Métodos de estudio cambios de agregación inherente de proteína con la edad en Caenorhabditis elegans
Summary
El método presentado aquí pretende explorar la agregación de proteínas durante el envejecimiento normal en el organismo modelo Caenorhabditis elegans. El protocolo representa una poderosa herramienta para el estudio de los agregados grandes altamente insolubles que se forman con la edad y determinar cómo cambios en proteostasis impactan de agregación de la proteína.
Abstract
En las últimas décadas, la prevalencia de trastornos neurodegenerativos, como la enfermedad de Alzheimer (EA) y enfermedad de Parkinson (EP), ha crecido. Estos trastornos asociados con la edad se caracterizan por la aparición de agregados de proteínas de estructura fibrilar en los cerebros de estos pacientes. Exactamente por qué proteínas solubles normalmente se someten a un proceso de agregación sigue siendo mal entendido. El descubrimiento que la agregación de la proteína no se limita a procesos de la enfermedad y en su lugar parte del proceso normal de envejecimiento permite el estudio de los mecanismos moleculares y celulares que regulan la agregación de proteínas, sin utilizar ectopically expresado humana proteínas asociadas a la enfermedad. Aquí se describen metodologías para examinar la agregación de proteínas inherentes en elegans de Caenorhabditis a través de enfoques complementarios. En primer lugar, examinamos cómo cultivar grandes cantidades de edad-que sincronizados C. elegans para la obtención de animales y presentamos los procedimientos bioquímicos para aislar altamente insoluble en grandes agregados. En combinación con una caída genética dirigida, es posible diseccionar el papel de un gen de interés en la promoción o prevención de la agregación de proteínas dependientes de la edad usando ya sea un análisis exhaustivo con espectrometría de masas cuantitativo o una Análisis basado en el candidato con los anticuerpos. Estos resultados son luego confirmados por análisis en vivo con animales transgénicos expresando con etiquetas fluorescentes propensas a la agregación de proteínas. Estos métodos deberían ayudar a aclarar por qué ciertas proteínas son propensos a agregado con la edad y, en definitiva, cómo mantener estas proteínas completamente funcional.
Introduction
Agregación y mal plegamiento de proteínas son reconocidas como una seña de identidad de varias enfermedades neurodegenerativas tales como AD, enfermedad de Parkinson, esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la demencia frontotemporal (FTD) y muchos otros. Por ejemplo, asambleas de α-sinucleína en fibrillas amiloides que se acumulan como los cuerpos de Lewy particularmente en el nigra del substantia de los pacientes con EP, mientras que en misfold de TDP-43 o FUS de pacientes ALS para formar agregados citoplasmáticos en degeneración de las neuronas motoras. En cada uno de estos trastornos neurodegenerativos, mecanismos de mantenimiento de la homeostasis de proteínas o proteostasis no evitar la acumulación de proteínas mal plegadas, por lo tanto conduce a la enfermedad.
Proteostasis es crucial para las funciones celulares y bajo condiciones normales estos mecanismos controlan firmemente la tasa de síntesis de proteínas, plegamiento y degradación. Varios estudios demuestran que con el envejecimiento, la capacidad de muchas células y órganos para mantener la homeostasis de proteínas poco a poco se ve comprometida y el deterioro fisiológico de las redes proteostasis con la edad es un factor agravante importante para enfermedades neurodegenerativas (revisadas en las referencias1,2,3). El hecho de que el control de calidad de la proteína y la respuesta celular al estrés proteínas desplegadas se comprometen con la edad sugiere que el mal plegamiento de proteínas y agregación podrían ser una general consecuencia del envejecimiento. De hecho, nosotros y otros hemos demostrado que la agregación de la proteína no se limita a la enfermedad y en cambio parte del proteoma se convierte en altamente insoluble en detergente en animales envejecidos4,5,6,7 ,8,9,10. Análisis computacional e in vivo revelaron que estos agregados relacionados con la edad fisiológicos se asemejan a agregados de la enfermedad en varios aspectos5. El descubrimiento de la agregación de proteína endógena, dependiente de la edad nos da la oportunidad de diseccionar los mecanismos moleculares y celulares que regulan la agregación de proteínas, sin utilizar ectopically expresadas proteínas humanas asociadas a la enfermedad. En la actualidad, solamente poca información existe sobre la regulación de la insolubilidad de la proteína generalizada y sobre los efectos de esta disregulación en la salud del organismo.
El nematodo C. elegans es uno de los organismos modelo más extensamente estudiados en la investigación del envejecimiento ya que estos animales tienen una vida útil relativamente corta y muestran muchas características de envejecimiento característico observados en organismos superiores. Los efectos del envejecimiento en la insolubilidad de la proteína han sido estudiados en C. elegans por fraccionamiento bioquímico secuencial basado en la solubilidad diferencial, que es ampliamente utilizado para extraer áridos de la enfermedad en el campo de la investigación neurodegeneración11 . Por espectrometría de masa cuantitativa, varias cientos proteínas fueron demostradas para ser agregación-propensa en C. elegans en la ausencia de enfermedad5. Aquí describimos en detalle el protocolo para cultivar grandes cantidades de gusanos en cultivo líquido y la extracción secuencial para aislar proteínas agregadas para la cuantificación por espectrometría de masas y el análisis por Western blot. Porque las proteínas mal plegadas y propensas a la agregación se acumulan en mayores cambios de gónadas y máscaras de C. elegans en otros tejidos somáticos5,12,13, utilizamos un mutante de la gónada menos centrarse el análisis de proteínas insolubilidad en los tejidos no reproductivos. El método permite el análisis de los agregados altamente insoluble, grandes que son insolubles en 0,5% SDS y sedimentados por la relativamente baja velocidad centrífuga. Por otra parte, un protocolo de extracción menos riguroso para recoger también agregados más pequeños y más solubles ha sido publicado en otra parte10. Además, se describe el método utilizado para evaluar la agregación en vivo en C. elegans.
