Telomere and telomerase play essential roles in ageing and tumorigenesis. The goal of this protocol is to show how to generate two murine inducible telomerase knock-in alleles and how to utilize them in the studies of tissue degeneration/regeneration and cancer.
הטלומרים תפקוד לקוי-induced אובדן שלמות הגנום ואיתות הנזק ל- DNA הקשורים אליו ותגובות מחסום נהגים ותיקים שגורמים לניוון רקמה במהלך הזדקנות. סרטן, עם שיעורי היארעות להגדיל באופן משמעותי עם גיל, מאופיין באורכי הטלומרים קצרים ופעילות הטלומרז גבוהה. כדי לחקור את התפקידים של חוסר תפקוד הטלומרים והפעלה מחדש telomerase בהזדקנות וסרטן, הפרוטוקול מראה כיצד ליצור שתי הטלומרז מושרה עכברי נוק-באללים 4-Hydroxytamoxifen (4-OHT) -inducible טרט-קולטן אסטרוגן (ER-mTERT) ולקס -Stopper-לקס טרט (LSL-mTERT). הפרוטוקול מתאר את הנהלים כדי לגרום לתפקוד הלקוי של הטלומרים ולהפעיל מחדש את פעילות הטלומרז בעכברי mTERT-ER וLSL-mTERT in vivo. הנתונים מראים כי הנציג מחדש של פעילות הטלומרז יכול לשפר פנוטיפים ניוונית רקמה הנגרמים על ידי הפרעה בתפקוד הטלומרים. בORDאה כדי לקבוע את ההשפעה של הפעלה מחדש telomerase ביצירת גידולים, אנחנו שנוצרנו ערמונית PB-Cre4 G4 מודל גידול PTEN L / p53 L L / L LSL-mTERT L / L ומודל לימפומה T-cell הרתי G4 כספומט – / – mTERT ER / ER . הנתונים מראים כי הנציג מחדש telomerase ברקע של חוסר יציבות גנומית הנגרמת על ידי הפרעה בתפקוד הטלומרים יכול לשפר באופן משמעותי היווצרות גידול ב. הפרוטוקול מתאר גם את הנהלים המשמשים לבודד תאי גזע עצבי (NSCs) מmTERT-ER וLSL-mTERT עכברים ולהפעיל מחדש את פעילות הטלומרז בNSCs במבחנה. הנתונים מראים כי הנציג מחדש של הטלומרז יכול לשפר את יכולת התחדשות העצמית וneurogenesis במבחנה. לבסוף, הפרוטוקול מתאר את הנהלים לביצוע FISH הטלומרים (Fluorescence In Situ הכלאה) על שני FFPE העכבר (פורמלין קבוע וParafרקמות סנפיר Embedded) מוח וכרומוזומים metaphase של תאים בתרבית.
הטלומרז הוא אנזים אחראי לשמירת הטלומרים. אלה הם רצפים חוזרים בקצוות של כרומוזומים שלהגן על היושרה שלהם. רכיבי הליבה של holoenzyme telomerase הם מקטע transcriptase ההפוך קטליטי (טרט) ומקטע RNA (TERC) המשמש כתבנית להוספת telomeric חוזר 1,2. בעוד מודחק בדרך כלל בתאים סומטיים מובחנים, הטלומרז מציג פעילות חזקה וממלא תפקידים חשובים בתאי נבט, תאי סרטן ותאי גזע.
