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Method Article
In einem Exzitotoxizitätsmodell von C. elegans verwendet dieses Protokoll In-vivo-Bildgebung, um die Regulation der nekrotischen Neurodegeneration, die Wirkung von Genen, die für Kandidatenmediatoren kodieren, und die Beteiligung von Mitochondrien zu analysieren. Die Zelldissoziation und -sortierung wird verwendet, um spezifisch gefährdete Neuronen für die zellspezifische transkriptomische Analyse von Neurodegenerations- und Neuroprotektionsmechanismen zu gewinnen.
Die exzitotoxische Nekrose ist eine der führenden Formen der Neurodegeneration. Dieser Prozess der regulierten Nekrose wird durch die synaptische Akkumulation des Neurotransmitters Glutamat und die übermäßige Stimulation seiner postsynaptischen Rezeptoren ausgelöst. Es fehlen jedoch Informationen über die nachfolgenden molekularen Ereignisse, die in der ausgeprägten neuronalen Schwellungsmorphologie dieser Art der Neurodegeneration gipfeln. Andere Aspekte, wie z.B. Veränderungen in bestimmten subzellulären Kompartimenten oder die Grundlage für die unterschiedliche zelluläre Vulnerabilität verschiedener neuronaler Subtypen, sind noch wenig erforscht. Darüber hinaus können eine Reihe von Faktoren, die in Studien zum Tragen kommen, in denen In-vitro- oder Ex-vivo-Präparate verwendet werden, das natürliche Fortschreiten dieser Form der Neurodegeneration verändern und verzerren. Es ist daher wichtig, die exzitotoxische Nekrose bei lebenden Tieren zu untersuchen, indem die Auswirkungen von Eingriffen beobachtet werden, die das Ausmaß der neuronalen Nekrose im genetisch zugänglichen und transparenten Modellsystem des Fadenwurms Caenorhabditis elegans regulieren. Dieses Protokoll beschreibt Methoden zur Untersuchung der exzitotoxischen Nekrose in C . elegans-Neuronen , wobei optische, genetische und molekulare Analysen kombiniert werden. Um exzitotoxische Zustände in C. elegans zu induzieren, wird ein Knockout eines Glutamattransporter-Gens (glt-3) mit einem neuronalen sensibilisierenden genetischen Hintergrund (nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)]) kombiniert, um eine Glutamatrezeptor-Überstimulation und Neurodegeneration zu erzeugen. Nomarski-Differentialinterferenzkontrast (DIC), Fluoreszenz- und Konfokalmikroskopie bei lebenden Tieren sind Methoden, die zur Quantifizierung der Neurodegeneration, zur Verfolgung der subzellulären Lokalisierung fluoreszenzmarkierter Proteine und zur Quantifizierung der mitochondrialen Morphologie in den degenerierenden Neuronen verwendet werden. Neuronal Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) wird verwendet, um gefährdete Neuronen für die zelltypspezifische Transkriptomanalyse der Neurodegeneration eindeutig zu sortieren. Eine Kombination aus Live-Imaging- und FACS-Methoden sowie die Vorteile des Modellorganismus C. elegans ermöglichen es den Forschern, dieses System zu nutzen, um reproduzierbare Daten mit einer großen Stichprobengröße zu erhalten. Die Erkenntnisse aus diesen Assays könnten zu neuen Zielen für therapeutische Interventionen bei neurodegenerativen Erkrankungen führen.