En general, estos métodos en combinación con el ARN de interferencia (ARNi) pueden evaluar la función de un gen de interés en la modulación de agregación de la proteína depende de la edad. Para ello se describe el análisis de extractos de gusanos jóvenes y mayores con y sin precipitación de una proteína específica de interés utilizando RNAi. Estos métodos deben ser una herramienta poderosa para determinar que los componentes de la red proteostasis regulan insolubilidad de la proteína. Varias intervenciones tales como reducción la insulina/insulina-like growth factor (IGF) 1 señalización (IIS) se ha demostrado que retrasar dramáticamente C. elegans envejecimiento14. Vías de longevidad a menudo inducen mecanismos de control de calidad de la proteína y así estas vías podrían ser activamente influir en la tasa de agregación de la proteína. Por ejemplo, nos demuestran agregación reducida proteína inherente en animales de larga vida sobre la inhibición de la vía IIS7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aquí se presenta una metodología para aislar a agregados de proteína altamente insoluble de envejecimiento C. elegans sometidos a ARNi para análisis por espectrometría de masas y Western blotting. Mostramos que mejorar proteostasis reduciendo grandemente IIS previene la agregación de proteínas dependientes de la edad. Por selección de proteínas específicas propensas a la agregación que sobreexpresan en C. elegans, es posible disecar más los mecanismos de modulación de agregación de la prot…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por fondos de la DZNE y una beca de reinserción Marie Curie Internacional (322120 a D.C.D.)
Materials
| Fernbach culture flask | Corning | 4425-2XL | Pyrex, Capacity 2,800 ml, with 3 baffle indents |
| Membrane Screw Cap | Schott | 1088655 | GL45 |
| Nutating Mixer | VWR | 444-0148 | |
| Separatory funnel | Nalgene | 4300-1000 | Capacity 1,000 ml |
| 1 ml syringe | BD Plastipak | 300013 | |
| Gray needle, 27 G x ½ ", 0.4 mm x 13 mm | BD Microlance 3 | 300635 | |
| Membrane filters 0.025 µM | Millipore | VSWP04700 | |
| pH strip | Machery-Nagel | 92110 | pH-Fix 0-14 |
| Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 4693132001 | Complete Mini EDTA-free tablets |
| Octoxynol-9 | Applichem | A1388 | Triton X-100 |
| 4-Morpholineethanesulfonic acid (MES) | Sigma-Aldrich | M1317 | |
| Nonylphenylpolyethylenglycol | Applichem | A1694 | Nonidet P40 (NP40) |
| DNaseI | Roche | 04716728001 | recombinant, RNase free |
| RNaseA | Promega | A7973 | solution |
| Total protein blot staining | Thermofisher | S11791 | Sypro Ruby protein blot stain |
| Total protein gel staining | Thermofisher | S12001 | Sypro Ruby protein gel stain |
| TCEP (tris (2-carboxyethyl) phosphine hydrochloride) | Serva | 36970 | |
| Iodoacetamide | Serva | 26710 | |
| Ammoniumbicarbonate | Sigma-Aldrich | 09830 | |
| Sequencing Grade Modified Trypsin | Promega | V5111 | |
| Isobaric tags for relative and absolute quantitation | Sciex | 4352135 | iTRAQ Reagents Multiplex Kit |
| Centrifuge Avanti J-26XP | Beckmann Coulter | 393126 | |
| Ultracentrifuge Optima Max-XP | Beckmann Coulter | 393315 | |
| Centrifuge 5424R | Eppendorf | 5404000413 | |
| Centrifuge 5702 | Eppendorf | 5702000329 | |
| Centrifuge Megafuge 40R | Thermo Scientific | 75004518 | |
| Concentrator Plus | Eppendorf | 5305000304 | Centrifugal evaporator |
| Fluorescent stereo-microscope M165 FC | Leica | With Planapo 2.0x objective | |
| Dissection microscope | Leica | Leica S6E | |
| High magnification microscope Zeiss Axio Observer Z1 | Zeiss | With PlanAPOCHROMAT 20x objective and Zeiss Axio Cam MRm | |
| Software | |||
| Image analysis software | ImageJ | ||
| Analysis of mass spectrometry data | Protein Prospector | http://prospector.ucsf.edu/prospector/mshome.htm | |
| E.coli strain | |||
| OP50 | CGC | ||
| RNAi bacteria | |||
| L4440 | Julie Ahringer RNAi library | ||
| C. elegans mutants | |||
| CF2253 | CGC, strain name: EJ1158 | Genotype: gon-2(q388) | |
| C. elegans transgenics | |||
| DCD214 | Della David's lab at DZNE Tübingen | Genotype: N2; uqIs24[Pmyo-2::tagrfp::pab-1] | |
| DCD215 | Della David's lab at DZNE Tübingen | Genotype: daf-2(e1370) III; uqIs24[Pmyo-2::tagrfp::pab-1] | |
References
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