A protocol is described for in vivo detection of effects of mitochondrial inhibitors in the model organism Caenorhabditis elegans and for identification of potential enhancing compounds. This protocol can be used to screen drug libraries for compounds modulating mitochondrial function.
The multicellular model organism Caenorhabditis elegans is a small nematode of approximately 1 mm in size in adulthood that is genetically and experimentally tractable. It is economical and easy to culture and dispense in liquid medium which makes it well suited for medium-throughput screening. We have previously validated the use of transgenic luciferase expressing C. elegans strains to provide rapid in vivo assessment of the nematode’s ATP levels.1-3 Here we present the required materials and procedure to carry out bioassays with the bioluminescent C. elegans strains PE254 or PE255 (or any of their derivative strains). The protocol allows for in vivo detection of sublethal effects of drugs that may identify mitochondrial toxicity, as well as for in vivo detection of potential beneficial drug effects. Representative results are provided for the chemicals paraquat, rotenone, oxaloacetate and for four firefly luciferase inhibitory compounds. The methodology can be scaled up to provide a platform for screening drug libraries for compounds capable of modulating mitochondrial function. Pre-clinical evaluation of drug toxicity is often carried out on immortalized cancerous human cell lines which derive ATP mostly from glycolysis and are often tolerant of mitochondrial toxicants.4,5 In contrast, C. elegans depends on oxidative phosphorylation to sustain development into adulthood, drawing a parallel with humans and providing a unique opportunity for compound evaluation in the physiological context of a whole live multicellular organism.
この手順の全体的な目的は、Cのエネルギー状態の迅速な定量化です化合物スクリーニングにおけるエンドポイントとしてこれを使用するビューとin vivoでのエレガンス 。 根拠は、線虫C.におけるホタルルシフェラーゼのトランスジェニック発現に基づいていますプラスミドpSLGCV(1経由エレガンス 1-3 https://www.addgene.org/49862)。ルシフェラーゼ酵素は、緑色蛍光タンパク質GFPと融合させて、(信号を標的ルシフェラーゼペルオキシソームを除去した)、細胞質中で構成し、遍在的に発現されます。基質ルシフェリンを外因的に設けられているときに発光をもたらします。ワームは透明であり、光は相対光単位(RLU)としてルミノメーターで測定することができます。生物発光反応とその可用性細胞ATP燃料が生成された光のレベルを決定します。その結果、発光法はconvenienを提供していますATP産生がミトコンドリア内で主に発生するのでtは、相対的なATPレベルを評価し、拡張ミトコンドリア機能によって意味します。ミトコンドリア機能と生物発光のレベルとの間のリンクは、ミトコンドリアの電子伝達鎖遺伝子およびそれに伴う減少し、光出力を黙らせる以前に実証されている。1
