Assay למדוד Nucleocytoplasmic התחבורה בזמן אמת בתוך מוטורי נוירון כמו NSC-34 תאים
Summary
פרוטוקול זה מתאר שיטה רגיש למדוד את קצב ההעברה nucleocytoplasmic בתוך נוירון כמו NSC-34 תאים תאים על ידי כימות השינוי בזמן אמת ביבוא גרעיני של חלבון NLS-NES-GFP.
Abstract
התחבורה Nucleocytoplasmic מתייחס יבוא ויצוא של מולקולות גדולות מן הגרעין התא. לאחרונה, מספר מחקרים הראו קשר בין טרשת לרוחב האמיטרופית (ALS) לבין ליקויים במסלול nucleocytoplasmic. ALS היא מחלה נוירודגנרטיבית המשפיעה על נוירונים מוטוריים וכתוצאה מכך שיתוק ובסופו של דבר למוות, בתוך 2-5 שנים בממוצע. רוב המקרים של ALS הם ספורדיים, ללא כל קישור גנטי לכאורה, אבל 10% יורשים באופן דומיננטי. לאחרונה, hexanucleotide הרחבות חוזרות (HREs) ב chromosome 9 פתוח מסגרת הקריאה 72 (C9orf72) הגן זוהו כגורם גנטי של ALS ו דמנציה פרונטוטמפוראל (FTD). חשוב לציין, קבוצות שונות הציעו לאחרונה כי מוטציות אלה משפיעות על התחבורה nucleocytoplasmic. מחקרים אלה הראו בעיקר את התוצאה הסופית ואת הביטויים שנגרמו על ידי HRS על התחבורה nucleocytoplasmic, אבל הם לא מראים תפקוד התחבורה הגרעינית בזמן אמת. כתוצאה מכך, רק מחסור חמור nucleocytoplasmic התחבורה ניתן לקבוע, בעיקר בשל overexpression גבוה או הכנסת חלבון אקסוגני.
פרוטוקול זה מתאר assay חדש ורגיש מאוד להעריך לכמת תפקוד לקוי nucleocytoplasmic בזמן אמת. שיעור היבוא של NLS-NES-GFP חלבון (מעבורת-GFP) ניתן לכמת בזמן אמת באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. זה מבוצע באמצעות מעכב exportin, ובכך מאפשר המעבורת GFP רק כדי להזין את הגרעין. כדי לאמת את assay, C9orf72 HRE מתורגם חוזר dipeptide, פולי (GR) ו פולי (PR), אשר הוכחו בעבר לשבש את התחבורה nucleocytoplasmic, שימשו. באמצעות assay המתואר, ירידה של 50% בשיעור היבוא הגרעיני נצפתה בהשוואה לשליטה. באמצעות מערכת זו, שינויים זעירים בתחבורה nucleocytoplasmic ניתן לבחון את היכולת של גורמים שונים כדי להציל (אפילו באופן חלקי) nucleocytoplasmic trפגם ansport ניתן לקבוע.
Introduction
קומפלקס הגרעין הגרעיני (NPC) שולט ביבוא וביצוא של מולקולות גדולות אל תוך גרעין התא וממנו. בניגוד מולקולות קטנות, אשר יכול להיכנס לגרעין ללא תקנה 1 , הובלה של מולקולות גדולות נשלטת מאוד על ידי NPC. מולקולות גדולות אלה, כגון חלבונים ורנ"א, מקושרות לגורמי תובלה, כולל יבואנים ויצואנים, לייבוא ולייצוא מהגרעין 2 . כדי לייבא, חלבונים חייבים להכיל מוטיב פפטיד קטן, הנקרא בדרך כלל אות לוקליזציה גרעינית (NLS), אשר מחויב על ידי importins 2 . רצפים אלה של חומצות אמינו לשמש תג והם מגוונים בהרכב 3 , 4 . חלבונים ניתן לייצא מן הגרעין כדי הציטופלסמה בשל הקשר שלהם עם exportinS, אשר נקשרים רצף האות, נקרא בדרך כלל אות הייצוא הגרעיני (NES) 2 . הן importins ו exportins מסוגלים להעביר את המטען שלהם עקב הרגולציה של קטן ראס הקשורים חלבון גרעיני GTPase (רן) 2 . רן הוכח להתקיים במצבים קונפורמטיביים שונים, תלוי אם הוא קשור ל- GTP או לתוצר. כאשר מחויב ל- GTP, רן יכול להיקשר לייבוא או לייצוא. עם החובה ל- RanGTP, היבואנים משחררים את מטענם, ואילו היצואנים חייבים לחייב את רנג-טאפ כדי ליצור קומפלקס עם מטען היצוא שלהם. מצב נוקליאוטיד הדומיננטי מחייב של רן תלוי במיקום שלה בגרעין (RanGTP) או הציטופלסמה (RanGDP).
