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Method Article
トンネリングナノチューブ(TNT)は、主にオープンエンドのFアクチン膜ナノチューブであり、隣接する細胞を接続し、細胞間コミュニケーションを促進します。TNTを他の細胞突起と区別する注目すべき特徴は、細胞間のナノチューブのホバリング特性です。ここでは、共焦点zスタック画像の3Dボリュームビューを構築することにより、TNTを特徴付けます。
最近の発見により、細胞はナノスケールのアクチン膜導管、すなわち「トンネリングナノチューブ」(TNT) を介して 直接、長距離、細胞間移動を行うことが明らかになりました。TNTは、直径50 nmから1 μmの範囲の隣接細胞間の連続性を媒介する、オープンエンドの脂質二重層で囲まれた膜伸長として定義されます。 TNTは当初神経細胞で実証されましたが、連続した研究により、神経変性疾患、ウイルス感染、癌など、いくつかの細胞型および疾患におけるTNTの存在が明らかになりました。いくつかの研究では、隣接する細胞間のクローズエンドの電気的に結合された膜ナノ構造をTNTまたはTNT様構造と呼んでいます。
エンドポイントでの膜連続性の観点からの微細構造の解明は技術的に困難です。さらに、細胞間コミュニケーションに関する研究は、特異的マーカーがないため、従来の方法を使用したTNTの特性評価の観点から困難です。TNTは、主にFアクチンベースのオープンエンド膜突起として定義されます。ただし、大きな制限の1つは、F-アクチンがすべてのタイプの突起に存在するため、TNTを他の突起と区別することが難しいことです。F-アクチンベースのTNTの注目すべき特徴の1つは、これらの構造が基層に触れることなく2つの細胞間をホバリングすることです。したがって、明確なFアクチン染色TNTは、細胞間のホバリングに基づいて、糸状足や神経突起などの他の突起と便利に区別できます。
我々は最近、アクチン依存性エンドサイトーシスを介したオリゴマーアミロイドβ1-42(oAβ)の内在化が、SH-SY5Y神経細胞間でホスホPAK1と共発現するF-アクチン含有TNTの形成を媒介する活性化p21活性化キナーゼ-1(PAK1)を刺激することを示した。このプロトコルは、oAβ処理された神経細胞におけるF-アクチンおよびホスホ-PAK1免疫染色膜突起のキャプチャされたzスタック画像からTNTを同定および特性評価するための3D体積分析方法の概要を示しています。さらに、TNTは、F-アクチンおよびβ-IIIチューブリン免疫染色膜導管に基づく神経突起およびニューロン増殖の発生とは区別されます。
トンネリングナノチューブ(TNT)は、Fアクチンベースの、主にオープンエンド膜導管であり、貨物および細胞小器官の細胞間移動において重要な役割を果たします1。TNTのユニークな特徴は、基層と接触することなく隣接する細胞を接続することです。それらは長さが10〜300μmを超え、直径は50nm〜1μmの間で変化します2,3。TNTは一時的な構造であり、その寿命は数分から数時間続きます。TNTは、PC12ニューロン細胞で最初に実証されました1。その後、多くの研究が、インビトロおよびインビボ4,5のいくつかの細胞型でそれらの存在を示しました。いくつかの研究は、神経変性疾患、癌、およびウイルス感染などの様々な疾患モデルにおけるTNTの病理学的意義を明らかにしている6,7,8。
TNTの構造的不均一性は、さまざまな細胞系におけるいくつかの研究によって実証されています9。違いは、細胞骨格の組成、形成のメカニズム、および転送される貨物の種類に基づいています10。主に、2つの隣接する細胞間をホバリングし、細胞小器官を移すオープンエンドのFアクチン陽性膜連続性は、TNTs11からなると考えられる。しかし、TNTの形成に見られる明瞭さや多様性の欠如は、TNT特異的マーカーの開発を困難にしています。したがって、従来の検出方法でTNT構造を同定し、膜ナノチューブを開放端突起と閉端突起12で区別することは困難である。しかし、2つの細胞間のF-アクチン膜突起としてホバリングするTNTの特性は、従来のイメージング技術を使用して識別するのが比較的簡単で実行可能です。糸状足や背側糸状突起などの他のアクチンベースの細胞突起は、特に細胞が固定されている場合、2つの離れた細胞の間をホバリングすることはできません。注目すべきことに、近接し、電気的に結合し、発達中の神経突起は、しばしばTNT様構造と呼ばれる13。
