يصف البروتوكول التالي تطوير وتحسين سير عمل عالي الإنتاجية لزراعة الديدان والتصوير الفلوري ومعالجة الصور الآلية لتحديد كمام البولي جلوتامين كميا كتقييم للتغيرات في البروتيوستاسيس.
وقد عزز ارتفاع معدل انتشار الأمراض التشكيلية للبروتين العصبي التنكسي (PCDs) اهتماما كبيرا بهذا الموضوع على مر السنين. وقد دعا هذا الاهتمام المتزايد إلى تنويع وتحسين النماذج الحيوانية القادرة على إعادة إنتاج الأنماط الظاهرية للأمراض التي لوحظت في البشر المصابين ب PCDs. على الرغم من أن نماذج الفئران أثبتت أنها لا تقدر بثمن ، إلا أنها باهظة الثمن وترتبط بطرق شاقة ومنخفضة الإنتاجية. تم تبرير استخدام نموذج Caenorhabditis elegans nematode لدراسة PCDs من خلال سهولة الصيانة النسبية ، والتكلفة المنخفضة ، ووقت التوليد السريع ، مما يسمح بالتطبيقات عالية الإنتاجية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحفظ العالي بين C. elegans والجينوم البشري يجعل هذا النموذج أداة اكتشاف لا تقدر بثمن. تظهر الديدان الخيطية التي تعبر عن مسالك البولي جلوتامين (polyQ) الموسومة بالفلورسنت على الأنسجة (polyQ) تجميعا يعتمد على العمر وطول polyQ يتميز ببؤر الفلورسنت. غالبا ما يتم توظيف هؤلاء المراسلين كوكلاء لمراقبة التغيرات في البروتيوستاسيس عبر الأنسجة. يستغرق القياس الكمي اليدوي للتجميع وقتا طويلا ، مما يحد من الإنتاجية التجريبية. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي التحديد الكمي اليدوي إلى التحيز ، حيث يمكن أن يكون التحديد الكلي ذاتيا للغاية. هنا ، تم توحيد بروتوكول يتكون من زراعة الديدان ، والحصول على الصور ، ومعالجة البيانات لدعم القياس الكمي الكلي عالي الإنتاجية باستخدام C. elegans التي تعبر عن polyQ الخاص بالأمعاء. من خلال تنفيذ خط أنابيب معالجة الصور القائم على C. elegans باستخدام CellProfiler ، وهو برنامج لتحليل الصور ، تم تحسين هذه الطريقة لفصل وتحديد الديدان الفردية وتعداد المجاميع الخاصة بكل منها. على الرغم من أن مفهوم الأتمتة ليس فريدا تماما ، إلا أن الحاجة إلى توحيد مثل هذه الإجراءات من أجل التكرار ، والقضاء على التحيز من العد اليدوي ، وزيادة الإنتاجية مرتفعة. من المتوقع أن هذه الطرق يمكن أن تبسط بشكل كبير عملية فحص المكتبات البكتيرية أو الجينومية أو الدوائية الكبيرة باستخدام نموذج C. elegans.
تتميز الأمراض التوافقية للبروتين العصبي التنكسي المعتمد على العمر (PCDs) مثل مرض الزهايمر وباركنسون وهانتنغتون ، أو التصلب الجانبي الضموري ، باختلال البروتين الذي يؤدي إلى التجميع وموت الخلايا وتنكس الأنسجة1. في حين يتم التعرف على سوء طي البروتين على أنه الجاني ، فإن مسببات هذه الأمراض ليست واضحة. على هذا النحو ، تم إعاقة تطوير علاجات فعالة بسبب نقص المعرفة فيما يتعلق بالعوامل والظروف التي تسهم في ظهور المرض وتقدمه. تشير الدراسات الحديثة إلى أن التغيرات في الميكروبيوم تؤثر على بداية وتطور وشدة PCDs2،3،4. ومع ذلك ، فإن تعقيد الميكروبيوم البشري ، أو حتى الفئران ، يجعل من الصعب إجراء دراسات من شأنها أن تكشف عن التأثير الدقيق للميكروبات على مضيفها. لذلك ، غالبا ما تستخدم الكائنات الحية الأبسط ، مثل Caenorhabditis elegans ، كأداة اكتشاف 5,6,7,8. استخدمت الدراسات الحديثة C. elegans للتحقيق في تأثير البكتيريا على البروتينات المضيفة والتسبب في المرض 9,10. الاستعمار البكتيري ، hormesis ، والتغيرات الجينومية هي من بين الحالات النموذجية التي تؤثر على تجميع المسالك polyglutamine (polyQ)9،11،12. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر مجموعات البروتين غير المطوية هذه تراكمات تعتمد على طول polyQ والعمر داخل المضيف وترتبط بضعف الحركة 9,13. يمكن للنهج البسيط نسبيا لتحديد كمية البونكتا المصنفة بالفلورسنت أن يولد بيانات مهمة عن الظروف أو العوامل أو الأدوية التي تؤثر على طي البروتين وتجميعه.
