin lipid sal benzeri mikro alanlardan ve MAM'lar arasında yapısal ve fonksiyonel farklılıklar yaratan bir dizi protein tarafından bağlanan mitokondrinin dış zarından oluşur 5,6,7. Yakın zamanda ortaya çıkan MAM hipotezi, MAM'ların artmasının Aβ üretiminin artmasına ve nörofibriler arapsaçı (NFT) oluşumu, kalsiyum dishomeostazı ve nöroinflamasyon dahil olmak üzere AD'nin patojenik kaskadına yol açtığını öne sürmektedir 3,8. Mitokondrinin yaklaşık% 5 -% 20'si MAM'ları oluşturmak için ER ile fiziksel temas kurar9. MAM'ların boşluk genişliği, düzgün ve pürüzlü ER (sırasıyla sER ve rER) tarafından belirlenir. sER-mitokondri (10-50 nm) ve rER-mitokondri (50-80 nm) arasındaki değişken boşluk genişliği, MAM'ların boşluk genişliğinin sıkı (~10 nm) ile gevşek (~80 nm) arasında değişen uzun bir spektruma sahip olduğunu göstermektedir10,11,12,13. MAM boşluk genişliği, kalsiyum homeostazı ve lipid taşınması gibi MAM fonksiyonlarını belirler 1,14. Yakın tarihli bir rapor, sıkıca (~ 10 nm) bağlı ER ile tam MAM olarak adlandırılan mitokondri arasında oluşan MAM'ların apoptotik olduğunu göstermiştir. Buna karşılık, gevşek bağlı (~ 25 nm) ER ve mitokondri arasında oluşan, kusurlu veya orta MAM'lar olarak adlandırılan MAM'lar anti-apoptotiktir 14,15,16. 6 nm ± 1 nm boşluk genişliğine sahip MAM'ların stabilizasyonu, AD'nin yeni bir 3 boyutlu (3D) nöral kültür modelinden Aβ üretimini artırdı. Buna karşılık, boşluk genişliği 24 nm ± 3 nm olan MAM'ların stabilizasyonunun Aβ nesil17 üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Bu bulgu, ilk kez, MAM stabilizasyon derecesini düzenlemenin, ancak MAM'ları istikrarsızlaştırmamanın, Aβ üretimini düzenlemenin anahtarı olduğunu göstermektedir. MAM'ları tamamen kararsızlaştırma girişimi istenmeyen sonuçlara yol açabilir, çünkü MAM'lar hücre sağkalımı için kritik olan birkaç hücresel olayı sürdürür12.
MAM'ların modülasyonu, kanser, metabolik bozukluklar ve nörodejeneratif hastalıklar dahil olmak üzere çeşitli bozukluklar için potansiyel etkileri olan yeni ortaya çıkan bir araştırma alanıdır18. Birçok MAM modülatörünün mevcudiyetine rağmen, MAM'ları destabilize etme ve AD patolojisini düşürme yeteneklerini test etmek için şimdiye kadar büyük bir girişimde bulunulmamıştır, çünkü MAM'ların yapısal çeşitliliği onları ilaç keşfi için hedeflemek için oldukça karmaşık bir sistem haline getirmektedir. Ancak, ilaç hedeflerinin ve çevrelerininspesifik özelliklerini dikkate alan yeni geliştirilen yapısal sistem farmakolojisi 18,19 zorlukların üstesinden gelmeli ve AD'de MAM'ları veya MAM ile ilişkili proteinleri hedef alan yüksek etkili ilaçlar geliştirmelidir. Bununla birlikte, MAM stabilizasyonunun etkili bir modülatörü arayışı, MAM stabilizasyonunun derecesini tam olarak ölçmek için yöntemler gerektirir. Elektron mikroskobu (EM) veya süper çözünürlüklü mikroskopi gibi geleneksel tekniklerin MAM stabilizasyonunu belirlemede sınırlamaları vardır. Bu zorlukların üstesinden gelmek, muhtemelen canlı hücrelerde MAM stabilizasyonunun kantitatif ölçümlerini sağlayabilecek yeni, daha dinamik görüntüleme tekniklerinin veya biyokimyasal tahlillerin geliştirilmesini gerektirecektir. Primer nöronların Odaklanmış İyon Işını Taramalı Elektron Mikroskobu (FIB-SEM), ER'nin mitokondriyal motiliteyi sınırlaması muhtemel mitokondri etrafında bir ağ oluşturma eğiliminde olduğunu ortaya koydu20,21. Mitokondriyal taşıma sistemlerinin bozulması, retrograd, anterograd veya her ikisi de, sinaptik ve nöronal fonksiyon üzerinde derin bir etkiye sahipti22. Bu nedenle, burada MAM stabilizasyonunu kantitatif olarak ölçmek için bir metrik olarak tanımlanan ER'ye bağlı mitokondrinin aksonal hızının yeni canlı hücre görüntüleme ve kimografi tabanlı analizi, MAM stabilizasyon eşiğini Aβ üretimini arttırmanın aksine koruyan veya muhtemelen daha düşük olan bir eşiğe geçirebilen MAM modülatörlerinin tanımlanmasını kolaylaştıracaktır.
AD nöral kültür modelleri: Bu çalışmada, amiloid öncü protein (APP) geni (APP Swe/Lon), ReN GA hücrelerinde ailesel AD (fAD) mutasyonlarını eksprese eden insan nöral progenitör ReN hücrelerinden [naif ReN (Millipore)] veya ReN hücrelerinden türetilen nöronlar kullanılmıştır. ReN-GA üç boyutlu (3D) kültür sistemi, AD patolojisini, yani Aβ oligomer güdümlü nörofibriler yumakları (NFT'ler) 23,24 özetler. Naif ReN hücreleri ticari olarak temin edilebilir. ReN GA hatları, Massachusetts General Hospital (MGH) Doçenti Dr. Doo Y. Kim'den alındı23,24,25.
