ここでは、線虫 Caenorhabditis elegansにおけるタンパク質凝集動態の解析のための方法を提示する。年齢同期された集団の動物は、異なる時点で画像化され、続いてCellProfilerで半自動包接カウントが行われ、AmyloFitの数学的モデルに適合します。
不溶性封入体へのタンパク質凝集は、様々なヒト疾患の特徴であり、その多くは加齢に関連している。線虫 Caenorhabditis elegans は、タンパク質凝集および毒性を研究するために現場で広く使用されている十分に確立されたモデル生物である。その光透過性は、蛍光顕微鏡によるタンパク質凝集の直接可視化を可能にする。さらに、速い生殖サイクルと短い寿命により、線虫はこのプロセスを調節する遺伝子や分子をスクリーニングするのに適したモデルになります。
しかしながら、生きている動物における凝集体負荷の定量は、あまり標準化されておらず、典型的には、単一の時点で蛍光解剖顕微鏡下で手動包接計数によって行われる。このアプローチでは、オブザーバー間のばらつきが大きくなり、集計プロセスの理解が制限される可能性があります。対照的に、 インビトロでの アミロイド様タンパク質凝集は、チオフラビンT蛍光によって高度に定量的かつ時間分解された様式で日常的にモニターされる。
ここでは、カスタムメイドの画像解析とデータフィッティングを組み合わせたハイスループット共焦点顕微鏡を使用して、生きている C. elegansにおける凝集動力学の偏りのない解析のために同様の方法を提示する。この方法の適用可能性は、体壁筋細胞における蛍光標識ポリグルタミン(polyQ)タンパク質の包接形成をモニタリングすることによって実証される。画像解析ワークフローは、個々の筋肉細胞における独立した核生成事象に基づく数学的モデルに適合される異なる時点での封入物の数の決定を可能にする。ここに記載される方法は、生きている動物におけるタンパク質凝集疾患に対するタンパク質分解因子および潜在的な治療法の効果を堅牢かつ定量的な方法で評価するのに有用であることが証明され得る。
ミスフォールディングされたタンパク質の不溶性沈着物への蓄積は、広範囲の疾患で起こる。よく知られている例は、アルツハイマー病におけるアミロイドβおよびタウの凝集、パーキンソン病におけるα-シヌクレイン、およびハンチントン病における拡張polyQを有するハンチンチン1,2である。これらのポリペプチドのアミロイド線維へのミスフォールディングは、依然としてほとんど不明であるメカニズムによる毒性および細胞死と関連している。アミロイド形成のメカニズムを解明することは、現在利用できない効果的な治療法を開発する上で極めて重要です。
チオフラビンT蛍光測定に基づいてアミロイド形成の詳細な調査がin vitroで行われており、凝集プロセスおよび阻害分子の効果の機構的理解につながっている3、4、5。しかし、同じ凝集機構が生細胞や生物の複雑な環境にも当てはまるかどうかは明らかではない。線虫Caenorhabditis elegansは、インビボでのタンパク質凝集を研究するのに好適なモデル生物である。それは比較的単純な解剖学を持っていますが、筋肉、腸、神経系を含む複数の組織で構成されています。それは遺伝的によく特徴付けられており、遺伝子組み換えのためのツールは容易に入手可能である。さらに、それは〜3日の短い生成時間と2〜3週間の総寿命を有する。そのため、タンパク質凝集は、実験的に都合のよい時間スケールで動物の寿命にわたって調べることができる。最後に、線虫は光学的に透明であり、生きている動物における蛍光標識タンパク質の凝集の追跡を可能にする。
C. elegansのこれらの特徴は、ハンチントンおよび他のpolyQ拡張疾患のモデルとしてのpolyQタンパク質の凝集を調べるために以前に利用されてきた。35〜40グルタミン残基の病原性閾値を超えると、黄色蛍光タンパク質(YFP)で標識されたpolyQタンパク質が、筋肉組織6、7、ニューロン8、および腸9、10において不溶性封入体を形成することが観察され得る。これらの特徴は、タンパク質凝集および毒性の遺伝子11、12、13および小分子修飾剤14についてスクリーニングするために広く使用されている。
C. elegansは 、タンパク質凝集の インビトロ 研究とマウスなどのより複雑な疾患モデルとの間のギャップを埋める上で重要な役割を果たす可能性を秘めている15。 C. elegans は薬物スクリーニング16 に順応可能であるが、最近実証されたように、 インビボでのタンパク質凝集の分子機構の基本的な理解を得るために利用することもできる17。しかし、どちらの用途でも、タンパク質凝集の定量的かつ再現性のある測定値を抽出することが最も重要です。ここでは、ハイスループットの共焦点顕微鏡と専用の画像解析パイプラインを組み合わせることでこれを実現します(図1)。
1. C. elegansの年齢同期人口の増加
2. マルチウェルプレートにおける C.エレガンスの サンプル調製
注:イメージング手順には、最終的に動物を殺す麻酔薬が必要なため、同じ動物を後続の時点で再利用することはできません。代わりに、同じ年齢同期バッチの異なる動物が異なる日に画像化されます。ほとんどの株は1日目にインクルージョンをほとんど持たないが、この時点をベースラインとして含めることが推奨される。
3. ハイスループット共焦点顕微鏡での画像取得
注:この実験は、マルチウェルプレートホルダーを備えた通常の回転ディスク共焦点顕微鏡で設定することもできます。広い視野を持つカメラは、井戸全体にまたがるために画像化する必要があるタイルの数を制限するのに有益です。このプロトコルで使用される顕微鏡とソフトウェアの詳細については、 材料表 を参照してください。
4. ImageJ でタイル画像をステッチする