على الرغم من أن التحديد الكمي للبوصلة الفلورية قد أثبت أنه إجراء موثوق به وبسيط نسبيا ، إلا أن التحدي لا يزال يتمثل في تطوير بروتوكول من شأنه تسهيل الفحص واسع النطاق للمركبات أو البكتيريا أو الظروف التي تؤثر على تراكم البروتين. إن مفهوم المعالجة الآلية لصور C. elegans وتحديد كمياتها ليس جديدا تماما ، حيث تم تطوير عدد من أدوات الدعم العملية14,15. ومع ذلك ، فإن دمج الثقافة واكتساب الصور وخط أنابيب المعالجة أمر ضروري للقضاء على التباين في النتائج والسماح بشاشات أعلى إنتاجية.
على هذا النحو ، فإن الغرض من هذه المخطوطة هو توحيد الإجراء المستخدم لقياس تجميع polyQ في C. elegans كوكيل للكشف عن التغيرات في البروتيوستاسيس. تم إنجاز هذه المهمة من خلال استخدام CellProfiler ، وهو برنامج مفتوح المصدر لتحليل الصور16 قادر على تحديد الدودة وتجميعها آليا ، ويتم دمجه في بروتوكول أكبر لزراعة الديدان والحصول على الصور ومعالجة البيانات.
يحدد البروتوكول الموصوف إجراءات زراعة C. elegans وتصويرها ومعالجة الصور التي تتضمن CellProfiler ، وهو برنامج مفتوح المصدر لتحليل الصور. تظهر النتائج التمثيلية قابلية التكرار والحد من التحيز وقابلية التوسع. سيؤدي هذا الإجراء الموحد إلى تحسين استراتيجيات الفحص المستخدمة في المكتبات البكتيرية أو الجينومية أو الدوائية الكبيرة. في حين توجد طرق C. elegans آلية أخرى للكشف عن الكائنات ، فإن التقنية الموصوفة توفر خط أنابيب موحد أعلى إنتاجية يدمج بين الاستزراع والحصول على الصور والتحليل.
كان لا بد من اختبار العديد من الاختلافات في زراعة الديدان لتحسين البروتوكول الموصوف هنا. في البداية ، تم نقل الديدان إلى عينة من البكتيريا مباشرة بعد تزامن العمر (مرحلة L1). ومع ذلك ، أدى هذا النهج إلى مجموعة من الديدان ذات الأحجام المتغيرة ، حتى بين الديدان داخل نفس البئر. C. elegans معروفة بتجنب مسببات الأمراض19 ، والتي يمكن أن تسهم في التباين الملحوظ في الحجم وتؤثر في نهاية المطاف على الكشف عن دودة التصوير في المصب ، على وجه الخصوص. للقضاء على هذا التباين ، تم تغطية منطقة NGM بأكملها في كل بئر ببكتيريا الاختبار. علاوة على ذلك ، تم تغذية الديدان E. coli OP50 وسمح لها بالتطور الكامل إلى شباب بالغين لمدة 48 ساعة عند 25 درجة مئوية. السماح للديدان بالوصول إلى مرحلة البلوغ على E. coli OP50 قبل نقلها إلى بكتيريا الاختبار أدى إلى حجم جسم أكثر اتساقا. بالإضافة إلى ذلك ، تم القضاء على الاكتظاظ والنضوب السريع للأغذية من قبل النسل عن طريق استكمال أجار NGM مع FUDR. أدى تنفيذ FUDR إلى إزالة النسل وتعزيز التعرف الآلي على الدودة ، والذي تم حجبه عن طريق اختلاط النسل مع السكان الوالدين. ومع ذلك ، من المهم توخي الحذر واستخدام الضوابط المناسبة عند استخدام FODR ، حيث من المعروف أن المركب يؤثر على C. elegans proteostasis وعمر20,21. وفي ظل الظروف الموصوفة في هذا البروتوكول، لم يؤثر FUDR على تجميع polyQ المعوي (الشكل التكميلي 5)؛ لذلك ، كان استخدامه مناسبا ومفيدا للطريقة الموصوفة.
