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Method Article
Questo protocollo descrive un flusso di lavoro ottimizzato per l'isolamento dei nuclei e la microscopia ad illuminazione strutturata a super-risoluzione per valutare le singole nucleoporine all'interno del nucleoplasma e le NPC nei neuroni derivati da cellule staminali pluripotenti indotte e nei tessuti umani post mortem.
Il complesso dei pori nucleari (NPC) è una struttura macromolecolare complessa composta da più copie di ~30 diverse proteine nucleoporine (Nups). Collettivamente, questi Nup funzionano per regolare l'organizzazione del genoma, l'espressione genica e il trasporto nucleocitoplasmatico (NCT). Recentemente, i difetti della NCT e le alterazioni di specifici Nup sono stati identificati come patologie precoci e prominenti in molteplici malattie neurodegenerative, tra cui la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), la malattia di Alzheimer (AD)/demenza frontotemporale (FTD) e la malattia di Huntington (HD). I progressi nella microscopia ottica ed elettronica consentono un esame approfondito delle strutture subcellulari, tra cui l'NPC e i suoi costituenti Nup, con maggiore precisione e risoluzione. Tra le tecniche comunemente utilizzate, la microscopia ad illuminazione strutturata (SIM) a super-risoluzione offre l'opportunità senza precedenti di studiare la localizzazione e l'espressione di singoli Nup utilizzando strategie di marcatura convenzionali basate su anticorpi. L'isolamento dei nuclei prima della SIM consente la visualizzazione delle singole proteine Nup all'interno dell'NPC e del nucleoplasma in uno spazio 3D completamente e accuratamente ricostruito. Questo protocollo descrive una procedura per l'isolamento dei nuclei e la SIM per valutare l'espressione e la distribuzione di Nup in cellule del SNC derivate da iPSC umane e tessuti post mortem.
La prevalenza delle malattie neurodegenerative legate all'età è in aumento con l'invecchiamento della popolazione1. Mentre le basi genetiche e le caratteristiche patologiche sono ben caratterizzate, gli eventi molecolari precisi che portano al danno neuronale rimangono poco compresi2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Recentemente, un G4C2 l'espansione delle ripetizioni esanucleotidiche nel primo introne del gene C9orf72 è stata identificata come la causa genetica più comune delle malattie neurodegenerative correlate: la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e la demenza frontotemporale (FTD)13,14. Diversi studi ora supportano un ruolo centrale per le interruzioni nel meccanismo di trasporto nucleare, compresi i complessi di pori nucleari (NPC) e i recettori di trasporto nucleare (NTR, carioferine), come causali della SLA C9orf7215,16. Nelle cellule non in divisione all'interno del cervello di ratto, le nucleoporine dell'impalcatura (Nups) sono estremamente longeve. Di conseguenza, durante l'invecchiamento sono state riportate alterazioni di NPC e NCT17,18,19,20. Inoltre, alcune nucleoporine o trasporte, quando mutate, sono legate a specifiche malattie neurologiche21,22. Ad esempio, le mutazioni in Nup62 sono state collegate alla necrosi striatale bilaterale infantile (IBSN), una malattia neurologica che colpisce il nucleo caudato e il putamen23; mutazioni in Gle1 sono state implicate nella malattia del motoneurone fetale Sindrome da contrattura congenita letale-1 (LCCS1)24; e le mutazioni in Aladin sono causali della sindrome da tripla A25. Le alterazioni della NCT funzionale sono esacerbate nelle malattie neurodegenerative legate all'età come la SLA, la malattia di Huntington (HD) e il morbo di Alzheimer (AD)16,26,27,28,29,30,31. Inoltre, specifici Nup e NTR sono stati riportati come modificatori della tossicità mediata da C9orf72 nel Drosophila occhio28 o modificare biochimicamente lo stato di aggregazione di proteine legate alla malattia come FUS e tau27,32,33,34. Collettivamente, questi primi studi suggeriscono che l'alterazione dell'NCT può essere una caratteristica patologica primaria e precoce della SLA e della FTD. Gli studi sul sistema di modelli basati sulla sovraespressione hanno suggerito che l'errata localizzazione di specifici Nups e carioferine può avere un impatto sulla NCT16,35,36,37,38. Tuttavia, questi studi patologici non collegano effettivamente gli accumuli citoplasmatici di proteine NPC a difetti nella struttura o nella funzione dell'NPC. Ad esempio, questa patologia può semplicemente riflettere la disregolazione dei pool citoplasmatici delle proteine Nup con scarso impatto sulla composizione e sulla funzione delle NPC. Al contrario, un recente studio che impiega la microscopia ad illuminazione strutturata (SIM) a super risoluzione dimostra l'emergere di una lesione significativa alla NPC stessa, caratterizzata dalla riduzione dei livelli specifici di Nup all'interno del nucleoplasma e delle NPC dei neuroni umani C9orf72 ALS/FTD, che in ultima analisi porta a un'alterazione della funzione NPC come evento iniziale nelle cascate di malattie patogene15.