生成された生物発光株はPE254(feIs4)に指定し、 PE255(feIs5)1(材料のリストを参照)と交換可能に使用することができる。研究の3数は、アジ化ナトリウム1、カドミウム2、下水などの様々な生体異物化学物質への曝露後にインビボで細胞ATPレベルをレポートするには、これらのセンサー株を利用してきました汚泥エキス3、5'-フルオロ-2-デオキシウリジン6、およびタバコ-特異的ニトロソアミン7。株はまた、紫外線C放射線への暴露の影響をモニターするために有用でした<s> 8までとミトコンドリア呼吸鎖の機能を破壊する効果。1,9 GFP融合(PE39)なしでルシフェラーゼ遺伝子を発現する発光センサの初期のバージョンはまた、重金属の影響の調査におよび呼吸器の使用されています。脱共役10株PE254とPE255は、ルシフェラーゼを運ぶ:GFP融合およびGFP蛍光を発光値の正常化のための便利な手段を提供し、線虫の質量に比例して増加することが示されたウェルあたりのワームの微分量の6,9の効果にもすることができます。アッセイ(条件当たり5ウエル以上)で複数の技術的反復を含むによって考慮。3
プロトコルは、エネルギーレベルの in vivoモニタリングの可能性を提供しています(とは対照的に、技術的に、より面倒なインビトロのATPの測定)化合物のスクリーニングを可能にし、全体ムーの生理的な文脈で再配置しますlticellular生物。手順および/またはRNA干渉により遺伝子をサイレンシングすることにより、利用可能な変異株に染色体に組み込まれた導入遺伝子を交配することによって、遺伝的背景の多様に拡張することができます。したがって、Cの最大限に活用することモデル生物としてのエレガンス 。この方法は、ミトコンドリア毒性による薬剤候補の後期不良を低減し、高い動物実験の削減に向けた貢献をすることに役立ちます。
モデル生物C.エレガンスは、強力な実験系を提供します。それは、文化に簡単で、(L4まで幼若幼虫L1を介して)大人の再生に卵から3.5日のライフサイクルと豊富な遺伝的に同一の子孫を生成します。 、その小さなサイズのために、それは、好都合には、化合物のスクリーニングを容易にする、96ウェルプレート中で増殖させることができます。我々は、Cの株に基づいて表現型スクリーニングプロトコルを提示96ウェルプレートルミノメーターおよび滅菌キャビネットが必要であるが、エネルギーレベルのインビボセンサーとして作用エレガンス 。14プロトコルは、任意の実験室に適用可能です。良好な研究室の技術を使用して、アッセイ内の汚染を防止することが重要です。手動で作業する場合は、達成可能な線虫板の最大数は、2×96ウェル薬物プレートの試験を可能にする二つの車両プレートを含む実験当たり13です。代表的な結果を私はrotenon阻害ミトコンドリア複合体のために提示されていますE、スーパーオキシド発生パラコート、クエン酸回路の中間オキサロ酢酸と知らホタルルシフェラーゼ阻害活性を有する4つの化合物。予測されるようにオキサロ酢酸は、ATPの大発生に起因する可能性が高い、強化につながったのに対し、最初の2つの化合物が生物発光の減少につながりました。オキサロ酢酸のデータセットは、レポーターとしてホタルルシフェラーゼに基づいて、実験における固有のばらつきを示します。 3つの独立した実験の最小値は、未知の化合物への応答の頑健性を確認することが賢明です。
ホタルルシフェラーゼ活性の阻害は、市販のキットを用いたin vitroアッセイと識別可能であった。3つの化合物の一つは、ホタルルシフェラーゼ酵素の活性に結合することによって、ルシフェラーゼ、GFPタグ付きのレベルを増加させる阻害剤と一致するGFP蛍光の大幅な増加をもたらしましたサイト、それはより安定したレンダリング。いくつかの例では15阻害剤が過剰基板によって変位したとき(この特定のケースではない)、これは生物発光のレベルの増加につながる可能性があります。15それは、減少または増加ATPレベルとしてホタルの酵素と相互作用する化合物から、誤って結果を解釈するのではなく、したがって、重要です/ミトコンドリア機能。発光信号の変化は、かなり頻繁にこのような動き、発展と成長のような健康の追加の測定と相関します。例として、生物発光信号の劇的な低下が検出された場合、化合物は、疑わしいルシフェラーゼ阻害剤であるが、ワームは、顕微鏡観察によりコントロールと区別できません。成長または化合物の自己蛍光では説明しないGFP蛍光の増加は、また、阻害剤を指してもよいです。ルシフェラーゼ阻害剤15の数が知られており、PubChemに入力されています。したがって、まず第一に、それはPubChemによって保持されたルシフェラーゼ阻害剤に関する情報を参照してくださいすることをお勧めします。トンが続きます精製酵素3および/ または付加的な手段によってミトコンドリア機能に及ぼす影響の確認を用いたin vitroアッセイにおける化合物の効果のesting。16,17