تبين أن تجميد العينات قبل التصوير كان خطوة حاسمة في التوظيف الناجح لخط الأنابيب. وكانت الأعداد الإجمالية قبل التجميد أعلى بكثير من العد اليدوي (الشكل 3 باء). أدى الحفاظ على الديدان عند -20 درجة مئوية لمدة 18-48 ساعة قبل التصوير إلى تقليل التألق في الخلفية وتحسين الكشف الكلي في نهاية المطاف (الشكل 3A). ولم يتم التحقيق في آثار التجميد على الكشف الكلي إلا بالنسبة ل polyQ ولا ينبغي تعميمها على نماذج أخرى دون مزيد من التحقيق في هذه الآثار.
وعلى الرغم من إبقاء جميع الظروف على حالها، لوحظ أن متوسط عدد المجاميع لكل دودة يمكن أن يختلف بين أشواط مختلفة، في حين أن النسبة بين عدد المجاميع في الحيوانات المستعمرة باستخدام OP50 مقابل MPAO1 ظلت ثابتة (الشكل 6، الشكل التكميلي 2، الشكل التكميلي 5). لذلك ، من الضروري دائما تضمين عنصر تحكم E. coli OP50 ، أو أي عناصر تحكم مرجعية إضافية مناسبة ، في كل تشغيل. ويمكن أن يتأثر هذا التباين في الأعداد الإجمالية بين التجارب بالظروف البيئية (درجة الحرارة والرطوبة)22،23 أو الخلفية الجينية8. في الواقع ، لوحظ أنه بعد زراعة طويلة ، انخفض التألق المعوي بشكل كبير أو فقد تماما ، مما تطلب ذوبان سلالة جديدة من المخزون المجمد. يمكن أن يكون الانخفاض الملحوظ في التألق نتيجة للتغيرات الجينية التي تقمع الجينات المحورة السامة ، مثل تلك التي تعبر عن polyQ. ومع ذلك، فإن التكرار الاستثنائي للنتائج التي لوحظت بين مختلف المجربين (الشكل التكميلي 2)، وبين النسخ المتماثلة البيولوجية (الشكل 5)، وداخل نفس العينة (الشكل التكميلي 3) يؤكد على قوة هذا النهج.
وقد استخدمت العديد من التقارير polyQ المعوية لدراسة البروتينات9،11،12،13،24،25. ومع ذلك ، لا يمكن إجراء مقارنة مباشرة بين النتائج بسبب التباين بين النهج التجريبية وطرق القراءة. ومع ذلك ، يتم تلخيص بعض النتائج من البيانات المنشورة سابقا من خلال القياس الكمي الآلي الموصوف هنا ، بما في ذلك الحث البكتيري للتجميع 9,13 وعدد مماثل من المجاميع 11. بشكل جماعي ، يوفر خط الأنابيب الموصوف أداة قيمة لدراسة البروتيوستاسيس.
