Here, we present a protocol for the isolation of increasingly insoluble/aggregated alpha-synuclein (α-syn) from post-mortem human brain tissue. Through the utilization of buffers with increasing detergent strength and high-speed ultracentrifugation techniques, the variable properties of α-syn aggregation in diseased and non-diseased tissue can be examined.
Alpha-synuclein (α-syn) proteina è abbondantemente espresso prevalentemente all'interno dei neuroni, ed esiste in diverse forme – monomeri, oligomeri, tetrameri e fibrille. Durante la malattia, α-syn subisce variazioni conformazionali per formare oligomeri e alti aggregati peso molecolare che tendono a rendere il più proteina insolubile. Anormalmente aggregati α-syn è una caratteristica neuropatologici della malattia di Parkinson (PD), la demenza con corpi di Lewy (DLB) e l'atrofia multisistemica (MSA). Caratterizzazione e l'analisi dei tamponi insolubili alfa-syn utilizzando con crescente forza detergente e ultracentrifugazione ad alta velocità biochimico fornisce un potente strumento per determinare lo sviluppo della patologia α-syn associata a progressione della malattia. Questo protocollo descrive l'isolamento di sempre insolubile / aggregato α-syn dal tessuto post mortem cervello umano. Questa metodologia può essere adattata con modifiche a studi di α normale e anormalebiologia -syn in modelli animali transgenici ospitano diverse mutazioni alfa-syn così come in altre malattie neurodegenerative che caratterizzano i depositi fibrillari aberranti di proteine legate alle rispettive patologie.
Una delle principali caratteristiche patologiche comuni tra varie malattie neurodegenerative è la formazione di aggregati proteici anormali che si verifica in una proteina / malattia maniera specifica 1. Quindi, ci sono i caratteristici extraneuronale placche di beta-amiloide e tau aggregati depositi iperfosforilata all'interno dei neuroni nella malattia di Alzheimer (AD); i depositi alfa-syn aggregati in Lewy Bodies (LBS), che sono inclusioni intraneuronali, e anche all'interno dei processi distrofici neuronale chiamato Lewy neurites (LNS) di PD, PD demenza e demenza con corpi di Lewy (DLBs) 2-4. Depositi alfa-syn anormali sono visti anche nelle lesioni segno distintivo di inclusioni citoplasmatiche gliali in MSA 5. Nella malattia di Huntington, ci sono i caratteristici depositi Poly-Q, e il DNA anormale Tar legame proteina-43 e fusi in proteine sarcoma (FUS) sono depositati in demenze frontotemporali. È importante sottolineare che per PD, mutazioni del gene α-syn sono stati trovati a cause autosomica dominante PD 6-11. Inoltre, α-syn gene triplicazione 12 e duplicazione 13 causa anche PD familiare collegando così aumentata espressione α-syn ai meccanismi patogenetici del PD. In particolare, i casi PD sia sporadici e familiari ospitano depositi anormali di α-syn patologia 14. Gli attuali trattamenti disponibili per il PD sono solo palliativi e non hanno effetto sulla necessità di arrestare o ritardare la progressione della malattia inesorabile.
α-syn è abbondantemente espresso nel cervello umano e che costituisce circa l'1% del totale delle proteine del cervello. E 'presente in particolare all'interno dei neuroni, ma può esistere anche se in quantità inferiori all'interno delle cellule gliali. Un punto controverso è la struttura nativa di α-syn che può esistere come monomero casuale 15 o come tetramero piegata 16. Durante la malattia, α-syn cambia la sua conformazione che consente di ottenere misfolded e questo processo è pensato per essere la causa della malattia pathogeNesis. Nonostante diversi anni di indagini gli aspetti fisiopatologici della α-syn e la malattia, le cause esatte dei meccanismi della malattia sono rimasti inafferrabile 14.
Gli studi che utilizzano analisi post-mortem del cervello parkinsoniani hanno finora fornito indizi importanti per quanto riguarda la biologia normale e anormale di α-syn sia in sporadici PD e anche PD associata a mutazioni del gene LRRK2 17-22. Qui, un protocollo di estrazione biochimico (vedi schema presentato in Figura 1) per i depositi alfa-syn sempre insolubili dal post-mortem di tessuto cerebrale umano PD che ospitano aggregati α-syn varia misura è stata descritta. Questa tecnica può anche essere adattato con modifiche in composizioni tampone per studiare proteine aggregate da altre malattie neurodegenerative 23,24 e anche da animali transgenici tessuto cerebrale 25-27. La considerazione principale per gli adeguamenti sono le differenze di solubilità e gli importi totali delle rispettive proteine alcune delle quali sono principalmente nucleare e potrebbe essere necessario buffer alto contenuto di sale per l'estrazione ottimale, come indicato per FUS 28.
Questo articolo descrive un protocollo di biochimica per l'estrazione e l'esame delle caratteristiche di solubilità differenziale di monomeri, oligomeri e aggregate α-syn da cervelli malati utilizzando denaturanti condizioni di gel di marcia. Questa è una tecnica consolidata per studiare α-syn 17, 18, 20, 21, una proteina che è normalmente solubili nella sua forma nativa ma ottenere proprietà di aggregazione amiloidogeniche o maggiori con progressione della malattia o con mutazioni genetiche aggregata. Ciò nonostante, alcuni gruppi hanno usato leggere variazioni delle concentrazioni SDS nei loro buffer (8% o il 10% invece del 5%) 21,22, 30. La SDS è un detergente anionico e solubilizza α-syn oligomeri che possono includere membrana legati forme di α-syn, mentre l'urea, un reagente caotropico snatura le forme insolubili aggregati fibrillari e amiloidogeniche o di α-syn 20. A questo proposito uno studio sistematico da Paleologou et al 31 ha esaminato la stabilitàdi oligomeri e fibrille con concentrazioni variabili di urea alfa-syn (6.5 – 8 M) o SDS (0,25-2%) e ha riferito che oligomeri stabili in concentrazioni SDS ma non con elevate concentrazioni di urea. Il loro FILA-1 anticorpo, specifico per oligomeri e fibrille alfa-syn rilevato concentrazioni più elevate di fibrille a 6.5 M concentrazioni di urea in condizioni non denaturanti. Le concentrazioni tampone utilizzate in questo protocollo rispecchia fedelmente quanto descritto in Culvenor et al. (1999) 32.
Le regioni cerebrali anatomiche per l'estrazione biochimica di insolubile α-syn devono essere attentamente selezionati e questo dovrebbero riflettere LB e LN carico α-syn seconda progressione della malattia 33,34. I casi utilizzati qui sono campioni dei gangli della base dei sottotipi neocorticale e limbiche del PD che riflettono ultime fasi intermedie e di progressione PD secondo McKeith ctriteria 34. Al cervello Banca Queen Square, una metà del cervello èordinariamente fissato in formalina per analisi istochimica e l'altra metà è accuratamente sezionato in diverse regioni anatomiche e flash congelato e conservato a -80 ° C congelatori per ulteriori studi biochimici e DNA / RNA analisi. In seguito la fissazione in formalina dei cervelli e la dissezione di neuropatologi, immunoistochimica viene eseguita utilizzando α-syn anticorpi e risultati archiviati. Anche come una procedura di routine, il pH del tessuto cerebrale viene misurata all'arrivo come misura di stato agonal del tessuto cerebrale. Questo forma una base solida per la qualità di conservazione del tessuto per l'analisi biochimica.
I nostri dati dimostrano che qui ci sono più solubili in SDS monomero α-syn nei casi PD rispetto ai controlli; in particolare i casi di PD neocorticali ha elevato carico α-syn rispetto alla varietà PD limbico. I casi neocorticale rappresentano una maggiore progressione della PD α-syn patologia nelle regioni neocorticali come le cor frontali e parietalitiche 33,34. I casi PD limbiche hanno alti punteggi LB nelle zone basali prosencefalo / regioni limbiche, come l'amigdala, transentorhinal e le regioni cingolato. Per i dati significativi e l'analisi statistica, si deve eseguire almeno 4 casi di ogni coorte. Allo stesso modo non abbiamo tentato analisi statistica dei dati blot qui presentati.
Si deve anche notare che gli anticorpi diversi possono riconoscere diverse forme / composizione di ordine superiore alfa-syn oligomeri e ciascuno può avere la propria sensibilità relativa e preferenza. Ciò è evidente dai risultati di Tong et al. 29 dove si mostrano che 4 differenti anticorpi alfa-syn (Syn-1, SS, Onco e LB509) danno risultati variabili almeno per alfa-syn oligomeri / aggregati. I monomeri α-syn stati riconosciuti in misura simili tutti 4 anticorpi anche se questi possono avere variazioni a seconda che l'epitopo anticorpo α-syn si trova sia nel N-terminale o C-Terminal 29. Analogamente, anticorpi specifici per fosfo-alfa sinucleina determinare il peso molecolare elevato distinta α-sinucleina specie 20,21. Nel protocollo qui descritto, l'anticorpo altamente caratterizzato Syn-1 è stato utilizzato 19-21.
Tuttavia, è importante considerare convalidare qualsiasi nuovo anticorpo su western blot mediante esperimenti preassorbimento anticorpi e anche sovraespressione e arresto della proteina nelle cellule.
È importante considerare altre varianti che sono state applicate dai ricercatori per determinare frammenti più piccoli di forme alfa-syn e tetramerici o instabili alfa-syn. Questo potrebbe includere lieve fissaggio di membrane con 0,4% PFA in PBS a conservare forme troncate di α-syn 35 o il trattamento di omogenati with linker croce per stabilizzare tetrameri 36.
