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Method Article
C.エレガンスの興奮毒性モデルでは、このプロトコルはin vivoイメージングを使用して、壊死性神経変性の調節、候補メディエーターをコードする遺伝子の影響、およびミトコンドリアの関与を分析します。細胞の解離と選別は、神経変性および神経保護メカニズムの細胞特異的トランスクリプトーム解析のために、リスクのあるニューロンを特異的に取得するために使用されます。
興奮毒性壊死は、神経変性の主要な形態です。この調節壊死のプロセスは、神経伝達物質グルタミン酸のシナプス蓄積とそのシナプス後受容体の過剰な刺激によって引き起こされます。しかし、このタイプの神経変性の明確なニューロンの腫脹形態で最高潮に達するその後の分子イベントに関する情報は不足しています。特定の細胞内コンパートメントの変化や、異なるニューロンサブタイプの異なる細胞脆弱性の基礎など、他の側面については、まだ十分に調査されていません。さらに、in vitroまたはex vivo調製物を使用する研究で作用するさまざまな要因が、この形態の神経変性の自然な進行を修正および歪める可能性があります。したがって、線虫 Caenorhabditis elegansの遺伝的に適切で透明なモデルシステムにおけるニューロン壊死の程度を調節する介入の影響を監視することにより、生きた動物の興奮毒性壊死を研究することが重要です。このプロトコルは、 C. elegans ニューロンの興奮毒性壊死を研究する方法を、光学的、遺伝的、および分子分析と組み合わせて説明しています。 C.エレガンスに興奮毒性条件を誘発するために、グルタミン酸トランスポーター遺伝子(glt-3)のノックアウトとニューロン感作性の遺伝的背景(nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)])を組み合わせて、グルタミン酸受容体の過剰刺激と神経変性を引き起こします。生きた動物におけるノマルスキー微分干渉コントラスト法(DIC)、蛍光顕微鏡、および共焦点顕微鏡法は、神経変性を定量化し、蛍光標識タンパク質の細胞内局在を追跡し、変性ニューロンのミトコンドリア形態を定量するために使用される方法です。Neuronal Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) は、神経変性の細胞型特異的トランスクリプトーム解析のために、リスクのあるニューロンを明確にソーティングするために使用されます。ライブイメージングとFACS法の組み合わせ、 およびC.エレガンス モデル生物の利点により、研究者はこのシステムを活用して、大きなサンプルサイズで再現性のあるデータを取得できます。これらのアッセイから得られた知見は、神経変性疾患における治療介入の新たな標的となる可能性があります。
興奮毒性は、脳虚血におけるニューロン死の主な原因であり、複数の神経変性疾患の一因です 1,2,3,4,5,6,7,8,9。脳への酸素化された血流の混乱(例:.、血栓による)は、グルタミン酸トランスポーターの機能不全を引き起こし、シナプスにグルタミン酸が蓄積します。この過剰なグルタミン酸は、シナプス後グルタミン酸受容体(GluR)を過剰に活性化し、Ca2+のニューロンへの過剰な(触媒的、非化学量論的)流入につながります(図1A)。この有害な流入は、形態学的および機構的にアポトーシスから調節性壊死に至る進行性のシナプス後神経変性をもたらす10,11,12。それらは動物モデルでの成功した介入に基づいていたが、Ca2+の侵入をブロックし、細胞生存率を促進しようとしたGluR拮抗薬の複数の臨床試験は、臨床現場で失敗している13,14,15,16。これらの失敗の重大な原因である可能性が高いのは、(動物モデルとは対照的に)臨床現場での治療が脳卒中発症の数時間後に投与され、介入が遅効性の神経保護メカニズムをブロックし、GluRsの下流の変性シグナル伝達を中断できないという事実です14,16,17.血栓溶解療法に基づく別のアプローチは、厳しく制限された時間枠内でのみ投与できるため、多くの患者(発症時期が特定できない自宅で脳卒中を患っている)は、血栓溶解療法の恩恵を受けることができません17。これらの挫折は、GluR過剰刺激後に発生する事象の研究に興奮毒性研究を集中させ、その後の変性カスケードを同時の神経保護プロセスと区別する必要性を強調しています。このアプローチは、細胞の損傷を防ぎ、損傷発症後に投与できる効率的な薬物標的を特定するのに役立ちます。