Exzitotoxizität ist die Hauptursache für den neuronalen Tod bei Hirnischämie und ein beitragender Faktor bei mehreren neurodegenerativen Erkrankungen 1,2,3,4,5,6,7,8,9. Eine Störung des sauerstoffreichen Blutflusses zum Gehirn (z. B. aufgrund eines Blutgerinnsels) führt zu einer Fehlfunktion der Glutamattransporter, was zu einer Akkumulation von Glutamat in der Synapse führt. Dieser Überschuss an Glutamat überaktiviert postsynaptische Glutamatrezeptoren (GluRs), was zu einem übermäßigen (katalytischen, nicht-stöchiometrischen) Einstrom von Ca2+ in Neuronen führt (Abbildung 1A). Dieser nachteilige Einstrom führt zu einer fortschreitenden postsynaptischen Neurodegeneration, die morphologisch und mechanistisch von Apoptose bis hin zu regulierter Nekrose reicht 10,11,12. Obwohl sie auf erfolgreichen Interventionen in Tiermodellen basierten, sind mehrere klinische Studien mit GluR-Antagonisten, die darauf abzielten, den Eintritt von Ca2+ zu blockieren und die Zellviabilität zu fördern, im klinischen Umfeld gescheitert 13,14,15,16. Ein wahrscheinlich entscheidender Faktor für dieses Versagen ist die Tatsache, dass (im Gegensatz zu den Tiermodellen) die Behandlung im klinischen Umfeld Stunden nach Beginn des Schlaganfalls verabreicht wird, was dazu führt, dass die Intervention spät wirkende neuroprotektive Mechanismen blockiert, während die degenerative Signalübertragung stromabwärts von GluRs 14,16,17 nicht unterbrochen wird. Ein alternativer Ansatz, der auf der Thrombolyse basiert, kann nur in einem stark eingeschränkten Zeitfenster verabreicht werden, so dass viele Patienten (die zu Hause einen Schlaganfall mit schlecht erkennbarem Erkrankungszeitpunkt erleiden) nicht davon profitieren können17. Diese Rückschläge unterstreichen die Notwendigkeit, die Exzitotoxizitätsforschung auf die Untersuchung von Ereignissen zu konzentrieren, die nach einer GluR-Hyperstimulation auftreten, und nachfolgende degenerative Kaskaden von gleichzeitigen neuroprotektiven Prozessen zu unterscheiden. Dieser Ansatz kann dazu beitragen, Zellschäden zu verhindern und effiziente Wirkstoffziele zu identifizieren, die später nach dem Auftreten der Schädigung verabreicht werden können.
Ein Ansatz, um nachfolgende Ereignisse in der Exzitotoxizität zu identifizieren, besteht darin, die Zelltod-Signalmechanismen nach der GluR-Hyperstimulation zu untersuchen, wie z. B. diejenigen, die zum Mitochondrienkollaps führen. Eine drastische Fehlfunktion der mitochondrialen Physiologie und Dynamik ist ein Kennzeichen der Neurodegeneration, wie in der Exzitotoxizität 18,19,20 zu sehen ist. Während alle Zellen für das Überleben, die Aktivität und den Zellerhalt auf die Funktion und Verfügbarkeit der Mitochondrien angewiesen sind, sind Neuronen besonders auf die mitochondriale Energieproduktion angewiesen, um die Signalübertragung und -ausbreitung zu unterstützen. Konkret wenden Neuronen ~50% ihres signalbedingten Energieverbrauchs auf, um das Ruhemembranpotenzial nach der Aktivierung postsynaptischer Rezeptoren/Kanälewiederherzustellen 21, mit hoher Abhängigkeit von Sauerstoff und Glukose. Die beim Schlaganfall beobachtete verminderte Verfügbarkeit von Glukose und Sauerstoff führt zu schwerwiegenden mitochondrialen Veränderungen, die zu einer weiteren Verringerung der ATP-Produktion führen 19,22,23,24. Studien zur Identifizierung der Abfolge von Ereignissen, die zum Mitochondrienkollaps führen, führten jedoch zu kontroversen Ergebnissen und es fehlte an Konsens. Die Analyse der mitochondrialen Morphologie kann helfen, diese Ereignisse zu verstehen, die zur mitochondrialen Pathologie führen, da sie ein guter Indikator für die neuronale Gesundheit ist 25,26,27,28,29. Filamentöse Mitochondrien sind repräsentativ für ein gesundes Neuron, während fragmentierte Mitochondrien erhebliche neuronale Schäden aufweisen, die zum Zelltod führen können. Die Analyse der mitochondrialen Morphologie bei lebenden Tieren unter verschiedenen genetischen Bedingungen kann dazu beitragen, sich auf spezifische Gene und Signalwege zu konzentrieren, die an der mitochondrial-abhängigen Neurodegeneration bei Exzitotoxizität beteiligt sind.
Ein weiterer Ansatz zur Identifizierung nachfolgender Ereignisse, die das Ausmaß der exzitotoxischen Neurodegeneration regulieren könnten, besteht darin, die transkriptionellen neuroprotektiven Mechanismen zu untersuchen, die einige der Auswirkungen der Exzitotoxizität abschwächen14,16. Die mangelnde Spezifität der wichtigsten neuroprotektiven Transkriptionsfaktoren und die Divergenz der Versuchsanordnungen behindern jedoch den Erfolg der Bemühungen, die wichtigsten neuroprotektiven Programme (insbesondere bei regulierter Nekrose) eindeutig zu identifizieren.