İfade plazmitleri: Ubc 6 (283-303) proteinlerinin AKP1 (34-63) ve ER hedefleme dizisi, RFP ile doğrudan bağlantılı (Mito-RFP-ER, MAM 1X olarak gösterilir) veya 9 amino asit bağlayıcı içerir (Mito-9X-RFP-ER, MAM 9X olarak gösterilir) sırasıyla 6 nm ± 1 nm veya 24 nm + 3 nm boşluk genişliklerine sahip MAM'ları stabilize etmek için tasarlanmıştır,15,26 (Şekil 1A).
1. Elektroporasyon
2. Canlı hücre görüntüleme
3. İşlem sonrası (7 gün)
NOT: Taşımayı analiz etmek ve kymograflar oluşturmak için Fiji ImageJ makroları kullanıldı. 0.1 mm/s'den daha az hareket eden veziküller sabit olarak kategorize edildi. Parçacık hareketinin frekansı, belirli bir yönde hareket eden (anterograd, retrograd) veya hareket etmeyen (durağan) parçacıkların sayısının kimografide analiz edilen toplam parçacık sayısına bölünmesiyle hesaplandı. Her bir vezikülün duraklamak veya hareket etmek için harcadığı süre, analiz edilen her nörondaki tüm veziküller için her bir durumda harcanan sürenin ortalaması alınarak hesaplandı. Hız ve çalışma uzunluğu için frekans dağılımı, her deney koşulu için sadece hareketli veziküller kullanılarak hesaplandı. Analiz 100 mm'lik aksonal traktlarda 3 dakika süreyle yapıldı.
Mito-RFP ile etiketlenmiş serbest mitokondrinin motilitesini ölçmek için canlı hücre görüntüleme ve kimografik analizler yapıldı (6 nm ± 1 nm) veya gevşek (24 nm ± 3 nm) MAM 1X veya MAM 9X ile stabilize edilmiş sıkı (6 nm 3 nm) temas genişlikleri, her bir ReN GA (AD) veya ReN (naif) nöronun en az 500 nm uzunluğundaki en uzun nöronal sürecinde, bunu bir akson olarak düşünürsek (Şekil 1 ve Şekil 2). H...
Sigma-1 reseptörünün (S1R) inhibisyonu, nöronal süreçlerde MAM stabilizasyonunu aşağı regüle etti ve aksonlardan Aβ üretimini önemli ölçüde azalttı (~% 90), ancak amiloid öncü protein [APP] genindeki (ReN GA) ailesel AD [FAD] mutasyonlarını ifade eden insan nöral progenitör (ReN) hücrelerinin üç boyutlu (3D) kültür sisteminin soma'sından değil23,24,25,27
Philadelphia Thomas Jefferson Üniversitesi'nden Profesör Dr. György Hajnóczky'ye, RFP-Mito, MAM 1X, MAM 9X ve MAM 18X'i kodlayan ekspresyon plazmitlerini cömertçe sağladığı için teşekkür ederiz. Brigham and Women's Hospital Kıdemli Görüntüleme Bilimcisi Dr. Lai Ding'e, kimograf verilerini oluşturmak, izlemek ve ölçmek için kod yazmamıza yardımcı olduğu için özel bir teşekkür. Bu çalışma, RB'ye Cure Alzheimer's Fund ve RET'e NIH hibesi 5R01NS045860-20 tarafından desteklenmiştir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
6 Well Glass Bottom Plate | Cellvis | P06-1.5H-N | |
B-27 Supplement (50X), serum free | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 17504044 | |
bFGF | R&D System | 233-FB | |
BSA | Fisher Scientific | 501781532 | |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Invitrogen | C10283 | |
DMEM/F12 with L-glutamine | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 11320-033 | |
EDTA | Life Technologies | 41116134 | |
EGF | Sigma-Aldrich | 92090408 | |
Falcon 6 Well Plates | VWR International | 41122107 | |
GAPDH Polyclonal Antibody | Thermo Fisher Scientific | PA1-988 | |
Gelatin | VWR International | 9000-70-8 | |
Graphpad Prism N/A | Prism 9, version 9.5.0 | N/A | |
Heparin | Sigma-Aldrich | H0200000 | |
ImageJ Software | ImageJ 1.53a | N/A | |
Matrigel Basement Membrane Matrix | Corning | 356234 | |
mCherry Polyclonal Antibody | Invitrogen | PA5-34974 | |
MS Excel | Microsoft Excel, version 2302 | N/A | |
Multi-array electrochemiluminescence assay kit | Meso Scale Diagnostics (MSD) | K15200E-2 | V-PLEX Aβ Peptide Panel 1 (6E10) kit |
NaCl | Fisher Scientific | 7647145 | |
NuPAGE 4–12% Bis-Tris gel | Invitrogen | NP0321BOX | |
Penicillin/Streptomycin/Amphotericin B | Lonza | 17-745E | |
Photoshop | Adobe Photoshop CC 20.0.10 | N/A | |
Rat Neuron Nucleofector Kit | Lonza | VPG-1003 | |
StemPro Accutase | Gibco | A1110501 | |
Tris-HCL, pH 7.6 | Boston BioProducts | 42000000 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
Tween 20 | Fisher Scientific | 501657287 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır