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.
L'alpha-synucléine (α-syn) protéine est abondamment exprimé principalement dans les neurones, et existe dans un certain nombre de différentes formes monomères, – des tétramères, des oligomères et des fibrilles. Au cours de la maladie, α-syn subit des changements conformationnels pour former des oligomères et des agrégats de haut poids moléculaire qui tendent à rendre la protéine plus insoluble. Anormalement agrégé α-syn est une caractéristique neuropathologique de la maladie de Parkinson (PD), la démence à corps de Lewy (DCL) et l'atrophie de systèmes multiples (MSA). La caractérisation et l'analyse des insolubles tampons d'alpha-syn utilisant avec augmentation de la force de détergent et ultracentrifugation haut débit biochimique fournit un outil puissant pour déterminer le développement de la pathologie α-syn associée à la progression de la maladie. Ce protocole décrit l'isolement de / agrégée α-syn plus en plus insoluble de tissus post-mortem du cerveau humain. Cette méthode peut être adaptée à des études avec des modifications de α normal et anormal-syn biologie dans les modèles animaux transgéniques portant des mutations différentes de a-syn, ainsi que dans d'autres maladies neurodégénératives qui présentent des dépôts fibrillaires aberrantes de protéines liées à leurs pathologies respectives.
L'une des caractéristiques pathologiques principales communes parmi plusieurs maladies neurodégénératives est la formation d'agrégats de protéines anormales qui se produit dans une protéine / maladie de manière spécifique une. Ainsi, il ya les extraneuronales plaques bêta-amyloïdes caractéristiques et les dépôts de la protéine tau dans les neurones hyperphosphorylées agrégées dans la maladie d'Alzheimer (MA); les dépôts d'alpha-syn agrégées à corps de Lewy (LBS) qui sont des inclusions intraneuronales, et également au sein des processus dystrophique neuronale appelés neurites de Lewy (LNS) à PD, PD et la démence à corps de Lewy (de DLBs) 2-4. Dépôts alpha-syn anormales sont également observées dans les lésions Poinçon de inclusions cytoplasmiques gliales dans MSA 5. Dans la maladie de Huntington, il ya les dépôts Poly-Q caractéristiques et liaison à l'ADN Tar anormale de protéine-43 et fusionné dans les protéines de sarcome (FUS) sont déposés dans les démences fronto-temporales. Il est important pour les PD, les mutations du gène α-syn ont été trouvés à cauSE autosomique dominante PD 6-11. En outre, α-syn gène triplication 12 et 13 duplication provoque également PD familiale reliant ainsi l'expression accrue α-syn les mécanismes pathologiques de la PD. Notamment, les cas de PD fois sporadique et familiale abritent des dépôts anormaux de α-syn pathologie 14. Traitements actuellement disponibles pour PD ne sont palliatifs et n'a aucun effet sur l'arrêt ou retarder la progression de la maladie inexorable.
α-syn est abondamment exprimé dans le cerveau humain et représente environ 1% de la protéine totale du cerveau. Il est présent plus spécifiquement dans les neurones, mais peut exister mais dans des quantités plus faibles dans les cellules gliales. Un point litigieux est la structure native de α-syn qui peut exister en tant que monomère aléatoire 15 ou comme un tétramère 16 plié. Au cours de la maladie, α-syn change de conformation qui lui permet d'obtenir mal repliées et ce procédé est considéré comme étant la cause de la maladie de pathogenesis. Malgré plusieurs années de recherches sur les aspects physiopathologiques de α-syn et les maladies, les causes exactes de la maladie ont des mécanismes resté inaccessible 14.
Les études utilisant l'analyse post-mortem de cerveaux parkinsoniens ont jusqu'ici donné des indices importants concernant la biologie normale et anormale de α-syn tant en PD sporadique et aussi PD associée à des mutations dans le gène LRRK2 17-22. Ici, un protocole d'extraction biochimique (voir schéma présenté dans la figure 1) pour les dépôts d'alpha-syn plus en plus insolubles de tissus post-mortem PD du cerveau humain qui abritent des agrégats α-syn à des degrés divers a été décrite. Cette technique peut également être adapté avec des modifications dans les compositions de tampons pour étudier les protéines agrégées d'autres maladies neurodégénératives 23,24 et également à partir de tissu animal transgénique cerveau 25-27. La principale considération les adaptations sont les différences dans solubilité et le montant total des protéines respectives dont certains sont principalement nucléaire et peuvent avoir besoin de tampons riches en sel pour l'extraction optimale comme le montre par FUS 28.
Cet article décrit un protocole biochimique pour l'extraction et l'examen des propriétés de solubilité différentielle de monomères, oligomères et agrégées α-syn de cerveaux malades et en utilisant des conditions de dénaturation du gel de fonctionnement. Ceci est une technique bien établie pour étudier agrégé α-syn 17, 18, 20, 21 une protéine qui est normalement soluble dans sa forme native mais le gain propriétés d'agrégation amyloïdogéniques ou augmentée, avec la progression de la maladie ou présentant des mutations génétiques. Néanmoins, certains groupes ont utilisé de légères variations de concentrations de SDS dans leurs tampons (8% ou 10% au lieu de 5%) 21,22, 30. Le SDS est un détergent anionique et solubilise α-syn oligomères qui peuvent inclure membranaires formes de α-syn, alors que l'urée, un réactif chaotropique dénature les formes agrégées et fibrillaires ou amyloïdogéniques insolubles de α-syn 20. À cet égard, une étude systématique par Paleologou et al 31 a examiné la stabilitédes oligomères et des fibrilles avec des concentrations variables de l'urée a-syn (6,5 – 8 M) ou du SDS (0,25-2%) et rapporté que les oligomères stables à des concentrations de SDS, mais non avec des concentrations élevées d'urée. Leur FILA-1 anticorps, spécifique pour les oligomères et les fibrilles alpha-syn détecté des concentrations plus élevées de fibrilles à 6,5 M concentrations d'urée dans des conditions non-dénaturant. Les concentrations de tampon utilisés dans ce protocole reflète fidèlement ce qui a été décrit dans Culvenor et al. (1999) 32.
Les régions cérébrales anatomiques pour l'extraction biochimique de insoluble α-syn doivent être soigneusement sélectionnés et doivent refléter ce LB et LN charge α-syn fonction de progression de la maladie 33,34. Les cas utilisés ici sont des échantillons de ganglions de la base de sous-types néocortex et limbiques du PD reflétant les stades tardifs et intermédiaires de la progression du PD selon McKeith ctriteria 34. À la Banque Queen Square cerveau, la moitié du cerveau estrégulièrement fixé dans le formol pour une analyse histochimique et l'autre moitié est soigneusement disséquée dans différentes régions anatomiques et flash congelé et stocké à -80 o C congélateurs pour d'autres études biochimiques et ADN / d'analyse de l'ARN. Après la fixation du formol des cerveaux et la dissection par neuropathologistes, immunohistochimie est réalisée en utilisant un anticorps α-syn et les résultats archivé. Toujours dans un mode opératoire usuel, le pH du tissu de cerveau est mesurée à l'arrivée en tant que mesure de l'état agonique du tissu cérébral. Cela constitue une base solide pour la qualité de la conservation des tissus pour l'analyse biochimique.
Nos données ici montre qu'il ya plus de SDS soluble monomère α-syn dans les cas de PD par rapport aux témoins; en particulier les cas de PD néocortex n'a plus la charge α-syn par rapport à la variété de PD limbique. Les cas néocorticales représentent une plus grande progression de PD α-syn pathologie dans les régions du néocortex comme les frontales et pariétales corTices 33,34. Les cas de PD limbiques ont des scores plus élevés LB dans les zones du cerveau antérieur basal / régions limbiques telles que l'amygdale, transentorhinal et les régions cingulaire. Pour obtenir des données significatives et l'analyse statistique, il faut courir au moins 4 cas de chaque cohorte. De même, nous avons pas tenté analyse statistique des données présentées ici blot.