注: この手順は、各ウェルの画像が複数のタイルとして取得される 4 倍を超える対物レンズを使用する場合にのみ必要です。この分析ワークフローでは、タイルのステッチングは、フリーソフトウェアのFIJI/ImageJ19 を使用して実行されます(図2)。ステップ3で使用する器具によっては、付属のソフトウェアで直接ステッチングを行うこともできる。
5. セルプロファイラ22を使用した自動包接カウント
6. AmyloFit5を使用した包含カウントデータのグローバルフィッティング
注: このステップは、複数のタンパク質濃度のデータがある場合にのみ実行できます。Q40-YFPについて、体壁筋細胞における過剰発現の異なるレベルを有する4つの株のセットが以前に17個作成されている。他の場合には、新規株はプラスミドマイクロインジェクションおよびゲノム組込みを用いて作製されるべきである24。
ここに記載した方法(図1)は、YFPに融合した40個のグルタミン(Q40−YFP)を含む構築物の凝集動態を分析するために使用された。このタンパク質はunc-54プロモーターの制御下で発現され、体壁筋細胞における発現を駆動する。これらは比較的大きく、視覚化が容易であるため、10倍の対物レンズの使用は、この組織においてQ40-YFPによって形成される封入体を解決するのに十分である。4つの株(系統A−D)が、インビボでのpolyQ凝集の濃度依存性を評価するために、異なる程度にタンパク質を発現させることが以前に開発された17。
系統A-Dの年齢同期集団は、2時間の産卵によって生成され、その後、子孫が成人期に達すると毎日移動した。成虫の1日目から10日目まで、4つの株のそれぞれから20匹の動物を、ハイスループット共焦点顕微鏡を用いて、384ウェルプレートに画像化した。井戸の画像は6つのタイルとして取得され、ImageJ21 のプラグインを使用して縫い合わされました(図2)。ステッチングされた画像は、その後、カスタムメイドのCellProfiler22 パイプライン(図3)を使用して分析され、各系統および時点の動物あたりの平均包接数を定量化した。
その後、データをAmyloFit5の数学的モデルに当てはめました(図4)。このモデルは、95個の体壁筋細胞の各々が、律速核生成事象によって1つの包接を独立して獲得し、続いて速い凝集体成長17を得るという仮定に基づいている。適合により、9.9×105分子M-2.1 d-1細胞-1の核生成速度定数および2.1の反応次数が得られ、細胞内タンパク質濃度1mMで0.38分子d-1細胞-1の核生成速度に相当する。2つの独立した生物学的反復は、核生成速度および反応順序について密接に対応する値をもたらし、これらは同様のプロトコル17を用いた以前の研究と一致している(表1)。
図1:方法の概略概要。 (A)年齢同期C .エレガンス 集団は、時間指定産卵によって生成される。(B)同じ集団の動物を、異なる時点で384ウェルプレートに画像化する。(C)タイルを縫い合わせてウェル全体の画像を形成し、これをCellProfilerで分析して動物ごとの包接数を定量化します。(D) データは、AmyloFitを使用して数学的モデルに適合させる。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: プラグイン Grid/Collection ステッチング21 を使用した ImageJ でのステッチング手順のスクリーンショット。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: 封入体数を定量化するための CellProfiler パイプラインの概略図。(A-C) 明視野画像 (A) を使用してワームを識別します (B、C のクローズアップ)。(D-G)蛍光画像(D、Eにおけるクローズアップ)は、介在物(F)を識別するために使用される。ワームおよび介在物は、ウェル内の各ワーム(G)の介在物の数を提供することに関係している。示されている画像は、成人期3日目のQ40ラインA動物のものです。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: AmyloFit の数理モデルにデータを当てはめる。(A) データは AmyloFit にアップロードされます。(B)カスタム方程式は、各細胞における独立した核生成事象を仮定して、包接形成をモデル化するために入力される。(C)異なるレベルのQ40−YFPを発現するC.エレガンス線A−Dに対する凝集動態のフィッティング。データは、2つの独立した生物学的反復を表すものである。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
データセット 1 | データセット 2 | Sinnige et al.17 | |
n | 2.1 | 1.9 | 1.6 |
K細胞(分子M-nd-1セル-1) | 9.9×105 | 1.4 × 105 | 3.1 × 104 |
1mMにおける核生成速度(分子d-1セル-1) | 0.38 | 0.21 | 0.35 |
表1:Q40-YFP凝集の核生成速度と反応順序の値。 プロトコールの2つの独立した生物学的複製についてのデータおよび以前に公開されたデータとの比較17。
本明細書に提示される方法は、モデル生物 C. elegansにおけるタンパク質凝集動態の偏りのない定量的分析を容易にする。それは4つの重要な要素(図1)に依存する:1)線虫の年齢同期集団を維持する。2)マルチウェルプレートにおける蛍光顕微鏡;3)セルプロファイラにおける自動包接計数;4)AmyloFitのデータフィッティング。自由に動く動物や保存された画像26からの封入物の手動計数と比較して、CellProfilerでの定量化はより速く、より偏りがありません。プロトコルのもう1つの重要な進歩は、単一のタイムポイントではなく、動力学的データの取得であり、データを数学的モデルに適合させる際に集約メカニズムに定量的な洞察を提供します。