לאחרונה, מספר מחקרים הראו קשר בין ליקויים בנתיב nucleocytoplasmic לבין טרשת לרוחב amyotrophic (ALS) ו דמנציה frontotemporal (FTD) 5 , 6 </sup> , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 . ALS היא מחלה נוירודגנרטיבית פרוגרסיבית וקטלנית המשפיעה על שני נוירונים מוטוריים עליונים ותחתונים (MNs) 13 וכתוצאה מכך שיתוק ובסופו של דבר למוות, בתוך 2-5 שנים בממוצע. רוב המקרים של ALS מסווגים כ- SPS, ללא כל קשר גנטי לכאורה, אך 10% הם בירושה באופן דומיננטי (ALS משפחתי, FALS). לאחרונה, hexanucleotide הרחבות חוזרות (HREs) של כרומוזום 9 פתוח מסגרת הקריאה 72 (C9orf72) הגן זוהו 14 , 15 כגורם גנטי של ALS ו FTD. מוטציות אלה מהווים 30-40% מהמקרים של FALS 16 , ומחקרים שונים טענוכי הם גורמים לרעילות על ידי המשפיעים על התחבורה nucleocytoplasmic 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 .
מחקרים אלה הראו בעיקר את התוצאות הסופיות ואת הביטויים של HRS על התחבורה nucleocytoplasmic, אבל הם לא מראים הפרעה nucleocytoplasmic בזמן אמת. כתוצאה מכך, רק מחסור חמור nucleocytoplasmic התחבורה הוערך 11 , 17 , 18 .
פרוטוקול זה מתאר חדש וישAssay רגיש להעריך להעריך לכמת nucleocytoplasmic תפקוד לקוי בזמן אמת. שיעור היבוא של NLS-NES-GFP חלבון (מעבורת-GFP) ניתן לכמת בזמן אמת באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. זה נעשה באמצעות מעכב exportin, כפי שתואר קודם לכן 18 , ובכך מאפשר המעבורת- GFP רק כדי להזין את הגרעין. באמצעות מיקרוסקופ פלורסנט תוכנה לכימות שינויי פלורסנט בזמן אמת, ניתן לכמת שינויים הדרגתיים בעוצמת הקרינה של המעבורת- GFP, הממוקם בגרעין. כתוצאה מכך, עקומת הרוויה Michaelis-Menten כמו של ציר הקרינה אל הזמן, המייצג את כמות המעבורת הגרעינית- GFP בכל זמן נתון, ניתן לבצע. באמצעות שיעור ליניארי הראשוני של הקימורים, ניתן ליצור מדרון, אשר מייצג את שיעור הכניסה לגרעין לפני הרוויה הקרינה.
כדי לאמת את assay, לתרגםD C9orf72 dipeptide חוזר, פולי (GR) ו פולי (יחסי ציבור), אשר דווחו בעבר כדי לשבש את התחבורה nucleocytoplasmic, שימשו 5 , 7 , 8 , 10 , 12 . באמצעות assay זה, ירידה של 50% בשיעור היבוא הגרעיני נצפתה בהשוואה לשליטה. באמצעות מערכת זו, שינויים דקה התחבורה nucleocytoplasmic ניתן לבדוק. יתר על כן, היכולת של גורמים שונים כדי להציל פגם תחבורה nucleocytoplasmic ניתן לקבוע.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מדגים assay חדש רגיש וכמותי חדש להעריך שינויים דקה התחבורה nucleocytoplasmic. באמצעות מערכת זו, ניתן לבחון ולמדוד התחבורה nucleocytoplasmic ואת תפקוד לקוי שלה בזמן אמת, לא רק פגמים גדולים המביאים לשינויים דרמטיים בחלוקה חלבון. Assay זה לא רק יש יתרון רגישות, אבל זה גם דורש הכנה …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לכל חברי מעבדת AI על הערותיהם והצעותיהם המועילות. ברצוננו להודות פרופ 'מארק היפ (מקס פלנק המכון לביוכימיה) עבור מתן לנו את המעבורת- GFP וקטור. עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהקרן הישראלית למדע (ISF # 124/14), הקרן הדו-לאומית למדע (BSF # 2013325), FP7 מארי קורי (קרייג # 333794) והמכון הלאומי לפסיכוביולוגיה בישראל NIPI # b133-14 / 15).
