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Method Article
Hier stellen wir ein Protokoll zur einfachen Isolierung bestimmter Gruppen lebender neuronaler Zellen vor, die grünes fluoreszierendes Protein aus transgenen Caenorhabditis elegans-Linien exdrücken. Diese Methode ermöglicht eine Vielzahl von Ex-vivo-Studien, die sich auf bestimmte Neuronen konzentrieren und hat die Fähigkeit, Zellen für eine weitere kurzfristige Kultivierung zu isolieren.
Während des Alterungsprozesses akkumulieren viele Zellen hohe Schadensraten, die zu zellulärer Dysfunktion führen, die vielen geriatrischen und pathologischen Bedingungen zugrunde liegt. Postmitotische Neuronen stellen einen großen Zelltyp dar, der vom Altern betroffen ist. Obwohl mehrere Säugetiermodelle der neuronalen Alterung existieren, sind sie anspruchsvoll und teuer zu etablieren. Der Rundwurm Caenorhabditis elegans ist ein leistungsfähiges Modell zur Untersuchung der neuronalen Alterung, da diese Tiere eine kurze Lebensdauer, eine verfügbare robuste genetische Werkzeugkiste und ein gut katalogisiertes Nervensystem haben. Die hier vorgestellte Methode ermöglicht eine nahtlose Isolierung bestimmter Zellen auf der Grundlage der Expression eines transgenen grünen Fluoreszenzproteins (GFP). Transgene Tierlinien, die GFP unter unterschiedlichen, zelltypspezifischen Promotoren exzessiieren, werden verdaut, um die äußere Nagelhaut zu entfernen, und sanft mechanisch gestört, um Gülle zu produzieren, die verschiedene Zelltypen enthält. Die von Interesse geprägten Zellen werden dann durch fluoreszenzaktivierte Zellsortierung oder durch anti-GFP-gekoppelte magnetische Perlen von Nicht-Zielzellen getrennt. Die isolierten Zellen können dann für eine begrenzte Zeit kultiviert oder sofort für zellspezifische Ex-vivo-Analysen wie Transkriptionsanalysen durch quantitative PCR in Echtzeit verwendet werden. Somit ermöglicht dieses Protokoll eine schnelle und robuste Analyse zellspezifischer Reaktionen innerhalb verschiedener neuronaler Populationen in C. elegans.
In den letzten Jahrzehnten war der metazoische Modellorganismus Caenorhabditis elegans ein enormer Vorteil bei der Untersuchung von Neuronen, neuronalen Schaltkreisen und seiner Rolle bei physiologischen und Verhaltensreaktionen sowie alterungsassoziierten neurodegenerativen Krankheiten. Ein einzigartiges Merkmal von C. elegans ist, dass die Tiere transparent sind, so dass die Abstammung aller erwachsenen somatischen Zellen abgebildet werden kann1. C. elegans beherbergt auch überschaubare Menge an Neuronen, was dazu führt, dass die Morphologie und Konnektivität des Nervensystems gut verstanden wird2. Die invariante Zellabstammung, die kurze Lebensdauer und die Fülle der genetischen Werkzeuge mit hohem Durchsatz, die für C. elegans zur Verfügung stehen, machen es zu einem idealen Modellorganismus für die Untersuchung des Alterns in verschiedenen neuronalen Populationen.
Alterung von Neuronen und neurodegenerative Störungen sind komplex, und jede Störung hat einzigartige pathologische Signaturen damit verbunden. Jedoch, für viele dieser Erkrankungen, wie Parkinson und Alzheimer-Krankheit, ein gemeinsames Merkmal ist die fortschreitende Last von falsch gefalteten Proteinen3,4,5. Bei beiden Krankheiten verrenken sich Proteine und aggregieren innerhalb der Zelle, um Toxizität zu verursachen, was letztlich zum Zelltod4,5führt. Für die richtige Alterung der Neuronen ist die Homöostase der Mitochondrien, genauer gesagt Proteinhomöostase, wichtig, da Störungen und Dyshomöostase zu Neurodegeneration6,7,8führen können. Die Zellen sind mit verschiedenen Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase ausgestattet, wobei einer die entfaltete Proteinantwort (UPR) ist – ein klassischer Signalweg, bei dem Signale von endoplasmatischem Retikulum (ER) intrazelluläre Signalkaskaden aktivieren, was zu einer transkriptionellen Antwort9. Ähnlich wie dieser UPRERzeigen Metazoen eine ähnliche Reaktion auf den Verlust der mitochondrialen Proteinhomöostase, der sogenannten mitochondrialen UPR (UPRmt)7,8. C. elegans scheint der basalste Organismus zu sein, der einen bestätigten und genau definierten UPR mt-Signalweghat 7.