(上述のように、一部のルシフェラーゼ酵素阻害剤の潜在的な検出)GFP蛍光測定が可能な場合、生物発光と一緒にこのエンドポイントを測定するための強力なケースを作るホタルルシフェラーゼレベルの検出を可能にします。 GFPと生物発光の測定値の正規化は、(これは、複数の技術的な複製を含めることによって達成することができますが)ウェル間ワーム数の変動の会計処理の手段です。より高い感度のためには、測定値からバックグラウンド蛍光を引くことが重要です。プロトコルは、しかし、線虫の自家蛍光は、任意の老化STUに特に重要で、(の現在のアッセイの限界を占めていない、バックグラウンドの蛍光に細菌懸濁液の寄与を評価します線虫の自家蛍光)は年齢とともに増加することを考えると死にます。試験化合物の自家蛍光も並行して評価されるべきです。研究者は、生物発光の導入遺伝子の発現のレベルの任意の歪みの差を制御するために、異なる遺伝的変異体、又は異なる遺伝子のサイレンシング後の細胞ATPプールを比較するためのプロトコルを適合させることを望む場合にGFPの正規化が必要不可欠と思われます。
プロトコル内の重要なパラメータは、露光が開始される発達段階、露出の長さを含み、別のウェル中で線虫の同様の番号を取得します。露出しかし、線虫の発生の任意の段階でのL3段階を開始することができ、または古いであることが好ましいです。ミトコンドリアDNA含有量、酸素消費量とATPレベルでは非常に顕著な増加によって証明されるように、この段階から、線虫は、大人になって開発のための酸化的リン酸化に依存している。18,19,20存在プロトコルは、博覧会を開始L4段階でURE。 (むしろ、最初L1段階で食品を提供した場合に比べて)が、この段階で、96ウェルプレートに線虫を小分けする理由は、プレートは、蒸発を最小限にするために、湿ったチャンバー内に配置されているが、蒸発の程度は未だで発生することです蓋の上に形成する微小な液滴として見られる私たちの振盪インキュベーター、(これは他の揺れインキュベータの問題ではないかもしれません)。ちょうど薬物標準を添加する前にプレートに線虫を分取することにより、実際の薬物濃度は、蒸発によるボリューム内の任意の小さな変化に影響されません。車で線虫のプレートをロードするだけで線虫が均等に井戸の間に分布していることが確認するのに便利です。車両のみ板に発見された有意差をウェルに線虫を分配するの貧しい技術の指標となるであろう。
露出の長さは考慮すべき重要な要因です。独立して成長のエネルギー状態への影響は、関心のある、プロであればトコールは、(例えば、ほぼ即時の応答から、2時間)より短い曝露に適応するように修正することができます。 C.への化合物の一方、エントリエレガンス組織は、いくつかの時間がかかることがあります。例えば、12-24時間は、レスベラトロールおよび5-フルオロ-2'-デオキシウリジン(FUDR)の最大内部濃度を達成するために必要とされる。 図21は、したがって、より長い曝露(18時間〜24)は、曝露レベルを最大にするために正当であり得ます。露光時間は、再生の有意なレベルが十分に場所を取ることはできません回に制限する必要があります。我々は、線虫の全発育時間は66〜67時間の下に保たれていることをお勧めします。便利なものの、線虫は、それまでに妊娠しているとegglayingを開始しています。それにもかかわらず、我々は、卵調製物からの生物発光測定値(図示せず)を無視できることがわかりました。 シュール5プロモーター駆動導入遺伝子発現は、100セルステージ 22とCで受精後2つだけ〜2時間半を最初に検出されましたhitinous卵殻は、ルシフェリンの進入を制限する可能性があります。その他は、孵化卵は妊娠成人の代謝に有意に寄与しなかったことを見出した。23が、かなりの子孫の生産を可能にする条件は避けるべきです。好適な場合には、実験的なタイムスケールが戻って移動させることができる:私たちは、以前に遅く、L3幼虫期(36時間)での環境毒素への暴露を開始し、55時間後に生物発光とGFPの測定を行った2代わりに、条件付きで滅菌されている遺伝的背景FER-15(B16)II例えばように、子孫の生成を防止するために使用することができます。 FEM-1 15℃に維持したが、25℃で無菌であることができる(hc17)IV二重変異体。24これは、それ自体では線虫の代謝に影響を与えることができるように無菌性を誘導するFUDRの使用は推奨されません。25アッセイ可能性また、このような部分喪失FUNCTとしてより透過性のキューティクルを有する株で実行すること多感応性薬物の浸透性を増加させる原因であるイオンバス8の変異体。26これは、より短い暴露および下部化合物濃度を容易にします。これらの線虫にルシフェリンを添加するための条件も発光緩衝液中の1%DMSOおよび0.05%のTriton-X100は、ルシフェリンの可用性を向上させるために必要とされないかもしれない、すなわち調整する必要があるかもしれません。