Daher stießen sowohl die Untersuchung der nachgeschalteten Todessignalwege als auch die Untersuchung der transkriptionellen Neuroprotektion bei Exzitotoxizität auf große Schwierigkeiten und Meinungsverschiedenheiten über die beobachteten Ergebnisse. Ein Großteil dieser Kontroverse dürfte auf die Verwendung von ex vivo- oder in vitro-Modellen der Exzitotoxizität und die Variabilität zurückzuführen sein, die durch die Spezifität verschiedener Versuchsaufbauten entsteht. Es ist daher sehr vorteilhaft, sich auf die Identifizierung von Kernmechanismen zu konzentrieren, die hochkonserviert sind, und sie in vivo zu untersuchen. Das einfache Modellsystem des Fadenwurms C. elegans bietet eine besonders effektive Option, da es eine leistungsstarke und diversifizierte Kombination aus besonders leistungsfähigen und diversifizierten Forschungsinstrumenten, der Konservierung der Kernzelltodwege und den reichhaltigen Informationen über die Struktur und Konnektivität seines Nervensystems bietet 30,31,32,33. In der Tat ist die bahnbrechende Arbeit des Driscoll-Labors zur genetischen Analyse der nekrotischen Neurodegeneration in mechanosensorischen Neuronen ein hervorragender Beweis für die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes34. Wichtig für die Analyse der Exzitotoxizität ist, dass die Konservierung der Signalwege im Nematoden alle Hauptkomponenten der glutamatergen Neurotransmission umfasst35,36.
Das Nematoden-Exzitotoxizitätsmodell baut auf diesen bahnbrechenden Studien auf und ermöglicht es dem Forscher, biochemische Prozesse zu untersuchen, die denen ähneln, die bei Schlaganfällen und anderen neurodegenerativen Erkrankungen auftreten, die von Glutamat-abhängiger Neurotoxizität betroffen sind. Um exzitotoxische Bedingungen in C. elegans zu induzieren, wird in diesem experimentellen Ansatz ein Exzitotoxizitätsstamm verwendet, der die Kombination aus einem Knockout eines Glutamattransporter-Gens (glt-3) und einem neuronalen sensibilisierenden genetischen Hintergrund (nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)]) ist, um eine GluR-Überstimulation und Neurodegenerationzu erzeugen 37. Dieser Exzitotoxizitätsstamm setzt 30 spezifische (glr-1-exprimierende) Neuronen, die postsynaptisch bis glutamaterge Verbindungen sind, einer exzitotoxischen Neurodegeneration aus. Von diesen 30 gefährdeten Neuronen durchlaufen einzelne Neuronen im Laufe der Entwicklung des Tieres eine Nekrose (mit gemischter Stochastizität und teilweiser Präferenz für bestimmte spezifische Neuronen38), während gleichzeitig auch Zellleichen allmählich entfernt werden. In Kombination mit der Zugänglichkeit vieler mutierter Stämme ermöglicht dieser Ansatz die Untersuchung mehrerer Signalwege, die Neurodegeneration und Neuroprotektion beeinflussen. Diese Ansätze wurden bereits verwendet, um einige der nachgeschalteten Todessignalkaskaden39 und transkriptionellen Regulatoren der exzitotoxischen Neurodegeneration bei Exzitotoxizitätzu analysieren 38,40. Wie bei anderen Fällen nekrotischer Neurodegeneration beim Wurm41 geht es bei der exzitotoxischen Neurodegeneration des Fadenwurms nicht um die klassische Apoptose40.
Diese Methodenarbeit beschreibt das grundlegende System zur Induktion, Quantifizierung und Manipulation der exzitotoxischen nekrotischen Neurodegeneration in C. elegans. Darüber hinaus werden zwei Hauptprotokolle beschrieben, die derzeit verwendet werden, um Studien zu spezifischen Aspekten der Nematoden-Exzitotoxizität zu rationalisieren. Durch die Verwendung von fluoreszierenden Reportern und Live-In-vivo-Bildgebung kann der Forscher die mitochondriale Beteiligung und Dynamik im Nematodenmodell der exzitotoxischen Neurodegeneration untersuchen. Um die Wirkung spezifischer neuroprotektiver Transkriptionsfaktoren zu bestimmen, kann der Forscher die zelltypspezifische Expression von Fluoreszenzmarkern, die Dissoziation von Tieren in einzelne Zellen und FACS verwenden, um spezifische Neuronen zu isolieren, bei denen das Risiko einer Nekrose durch Exzitotoxizität besteht. Diese zelltypspezifisch isolierten Neuronen können dann für die RNA-Sequenzierung in Stämmen verwendet werden, die Mutationen in wichtigen Transkriptionsfaktoren aufweisen. Zusammengenommen können diese Methoden es Forschern ermöglichen, die molekularen Grundlagen der exzitotoxischen Neurodegeneration und Neuroprotektion in vivo mit großer Klarheit und Präzision zu entschlüsseln.
