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Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
Aquí se presenta un protocolo robusto para aislar gránulos de neuromelanina del tejido humano post-mortem substantia nigra pars compacta mediante microdisección láser. Este protocolo revisado y optimizado minimiza enormemente el tiempo requerido para la recolección de muestras, reduce la cantidad de muestra requerida y mejora la identificación y cuantificación de proteínas mediante análisis LC-MS / MS.
La neuromelanina es un pigmento negro-marrón, presente en los llamados gránulos de neuromelanina (NMG) en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra pars compacta. Además de la neuromelanina, los NMG contienen una variedad de proteínas, lípidos y metales. Aunque las neuronas dopaminérgicas que contienen NMG se pierden preferentemente en enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Parkinson y la demencia con cuerpos de Lewy, solo se sabe poco sobre el mecanismo de formación de NMG y el papel de los NMG en la salud y la enfermedad. Por lo tanto, es esencial una mayor investigación sobre la caracterización molecular de los NMG. Desafortunadamente, los protocolos estándar para el aislamiento de proteínas se basan en la ultracentrifugación por gradiente de densidad y, por lo tanto, requieren grandes cantidades de tejido humano. Por lo tanto, aquí se establece un protocolo automatizado basado en microdisección láser (LMD) que permite la recolección de NMG y tejido circundante de sustancia negra (SN) utilizando cantidades mínimas de tejido de manera imparcial y automatizada. Las muestras extirpadas se analizan posteriormente por espectrometría de masas para descifrar su composición proteómica. Con este flujo de trabajo, se identificaron 2.079 proteínas, de las cuales 514 proteínas se identificaron exclusivamente en NMG y 181 en SN. Los resultados actuales se han comparado con un estudio previo que utiliza un enfoque similar basado en LMD que alcanza una superposición del 87,6% para ambos proteomas, verificando la aplicabilidad del protocolo revisado y optimizado presentado aquí. Para validar los hallazgos actuales, las proteínas de interés se analizaron mediante espectrometría de masas dirigida, por ejemplo, experimentos de monitoreo de reacciones paralelas (PRM).
Cada tejido consiste en una mezcla heterogénea de diferentes tipos de células, pero el aislamiento específico de un tipo de célula a menudo es indispensable para una caracterización más precisa. La microdisección láser (LMD), que acopla un microscopio con una aplicación láser, es una herramienta poderosa para el aislamiento específico de áreas de tejido, células individuales o subestructuras celulares a partir de un compuesto complejo. La aplicación de LMD en combinación con espectrometría de masas (LMD-MS) ya se ha implementado con éxito para varias preguntas de investigación, incluido el aislamiento de ADN1, ARN2 y proteínas 3,4,5. En este protocolo, se describe un protocolo LMD-MS revisado y optimizado para el análisis proteómico del tejido cerebral post-mortem humano y los componentes subcelulares para descifrar nuevos mecanismos patológicos de la enfermedad de Parkinson.
La neuromelanina es un pigmento negro, casi insoluble, que se encuentra en las neuronas catecolaminérgicas, productoras de dopamina de la sustancia negra pars compacta6. Junto con proteínas y lípidos, se acumula en gránulos similares a orgánulos rodeados por una doble membrana, llamada gránulos de neuromelanina (NMG)7,8,9. Los NMG pueden ser observados a partir de los tres años de edad en humanos aumentando en cantidad y densidad durante el proceso de envejecimiento10,11. Hasta la fecha, no existe una hipótesis definitiva sobre la formación de neuromelanina, pero una suposición es que la neuromelanina se forma a través de la oxidación de la dopamina12. Otras hipótesis se basan en la producción enzimática de neuromelanina (por ejemplo, tirosinasa)13. Se encontró que la neuromelanina en sí misma tiene una alta afinidad de unión a lípidos, toxinas, iones metálicos y pesticidas. Con base en estos hallazgos, se supone que la formación de NMGs protege a la célula de la acumulación de sustancias tóxicas y oxidativas y de toxinas ambientales14,15. Además de esta función neuroprotectora, hay evidencia de que la neuromelanina puede causar efectos neurodegenerativos, por ejemplo, por saturación de hierro y la posterior catálisis de radicales libres16,17. Además, la neuromelanina liberada durante los procesos neurodegenerativos puede ser descompuesta por peróxido de hidrógeno, lo que podría acelerar la necrosis por metales reactivos y otros compuestos tóxicos previamente unidos a la neuromelanina y puede contribuir a la neuroinflamación y al daño celular18. Sin embargo, hasta ahora el papel exacto de los NMG en procesos neurodegenerativos como en el curso de la enfermedad de Parkinson no se entiende claramente. Aún así, los NMG parecen estar involucrados en la patogénesis de la enfermedad de Parkinson y su análisis específico es de suma importancia para desentrañar su papel en la neurodegeneración. Desafortunadamente, los animales comunes de laboratorio (por ejemplo, ratones y ratas) y las líneas celulares carecen de NMG19. Por lo tanto, los investigadores confían especialmente en el tejido cerebral post-mortem para su análisis. En el pasado, el aislamiento de NMG por centrifugación por gradiente de densidad dependía de la disponibilidad de altas cantidades de tejido de sustancia negra 20,21. Hoy, LMD presenta una herramienta versátil para aislar específicamente los NMG de muestras de cerebro humano para luego analizarlos mediante LC-MS / MS.
