Bu protokol, polimerizasyon ve depolimerizasyon döngüleri kullanılarak kültürlü hücreler veya tek fare beyinleri gibi küçük/orta ölçekli kaynaklardan tübulin saflaştırmayı açıklar. Saflaştırılmış tubulin belirli izotiplerde zenginleştirilmiştir veya spesifik posttranslational modifikasyonlara sahiptir ve mikrotübül dinamiklerini ve etkileşimlerini incelemek için in vitro rekonsiyel testlerinde kullanılabilir.
Mikrotübül sitoskeleton çalışmalarının önemli bir yönü, in vitro rekonseptüs deneylerinde mikrotübül davranışının araştırılmasıdır. Dinamikler gibi mikrotübüllerin içsel özelliklerinin ve mikrotübül ilişkili proteinlerle (VIP’ ler) etkileşimlerinin analizine izin verirler. “Tübulin kodu”, mikrotübül özelliklerinin ve işlevlerinin düzenleyicileri olarak farklı tubulin izotiplerine ve çeşitli posttranslational değişikliklere (PTM’ ler) işaret eden gelişmekte olan bir kavramdır. Tübulin kodunun moleküler mekanizmalarını keşfetmek için, belirli izotiplere ve PTM’lere sahip saflaştırılmış tubulin kullanarak in vitro rekonste deneyleri yapmak çok önemlidir.
Bugüne kadar, in vitro deneylerde yaygın olarak kullanılan, birçok PTM’yi barındıran ve tanımlanmış bir izotip bileşimine sahip olan beyin tübulini teknik olarak zordu. Bu nedenle, tübulini farklı kaynaklardan ve farklı izotip bileşimleri ve kontrollü PTM’lerden arındırmak için, polimerizasyon ve depolimerizasyon döngülerinin klasik yaklaşımını kullanarak bu protokolü geliştirdik. Benzeşim saflaştırmasına dayanan mevcut yöntemlerle karşılaştırıldığında, bu yaklaşım saf, polimerizasyona yetkin tübulin verir, çünkü polimerizasyona veya depolimerizasyona dirençli tübulin ardışık saflaştırma adımları sırasında atılır.
Tübulinin hücre çizgilerinden arındırılmasını, süspansiyonda veya bağlı kültürler olarak ve tek fare beyinlerinden tanımlarız. Yöntem ilk olarak hem süspansiyon hem de yapışık ayarlarda hücre kütlesinin neslini, lizis adımını, ardından polimerizasyon-depolimerizasyon döngüleri ile tübulin saflaştırmanın ardışık aşamalarını açıklar. Yöntemimiz, tübulin kodunun mikrotübüllerin içsel özellikleri ve ilişkili proteinlerle mikrotübül etkileşimleri üzerindeki etkisini ele alan deneylerde kullanılabilecek tübulin verir.
Mikrotübüller birçok hücresel işlemde kritik roller oynar. Hücrelere şekillerini verirler, kromozom ayrımı için meiotik ve mitotik iğler oluştururlar ve hücre içi taşıma için izler görevi ederler. Bu farklı işlevleri yerine getirmek için mikrotübüller kendilerini farklı şekillerde düzenlerler. Alandaki merak uyandırıcı sorulardan biri, yapısal ve evrimsel olarak korunmuş mikrotübüllerin bu organizasyon ve işlev bolluğuna uyum sağlamasını sağlayan moleküler mekanizmaları anlamaktır. Potansiyel mekanizmalardan biri, ‘tübulin kodu’1,2,3olarak bilinen kavram tarafından tanımlanan mikrotübüllerin çeşitlendirilmesidir. Tubulin kodu iki ana bileşen içerir: α ve β-tubulin gen ürünlerinin (tubulin izotipleri) mikrotübüllere ve tübulin posttranslational modifikasyonlara (PTM’ ler) diferansiyel olarak dahil edildi.
1970’lerden bu yana, in vitro rekonstrüs deneyleri, gelişen ışık mikroskopi teknikleri ile birlikte, mikrotübüllerin özellikleri hakkında önemli keşiflerin önünü açmıştır: dinamik dengesizlik4 ve koşu bandı5ve diğer mekanizmaları ve işlevleri 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Şimdiye kadar yapılan hemen hemen tüm in vitro deneyler, tekrarlanan polimerizasyon ve depolimerizasyon döngüleri kullanılarak beyin dokusundan saflaştırılmış tübulin bazlıdır16,17. Beyin dokusundan arınma, yüksek kaliteli tübulin elde etmenin avantajını büyük miktarlarda (genellikle gram miktarlar) sağlasa da, beyin dokusundan saflaştırılmış tübulin farklı tubulin izotiplerinin bir karışımı olduğu ve birçok tübulin PTM’si ile zenginleştirilmiş olması nedeniyle önemli bir dezavantaj heterojenliktir. Bu heterojenlik, mikrotübül özelliklerinin ve işlevlerinin kontrolünde belirli bir tübulin PTM’nin veya izotipin rolünü tanımlamayı imkansız kılar. Bu nedenle, tübulin kodunun moleküler mekanizmalarını ele almak için kontrollü tübulin PTM’leri ve homojen izotip bileşimi ile montaja yetkin tubulin üretmek esastır.