עכברי נוקאאוט mTERC וmTERT לספק גדולים במערכות מודל vivo ללמוד את הפונקציות של הטלומרז בשני תאי גזע וסרטן. MTERC וmTERT מפסיד יוצא, עכברים (G1) לא הראו שום פנוטיפים ברורים בשל המילואים הארוכים של הטלומרים בעכברים 3. עם זאת, באופן סדרתי intercrossing עכברי נוקאאוט mTERC וmTERT לדור מאוחר (G5-G6) הביא לשחיקה הדרגתית של הטלומרים וסופו של הדבר עוררה ניוון חמור של רקמות שגשוג מאוד 4. דור המאוחר (G5-G6) mTERC – / – עכברים עקרים בשל השיעור הגבוה של אפופטוזיס בדלדול תא אשך וניבט. G5-G6 mTERC – / – עכברים גם תערוכת פנוטיפים ניוונית ברקמות השגשוג ביותר כוללים מח עצם, מעי ועור בשל שיעור גבוה של אפופטוזיס ויכולת התחדשות עצמית פגומה בגזע רקמות / תאי תא אב 4. תאי גזע hematopoietic במח העצם של דור מאוחר mTERC – / – עכברי אובדן תערוכה של פוטנציאל שגשוג, יכולת התחדשות עצמית נפגעה, אפופטוזיס המוגבר וסופו של דבר תשישות תפקודית 5,6. בדומה לכך, גופים אפופטוטיים מוגברים בהדרגה במאורות מעי נצפו בכל דור של G1-G6 mTERC – / – עכברי 7,8. Tהוא השפעה מזיקה של הטלומרים לא מתפקדים לא נראה להיות מוגבל לרקמות תחלופה גבוהות שכן הן ההתפשטות של תאי גזע עצביים מבוגרים במבחנה וneurogenesis in vivo היו נפגעות קשה בדור מאוחר (G4-G5) mTERC – / – עכברים 9 . התפקיד של הטלומרז בתאי גזע נתמך גם על ידי הממצאים בcongenita נדיר אנושי הפרעה גנטית דיסקרטוזיס (DKC), אשר במובנים מסוימים דומה הזדקנות מוקדמת של 10,11. DKC נגרמים על ידי מוטציות בTERC, טרט, והגנים המקודדים dyskerin, מקטע הטלומרז ליבה, וdyskerin אחר חלבונים הקשורים 12. בממוצע, הטלומרים בחולי DKC הם קצרים יותר מאשר 99% בקבוצת ביקורת באותו גיל. התחלואה העיקרית של המחלה היא כתוצאה מאנמיה אפלסטית, אשר נגרמת על ידי תחזוקה לקויה של תאי גזע hematopoietic. היבטים אחרים של המחלה כגון leukoplakia האוראלי, מסמר ניוון, retardati הנפשיב, ניוון אשכים וסיבוכים ריאתי כל מציעים לקוי פונקציות של תאי רקמת גזע ותאי אב 10, ממצאים בהסכם קרוב עם אלה בדור המאוחר של עכברי נוקאאוט הטלומרז. חולי DKC נוטים תסמונת המיאלודיספלסטית ויש לי שכיחות מוגברת של שאתות ממאירות ברירית. כך, מחסור בהטלומרז בחולים אנושיים משחזר את הפגמים של פונקציות תאי גזע ונטיית גידול שנצפו בעכברי נוקאאוט הטלומרז דור מאוחר.
טלומרים קצרים ופעילות גבוהה הטלומרז הם מסימני היכר של הסרטן. כתאים נורמלים או טרום לחלק, תוצאות הפעילות הטלומרז נמוכות או חסרות בסופו של הדבר לשחיקת הטלומרים והפעלת מחסומים סלולריים דומים לאלה עוררו על ידי ה- DNA גדילים כפולים הפסקות (DSBs) 13. כמו DSBs הקלאסי, תפקוד לקוי של הטלומרים הוכח לגרום p53 וקשורים תגובות הסלולר, כגון הזדקנות ו / או apoptosiזה 14,15. על איון מוטאציות של p53, רכיבה על אופניים תא והישרדות תא משופרים בתאים עם תפקוד לקוי של הטלומרים, שמספק מנגנון המוטטורי פרו-מסרטנת המאופיין בטרנסלוקציות וamplifications האזורי ומחיקות 16,17. במקביל, המשיך תפקוד לקוי של הטלומרים וחוסר יציבות כרומוזומלית משתולל קשור (אפילו בתאי null p53) מופיע להגביל התקדמות ממארת מלאה של סרטן מסוג זה. לדוגמא, G4-G5 הדור מאוחר mTERC – / – Ink4a / ארף – / – עכברים הראו שכיחות לימפומה מופחתת באופן משמעותי בהשוואה לעכברי null Ink4a / ארף עקב התשה הטלומרים. במחקר אחר, נגעי adenomatous מתקדמים יותר בG4 mTERT – / – עכברי דקות APC דוכאו באופן משמעותי בהשוואה לעכברי דקות APC בשל מעצר צמיחה משמעותי ואפופטוזיס 18,19.תצפית שהטלומרים תפקוד לקוי-induced חוסר יציבות גנומית מעכבת התקדמות גידול מבקשת הספקולציות כי ההפעלה הטלומרז עשויה לאפשר התקדמות ממארת בחלקו על ידי דיכוי חוסר יציבות גנומית לרמה תואמת ליכולת קיום של תאי הסרטן ו / או p53 תלוי נטרול או מנגנוני מחסום -independent.
