Caracterización de estructuras amiloideas en el envejecimiento C. Elegans usando imágenes de por vida de fluorescencia

La agregación de proteínas ocurre tanto en el envejecimiento como en la enfermedad. Los caminos que conducen a la formación y deposición de grandes amiloides o inclusiones amorfas son difíciles de seguir y su cinética es igualmente difícil de desentrañar. Las proteínas pueden doblarse en sí debido a mutaciones intrínsecas dentro de sus secuencias de codificación, como en el caso de las enfermedades genéticas. Las proteínas también se multiplican por error porque la red de proteostasis (PN) que las mantiene solubles y correctamente plegadas se deteriora, como sucede durante el envejecimiento. El PN incluye chaperones moleculares y maquinarias de degradación y es responsable de la biogénesis, plegado, tráfico y degradación de proteínas¹.

C. elegans ha surgido como un modelo para estudiar el envejecimiento y la enfermedad debido a su corta vida útil, naturaleza isogénica y facilidad de manipulación genética. Se han creado varias cepas transgénicas de C. elegans que expresan proteínas causantes de enfermedades humanas en tejidos vulnerables. Es importante destacar que muchas de las cepas que contienen proteínas propensas a la agregación recapitulan el sello distintivo de los trastornos amiloide, la formación de grandes inclusiones. Gracias al cuerpo transparente de C. elegans, estos agregados se pueden visualizar in vivo, no invasiva y no destructivamente². Generar cualquier proteína de interés (POI) en fusión con un fluoróforo permite investigar sus ubicaciones, tráfico, red de interacción y destino general.

Presentamos un protocolo para monitorear la agregación de proteínas causantes de enfermedades en C. elegans vivo y envejecimiento a través de la microscopía de imágenes de por vida de fluorescencia (FLIM). FLIM es una técnica poderosa basada en la vida útil de un fluoróforo, en lugar de sus espectros de emisión. La vida útil (tau, ) se define como el tiempo promedio requerido por un fotón para decaer desde su estado excitado hasta su estado de suelo. La vida útil de una molécula dada se calcula con la técnica de dominio del tiempo del recuento de fotones individuales correlacionados por el tiempo (TCSPC). En TCSPC-FLIM, la función de descomposición fluorescente se obtiene excitando el fluoróforo con pulsos láser cortos y de alta frecuencia y midiendo los tiempos de llegada del fotón emitido a un detector con respecto a los pulsos. Al escanear una muestra, se crea una matriz de datos tridimensional para cada píxel: la matriz incluye información sobre la distribución de los fotones en sus coordenadas espaciales x,y y su curva de decaimiento temporal. Por lo tanto, una muestra determinada se convierte en un mapa de vidas útiles que revela información sobre la estructura, la unión y el entorno^dela proteína^3,4. Cada proteína fluorescente posee una vida útil intrínseca y definida con precisión, generalmente de unos pocos nanosegundos (ns), dependiendo de sus propiedades fisioquímicas. Es importante destacar que la vida útil de un fluoróforo es independiente de su concentración, intensidad fluorescente y de la metodología de imagen. Sin embargo, dentro de un sistema biológico, puede verse afectado por factores ambientales como el pH, la temperatura, las concentraciones ióndas, la saturación de oxígeno y sus socios de interacción. La vida útil también es sensible a los cambios estructurales internos y la orientación. La fusión de un fluoróforo en un PDI da lugar a un cambio en su vida útil y, en consecuencia, a información sobre el comportamiento de la proteína fusionada. Cuando un fluoróforo está rodeado o encapsulado en un entorno estrechamente unido, como las hojas beta antiparalelas de una estructura amiloide, pierde energía de forma no radiativa, un proceso conocido como temple^5. El enfriamiento del fluoróforo da como resultado un acortamiento de su vida útil aparente. Cuando es soluble, la vida útil de una proteína se mantendrá más cerca de su valor original y más alto. Por el contrario, cuando una proteína comienza a acumularse, su vida útil inevitablemente cambiará a un valor más bajo^6,7. Por lo tanto, se hace posible monitorear la propensión a la agregación de cualquier proteína formador de amiloide a diferentes edades en C. elegans vivos.

Aquí describimos un protocolo para analizar la agregación de una proteína de fusión que comprende diferentes estiramientos de poliglutamina (CAG, Q) (Q40, Q44 y Q85). Ilustramos cómo la técnica se puede aplicar por igual a diferentes fluoróforos, como la proteína fluorescente cian (CFP), la proteína fluorescente amarilla (YFP) y la proteína fluorescente roja monomérica (mRFP); y en todos los tejidos de C. elegans,incluyendo las neuronas, los músculos y el intestino. Además, en el contexto de la proteostasis, FLIM es una herramienta muy útil para observar los cambios en el agotamiento de los chaperones moleculares. Derribar uno de los chaperones moleculares clave, la proteína de choque térmico 1 (hsp-1), a través de la interferencia de ARN produce un desdoblamiento prematuro de las proteínas. El aumento de la carga de agregación como resultado del envejecimiento, la enfermedad o los chaperones deficientes, se mide entonces como una disminución en la vida útil de la fluorescencia.