F-アクチンがTNT形成に重要な役割を果たすことが知られており、いくつかの研究は、F-アクチン阻害剤サイトカラシンDがTNTの形成を阻害することを示した14,15。対照的に、微小管の阻害剤はTNT形成に何の影響も及ぼさない16。過去20年間で、病理学と腫瘍抵抗性および治療の広がりにおいてTNTが果たす重要な役割に関するいくつかの報告が見られました17。したがって、TNTの特性評価のためのより良い技術に対する終わりのない要求があります。
TNTの特異的マーカーの欠如、形態および細胞骨格組成の多様性は、独自の特性評価方法を開発することを困難にしている。いくつかの研究では、自動画像検出およびTNT定量化技術が使用されています18,19。しかしながら、TNTの検出および定量化のための自動画像解析よりも、現在の3D体積手動解析法にはいくつかの利点がある。 多くの場合、訓練された人間の目は、自動画像検出方法よりも簡単にこれらのホバリングナノ構造を見つけることができます。さらに、自動検出方法は、アルゴリズムの専門知識がないラボでは実装が難しい場合があります。本手法は、その精度と再現性から研究者に広く採用されている。
最近の研究では、oAβがPAK1を介したアクチン依存性のエンドサイトーシスメカニズム を介して 神経細胞におけるTNTの生合成を促進することを示しました12。oAβ誘導性TNTは、活性化されたPAK1(またはホスホPAK1)も発現します。我々は、oAβ誘導性、F-アクチンおよびホスホ-PAK1免疫染色TNTを区別するための3Dボリュームビュー画像再構成法を開発しました。 β-IIIチューブリン陽性の発達中の神経突起は、しばしばTNT様ホバリング構造に似ています20。したがって、F-アクチンベースのTNTをβ-IIIチューブリン陽性神経突起および他のTNT様突起とさらに区別しました。3Dボリュームビュー画像は、基層上にホバリングし、2つの隣接するセル間の接続を維持するという特性に基づいてTNTを識別するために使用されてきました。この論文では、共焦点zスタック画像を使用したアクチン含有膜導管またはTNTの識別と検出、および最後に、3Dボリュームビュー再構成画像から識別された構造の手動定量について説明します。提示された方法は、オープンエンドの適切なTNTとクローズエンドのTNT様構造を区別することはできません。この方法は、平坦な基層上の in vitro 2D細胞培養でTNTを同定するのに役立ちます。しかし、この方法は実施と再現が容易であり、アクチンベースのTNTのみを正確に定量し、神経突起やβチューブリン陽性TNT様構造と区別するために広く使用できます。
注:DMEM/F-12培地で培養したSH-SY5Y細胞を10 μMレチノイン酸で7日間分化させ、1 μMのoAβオリゴマーで37°C(5%CO2)で2時間処理しました。処理後、細胞をカルノフスキー固定液で固定し、ホスホ-PAK1(Thr423)/PAK2(Thr402)抗体とF-アクチン結合ファロイジンで二重免疫染色しました。その後、共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いて共焦点zスタック画像を撮影した。TNTは手作業でカウントし、3Dボリュームビュー画像を構築し、基層に触れることなく2つの細胞間をホバリングするという特性から構造を特定することにより、他の神経突起/細胞突起と区別されました(図1)。
1. 細胞培養と分化
2. 神経細胞を治療するためのアミロイドβ1-42 (oAβ)のオリゴマーの調製
3. TNTの特性評価のためのF-アクチンおよび活性化PAK1の免疫染色
4. TNTと神経突起を区別するためのF-アクチンおよびβ-IIIチューブリンの免疫染色
5. 共焦点顕微鏡によるイメージング
6. TNTを同定・定量するための共焦点Zスタック画像の解析
7.3D TNTを特徴付けるためのZスタック画像の再構成
ここでは、共焦点Zスタック画像から3Dボリュームビューを構築することにより、SH-SY5Yニューロン細胞におけるoAβ誘導TNTを同定し、特性評価します(図1)。細胞をF-アクチンおよびホスホ-PAK1で二重免疫染色した。免疫染色細胞の共焦点zスタック画像を解析してTNTを同定しました(図2)。さらに、DIC画像を解析し、F-アクチンおよびホスホ-PAK1染色され?...