Il faut aussi noter que les anticorps différents peuvent reconnaître différentes formes / composition d'ordre supérieur alpha-syn oligomères et chacun peut avoir sa propre sensibilité relative et la préférence. Cela est évident à partir des résultats de Tong et al. 29 où ils montrent que 4 anticorps alpha-syn différents (SYN-1, SS, Onco et LB509) donnent des résultats variables au moins pour les alpha-syn oligomères / agrégats. Les monomères α-syn été reconnu à des degrés similaires de tous les 4 anticorps bien que ceux-ci peuvent avoir variation selon que l'épitope α-syn anticorps est située soit dans le N-terminal ou C-terminal 29. De même, des anticorps spécifiques pour phospho-alpha-synucléine déterminer le poids moléculaire élevé distincte espèces 20,21 α-synucléine. Dans le protocole décrit ici, l'anticorps hautement caractérisé Syn-1 a été utilisé 19 à 21.
Cependant, il est important de considérer la validation de tout nouvel anticorps sur des transferts de Western par des expériences de pré-absorption d'anticorps et également la surexpression et knock-down de la protéine dans les cellules.
Il est important de considérer d'autres variations qui ont été appliquées par les chercheurs pour déterminer petits fragments de formes alpha-syn et ou instables tétramériques alpha-syn. Cela pourrait inclure légère fixation des membranes avec 0,4% de PFA dans PBS à conserver des formes tronquées de α-syn 35 ou le traitement des homogénats d'échantillons avec agents de réticulation pour stabiliser tétramères 36.
L'évaluation biochimique exacte de protéines en utilisant des post-mortem tissu nécessite la minimisation de la dégradation de la protéine enzymatique et la modification. Il est donc conseillé d'utiliser des tissus avec les plus brefs délais post-mortem et / ou de sélectionner des échantillons appariés dans les cohortes de cas. L'immunohistochimie en utilisant des anticorps pour la α-syn immunohistochimie doit être effectuée avant de commencer le protocole d'isolement. L'étendue des α-syn pathologie est très variable et peut varier selon l'une des régions sélectionnées. Il est conseillé de sélectionner des régions présentant une pathologie abondante comme un contrôle positif pour un rendement optimal avec chaque course. L'utilisation des inhibiteurs de la protéase et inhibiteurs de phosphatase si nécessaire pour empêcher la dégradation enzymatique indésirable après la libération de protéases ou phosphatases intracellulaires survenant pendant la lyse des cellules et le maintien des échantillons à 4 ° C est cruciale.
Il est important que tous les échantillons dans le lot d'expériences sont traitées de façon égale et uniforme pour éviter des variations intra-utilisateur; fre multiplescycles Eze-dégel devraient être évitées car cela pourrait potentiellement retirer modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation. Un point essentiel à garder à l'esprit lors de l'examen d'un grand nombre d'échantillons est que les données de immunoblots devraient être normalisées à un échantillon, qui devrait fonctionner en parallèle à tous les autres échantillons sur les gels, et toutes les données référencées à cet échantillon. Ceci est fait pour assurer la normalisation des données d'immunotransfert entre plusieurs blots. Ceci est la méthode adoptée dans notre étude récente 22.
Il convient de noter que dans le but de garder la ECL de fond faible, les taches ne doivent pas être autorisés à se dessécher à tout moment pendant le protocole de transfert de western. En outre, de très longues expositions (> 10 min) sur des films d'autoradiographie devraient être évitées car cela va conduire à une saturation des signaux ECL et mènera à la quantification inexacte.
Ce protocole ci-dessus est une technique relativement simple en utilisant des réactifs de laboratoire communes et eninstruments et peuvent être un outil précieux pour étudier la physiopathologie de la protéine α-syn dans la recherche de PD. Cette méthodologie peut non seulement être étendu avec les modifications appropriées à l'étude de l'α-syn la biologie des animaux transgéniques alpha-syn mais aussi à d'autres maladies neurodégénératives comportant des dépôts anormaux de protéines agrégées telles que AD, MSA, DLB, HD et frontotemporaldementias. Cependant, les données de western blot décrites ici peuvent également être validées en utilisant des dosages immuno-enzymatiques en utilisant des anticorps de formes spécifiques de 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 |