Die Funktion/Dysfunktion bestimmter neuronaler Populationen innerhalb eines größeren Netzwerks kann aufgrund ihrer intrinsischen Konnektivität und Komplexität schwierig zu beurteilen sein3. Jedoch, Es besteht oft die Notwendigkeit, verschiedene neuronale Populationen aufgrund von Zelltyp-spezifischen Erkrankungen mit komplexen Pathologien zu studieren, wie diejenigen, die mit beeinträchtigten zellulären Protein Homöostase verbunden. In C. eleganskönnen spezifische neuronale Populationen genetisch manipuliert werden, was eine einfache Beobachtung in vivo ermöglicht. Das Nervensystem von C. elegans besteht in erster Linie aus Neuronen, mit einem kleinen Prozentsatz von Gliazellen. Bei erwachsenen Hermaphroditwürmern gibt es etwa 302 Neuronen, unterteiltin über 100 verschiedene Klassen 2,10. Neuronen wie cholinerge Neuronen überwiegen in neuromuskulären Knoten, während dopaminerge Neuronen sind in erster Linie in Sensationbeteiligt 10,11. Da sowohl die motorische Aktivität als auch die sensorischen Fähigkeiten mit dem Alter abnehmen, ist es wichtig, mechanistische Erkenntnisse über Defekte in diesen einzelnen Neuronen11,12zu beschreiben. Daher ist eine einfache und robuste Methode erforderlich, um intakte Zellen von Interesse für nachfolgende Ex-vivo-Studien zu isolieren.
Hier beschreiben wir eine optimierte effektive Methode zur schnellen Isolierung bestimmter neuronaler Zellen, die grünes fluoreszierendes Protein (GFP) aus C. elegans exdrücken. Diese Isolationsmethode kann bei Larven-, Jung- oder Erwachsenenwürmern durchgeführt werden. Die Isolierung von Zellen aus Larvenwürmern wurde zuvor von Zhang et al.13 veröffentlicht und wird hier nicht diskutiert. Ein wichtiger Hinweis hier ist, dass alle Würmer im gleichen Lebensstadium sein müssen, um eine Überverdauung des Tieres oder eine Kontamination durch Tiere in verschiedenen Lebensstadien zu verhindern. Durch enzymatische und mechanische Störung der Nematodenhaut, eines kollagenreichen Exoskeletts und anderer struktureller Proteine kann eine Vielzahl von Zellen isoliert werden13,14. Zellen können dann über Durchflusszytometrie oder Antikörper mit magnetischen Perlen isoliert werden. Typischerweise wird RNA über eine Phenol- und Guanidin-Isothiocyanat-Methode isoliert, um die Anreicherung der gewünschten Zellpopulation15zu gewährleisten. Mit viel Sorgfalt können diese isolierten Zellen in einem Kulturkolben oder Multi-Well-Gericht gepflegt werden. Diese Methode stellt ein einzigartiges und leistungsfähiges Werkzeug bei der Untersuchung bestimmter Neuronen dar und hat die Fähigkeit, lebende und funktionelle Zellen für die weitere Kultivierung zu isolieren.
1. Vorbereitung und Sammlung von gealterten Würmern zur Zellisolierung
HINWEIS: Im Folgenden wird die Isolierung von cholinergen Neuronen aus dem transgenen Unc-17::GFP-Stamm (OH13083) aus dem Caenorhabditis Genetics Center (CGC) Stammlager der University of Minnesota erklärt. Es ist zwingend notwendig, sterile Bedingungen aufrechtzuerhalten, um eine Kontamination durch Pilze oder Bakterien zu verhindern.