興奮毒性のその後の事象を特定するための1つのアプローチは、ミトコンドリアの崩壊につながるものなど、GluR過剰刺激の下流の細胞死シグナル伝達メカニズムを研究することです。ミトコンドリアの生理学とダイナミクスの劇的な機能不全は、興奮毒性18,19,20に見られるように、神経変性の特徴です。すべての細胞は、生存、活動、および細胞の維持のためにミトコンドリアの機能と利用可能性に依存していますが、ニューロンは特にシグナルの伝達と伝播をサポートするためにミトコンドリアのエネルギー産生に依存しています。具体的には、ニューロンは、酸素とグルコースに高い依存度で、シナプス後受容体/チャネル21の活性化後に静止膜電位を回復するために、シグナル伝達関連のエネルギー消費の~50%を費やします。脳卒中で観察されるグルコースと酸素の利用可能性の低下は、深刻なミトコンドリアの変化を引き起こし、ATP産生のさらなる減少を引き起こします19,22,23,24。しかし、ミトコンドリアの崩壊につながる一連の事象を特定するための研究では、物議を醸す結果が得られ、コンセンサスが得られませんでした。ミトコンドリアの形態を分析することは、ニューロンの健康25,26,27,28,29の良い指標であるため、ミトコンドリアの病理につながるこれらのイベントを理解するのに役立ちます。糸状ミトコンドリアは健康なニューロンの代表ですが、断片化されたミトコンドリアは細胞死につながる可能性のある大きなニューロン損傷を示します。生きた動物のミトコンドリア形態を異なる遺伝的条件下で解析することで、興奮毒性におけるミトコンドリア依存性神経変性に関与する特定の遺伝子や経路に焦点を当てることができます。
興奮毒性神経変性の程度を調節する可能性のあるその後の事象を特定するための別のアプローチは、興奮毒性の影響の一部を軽減する転写神経保護メカニズムを研究することである14,16。しかし、主要な神経保護転写因子の特異性の欠如と実験設定の分岐は、主要な神経保護プログラム(特に調節された壊死)を明確に特定する努力の成功を妨げています。
したがって、下流の死シグナル伝達経路の研究と興奮毒性における転写神経保護の研究の両方が、観察された結果について大きな困難と不一致に直面しました。この論争の多くは、興奮毒性のex vivoまたはin vitroモデルの使用、および異なる実験設定の特異性によってもたらされる変動性から生じる可能性があります。したがって、高度に保存されたコアメカニズムの特定に焦点を当て、それらをin vivoで研究することは非常に有益です。線虫C.エレガンスの単純なモデルシステムは、特に強力で多様な研究ツールの強力な組み合わせ、コア細胞死経路の保存、およびその神経系の構造と接続性に関する豊富な情報により、特に効果的なオプションを提供します30,31,32,33.実際、機械感覚ニューロンにおける壊死性神経変性の遺伝子解析に関するDriscoll研究室の独創的な研究は、このアプローチの力の優れた実証である34。興奮毒性の解析にとって重要なことは、線虫におけるシグナル伝達経路の保存には、グルタミン酸作動性神経伝達のすべての主要成分が含まれていることである35,36。
線虫興奮毒性モデルは、これらの独創的な研究に基づいており、研究者は、脳卒中やグルタミン酸依存性神経毒性の影響を受ける他の神経変性疾患で発生するものと同様の生化学的プロセスを研究することができます。C.エレガンスに興奮毒性条件を誘導するために、この実験的アプローチは、グルタミン酸トランスポーター遺伝子(glt-3)のノックアウトとニューロン感作性の遺伝的背景(nuls5 [Pglr-1::GαS(Q227L)])の組み合わせである興奮毒性株を使用して、GluR過剰刺激と神経変性を引き起こします37。この興奮毒性株は、興奮毒性神経変性に対するグルタミン酸作動性へのシナプス後結合である30の特異的(glr-1発現)ニューロンを露出させます。これらのリスクのある30のニューロンのうち、個々のニューロンは、動物が発達を通じて進行するにつれて壊死を経験します(混合確率性と特定の特定のニューロンへの部分的な選好38)一方で、同時に細胞の死体も徐々に除去されています。このアプローチは、多くの変異株のアクセス可能性と組み合わせることで、神経変性および神経保護に影響を与える複数の経路の研究を可能にする。これらのアプローチは、興奮毒性における興奮毒性神経変性の下流の死シグナル伝達カスケード39および転写調節因子の一部を分析するためにすでに使用されています38,40。線虫41における壊死性神経変性の他の症例と同様に、線虫の興奮毒性神経変性は、古典的なアポトーシスを伴わない40。