Materials
| Mouse Motor Neuron-Like hybrid Cell Line (NSC-34) | tebu-bio | CLU140-A |
| DMEM 4.5g/L L-glucose | Biological Industries | 01-055-1A |
| FBS European Grade | Biological Industries | 04-007-1A |
| SL 16R Centrifuge | Thermo Scientific | 75004030 |
| Thermo Forma Series ii Water Jacketed CO2 Incubator | Thermo Scientific | 3111 |
| Cover glass 12mm dia. thick 0.13-0.17mm | Bar Naor LTD | |
| TurboFect Transfection Reagent | Thermo Scientific | R0531 |
| Axiovert 100 inverted microscope | Zeiss | |
| IMAGING WORKBENCH 2 | Axon Instruments | |
| Leptomycin B | Sigma | L2913 |
| PBS | Biological Industries | 02-023-1A |
| Homogenizer motor/control/chuck/90-degree clamp | Glas-Col | 099C K5424CE |
| MicroCL 17R Centrifuge, Refrigerated | Thermo Scientific | 75002455 |
References
- Alberts, B. . Molecular biology of the cell. , (2002).
- Freitas, N., Cunha, C. Mechanisms and signals for the nuclear import of proteins. Curr Genomics. 10, 550-557 (2009).
- Kalderon, D., Roberts, B. L., Richardson, W. D., Smith, A. E. A short amino acid sequence able to specify nuclear location. Cell. 39, 499-509 (1984).
- la Cour, T., et al. Analysis and prediction of leucine-rich nuclear export signals. Protein Eng Des Sel. 17, 527-536 (2004).
- Boeynaems, S., et al. Drosophila screen connects nuclear transport genes to DPR pathology in c9ALS/FTD. Sci Rep. 6, 20877 (2016).
- Freibaum, B. D., et al. GGGGCC repeat expansion in C9orf72 compromises nucleocytoplasmic transport. Nature. 525, 129-133 (2015).
- Jovicic, A., et al. Modifiers of C9orf72 dipeptide repeat toxicity connect nucleocytoplasmic transport defects to FTD/ALS. Nat Neurosci. 18, 1226-1229 (2015).
- Kwon, I., et al. Poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeats bind nucleoli, impede RNA biogenesis, and kill cells. Science. 345, 1139-1145 (2014).
- Rossi, S., et al. Nuclear accumulation of mRNAs underlies G4C2-repeat-induced translational repression in a cellular model of C9orf72 ALS. J Cell Sci. 128, 1787-1799 (2015).
- Shi, K. Y., et al. Toxic PRn poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeat expansion block nuclear import and export. Proc Natl Acad Sci U S A. , (2017).
- Zhang, K., et al. The C9orf72 repeat expansion disrupts nucleocytoplasmic transport. Nature. 525, 56-61 (2015).
- Zhang, Y. J., et al. C9ORF72 poly(GA) aggregates sequester and impair HR23 and nucleocytoplasmic transport proteins. Nat Neurosci. 19, 668-677 (2016).
- Cleveland, D. W., Rothstein, J. D. From Charcot to Lou Gehrig: deciphering selective motor neuron death in ALS. Nat Rev Neurosci. 2, 806-819 (2001).
- DeJesus-Hernandez, M., et al. Expanded GGGGCC hexanucleotide repeat in noncoding region of C9ORF72 causes chromosome 9p-linked FTD and ALS. Neuron. 72, 245-256 (2011).
- Renton, A. E., et al. A hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 is the cause of chromosome 9p21-linked ALS-FTD. Neuron. 72, 257-268 (2011).
- Boeve, B. F., et al. Characterization of frontotemporal dementia and/or amyotrophic lateral sclerosis associated with the GGGGCC repeat expansion in C9ORF72. Brain. 135, 765-783 (2012).
- Haeusler, A. R., Donnelly, C. J., Rothstein, J. D. The expanding biology of the C9orf72 nucleotide repeat expansion in neurodegenerative disease. Nat Rev Neurosci. 17, 383-395 (2016).
- Woerner, A. C., et al. Cytoplasmic protein aggregates interfere with nucleocytoplasmic transport of protein and RNA. Science. 351, 173-176 (2016).
- Tao, Z., et al. Nucleolar stress and impaired stress granule formation contribute to C9orf72 RAN translation-induced cytotoxicity. Hum Mol Genet. 24, 2426-2441 (2015).
- Wen, X., et al. Antisense proline-arginine RAN dipeptides linked to C9ORF72-ALS/FTD form toxic nuclear aggregates that initiate in vitro and in vivo neuronal death. Neuron. 84, 1213-1225 (2014).