2. Isolierung von GFP-positiven Zellen über Durchflusszytometrie oder Anti-GFP-Magnetperlen
HINWEIS: Es gibt zwei Methoden, die bereitgestellt werden können, um bestimmte Zelltypen zu isolieren. Die erste Methode ist die Verwendung der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS), während die zweite Methode antikörperkonjugierte magnetische Perlen verwendet, um Zellen zu bündeln, die unterschiedliche Plasmamembran-lokalisierte Proteine exezieren. Letzteremethode erfordert die Lokalisierung von GFP in die Plasmamembran und steht somit für die Wechselwirkung mit der antikörpergekoppelten Magnetperle zur Verfügung.
3. Fluoreszierende Bildgebung isolierter GFP-positiver Zellen
4. Extraktion von RNA aus isolierten Zellen
HINWEIS: Die Extraktion von RNA sollte unmittelbar nach der Zellisolierung durchgeführt werden, um eine hohe Materialqualität zu gewährleisten. Isolierte RNA kann verwendet werden, um cDNA und anschließende Messung der Transkriptionswerte durch quantitative PCR (qPCR) zu erzeugen. Alle Röhren, Spitzen und Reagenzien sollten RNase-frei sein, und der Arbeitsplatz sollte vor der RNA-Extraktion mit Ethanol gewaschen werden.
Das hier beschriebene Protokoll ermöglicht eine spezifische Isolierung von unc-17::GFP-positive cholinerge Neuronen aus dem Rundwurm C. elegans für nachfolgende Ex-vivo-Studien wie zelltypspezifischeS Genexpressionsprofiling und kurzfristige Kultivierung für Patch-Clamp-Elektrophysiologiemessungen.
Abbildung 1 zeigt unc-17::GFP-positive cholinerge Neuronen in ihrer norm...
Der Rundwurm C. elegans ist ein etabliertes und leistungsfähiges Modell zur Untersuchung der neuronalen Gesundheit und Krankheit2. Mit reichlich genetischen Werkzeugen, um diese Tiere zu manipulieren und einer überschaubaren Menge genau kartierter verschiedener Neuronentypen können mit einer relativ geringen Menge Material viele Daten gesammelt werden. Hier skizzieren wir eine optimierte Methode, um verschiedene Neuronen von ganzen Tieren zu isolieren. Durch die Störung der äußeren ...
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Wir danken Dr. Jennifer Fox und den Mitgliedern des Khalimonchuk-Labors für aufschlussreiche Kommentare. Wir würdigen die Unterstützung der National Institutes of Health (R01 GM108975 an O.K. und T32 GM107001-01A1 an E.M.G.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
6-well plate | Fisher Scientific | 12-556-004 | |
Agar, Molecular Biology Grade | VWR | A0930 | |
CaCl2 | Sigma | C5670 | |
Chloroform | Sigma | 496189 | |
Contess Automated Cell Counter | Invitrogen | Z359629 | |
DTT | USBiological | D8070 | |
Ethanol | Decon Labs | 2701 | |
FBS | Omega Scientific | FB-02 | |
Fluorodeoxyuridine | Sigma | F0503 | |
HEPES | Sigma | H3375 | |
Isopropanol | VWR | BDH1133 | |
KCl | Amresco | O395 | |
KH2PO4 | USBiological | P5110 | |
Kimwipes | Kimberly-Clark Professionals | 7552 | |
Leibovitz's L-15 Medium | Gibco | 21083027 | |
MgCl2 | Sigma | M8266 | |
MgSO4 | USBiological | M2090 | |
Na2HPO4·7H2O | USBiological | S5199 | |
NaCl | VWR | X190 | |
NaOCl (Bleach) | Clorox | ||
NaOH | Amresco | O583 | |
Penicillin-Streptomicen | Fisher Scientific | 15140122 | |
Peptone Y | USBiological | P3306 | |
Pronase E | Sigma | 7433 | protease mixture from Streptomyces griseus |
SDS | Amresco | O227 | |
SMT1-FLQC fluorescence stereomicroscope | Tritech Research | ||
Sucrose | USBiological | S8010 | |
SuperScript IV One-Step synthesis kit | ThermoFisher | 12594025 | |
TRIzol | Invitrogen | 15596026 | phenol and guanidine isothiocyanate solution |
Trypan Blue Stain | Invitrogen | T10Z82 | |
α-GFP magnetic beads | MBL | D153-11 |
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