الطريقة الموصوفة هنا لديها بعض التحديات المتأصلة. على سبيل المثال ، يتطلب وقتا كافيا لإتقان جميع مكونات هذا البروتوكول ، وهو ما ينطبق بشكل خاص على القسم 8 من البروتوكول ، والذي يتطلب الإلمام بالفحص لتحديد ما إذا كانت الصور التي تم الحصول عليها مناسبة لتحليل خط الأنابيب. الانحرافات عن إعدادات الحصول على الصور المستخدمة في هذا البروتوكول ممكنة. ومع ذلك ، من المحتمل أن تكون هناك حاجة إلى تعديل الإعدادات ومجموعة تدريب الدودة. يمكن لخط الأنابيب هذا التمييز بين المجاميع ذات الأحجام المختلفة وتلك التي تلمس ، مما يحد من “مزج” الركام ويزيد في النهاية من حساسية الكشف. ومع ذلك، قد تنشأ مشاكل عند محاولة تحديد المجاميع الكبيرة التي تتجاوز نطاق الحجم المقبول، لأن توسيع عتبة الحجم الأعلى قد يؤدي إلى أخطاء ناجمة عن سوء التحديد، مثل عدم القدرة على التمييز بين المجاميع التي تلمس. يجب إيجاد توازن بين الدقة والحجم والكثافة قبل تحليل الصورة. يمكن زيادة تحسين كفاءة تحديد الهوية الكلية من خلال دمج التعلم الآلي لإنشاء شبكة عصبية قادرة على تعزيز الكشف الكلي. ويجري حاليا استكشاف هذه التحسينات التي ستساعد كثيرا في معالجة القضايا الراهنة مثل الكشف عن المجاميع التي تقع على مستويات بؤرية مختلفة أو التي لها أشكال غير طبيعية.
أحد نقاط الضعف البارزة في الطريقة الموصوفة هو التباين في الأعداد المجمعة الآلية ، حيث لا يتم تلخيصها دائما عن طريق العد اليدوي في الديدان التي تتغذى على سلالات بكتيرية مختلفة. فعلى سبيل المثال، استنادا إلى الأعداد الآلية، كان لدى الديدان التي تتغذى على المتحور P. aeruginosa 53 (M53) مجاميع أقل بكثير مقارنة بالسلالة البرية (MPAO1) (الشكل 7)؛ ومع ذلك ، لم يظهر تأكيد الضربة أي فرق كبير (الشكل التكميلي 4). بشكل عام ، تحتوي شاشات الأدوية عالية الإنتاجية على معدل مرتفع للكشف عن الضربات الإيجابية الكاذبة ، والطريقة الموصوفة ليست استثناء26. وبالتالي ، يعد تأكيد جميع الضربات المحتملة جزءا مهما من البروتوكول.
في حين تم تحسين هذا البروتوكول ليناسب استراتيجية الفحص لتحديد البكتيريا التي تؤثر على البروتيوستاسيس المضيف ، يمكن تعديل كل خطوة بشكل أكبر لاختبار تأثير مكتبات الحمض النووي الريبي الجينومي أو الجزيئات الصغيرة أو غيرها من الحالات. يمكن إجراء تعديلات إضافية في كل خطوة لتناسب متطلبات استراتيجية فحص محددة. علاوة على ذلك ، توفر هذه التقنية مستوى من المرونة يسمح بتحسين كل خطوة لتناسب نموذجا معينا. على سبيل المثال ، يمكن توسيع هذا النهج ليشمل تجميع polyQ في أنسجة أخرى أو استخراج ميزات أخرى تم اكتشافها في الصور مثل مراقبة التعبير الجيني باستخدام مراسلي الفلورسنت المستحثين (على سبيل المثال ، جينات الصدمة الحرارية) ، وتقييم التوطين تحت الخلوي للبروتينات (على سبيل المثال ، التوطين النووي ل DAF-16) ، ودراسة التجميع في نماذج الأمراض الأخرى (Aβ1-42 ، α-synuclein ، TDP-43 ، إلخ) أو تقييم الأنماط الظاهرية الفسيولوجية ، مثل حجم الدودة.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (1RO3AG069056-01) وتمويل جمعية الأمراض المعدية الأمريكية ل DMC. لم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة. نشكر أعضاء مختبر Czyz على التدقيق اللغوي للمخطوطة. تم إنشاء شخصيات كرتونية باستخدام ترخيص BioRender المدفوع.