כדי ללמוד אם הפעלה מחדש telomerase יכולה לעצור או אפילו להפוך הזדקנות של תאי גזע, ואם הפעלה מחדש telomerase יכולה לקדם את יצירת הגידולים על רקע חוסר היציבות גנומית, אנחנו שנוצרנו שני אללים הטלומרז עכבריים מושרה. הראשון הוא 4-Hydroxytamoxifen (4-OHT) היתוך -inducible טרט-קולטן אסטרוגן (ER-mTERT) לדפוק באלל. בהעדר 4-OHT, עכברים הומוזיגוטים לmTERT-ER (mTERT ER / ER המיועד) הן פעילות הטלומרז לקויה ולקיים אותו פנוטיפים ציטוגנטית וסלולריים כmTERT או מ 'קונבנציונלייםמודל נוקאאוט TERC. על 4-OHT טיפול, פעילות חלבון טרט-ER ניתן לשחזר לרמות דומות לחלבון האם של טרט 20, 21. אלל השני הוא לדפוק באלל המכיל קלטת LoxP-בלם-LoxP אינטרוניים (LSL- טרט מושרה רומן mTERT); על Cre בתיווך הכריתה של LSL, mTERT מחדש הביע תחת מנגנוני בקרת ביטוי אנדוגני 22.
כאן, אנו מדווחים על הדור של שני אללים הטלומרז עכברי מושרה וכיצד להפעיל מחדש telomerase in vivo ובמבחנה. הצעד הקריטי להפעלה מחודשת של פעילות mTERT-ER הוא לשמור ריכוז מתמשך של טיפול בטמוקסיפן, ולכן אנחנו בוחרים להשתמש כדורים בזמן שחרור 4-OHT מיוצרים על ידי מחקר חדשני של אמריקה. כדורים לשמור שחרור 4OHT ברמת מצב יציבה דם של 1 ng / ml עד 60 ימים. במחקר קודם, שהראינו כי ההפעלה מחדש פעילות הטלומרז עם אסטרטגיה זו הצליחה לשפר פנוטיפים ניווניות כגון תשישות תאי גזע, ירידת ערך של תגובות פגיעה ברקמות וכשל איברים באיברים רבים שנגרמים על ידי הפרעה בתפקוד הטלומרים בG4 mTERT ER / ER עכברים 20.
מלבד לימוד הפונקציה של הטלומרז בהזדקנות, יכולים לשמש גם שני אללים הטלומרז מושרה אלה ללמוד סרטן. מחקרים קודמים לקחויתרון של אללים אלה כדי לחקור את תפקידו של התשה הטלומרים והפעלה מחדש telomerase בעיצוב הגנום ומשפיע על הביולוגיה של לימפומה הרתי T-cell 21 וסרטן הערמונית 22. שני מחקרים אלה הראו כי תפקוד לקוי של הטלומרים בדור מאוחר G4 כספומט – / – mTERT ER / ER וG4 PB-Cre4 PTEN L / p53 L L / L LSL-mTERT L / עכברי L מספק מנגנון תדלוק רכישת אירועי mutagenic המוקדמים ל התחלה של גידול, עדיין מונע התפתחות של גידולים ממאירים באופן מלא. כאשר הטלומרז היה מחדש בהקשר של חוסר יציבות הנוצר על-תפקוד לקוי של הטלומרים הגנומי, מחסומי נזק ל- DNA וחוסר יציבות כרומוזומלית משתולל דוכאו, שאיפשר את ההתקדמות המלאה של גידולים ממאירים עם מאפיינים ביולוגיים חדשים כגון גרורות בעצמות של סרטן הערמונית 21 וחדירת המוח של thymiלימפומה ג 21. תופעות דומות נצפו גם בסוגי הסרטן אחרים, כוללים סרטן מעי גס וסרטן לבלב (תקשורת אישית עם בני הזוג. Haoqiang יינג, האדם Boutin ורונלד DePinho).