1. Stämme, die zur Untersuchung der exzitotoxischen Neurodegeneration und Neuroprotektion verwendet werden
2. Wachstumsmedien und Tierhaltung
3. Quantifizierung degenerierender Kopfneuronen durch Nomarski-Differentialinterferenzkontrast (DIC) und Scoring
4. Identifizierung spezifischer degenerierender Kopfneuronen
5. Live-Bildgebung der neuronalen mitochondrialen Morphologie durch Fluoreszenzmikroskopie von Reporterstämmen
6. Bewertung und Quantifizierung der Morphologie der neuronalen Mitochondrien
7. Puffer- und Reagenzpräparation für die Wurmdissoziation bei FACS von Neuronen mit Neurodegenerationsrisiko
8. Alterssynchronisation für neuronenspezifische FACS
9. Dissoziation ganzer Wurmzellen bei FACS
10. Modifikationen des FACS-Maschinenbetriebs zur Identifizierung von C. elegans-Neuronen
11.FACS-Gating-Strategie
12. Mikroskopie von sortierten Neuronen zur Validierung der Effizienz der FACS-Gating-Strategie
13. RNA-Extraktion und Quantifizierung der RNA-Qualität auf einem automatisierten Elektrophoresesystem zur Qualitätskontrolle
HINWEIS: Alle RNA-Arbeiten sollten mit äußerster Sorgfalt durchgeführt werden, um eine Kontamination mit RNase zu vermeiden (einschließlich der sorgfältigen Vorbereitung von Reagenzien, Verbrauchsmaterialien und der besten RNase-sicheren Praktiken).
HINWEIS: Führen Sie alle Schritte durch, bei denen Proben Phenol und/oder Chloroform in einem Abzug enthalten.
Nematodenmodell der Exzitotoxizität und Identifizierung vakuolisierter degenerierender Neuronen
Die hier gezeigten Daten stammen aus früheren Veröffentlichungen37,38. Um die exzitotoxisch induzierte Neurodegeneration nachzuahmen, wird ein Glutamat-Transporter-Gen-Knockout (glt-3) mit einem neuronalen sensibilisierenden transgenen Hintergrund kombiniert (nuls5
Während die vorherrschenden Kontroversen und Misserfolge darauf hindeuten, dass Exzitotoxizität ein außergewöhnlich schwer zu entschlüsselnder Prozess ist, bietet die Analyse der Exzitotoxizität im Fadenwurm eine besonders attraktive Strategie, um konservierte neuronale Zelltodwege bei dieser kritischen Form der Neurodegeneration zu beleuchten. Der Untersucher kann sich auf die reichhaltige Sammlung von Forschungsinstrumenten verlassen, die in diesem System zur Verfügung stehen, i...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Wir danken allen Mitgliedern des Mano Lab und des Li Labs (aktuell und aktuell) für ihre Hilfe und Unterstützung. Wir danken Dr. Monica Driscoll (Rutgers Univ.) für ihre Pionierarbeit bei der Analyse der nekrotischen Neurodegeneration bei Nematoden und die kontinuierliche Unterstützung; Dr. Chris Li (CCNY) für Unterstützung und Beratung; Jeffery Walker (CCNY Flow Cytometry Core Facility), Dr. Bao Voung (CCNY) und Stanka Semova (Rockefeller Univ. Sorting Faculty Core) für praktische Unterstützung und Beratung bei der Zellsortierung; Dr. Chris Rongo (Rutgers Univ.) für Reagenzien; Dr. David Miller (Vanderbilt Univ.), Coleen Murphy (Princeton Univ.), Shai Shaham, Menachem Katz und Katherine Varandas (alle drei von der Rockefeller Univ.) für C. elegans-Dissoziationsprotokolle.