1.7 mL Microtubes | Olympus Plastics | Cat#24-282 | Microcentrifuge tubes |
10 mL Serological Pipettes | GenClone | Cat#12-104 | Plastic pipettes |
15 mL Centrifuge Tubes, Racked | Olympus Plastics | Cat#28-101 | Conical tubes |
5-Fluoro-2′-deoxyuridine | Fisher Scientific | D2235100MG | FUDR |
Accu-jet Pro Pipette Controller | Genesee Scientific | 91-600RB | Pipette gun |
Agar | Fisher Scientific | Cat#BP1423-2 | Granulated agar |
BioRender | BioRender | Graphical figure generator | |
Bleach (Regular) | Clorox | Bar# 044600324111, Splash-less Bleach | 4.5% sodium hypochlorite |
C. elegans: AM140: rmIs132 [unc-54p::q35::yfp] | Morimoto Lab (Northwestern University) | AM140, Q35::YFP | Muscle polyQ |
C. elegans: AM738: rmIs297[vha-6p::q44::yfp; rol-6(su1006)] | Morimoto Lab (Northwestern University) | AM738, Q44::YFP | Intestinal polyQ |
CaCl2·2H2O | Fisher Scientific | Cat#C79-500 | Calcium chloride dihydrate |
CellProfiler | Broad Institute | Image analysis software | |
Cholesterol | Fisher Scientific | Cat#ICN10138201 | Cholesterol |
Circulating Water Bath Head | Lauda | 26LE | Lauda E 100 |
CoolLED pE300lite 365 dir mount STEREO | CoolLED | 8114931 | Fluorescent light control and emitter |
16 mL Culture Tubes | Olympus Plastics | 21-129 | Culture tubes, 17 mm x 100 mm |
Escherichia coli OP50 | Caenorhabditis Genetics Center | OP50 | E. coli control strain |
Ethanol, 200 Proof | Decon Labs, Inc. | 2701 | |
Eyepiece 10x/23B, adjustable, 3d gen | Leica Microsystems | 10450910 | Eyepiece set |
Filter Set ET GFP – MZ10F | Leica Microsystems | 10450588 | Filter cube |
GraphPad Prism v9.2.0 | GraphPad Software, Inc. | Statistical analysis tool | |
Heratherm Incubator IMP180 | Thermo | 51031562 | Refrigerated incubator |
Innova 4000 | New Brunswick Scientific | M1192-0000 | Shaking incubator |
K5 Camera | Leica Microsystems | 11547112 | Stereomicroscope camera |
KH2P04 | Fisher Scientific | Cat#P285-3 | Potassium phosphate monobasic |
LAS X Imaging Software | Leica Microsystems | Microscope imaging software | |
Leica MZ10 F Optics Carrier | Leica Microsystems | 10450103 | Stereomicroscope |
Levamisole | Fisher Scientific | Cat#0215522805 | Levamisole hydrochloride |
Luria Broth (Lennox) | Apex Bioresearch Products | Cat#11-125 | LB |
Magnetic Stir Plate | Fisher Scientific | 11-100-49S | Stir plate |
MgSO4·7H2O | Alfa Aesar | A14491 | Magnesium sulfate heptahydrate |
Microscope Slides | Premiere | 8205 | Single frosted microscope slides |
Na2HPO4·7H2O | Fisher Scientific | Cat#S373-500 | Sodium phosphate dibasic heptahydrate |
NaCl | Fisher Scientific | Cat#S671-500 | Sodium chloride |
NaOH | Fisher Scientific | Cat#S318-3 | Sodium hydroxide pellets |
Objective Achromat, f = 100 mm | Leica Microsystems | 10411597 | Objective microscope lens |
Petri Dishes | Genesee Scientific | Cat#32-107G | 100 mm x 15 mm |
Pseudomonas aeruginosa Mutant Library | Manoil Lab (University of Washington) | P. aeruginosa mutant library | |
Suspension Culture Plate 24-Well, Flat Bottom | Olympus Plastics | 25-102 | Used for worm growth and imaging |
Trinocular Tube 100% M-series | Leica Microsystems | 10450043 | |
Trypticase Peptone | ThermoFisher, Difco | Cat#211921 | |
TX-400 Rotor | Thermo Scientific | Cat#75003181 | Swing bucket rotor |
Vacuum Driven Filter System | GenClone | Cat#25-227 | 500 mL, PES Membrane, .22 µm |
Video Objective with C-Mount | Leica Microsystems | 10447367 | 0.63x camera adapter tube |