プロトコルは、化合物の送達のための媒体として、1%のDMSOを使用しています。致命的ではないが、DMSOのこの濃度は、我々が以前の出版物で説明したように、いくつかの生物学的効果を有する。3利用可能な薬物ライブラリの多くは、車両の希釈後に、細胞ベースのアッセイのために適切である濃度で、100%DMSO中で調製され0.1%です。より高い化合物濃度は、Cの応答を誘発するために必要とされていますそれ未満、1%DMSOでアッセイを実施することがしばしば不可能であるようなヒト細胞と比べてエレガンス 。ここでも、株を用いましたより透過性キューティクルは、車両のより低い濃度でテストにつながる可能性があります。 1%より高いDMSOの濃度が推奨されていません。
測定値の前にルシフェリンとセットインキュベーション時間はに付着する必要があります。以前に示したように、発光は次の30分1以上の発光のゆっくりと漸減が続く、最初の5分間は比較的安定した残り、ルシフェリンを追加した後、第2分以内に最大レベルに達しました。特定の化学物質への動的応答は、ルシフェリンの最初の分注後に30分間のこの初期の段階で行うことができます。
プロトコルは、線虫の集団の同期化を達成するために、卵の収集を以下の飢餓工程を含みます。異なる発達段階は、細胞のATPレベルが異なり、試験化合物に対して異なる応答することができるので、我々は、線虫試験集団の同期をお勧めします。 Sの完全に飢餓を行うことによりM9とは対照媒体として、ハッチング線虫は、その幼虫が発生しないので、炭素源(エタノール)が設けられているが、完全に飢えていません。27,28また、L1を逮捕したのは、食品への迅速な対応のためにプライミングされており、そのことが示されています食品が利用可能になった後、通常のL1の成長速度は、3時間以内に達成される。29しかし、飢餓工程は、Cの代謝を変化させてしまう可能性エレガンスを除外することはできません。飢餓の長さが24時間を超えてはならない。このため30(18時間は、同期のために十分です)。特定の研究室は、完全飢餓工程を迂回年齢同期のためCOPAS Biosorterを使用する可能性を有していてもよいです。他の研究室は、漂白前に固形培地(OP50とNGMプレート)上の線虫集団を拡大するための好み(ステップ3.1)を有することができ、これも問題なく動作します。我々は、線虫の培養のための標準培地、などの化合物の曝露の間に媒体Sを使用howeveRその他のメディアは、例えばK媒体またはEPA適度に硬水のために選択することができるが、多くの場合、環境毒性の研究のために使用される。31,32
プロトコルは、スクリーニングするおよびミトコンドリア機能に及ぼす影響の点で更なる試験のための候補を同定するための手段を提供します。一次スクリーニングの段階で、いくつかの化合物は、したがって、薬物の画面が完全なものではありません、のみによる1つの濃度が試験されることに見逃されている可能性が高いです。ヒットはC.、例えば酸素消費のためにミトコンドリア機能のさまざまな側面を評価するための技術の使用によって検証することができますエレガンスは、GFPを発現するミトコンドリアを有する菌株、ミトコンドリア膜電位、および/ またはROSの測定のための汚れ。16,33,34の方法の最大の意義は、多細胞生物のレベルの化合物および/ または条件の多数をスクリーニングするための手段を有することであり、そして重要なのは目の利点を活用できるようにするために、Cの電子遺伝的扱い易作用機序を調査するエレガンス 。技術が加速し、興味深い化合物と標的の発見に新しい経路を見つけるのに役立つことがあります。これは、疾患関連の文脈における化合物ライブラリーのスクリーニングのためのヒトの疾患に関連する遺伝的背景とセンサーの組み合わせが提供する多くを持っていることが想定されます。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank David Gray from the Dundee Drug discovery unit for kindly donating firefly luciferase inhibitory compounds DDD00001434, DDD0001477, DDD00000635 and DDD00023047; Tibor Harkani (Medical University of Vienna) for the suggestion of oxaloacetate as a test compound; and Charlie Dear (University of Aberdeen) for illustrations. This work was funded by a BBSRC Pathfinder award (BB/FOF/PF/4/11) and the University of Aberdeen.