過去20年間の何人かの研究者は、TNTの構造を理解し、特徴付けようとしてきました18。特定のマーカーの欠如は進歩を妨げ、TNTの識別、特性評価、および定量に使用できる便利で標準化された方法に対する需要が高まっています。 TNTは、2つの細胞間をホバリングするFアクチンベースの膜導管として定義されます。研究によると、βチューブリン陽性のクローズエンドの発達?...
著者は開示する利益相反はありません。
D.K.VとA.Rは、TMAパイフェローシップを提供してくれたマニパル高等教育アカデミーに感謝します。SERB-SRG(#SRG/2021/001315)、インド医学研究評議会(#5 / 4-5 / Ad-hoc/Neuro / 216/2020-NCD-I)、およびインドのマニパルにあるマニパル高等教育アカデミーの壁内基金に感謝します。JNCASR(インドのジャワハルラールネルー高等科学研究センター)の共焦点施設と、JNCASRの共焦点顕微鏡法を提供してくれたB.スマに感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
35 mm dish with 14 mm well size made of #1.5 cover slip | Cellvis | D35-14-1.5-N | Imaging dish used to seed cells for staining experiments |
Aβ (1-42) 1 mg | AnaSpec | #64129 | Oligomers of amyloid beta to treat the cells |
Alexa flour 488 Goat Anti-rabbit IgG (H+L) | Invitrogen | A11070 | Secondary antibody for phospho-PAK1 |
Biological Safety Cabinet | Thermo Scientific (MSC Advantage) | 51025411 | Provide aspetic conditions duirng cell culture |
CO2 Incubator | Thermo Electron Corporation (Heraeus Hera Cell 240) | 51026556 | For growing cells at or near body temperature |
Confocal Laser Scanning Microscope | ZEISS (Carl Zeiss) | LSM 880 | Able to generate three-dimensional images of large specimen at super-resolution |
DABCO [1,4-Diazobicyclo-(2,2,2) octane] | Merck | 8034560100 | Anti-bleaching reagent |
DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) | Sigma | D9542-1MG | Neuclear stainer |
DMEM media | Gibco | 11965092 | Used for the preparation of 100uM of Aβ (1-42) |
DMEM/F12 (1:1 mixture of DMEM and Ham’s F12) | Gibco | 12500062 | Culture media for SH-SY5Y |
DMSO (Dimethyl sulphide) Cell culture grade | Cryopur | CP-100 | Cell culture grade used as dissolving agent for Retinoic acid |
DMSO (Dimethyl sulphide) Molecular grade | Himedia | MB058 | Used as one of the dissolving agent for the lyophilized Aβ (1-42) |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 16000044 | Major supplement for Culture media (US origin) |
Formalin Fixative (Neutral buffered 10%) | Sigma Aldrich | HT5014-120ML | Component in the Karnovsky's fixative solution |
Glutaraldehyde (Grade I, 25% in H2O) | Sigma | G5882 | Component in the Karnovsky's fixative solution |
HFIP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol ) solution | TCI | H024 | Used to dissolve Aβ (1-42) 1 mg |
Image Processing/ Analysis Software: FIJI (ImageJ) | National Institute of Health (NIH) | Used to process/analyze the images and to differentiate the TNTs from neurites using its plugin named "volume viewer". | |
Lyophilizer | Christ, Alpha | 2.4 LDplus | 0.05 mg aliquots of Aβ (1-42) can be stored in -20 °C after lyophilization only |
Penicillin-Streptomycin-Neomycin Mixture | Thermo fisher Scientific | 15640055 | Antibiotic mixture |
Phalloidin-iFlor 555 | Abcam | ab176756 | F-actin binding stain |
Phospho-PAK1 (Thr423) /PAK2 (Thr402) [Rabbit] | CST | #2601 | Primary antibody |
Polyclonal Antibody to Tubulin Beta 3 (TUBb3) | Cloud clone | PAE711Hu01 | Primary antibody |
Retinoic acid | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | Differentiating reagent |
Saponin | Merck | 8047-15-2 | Detergent used in the Incubation buffer in immunostaining |
Water bath sonicator (Quart, Drain valve Heater) | Ultrasonic Cleaner | 3.0 L/3.2 | Sonicator used to dissolve Aβ (1-42) stock, after DMSO adding to it during the preparation of 100 µM Aβ (1-42) |
ZEN Microscopy software | ZEISS (Carl Zeiss) | Imaging software to acquire confocal microscopy images with smart automation |
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