Son zamanlarda, maya Stu2p’in mikrotübül bağlayıcı TOG (tümör aşırı ekspresyonlu gen) etki alanını kullanarak tubulin’i benzeşim kromatografisi ile arındırmak için bir yaklaşım geliştirilmiştir18. Bu yöntemde, hücrelerin veya dokunun kabalyatlarındaki tübulin, matris immobilize TOG etki alanına bağlandığı bir sütundan geçirilir, bu da belirli bir, hatta çok küçük bir örneğin tüm tübulin havuzunun analizini sağlar. Rekombinant tübulin saflaştırmak için uzun zamandır beklenen bir yaklaşım da son yıllarda tanımlanmıştır. α ve β-tubulin genleri içeren iki cistronic vektörün böcek hücrelerinde ifade edildiği baculovirüs sistemine dayanmaktadır19. Bununla birlikte, bu yöntem çok hantal ve zaman alıcıdır ve bu nedenle çoğunlukla tubulin mutasyonları20 ve tubulin izotipleri21 , 22,23in vitro etkisini incelemek için kullanılır.
Mevcut protokolde, hücre çizgilerinden veya fare beyin dokusundan farklı modifikasyon seviyelerine sahip tübulin oluşturmak için köklü ve yaygın olarak kullanılan polimerizasyon-depolimerizasyon yaklaşımını kullanan bir yöntemi bir plan olarak tanımlıyoruz24. Bu prosedürde, tübulin çözünür (4 °C’de tübulin dimer) ve polimerize form (guanosin 5′-trifosfat [GTP] varlığında 30 °C’de mikrotübül) arasında döngüye girer. Her form ardışık santrifüjleme adımlarıyla ayrılır: tübulin dimerler soğuk (4 °C) bir dönüşten sonra süpernatanta kalırken, mikrotübüller 30 ° C’de peletlenecektir. Ayrıca, mikrotübül ilişkili proteinlerin mikrotübüllerden ve böylece son olarak saflaştırılmış tübulinden uzaklaştırılmasını sağlayan yüksek piperazin-N,N′-bis(2-etanesülfonic asit) (PIPES) konsantrasyonda bir polimerizasyon adımı gerçekleştirilir. Süspansiyon veya yapışık kültürler olarak yetiştirilen HeLa S3 hücrelerinden arındırılmış Tubulin, herhangi bir tübulin PTM’sinden neredeyse ücretsizdir ve son in vitro reconstitution deneylerindekullanılmıştır 25,26,27,28. Tubulin izotiplerinde ve PTM’lerde değişikliklerle çok sayıda fare modeli için kullanılabilecek tubulin’i tek fare beyinlerinden arındırma yöntemini daha da uyarladık.
Protokolde, ilk olarak kaynak materyalin (hücre kütlesi veya beyin dokusu), lizizinin(Şekil 1A)neslini ve ardından tübulini arındırmak için tübulin polimerizasyonu ve depolimerizasyonunun ardışık adımlarını açıklıyoruz (Şekil 1B). Saflaştırılmış tübulinin saflığını (Şekil 2A,B) ve miktarını (Şekil 3A,B) değerlendirmek için süreci daha ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Yöntem, tübulin saflaştırmadan önce hücrelerde bir modifiye enzimi aşırı ifade ederek seçilen bir PTM ile zenginleştirilmiş tübulin üretmek için uyarlanabilir (Şekil 4B). Alternatif olarak, saflaştırma işlemi sırasında tübulin modifiye edici enzimler tubulin eklenebilir. Son olarak, spesifik izotiplerden veya PTM’lerden yoksun tübulini, ilgili tübulin değiştirici enzimlerde eksik olan farelerin beyinlerinden arındırabiliriz (Şekil 4B)29.
Burada tarif ettiğimiz yöntemin iki temel avantajı vardır: (i) nispeten kısa sürede yeterince büyük miktarlarda tübulin üretimine izin verir ve (ii) spesifik tubulin izotip bileşimi veya PTM’leri ile yüksek kaliteli, saf tubulin üretir. Bu makalenin ilişkili videosunda, bu prosedürde yer alan bazı kritik adımları vurguluyoruz.