この手法論文では、 C.エレガンス における興奮毒性壊死性神経変性を誘導、定量化、および操作するための基本的なシステムについて説明します。さらに、線虫の興奮毒性の特定の側面の研究を合理化するために現在使用されている2つの主要なプロトコルを概説しています。蛍光レポーターを使用し、生体内イメージングを行うことで、研究者は興奮毒性神経変性の線虫モデルにおけるミトコンドリアの関与とダイナミクスを研究することができます。特定の神経保護転写因子の効果を判断するために、研究者は、蛍光マーカーの細胞型特異的発現、動物の単一細胞への解離、および FACS を使用して、興奮毒性から壊死のリスクがある特定のニューロンを分離できます。これらの細胞型特異的に単離されたニューロンは、主要な転写因子に変異を持つ株のRNAシーケンシングに使用できます。これらの方法を組み合わせることで、研究者は興奮毒性神経変性とin vivoでの神経保護の分子基盤を非常に明確かつ正確に引き出すことができます。
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1. 興奮毒性神経変性および神経保護の研究に使用される株
2.成長培地と畜産
3. ノマルスキー微分干渉コントラスト(DIC)とスコアリングによる頭部神経細胞の変性定量化
4. 特異的変性頭部神経細胞の同定
5. レポーター株の蛍光顕微鏡による神経細胞ミトコンドリア形態のライブイメージング
6. ニューロンミトコンドリアの形態学のスコアリングと定量化
7. 神経変性のリスクがあるニューロンのFACSに対する線虫解離のためのバッファーおよび試薬調製
8. ニューロン特異的FACSの年齢同期
9. FACSの全線虫細胞解離
10. C. elegans ニューロンの同定のためのFACS機械操作の改良
11.FACSゲーティング戦略
12. FACSゲーティング戦略の効率を検証するための選別されたニューロンの顕微鏡検査
13. 品質管理自動電気泳動システムによるRNA抽出とRNA品質定量
注:すべてのRNA作業は、RNaseによる汚染を避けるために細心の注意を払って実行する必要があります(試薬、消耗品の慎重な調製、およびRNaseに安全なベストプラクティスを含む)。
注:サンプルがドラフト内にフェノールおよび/またはクロロホルムを含んでいるすべての手順を実行します。
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興奮毒性の線虫モデルと空胞化変性ニューロンの同定
ここに示されているデータは、以前の出版物37,38から複製されています。興奮毒性誘発性神経変性を模倣するために、グルタミン酸トランスポーター遺伝子ノックアウト(glt-3)をニューロン感作性トランスジェニックバック?...
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一般的な論争や失敗は、興奮毒性が解読が非常に難しいプロセスを提示することを示唆していますが、線虫の興奮毒性の分析は、この重要な形態の神経変性において保存されたニューロン細胞死経路を明らかにするための特に魅力的な戦略を提供します。研究者は、このシステムで利用可能な豊富な研究ツールのコレクション、特に動物の透明性(in vivo分析が可能)と...
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著者は何も開示していません。
真野研究室と李研究室(現在および最近)のすべてのメンバーの助けとサポートに感謝します。線虫の壊死性神経変性の解析を開拓し、継続的な支援を提供してくださったMonica Driscoll博士(ラトガース大学)に感謝します。クリス・リー博士(CCNY)のサポートとアドバイス。Jeffery Walker (CCNY Flow Cytometry Core facility)、Dr. Bao Voung (CCNY)、Stanka Semova (Rockefeller Univ. Sorting Faculty Core) は、細胞ソーティングに関する実践的なサポートとアドバイスを提供してくれました。Dr. Chris Rongo (Rutgers Univ.) 試薬;David Miller博士(ヴァンダービルト大学)、Coleen Murphy博士(プリンストン大学)、Shai Shaham博士、Menachem Katz博士、Katherine Varandas博士(3人ともロックフェラー大学出身)は、C.エレガンス解離プロトコルについて。
真野研究室は、NIH NINDS(NS096687、NS098350、NS116028)からIMへの資金提供を受け、NIH U54 CCNY-MSKCCパートナーシップ(CA132378/CA137788)を通じて資金提供を受けました。
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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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