Il passaggio delle macromolecole tra il nucleo e il citoplasma è governato dal complesso dei pori nucleari (NPC). L'NPC è un grande complesso macromolecolare incorporato nell'involucro nucleare composto da copie multiple di 30 proteine nucleoporine (Nups)39,40,41. Sebbene la stechiometria Nup vari tra i tipi di cellule 42,43,44, il mantenimento della composizione complessiva dell'NPC è fondamentale per l'NCT, l'organizzazione del genoma e la vitalità cellulare complessiva 39,41,45,46. Di conseguenza, è probabile che l'alterazione della composizione delle NPC e i conseguenti difetti nel trasporto funzionale abbiano un impatto su una miriade di funzioni cellulari a valle. I costituenti Nup dell'NPC sono altamente organizzati in molteplici sottocomplessi, tra cui l'anello citoplasmatico e i filamenti, il canale centrale, l'anello esterno, l'anello interno, l'anello transmembrana e il cestello nucleare. Collettivamente, i Nup dell'anello interno, esterno e transmembrana ancorano le NPC all'interno dell'involucro nucleare e forniscono punti di ancoraggio per le Nup dell'anello citoplasmatico, del canale centrale e del cestello nucleare. Mentre piccole molecole (<40-60 kD) possono diffondere passivamente attraverso l'NPC, il trasporto attivo di carichi più grandi è facilitato dalle interazioni tra i recettori di trasporto nucleare (NTR, carioferine) e i Nup FG dei filamenti citoplasmatici, del canale centrale e del paniere nucleare 39,40,41,45. Inoltre, una manciata di Nup può anche funzionare al di fuori dell'NPC, all'interno del nucleoplasma, per regolare l'espressione genica46,47.
Dato che la dimensione laterale di una singola NPC umana è di circa 100-120 nm40, la microscopia standard a campo largo o confocale è insufficiente per risolvere le singole NPC48. Le tecniche di microscopia elettronica (EM) come TEM o SEM sono spesso utilizzate per valutare la struttura complessiva delle NPC39,40. Nonostante i vantaggi di queste tecniche per risolvere l'ultrastruttura delle NPC, sono meno comunemente utilizzate per valutare la presenza di singole proteine Nup all'interno delle NPC. I limiti tecnici della combinazione di marcatura basata su anticorpi o tag con queste tecnologie all'avanguardia, TEM e SEM, non sempre consentono una valutazione accurata e affidabile dei singoli Nup stessi all'interno delle NPC o del nucleoplasma. Inoltre, queste tecniche possono essere tecnicamente impegnative e non sono ancora ampiamente accessibili a tutti i ricercatori. Tuttavia, i recenti progressi nella microscopia a luce e a fluorescenza hanno aumentato l'accessibilità delle tecnologie di imaging a super-risoluzione. In particolare, la SIM offre l'opportunità senza precedenti di visualizzare singoli Nup con una risoluzione che si avvicina alle dimensioni laterali di un NPC umano 40,48,49,50,51. A differenza di altri approcci a super-risoluzione come la microscopia a ricostruzione ottica stocastica (STORM) e la deplezione di emissione stimolata (STED), la SIM è compatibile con l'immunocolorazione convenzionale basata su anticorpi49. Pertanto, la SIM consente un'analisi completa di tutti i Nup per i quali è disponibile un anticorpo Nup specifico. La capacità di campionare e visualizzare più Nup diversi nella stessa preparazione offre vantaggi significativi ad altri metodi di imaging durante l'indagine delle numerose proteine che compongono l'NPC. La seguente procedura descrive in dettaglio un protocollo ottimizzato per la valutazione dei singoli componenti Nup dell'NPC utilizzando nuclei isolati da neuroni derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) e tessuti del sistema nervoso centrale umano (SNC) post mortem.