プロトコルの4つの要素は、アプリケーションに応じて変更できる独立したモジュールとして使用できます。年齢同期集団は、動物を滅菌するために5-フルオロ-2'-デオキシウリジン(FUDR)を使用して維持することもできる。この化合物は、寿命およびプロテオスタシス24,25に影響を及ぼし、実験者にとって非常に発癌性である。ただし、ワームを手動で転送することはできず、大量のワームが処理されると労働集約的になる可能性があります。他の代替手段は、子孫30を分離するための滅菌変異体29または濾過装置の使用である。
蛍光顕微鏡観察ステップは、例えば、ニューロンにおけるタンパク質凝集をモニターするためにより高い倍率を使用して調整することもできる。広視野顕微鏡は、条件間の相対的な差が封入物の絶対数よりも重要である場合に、筋細胞におけるpolyQ凝集をモニターするのに十分であり得る。このような場合でも CellProfiler パイプラインを使用できますが、ワームやインクルージョンを認識するための設定はユーザーが調整する必要があります。この技術のスループットは現在、384ウェルプレートへの動物の手動ピッキングの必要性によって制限されている。これは、マイクロ流体デバイス16の使用によって潜在的に改善され得る。アジ化ナトリウムは比較的過酷な麻酔薬であり、ヒドロゲルまたはビーズによる物理的固定化によって置き換えることができる28,29。
ここで紹介するAmyloFitでの解析は、個々の細胞における独立した核生成イベントからなる凝集メカニズムに基づいています。このモデルが適合しない場合、ユーザは、以前に開発された協調集約モデルなどの代替手段を検討するべきである17.このアプローチの限界は、異なる濃度で目的のタンパク質を発現する株が利用可能である必要があることであるが、これらは日常的な C. elegans 法24を用いて生成することができる。
全体として、このプロトコルは、 in vivo モデルシステムにおけるタンパク質凝集動態に関する高品質のデータを得る手段を提供し、凝集機構の詳細な分析を可能にする17。この方法は C.elegans 筋肉組織におけるpolyQ凝集について実証されたが、プロトコルの将来の適用は、他のタンパク質および組織ならびにプロテオスタシス因子および小分子の効果を含み得る。
著者らは、開示する利益相反はありません。
我々は、C. elegans株の森本研究室と、ハイスループット共焦点顕微鏡の支援に対するEsmeralda Bosmanに感謝する。この研究は、ユトレヒト大学からT.S.へのスタートアップ助成金によって資金提供されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
384-well plate | Greiner | 781091 | Black with flat clear bottom |
AmyloFit | Knowles lab | v2.0 | Access at www.amylofit.ch.cam.ac.uk |
C. elegans Q40 line A | Morimoto lab | AM1228 | Genotype rmIs404[unc-54p::Q40::YFP] |
C. elegans Q40 line B | Morimoto lab | AM1229 | Genotype rmIs404[unc-54p::Q40::YFP] |
C. elegans Q40 line C | Morimoto lab | AM1230 | Genotype rmIs404[unc-54p::Q40::YFP] |
C. elegans Q40 line D | Morimoto lab | AM1231 | Genotype rmIs404[unc-54p::Q40::YFP] |
CellProfiler | Broad Institute | 4.1.3 | Downloaded from https://cellprofiler.org |
E. coli OP50 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | OP50 | |
FIJI | Open-source | (Fiji Is Just) ImageJ v2.1/1.5.3j | Downloaded from https://imagej.net/software/fiji/ |
High-throughput confocal microscope | Yokogawa | CellVoyager CV8000 | |
M9 buffer | Home-made | 3 g/L KH2PO4, 6 g/L Na2HPO4, 0.5 g/L NaCl, 1 mM MgSO4 | |
NGM plates | Home-made | 17 g/L agar, 2.5 g/L bacto-peptone, 3 g/L NaCl, 25 mM KPO4 buffer pH 6.0, 1 mM MgSO4, 1 mM CaCl2, 5 mg/L cholesterol | |
Pasteur pipette | WU Mainz | 250 | To make worm pick, 150 mm length |
Platinum iridium wire | Alfa Aesar | 39383 | To make worm pick, 0.25 mm diameter |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Stereomicroscope | Leica | S9 |
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