En este protocolo, se presenta una versión mejorada y automatizada de un protocolo anterior22 para el aislamiento de NMG y tejido circundante (SN), lo que permite una generación de muestras más rápida, un mayor número de proteínas identificadas y cuantificadas, y una reducción severa de las cantidades de tejido requeridas.
El uso de tejido cerebral humano fue aprobado por el comité de ética de la Ruhr-University Bochum, Alemania (número de expediente 4760-13), de acuerdo con las regulaciones y directrices alemanas. Este protocolo se ha aplicado en rodajas de tejido de substantia nigra pars compacta obtenidas comercialmente. En la figura 1 se muestra una descripción gráfica del protocolo presentado.
1. Sección de tejidos
2. Microdisección láser y catapulta a presión
NOTA: Como los gránulos de neuromelanina son visibles sin ninguna tinción debido a su color negro-marrón, no es necesaria ninguna tinción para este protocolo. Sin embargo, se pueden combinar diferentes procedimientos de tinción con este protocolo si es necesario. Tenga en cuenta que el uso de soluciones de bloqueo o anticuerpos influirá en los análisis LC-MS/MS.
3. Digestión tríptica
4. Cromatografía líquida de alta resolución y espectrometría de masas
NOTA: El siguiente análisis de espectrometría de masas (MS) de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) está optimizado para el sistema LC específico con un dispositivo de columna de captura y un espectrómetro de masas utilizado aquí (consulte la Tabla de materiales). Para otros sistemas LC y MS, se recomienda la adaptación de los parámetros.
5. Análisis de datos brutos proteómicos utilizando MaxQuant
NOTA: En la Tabla complementaria 2 se proporciona información detallada sobre los parámetros de MaxQuant. A continuación se describen brevemente.
6. Análisis estadístico usando Perseo
7. Validación de proteínas seleccionadas
NOTA: Los métodos comúnmente utilizados para la validación de los datos de EM son, por ejemplo, la tinción inmunológica o Western Blot. Debido al color oscuro y la autofluorescencia de la neuromelanina, la tinción inmunológica de las proteínas dentro de los gránulos de neuromelanina, ya sea con anticuerpos conjugados con peroxidasa de rábano picante o fluoróforos, no es aplicable. Para el análisis Western Blot, serían necesarias cantidades muy grandes de tejido post-mortem . Por lo tanto, las proteínas seleccionadas se validan mediante espectrometría de masas dirigida y, en el presente caso, se establecieron experimentos de monitoreo de reacciones paralelas (PRM).
El aislamiento específico de NMGs y tejido SN es el paso más importante para la aplicación exitosa de este protocolo. Utilizando la función de análisis de campo de visión en el software proporcionado por el proveedor del LMD, los NMG se pueden seleccionar automáticamente de una manera dependiente del color. Por lo tanto, se deben identificar las áreas de tejido que contienen NMG (Figura 2A) y se debe realizar un análisis de campo de visión con umbrales de color aju...
La LMD es una técnica ampliamente aplicable para el aislamiento de áreas específicas de tejido, células individuales o estructuras subcelulares. En el protocolo revisado y automatizado presentado aquí, esta técnica se aplica para el aislamiento específico de gránulos de neuromelanina (NMG) y tejido circundante de NMG (SN). Hasta ahora, se publicaron y utilizaron ampliamente dos enfoques diferentes para el aislamiento de NMG del tejido cerebral post-mortem humano:
a) Un gradien...
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Este trabajo fue apoyado por de. NBI, un proyecto del Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) (número de subvención FKZ 031 A 534A) y P.U.R.E. (Unidad de Investigación de Proteínas del Ruhr dentro de Europa) y subvenciones del Centro de Diagnóstico de Proteínas (ProDi), ambas del Ministerio de Innovación, Ciencia e Investigación de Renania del Norte-Westfalia, Alemania.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,4-dithiothreitol | AppliChem | A1101 | |
Acetonitrile | Merck | 1.00029.2500 | |
Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | A6141 | |
Formic acid | Sigma-Aldrich | 56302 | |
Iodoacetamide | AppliChem | A1666,0100 | |
Micro Tube 500 | Carl Zeiss | 415190-9221-000 | |
Orbitrap Fusion Lumos Tribrid mass spectrometer | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBHQ | |
PALM MicroBeam | Zeiss | 494800-0014-000 | |
PEN Membrane slide | Carl Zeiss | 415190-9041-000 | |
substantia nigra pars compacta tissue slices | Navarrabiomed Biobank (Pamplona, Spain) | ||
Trifluoroacetic acid | Merck | 91707 | |
Trypsin sequencing grade | Serva | 37283.01 | |
Ultimate 3000 RSLC nano LC system | Thermo Fisher Scientific | ULTIM3000RSLCNANO | |
Name of Software | Weblink/Company | Version | |
FreeStyle | Thermo Fisher Scientific | 1.6 | |
MaxQuant | https://www.maxquant.org/ | 1.6.17.0 | |
PALMRobo | Zeiss | 4.6 pro | |
Perseus | https://www.maxquant.org/perseus/ | 1.6.15.0 | |
Skyline | https://skyline.ms/project/home/software/Skyline/begin.view | 20.2.0.343 | |
XCalibur | Thermo Fisher Scientific | 4.3 |
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