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Tutti i campioni di sangue per la generazione di iPSC e le raccolte di tessuti autopsici sono approvati dalla Johns Hopkins IRB con la supervisione etica della Johns Hopkins. Tutte le informazioni per i pazienti sono conformi all'HIPPA. Il seguente protocollo aderisce a tutte le procedure di biosicurezza della Johns Hopkins.
1. Preparazione di vetrini per immunocolorazione e imaging
2. Preparazione del tampone di lisi e dei gradienti di saccarosio
3. Lisi delle iPSNs e del tessuto nervoso centrale umano post mortem
4. Isolamento di nuclei da iPSN e tessuto del SNC umano post mortem
5. Immunocolorazione dei nuclei isolati
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Per esaminare la NPC e la distribuzione nucleoplasmatica e l'espressione di POM121 nei nuclei neuronali umani, le iPSN di controllo e C9orf72 sono state differenziate come precedentemente descritto15. La corteccia motoria umana post-mortem e gli iPSN del giorno 32 sono stati lisati e sottoposti a isolamento dei nuclei e immunocolorazione come descritto sopra. I nuclei isolati positivi per NeuN sono stati ripresi mediante microscopia a illuminazione strutturata (SI...
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Data la recente identificazione dei deficit di NCT come fenomeno precoce e prominente in molteplici malattie neurodegenerative 16,27,28,30,31, esiste una necessità critica di esaminare a fondo il meccanismo attraverso il quale si verifica questa patologia. Poiché l'NPC e le sue singole proteine Nup controllano in modo critic...
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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
I tessuti umani post-mortem del SNC sono stati forniti dalla Johns Hopkins ALS Autopsy Bank e dal Target ALS Postmortem Tissue Core. Questo lavoro è stato supportato dall'ALSA Milton Safenowitz Postdoctoral Fellowship (ANC), nonché dai finanziamenti di NIH-NINDS, Dipartimento della Difesa, ALS Association, Muscular Dystrophy Association, F Prime, The Robert Packard Center for ALS Research Answer ALS Program e Chan Zuckerberg Initiative.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
50 mL conical tubes | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
Beckman Ultracentrifuge | Beckman Coulter | ||
Cell Scrapers | Sarstedt | 83.183 | |
Collagen | Advanced Biomatrix | 5005 | |
Coverslips | MatTek | PCS-170-1818 | |
Cytofunnel | Thermo Fisher Scientific | A78710020 | |
Cytospin 4 | Fisher Scientific | A78300003 | |
Dounce Homogenizers | DWK Life Sciences | 357542 | |
DTT | Sigma Aldrich | D0632 | |
Eppendorf tubes | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
Goat Anti-Chicken Alexa 647 | Thermo Fisher Scientific | A-21449 | |
Goat Anti-Mouse Alexa 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11029 | |
Goat Anti-Mouse Alexa 568 | Thermo Fisher Scientific | A-11031 | |
Goat Anti-Mouse Alexa 647 | Thermo Fisher Scientific | A-21236 | |
Goat Anti-Rabbit Alexa 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11034 | |
Goat Anti-Rabbit Alexa 568 | Thermo Fisher Scientific | A-11036 | |
Goat Anti-Rabbit Alexa 647 | Thermo Fisher Scientific | A-21245 | |
Goat Anti-Rat Alexa 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11006 | |
Goat Anti-Rat Alexa 568 | Thermo Fisher Scientific | A-11077 | |
Goat Anti-Rat Alexa 647 | Thermo Fisher Scientific | A-21247 | |
Hemacytometer | Fisher Scientific | 267110 | |
Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Normal Goat Serum | Vector Labs | S-1000 | |
Nuclei PURE Prep Nuclei Isolation Kit | Sigma Aldrich | NUC201 | Contains Lysis Buffer, 10% Triton X-100, 2 M Sucrose Gradient, Sucrose Cushion Solution, and Nuclei Storage Buffer; Referenced in protocol as "nuclei isolation kit" |
PBS | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | |
PFA | Electron Microscopy Sciences | 15714-S | |
Prolong Gold Antifade | Invitrogen | P36930 | Referenced in protocol as "hard mount antifade mounting media" |
SW 32 Ti Ultracentrifuge Rotor | Beckman Coulter | 369694 | Referenced in protocol as "ultracentrifuge rotor" |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | T9284 | |
Trypan Blue | Thermo Fisher Scientific | 15-250-061 | |
Ultracentrifuge Tubes | Beckman Coulter | 344058 | |
Nucleoporin Primary Antibodies | Primary antibodies suitable for immunofluorescent detection of invidual nucleoporins are available from multiple companies |
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