Burada açıklanan yöntem, hücre çizgilerinden ve tek fare beyinlerinden orta-büyük miktarlarda hızlı bir şekilde yüksek kaliteli, montaj yetkin tubulin üretmek için bir platform sağlar. Uzun yıllardır sahada kullanılan sığır beyinlerinden tübulin saflaştırmanın altın standart protokolüne dayanmaktadır16,17. Yaklaşımın özel bir avantajı, kurulduktan sonra çok az uygulamalı zaman gerektirirken büyük miktarlarda hücre üreten HeLa…
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma ANR-10-IDEX-0001-02, LabEx Cell’n’Scale ANR-11-LBX-0038 ve Institut de convergence Q-life ANR-17-CONV-0005 tarafından desteklenmiştir. CJ, Institut Curie tarafından desteklenmektedir, Fransız Ulusal Araştırma Ajansı (ANR) ANR-12-BSV2-0007 ve ANR-17-CE13-0021 ödüllerini, Institut National du Cancer (INCA) hibe 2014-PL BIO-11-ICR-1 ve Fondation pour la Recherche Medicale (FRM) hibe DEQ20170336756. MMM, Fondation Vaincre Alzheimer hibeSI FR-16055p ve Fransa Alzheimer hibesi AAP SM 2019 n°2023 tarafından desteklenmektedir. JAS, Marie Skłodowska-Curie hibe anlaşması No 675737 ve FRM hibe FDT201904008210 kapsamında Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programı tarafından desteklenmiştir. SB, FRM hibesi FDT201805005465 tarafından desteklenmiştir.
Janke laboratuvarının tüm üyelerine, özellikle J. Souphron’a, G. Lakisic’e (Institut MICALIS, AgroParisTech) ve A. Gautreau’ya (Ecole Polytechnique) protokolün kurulması sırasında yardımları için teşekkür ederiz. Institut Curie hayvan tesisine fare yetiştiriciliği ve bakımı konusunda yardımları için teşekkür ederiz.
J. Frankel ve M. Nelson tarafından geliştirilen 12G10 antikor, NICHD himayesinde geliştirilen ve Iowa Üniversitesi tarafından sürdürülen Gelişimsel Çalışmalar Hybridoma Bankası’ndan elde edildi.
1 M MgCl2 | Sigma | #M1028 | |
1-L cell culture vessels | Techne F7610 | Used for spinner cultures. Never stir the empty spinner bottles. When spinner bottles are in the cell culture incubator, always keep the lateral valves of spinner bottles slightly open to facilitate the equilibration of media with incubator’s atmosphere. After use, fill the spinner bottles immediately with tap water to avoid drying of remaining cells on the bottle walls. Wash the bottles with deionised water, add app 200 ml of deionised water and autoclave. Under a sterile cell culture hood remove the water and allow the bottles to dry completely, still under the hood, for several hours. Never use detergents for cleaning the spinner bottles because any trace amounts of the detergent can be deleterious to the cells. | |
1.5- and 2-ml tubes | |||
14-ml round-bottom tubes | |||
15-cm-diameter sterile culture dishes | |||
15-ml screw-cap tubes | |||
2-mercaptoethanol | Sigma | #M3148 | 2-mercaptoethanol is toxic and should be used under the hood. |
4-(2-aminoethyl)-benzenesulfonyl fluoride | Sigma | #A8456 | |
40% Acrylamide | Bio-Rad | #161-0140 | |
5-, 10- 20-ml syringes | |||
5-ml, 10-ml, 25-ml sterile pipettes | |||
50-ml screw-cap tubes | |||
Ammonium persulfate (APS) | Sigma | #A3678 | |
Anti-alpha-tubulin antibody, 12G10 | Developed by J. Frankel and M. Nelson, obtained from the Developmental Studies Hybridoma Bank, developed under the auspices of the NICHD, and maintained by the University of Iowa | dilution: 1/500 | |
Anti-glutamylated tubulin antibody, GT335 | AdipoGen | #AG-20B-0020 | dilution: 1/20,000 |
Aprotinin | Sigma | #A1153 | |
Balance (0.1 – 10 g) | |||
Beckman 1-l polypropylene bottles | For collecting spinner cultures | ||
Beckman Avanti J-26 XP centrifuge | For collecting spinner cultures | ||
Biological stirrer | Techne MCS-104L | Installed in the cell culture incubator (for spinner cultures), 25 rpm for Hela S3 and HEK 293 cells | |
Bis N,N’-Methylene-Bis-Acrylamide | Bio-Rad | #161-0201 | |
Blender IKA Ultra-Turrax® | For lysing brain tissue, use 5-mm probe, with the machine set at power 6 or 7. Blend the brain tissue 2-3 times for 15 s on ice. | ||