Orion II Microplate Luminometer | Berthold Detection Systems | with injector and the Simplicity 4.2 Software; transfer data to Excel at the end of plate measurement | |
FLx800 fluorimeter | Biotek | with Gen5 Software; transfer data to Excel at the end of plate measurement | |
Ks 130 basic shaking platform | Ika | #0002980000 | |
Innova 4349 | New Brunswick Scientific | Refrigerated incubator shaker | |
Eppendorf centrifuge 5804R | Eppendorf | with eppendorf rotor A-4-44 (for 50/15ml tubes) | |
Stripette, Costar | Corning | #4489 | Serological pipette |
Cellstar 50 ml tubes | Greiner bio-one | #227661 | |
Cellstar 15 ml tubes | Greiner bio-one | #188261 | |
Cellstar 60 mm tissue culture plates | Greiner bio-one | #628160 | |
Superfrost Microscope slides | VWR | #631-0909 | |
Sterile spatula | Corning | #3007; #3004 | for weighing out chemicals |
0.22 mM Millex GP filters | Millipore | #SLGP033RS | |
Axygen eppendorf tubes 1.5 ml | Fisher Scientific | #MCT-150-R | |
Corning 96 well assay plate | VWR | #3603 | Black plate clear bottom with lid |
Nunc 96 well assay plate | Fisher Scientific | #236105 | White plate with lid |
Reservoir reagent 60 mL | Thermo Scientific Finnpipette | #9510027 | used as trough for nematodes in protocol section 4.4.1) |
Storage box/damp chamber | Roche Diagnostics | #10 800 058 001 | 174 x101 x 56.6 mm, used as a damp chamber with wet paper towels; 2X 96-well plates with lids can fit into one, the lower sitting on top of a microplate lid |
Bleach: Sodium hypochlorite solution 4-4.99% Chlorine content | Sigma Aldrich | #239305 | Store in aliquots at 4°C, seal with parafilm to prevent loss of chlorine and cover in foil |
D-Luciferin, potassium salt | Biotium Inc | # 10101-2 | Molecular Probes can also be used as supplier; prepare a 20 mM stock in ddH2O, keep at -20 °C in aliquots |
Tween 20 | Sigma Aldrich | # P9416 | |
DMSO | CalBiochem | #317275 | Purity 99.99% |
Triton X100 | Alfa Aesar | #A16046 | Diltute to 10% in ddH20 |
Nystatin | CalBiochem | #475914 | |
C. elegans bioluminescent strains | Author's own laboratory | PE254, PE255 | contain integrated arrays feIs4 and feIs5 [Psur-5::luc+::gfp; rol-6(su1006)] respectively on chromossome V and X; select for homogeneous and strong expression of luc::GFP by fluorescence microscopy (e.g. pick 15 worms) every now and then. |
E. coli OP50 | CGC | ||
General chemicals | Sigma Aldrich/Fisher Scientific |