כי חלבון טרט-ER ניתן מתג בקלות בין לסירוגין מדינות תלויים אם מטופלים בעלי החיים בטמוקסיפן או כלי רכב, ניתן יהיו לנצל את המודלים של הגידול שנוצרו על ידי אלל mTERT-ER לבדוק טיפול אנטי-הטלומרז. במחקר קודם, גידולים שנוצרו בG4 כספומט – / – בעלי חיים / ER mTERT ER שוחררו מ4-OHT; על דלדול הטלומרז, גידולים התכווצו סופו של דבר בשל החזרת מחסומים הנגרם הפרעה בתפקוד הטלומרים 21. עם זאת, חלק מהגידולים רכשו התנגדות בתגובה להטלומרז הכחדה על ידי הפעלת התארכות אלטרנטיבית של הטלומרים מנגנון (ALT). אפיון נוסף של גידולי ALT + עמיד אלה הראה כי tהיי יש שעתוק חריג של גני המעורבים בביולוגיה של המיטוכונדריה והגנה חמצוני כוללים רגולטור ראשי של הגנת סינתזה וחמצוני המיטוכונדריה PGC-1β. מציאה של PGC-1β או SOD2 (רגולטור נוסף של הגנת חמצוני) מבטלת באופן משמעותי תאי ALT + גידול בזמן לשמור על תאים הטלומרז + גידול להישאר יחסית ללא פגע 21.
מגבלה אחת של שני אללים לדפוק באלה היא שהם יכולים להרשות לעצמם רק הפעלה מחדש של הטלומרז ברמת אנדוגני כי הם נמצאים במוקד יליד הגן הטלומרז. ברוב סוגי הסרטן אנושיים, הטלומרז הוא למעשה ביטוי יתר ברמה הרבה יותר גבוהה. על מנת לשפר את רמת הטלומרז, שינוי אחד אנחנו יכולים לשקול הוא להכניס את מבנה mTERT-ER עם אמרגן חזק כגון PGK אמרגן (kinase phosphoglycerate) למוקד Rosa26.
לסיכום, שני אללים אלה הרומן מושרה עכבריים הטלומרז לספק ז'נה חסרת תקדיםכלים ic ללמוד את הפונקציות של הטלומרז בהזדקנות והומאוסטזיס רקמה, כמו גם את התקדמות הגידול, במיוחד תחת הרקע של חוסר יציבות הנוצר על-תפקוד לקוי של הטלומרים רכש מראש הגנומי. גם אלל mTERT-ER יכול לשמש כדי ללמוד טיפול אנטי-הטלומרז על ידי חצייה לתוך מודלים עכבר גידול מועד אחרים.
The authors have nothing to disclose.
J.H. is supported by NIH K99/R00 Pathway to Independence Award (5K99CA172700) and NCI Brain Cancer SPORE Career Development Award (2P50CA127001).
Leica AM6000 Micromanipulation Kit | Leica | Per quote | |
Leica DMI6000 B inverted microscope | Leica | Per quote | |
Neomycin | Life technologies | 21810031 | |
isoflurane vaporizer | Veterinary Anesthesia Systems | 911103 | |
isoflurane | Henry Schein | 1005796 | |
ketamine-xylazine mixture | Sigma-Aldrich | K113-10ML | |
4-OHT powder | Sigma-Aldrich | H7904-5MG | |
Tamoxfien | Sigma-Aldrich | T5648-1G | |
4-OHT pellet | Innovative Research of America | Custermized | |
Precision Trochar (10 Gauge) | Innovative Research of America | MP-182 | |
wound clip applier | Fischer Scientific | 01-804 | |
clip | Fischer Scientific | 01-804-5 | |
Neural Tissue Dissociation Kit | Miltenyi Biotec | 130-092-628 | |
HBSS | Life technologies | 14025092 | |
PBS | Life technologies | 10010023 | |
xylene | Fischer Scientific | X3P-1GAL | |
methanol | Fischer Scientific | A-433S4 | |
acetic acid | Fischer Scientific | A38-500 | |
ethanol | Fischer Scientific | 22-032-104 | |
formamide | Fischer Scientific | F84-1 | |
PNA telomere probe | Panagene | F1001-5 | |
PNA centromere probe | Panagene | F3003-5 | |
20X SSC | Fischer Scientific | BP1325-4 | |
BSA | Sigma-Aldrich | A2153-10G | |
tRNA | Sigma-Aldrich | R5636-1ML | |
Tween 20 | Fischer Scientific | BP337-100 | |
rubber cement | Walmart | Elmer's | |
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 |