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Method Article
A manutenção da proteostase do organismo requer a coordenação das respostas de controle de qualidade da proteína, como a expressão de chaperonas de um tecido para outro. Aqui, fornecemos ferramentas usadas em C. elegans que permitem monitorar a capacidade de proteostase em tecidos específicos e determinar as respostas de sinalização intercelular.
Na última década, houve um aumento transformador no conhecimento em torno da regulação dos processos de controle de qualidade de proteínas, revelando a importância dos processos de sinalização intercelular na regulação da proteostase não autônoma celular. Estudos recentes estão começando a descobrir componentes e vias de sinalização que coordenam o controle de qualidade de proteínas de um tecido para outro. Portanto, é importante identificar mecanismos e componentes da rede de proteostase não autônoma (NP) celular e sua relevância para o envelhecimento, respostas ao estresse e doenças de desdobramento de proteínas. No laboratório, usamos knockdown genético por RNAi específico do tecido em combinação com repórteres de estresse e sensores de proteostase específicos do tecido para estudar isso. Descrevemos metodologias para examinar e identificar componentes do NP não autônomo celular que podem atuar em tecidos percebendo uma condição de estresse e em células respondedoras para ativar uma resposta protetora. Primeiro, descrevemos como gerar construções de RNAi em grampo para knockdown genético constitutivo em tecidos específicos e como realizar knockdown genético específico do tecido alimentando RNAi em diferentes estágios da vida. Repórteres de estresse e ensaios comportamentais funcionam como leituras valiosas que permitem a triagem rápida de genes e condições que modificam os processos sistêmicos de sinalização de estresse. Finalmente, sensores de proteostase expressos em diferentes tecidos são utilizados para determinar mudanças na capacidade específica do tecido do NP em diferentes estágios de desenvolvimento e envelhecimento. Assim, essas ferramentas devem ajudar a esclarecer e permitir o monitoramento da capacidade da NP em tecidos específicos, ao mesmo tempo em que ajudam a identificar componentes que funcionam em diferentes tecidos para mediar a NP não autônoma celular em um organismo.
A proteostase celular é monitorada por uma intrincada rede de componentes de controle de qualidade de proteínas, como chaperonas moleculares, respostas ao estresse e mecanismos de degradação, incluindo o sistema de proteassoma de ubiquitina (UPS) e autofagia 1,2. A ativação de vias de resposta ao estresse, como a resposta ao choque térmico mediada por HSF-1 (HSR), a resposta proteica desdobrada do retículo endoplasmático (UPRER) e as mitocôndrias (UPRmito) é vital para a adaptação celular e sobrevivência durante desafios ambientais ou doença de desdobramento de proteínas que levam à agregação de proteínas tóxicas 1,2,3,4,5, 6.
A proteostase celular é coordenada por uma camada adicional em organismos multicelulares, como C. elegans, que requer a orquestração de respostas ao estresse celular em diferentes tecidos para ativar componentes protetores de controle de qualidade de proteínas, como chaperonas moleculares7. Na última década, a ativação não autônoma celular de vias de resposta ao estresse "celular" foi observada para a resposta ao choque térmico (HSR), oUPR ER e oUPR mito, bem como a sinalização de chaperona transcelular (TCS)3,4,7,8,9,10 . Em cada caso, o sistema nervoso, bem como a sinalização do intestino, desempenha um papel crucial no controle da ativação de chaperonas nos tecidos, para proteger contra as consequências tóxicas de estresses agudos e crônicos de dobramento incorreto de proteínas 3,5,9,11. Essa transmissão dos neurônios para o intestino e outras células da periferia pode ser alcançada por neurotransmissores, como é o caso da RPU,RE e RSS 6,8,11. Em uma forma de sinalização de estresse não autônomo celular, TCS, que é ativado pelo aumento da expressão de HSP-90 nos neurônios, os peptídeos imunes secretados desempenham um papel na ativação da expressão da chaperona hsp-90 dos neurônios para o músculo5. Em outra forma de TCS, a redução da expressão da chaperona molecular principal hsp-90 no intestino leva a um aumento da expressão de hsp-70 induzível pelo calor em temperatura permissiva no músculo da parede corporal 5,10. Neste caso particular, as moléculas de sinalização específicas ativadas no intestino que percebe o estresse e as células musculares que respondem são, no entanto, desconhecidas.