Valutazione accurata biochimica delle proteine usando post mortem tiSSUE richiede la minimizzazione della degradazione enzimatica delle proteine e la modifica. Si consiglia pertanto di utilizzare il tessuto con i più brevi ritardi post mortem e / o dei campioni appaiati nei casi coorti. Immunoistochimica utilizzando anticorpi standard per la α-syn immunoistochimica deve essere eseguita prima di avviare il protocollo di isolamento. L'entità di α-syn patologia è molto variabile e può variare a seconda delle regioni selezionate. Si consiglia di selezionare le regioni con abbondante patologia come controllo positivo per la resa ottimale di ogni corsa. L'uso di inibitori della proteasi e, se necessario, fosfatasi inibitori per prevenire la degradazione enzimatica indesiderata dopo il rilascio di proteasi intracellulari o fosfatasi che si verificano durante la lisi cellulare e mantenere i campioni a 4 ° C è cruciale.
È importante che tutti i campioni all'interno del lotto di esperimenti vengono gestiti in modo uniforme e costante per evitare variazioni intra-utente; fre multiplacicli di Eze-disgelo dovrebbero essere evitati in quanto ciò potrebbe potenzialmente rientrare modificazioni post-traduzionali come la fosforilazione. Un punto critico da tenere a mente quando si esamina un gran numero di campioni è che i dati di immunoblot dovrebbero essere normalizzato su un campione, che dovrebbe funzionare in parallelo a tutti gli altri campioni su gel, e tutti i dati di riferimento per quel campione. Questo viene fatto per garantire la normalizzazione dei dati immunoblot tra più macchine. Questo è il metodo adottato nel nostro recente studio 22.
Va notato che, al fine di mantenere lo sfondo ECL basso, le macchie non devono essere lasciati essiccare in qualsiasi momento durante il protocollo Western Blot. Inoltre, molto lunghe esposizioni (> 10 min) su film autoradiografia dovrebbe essere evitato come questo porterà alla saturazione del segnale ECL e porterà alla quantificazione imprecisa.
Questo protocollo di cui sopra è una tecnica relativamente semplice utilizzando reagenti di laboratorio comuni e instruments e può essere un valido strumento per studiare la fisiopatologia della proteina α-syn nella ricerca PD. Questa metodologia non può essere prorogato solo con le opportune modifiche allo studio di α-syn biologia in animali transgenici alfa-syn ma anche ad altre malattie neurodegenerative che caratterizzano i depositi anomali di proteine aggregate, quali AD, MSA, DLB, HD e frontotemporaldementias. Tuttavia i dati Western Blot qui descritte potrebbero anche essere convalidati utilizzando enzyme-linked immunosorbent test utilizzando anticorpi per forme specifiche di α-syn 31.
The authors have nothing to disclose.
I thank Dr Adamantios Mamais for extracting α-synuclein from human tissue and running of blots. This work was supported in part by a MRC Grant (MR/L010933/1) and in part by the Wellcome Trust/MRC Joint Call in Neurodegeneration award (WT089698) to the UK Parkinson’s Disease Consortium (UKPDC) whose members are from the UCL Institute of Neurology, the University of Sheffield and the MRC Protein Phosphorylation Unit at the University of Dundee. RB received funding from MJFox foundation for this work and is also funded by the Reta Lila Weston Trust.
Tris-HCL | Sigma | T5912 | |
sodium chloride | VWR | 27800.291 | |
SDS | Fluka | 71727 | |
Urea | Sigma | U5378 | |
Protease inhibitor tablets | Roche | 04 693 116001 | |
Phosphatase inhibitor tablets | Roche | 04 906 837001 | |
Phosphate buffered saline tablets | Sigma | P4417 | |
Tween-20 | Sigma | P9416 | |
NuPAGE MOPS SDS running buffer | Invitrogen | NP0001 | |
NuPAGE transfer buffer | Invitrogen | NP0006-1 | |
Hybond-P membrane | GE Healthcare | RPN303F | |
Whatman 3MM filter paper | Sigma | WHA30306185 | |
Bis-tris gels 4-12% | Invitrogen | NP0322BOX | |
Supersignal West Pico Chemiluminescent substrate | Pierce | 34080 | |
Bio-RAD DC protein assay kit | Bio-Rad | 500-0112 | |
Thickwall Beckman Polycarbonate tubes | Beckman | 355630 | |
Western blot stripping buffer | Thermo scientific | 46430 | |
Syn-1 primary antibody (mouse monoclonal) | BD Biosciences | 610786 | |
beta-actin primary antibody (mouse monoclonal | Sigma | A5441 | |
HRP cojugated goat anti-mouse secondary antibody | Santa Cruz | sc-2031 | |
Bovine serum albumin | Sigma | A7030 | |
Instrument | Company | Rotor/ model no | |
Benchtop Ultracentrifuge Optima Max | Beckman | MLA-80 | |
Sonicator | Heat Systems | XL20-20 | |
Homogeniser | Jenke and Kunkel | TP18/10 |