Das Mano-Labor erhielt Mittel von NIH NINDS (NS096687, NS098350, NS116028) an I.M. und durch eine NIH U54 CCNY-MSKCC-Partnerschaft (CA132378/CA137788).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agar | VWR | AAA10752-0E | |
Bactopeptone | VWR | 90000-264 | |
BD FACSAriaIII | BD | ||
Bleach | Any household | ||
CaCl2 | VWR | 97062-586 | |
CaCl2·2H2O | BioExpress | 0556-500G | |
Cell Strainer, PluriStrainer mini 70um | PluriSelect | 43-10070-40 | |
Cell Strainer, PluriStrainer mini 5um | PluriSelect | 43-10005-60 | |
Centrifuge - 15-50 mL Sorval benchtop LEGENDX1R TC | Fisher Sci | 75618382 | |
Centrifuge - microfuge ; Ependorff 5424 | VWR | MP022629891 | |
Chloroform | VWR | 97064-680 | |
Cholesterol | Sigma | C8667-25G | |
DAPI | Fisher Sci | EN62248 | |
Dry ice | United City Ice Cube | ||
DTT | VWR | 97061-340 | |
E. coli OP50 | CGC | OP50 | |
Ethanol (100%) | VWR | EM-EX0276-1S | |
Ethanol (90%) | VWR | BDH1160-4LP | |
FACS tubes | USA Sci | 1450-2810 | |
Filter tips | USA Sci | 1126-7810 | |
Glass 10 mL serological pipettes | USA Sci | 1071-0810 | |
Heating block | BioExpress | D-2250 | |
Hepes | VWR | 97061-824 | |
Immersion Oil - Carl Zeiss Immersol | Fisher Sci | 12-624-66A | |
Isopropanol | VWR | EM-PX1830-4 | |
KCl | VWR | BDH9258-2.5KG | |
KH2PO4 | VWR | BDH9268-2.5KG | |
Low bind 1.5mL tubes | USA Sci | 4043-1021 | |
Metamorph Imaging Software | Molecular Devices | ||
MgCl2 | VWR | 97063-152 | |
MgCl2·6H2O | BioExpress | 0288-500g | |
MgSO4 | VWR | 97061-438 | |
Microscope, Confocal, for Fluorescence Imaging | Zeiss | LSM 880 | |
Microscope, Inverted, for Fluorescence Imaging | Zeiss | Axiovert 200 M | |
Microscope Camera | Q-Imaging | Retiga R1 | |
Microscope Light Source for Fluorescence Imaging | Lumencor | SOLA SE Light Engine | |
Microscope, Nomarski DIC | Zeiss | Axiovert Observer A1 | |
Microscope, Nomarski DIC | Nikon | Eclipse Ti-S | |
Na2HPO4 | VWR | 97061-588 | |
NaCl | VWR | BDH9286-2.5KG | |
NaOH | VWR | 97064-476 | |
Petri dishes, 100mm | Fisher Sci | FB0875712 | |
Petri dishes, 60mm | TriTech | T3308 | |
Pipet Controller | TEquipment | P2002 | |
Pipettor P10 Tips | USA Sci | 1110-3000 | |
Pipettor P1000 Tips | USA Sci | 1111-2020 | |
Pipettor P200 Tips | USA Sci | 1110-1000 | |
Pronase | Sigma | P8811-1G | |
RNAse away spray | Fisher Sci | 7000TS1 | |
RNAse free serological pipettes | USA Sci | 1071-0810 | |
RNAse-free 50 mL tubes | USA Sci | 5622-7261 | |
RNeasy micro | Qiagen | 74004 | |
SDS | VWR | 97064-496 | |
Streptomycin sulfate | Sigma | S6501-100G | |
Sucrose | VWR | AAJ63662-AP | |
SUPERase·in RNase inhibitor | Fisher Sci | AM2694 | |
Quality Control automated electrophoresis system: Tapestation - High Sensitivity RNA ScreenTape | Agilent | 5067-5579 | |
Tapestation - High Sensitivity RNA ScreenTape Ladder | Agilent | 5067-5581 | |
Tapestation - High Sensitivity RNA ScreenTape Sample Buffer | Agilent | 5067-5580 | |
Tapestation - IKA MS3 vortexer | Agilent/IKA | 4674100 | |
Tapestation - IKA vortexer adaptor at 2000 rpm | Agilent/IKA | 3428000 | |
Tapestation - Loading tips | Agilent | 5067- 5152 or 5067- 5153 | |
Tapestation - Optical Cap 8x Strip | Agilent | 401425 | |
Tapestation - Optical Tube 8x Strip | Agilent | 401428 | |
Quality Control automated electrophoresis system: TapeStation 2200 | Agilent | G2964AA | |
Tetramisole | Sigma | L9756-10G | |
Tris base | Fisher Sci | BP152-500 | |
Tris hydrochloride | Fisher Sci | BP153-500 | |
Trizol-LS | Fisher Sci | 10296-010 | |
Wescor Vapro 5520 Vapor Pressure Osmometer | Fisher Sci | NC0044806 | |
Wheaton Unispense μP Dispenser | VWR | 25485-003 |
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