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | #A7906 | |
Bromophenol blue | Sigma | #1.08122 | |
Carboxypeptidase A (CPA) | Sigma | #C9268 | Concentration: 1.7 U/µl |
Cell culture hood | |||
Cell culture incubator set at 37°C, 5% CO2 | |||
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | #D8418 | DMSO can enhance cell and skin permeability of other compounds. Avoid contact and use skin and eye protection. |
DMEM medium | Life Technologies | #41965062 | |
DTT, DL-Dithiothreitol | Sigma | #D9779 | |
EDTA | Euromedex | #EU0007-C | |
EGTA | Sigma | #E3889 | |
Ethanol absolute | Fisher Chemical | #E/0650DF/15 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Sigma | #F7524 | |
French pressure cell press | Thermo electron corporation | #FA-078A | with a #FA-032 cell; for lysing big amounts of cells. Set at medium ratio, and the gauge pressure of 1,000 psi (corresponds to 3,000 psi inside the disruption chamber). |
Glycerol | VWR Chemicals | #24388.295 | |
Glycine | Sigma | #G8898 | |
GTP | Sigma | #G8877 | |
Heating block | Stuart | #SBH130D | |
Hela cells | ATCC® CCL-2™ | ||
Hela S3 cells | ATCC | ATCC® CCL-2.2™ | |
Hydrochloric acid (HCl ) | VWR | #20252.290 | |
Inverted microscope | With fluorescence if cell transfection is to be verified | ||
Isopropanol | VWR | #20842.298 | |
jetPEI | Polyplus | #101 | |
JLA-8.1000 rotor | For collecting spinner cultures | ||
KOH | Sigma | #P1767 | KOH is corrosive and causes burns; use eye and skin protection. |
L-Glutamine | Life Technologies | #25030123 | |
Laboratory centrifuge for 50-ml tubes | Sigma | 4-16 K | |
Leupeptin | Sigma | #L2884 | |
Liquid nitrogen | |||
Micro-pipettes p2.5, p10, p20, p100, p200 and p1000 and corresponding tips | |||
Micropestles | Eppendorf | #0030 120.973 | |
Mouse brain tissue | Animal care and use for this study were performed in accordance with the recommendations of the European Community (2010/63/UE). Experimental procedures were specifically approved by the ethics committee of the Institut Curie CEEA-IC #118 (authorization no. 04395.03 given by National Authority) in compliance with the international guidelines. | ||
Needles 18G X 1 ½” (1.2 X 38 mm | Terumo | #18G | |
Needles 20G X 1 ½” (0.9 X 38 mm | Terumo | #20G | |
Needles 21G X 4 ¾” (0.8 X 120 mm | B.Braun | #466 5643 | |
Parafilm | |||
PBS | Life Technologies | #14190169 | |
Penicillin-Streptomycin | Life Technologies | #15140130 | |
pH-meter | |||
Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Sigma | #P7626 | PMSF powder is hazardous. Use skin and eye protection when preparing PMSF solutions. |
PIPES | Sigma | #P6757 | |
Pipette-boy | |||
Rotors | Beckman 70.1 Ti; TLA-100.3; and TLA 55 | ||
SDS-PAGE electrophoresis equipment | Bio-Rad | #1658001FC | |
SDS, Sodium dodecyl sulphate | VWR | #442444H | For preparing Laemmeli buffer |
SDS, Sodium dodecyl sulphate | Sigma | #L5750 | For preparing 'TUB' SDS-PAGE gels |
Sonicator | Branson | #101-148-070 | Used for lysing cells grown as adherent cultures. Use 6.5 mm diameter probe, set the sonicator at “Output control” 1, “Duty cycle” 10% and time depending on the cell type used. |
Tabletop centrifuge for 1.5 ml tubes | Eppendorf | 5417R | |
TEMED, N, N, N′, N′-Tetramethylethylenediamine | Sigma | #9281 | |
Trichostatin A (TSA) | Sigma | #T8552 | |
Triton X-100 | Sigma | #T9284 | |
Trizma base (Tris) | Sigma | #T1503 | |
Trypsin | Life Technologies | #15090046 | |
Ultracentrifuge rotors | TLA-55, TLA-100.3 and 70.1 Ti rotors | Set at 4°C or 30°C based on the need of the experiment | |
Ultracentrifuge tubes | Beckman | #357448 | for using with TLA-55 rotor |
Ultracentrifuge tubes | Beckman | #349622 | for using with TLA-100.3 rotor |
Ultracentrifuge tubes | Beckman | #355631 | for using with 70.1 Ti rotor |
Ultracentrifuges | Beckman | Optima L80-XP (or equivalent) and Optima MAX-XP (or equivalent) | Set at 4°C or 30°C based on the need of the experiment |
Vortex mixer | |||
Water bath equipped with floaters or tube holders | Set at 30°C |