Assim, para identificar como a expressão da chaperona é ativada de um tecido para outro, é necessária uma abordagem que permita monitorar a capacidade da rede de proteostase (NP) e a ativação da resposta ao estresse no nível específico do tecido. Para investigar qual via de resposta ao estresse é ativada nos tecidos individuais, uma seleção disponível de repórteres de acompanhantes transcricionais fundidos a marcadores de proteínas fluorescentes pode ser utilizada (ver também Tabela 3). Estes incluem repórteres transcricionais hsp-90, hsp-70 e hsp-16.2 marcados com fluorescência que indicam a indução do HSR, hsp-4 que indica a ativação doUPR ER e hsp-6, indicando omito UPR. A combinação desses repórteres com uma condição de estresse específica do tecido permite uma leitura poderosa que identificará os tecidos individuais que respondem a um desequilíbrio do NP em um tecido "emissor" distal percebendo o estresse. Para induzir uma condição de estresse ou desequilíbrio da NP em um tecido específico, diferentes abordagens podem ser adotadas. Por exemplo, uma dessas abordagens é pela expressão ectópica da forma ativada de um fator de transcrição de estresse (por exemplo, xbp-1s) e outra é pela redução dos níveis de expressão de uma chaperona molecular essencial (por exemplo, hsp-90) usando promotores específicos do tecido 8,10. Para esgotar os componentes do NP em apenas um tipo de célula, o knockdown específico do tecido por RNAi é uma ferramenta útil.
Em C. elegans, o RNAi é, no entanto, sistêmico; o RNA de fita dupla no ambiente pode entrar e se espalhar por todo o animal para silenciar um gene alvo12,13. Essa disseminação sistêmica do dsRNA ingerido é mediada por proteínas SID (sistêmicas defeituosas de RNAi), como as proteínas SID-1 e SID-2 que são transportadoras de dsRNA, bem como SID-5, que colocaliza com proteínas do endossomo tardio e está implicado na exportação de dsRNA ingerido 14,15,16. SID-1 é uma proteína transmembrana de múltiplas passagens em todas as células, exceto neurônios, e é necessária para a exportação de dsRNA, bem como para importação para as células17. A expressão de SID-2 é restrita ao intestino, onde funciona como um receptor endocítico para dsRNA ingerido do lúmen intestinal para o citoplasma das células intestinais16. Os neurônios não respondem ao RNAi sistêmico, e isso se correlaciona com a expressão reduzida da proteína transmembrana SID-1 nos neurônios, que é essencial para que o dsRNA seja importado15,18. Assim, para que o RNAi específico do tecido seja eficaz em apenas um tipo de célula, a disseminação sistêmica do dsRNA precisa ser evitada. Isso pode ser alcançado utilizando o mutante sid-1 resistente a RNAi (pk3321) que impede a liberação e absorção de dsRNA nos tecidos15. A expressão de uma construção de RNAi em grampo de cabelo específico do tecido neste mutante ou a expressão ectópica de SID-1 em um tecido específico pode então complementar a função do sid-1 mutante e permitirá o RNAi19 específico do tecido.
Então, como o dsRNA é ingerido pelo intestino em um mutante de perda de função sid-1 e como ele pode atingir neurônios ou células musculares que expressam ectopicamente uma construção SID-1? Em um modelo atual que explica esse mecanismo, o dsRNA endocitado é absorvido pelo citoplasma intestinal via SID-2 e depois exportado para o pseudoceloma por outro mecanismo independente de SID-1, envolvendo SID-5 e transcitose17. Assim, como o SID-1 é necessário para a importação de dsRNA17, apenas as células que expressam o SID-1 do tipo selvagem serão capazes de absorver o dsRNA liberado do intestino para o pseudoceloma.
Aqui demonstramos o uso de um conjunto de ferramentas que permitem o RNAi específico do tecido. Usamos o exemplo da chaperona molecular Hsp90 para descrever a construção do RNAi em grampo de cabelo que pode ser útil para derrubar constitutivamente a expressão gênica em um tecido específico10. A abordagem descrita pode ser usada para qualquer gene alvo de interesse. A resposta de outros tecidos ao desequilíbrio da proteostase causado pelo RNAi hsp-90 específico do tecido pode ser investigada monitorando a expressão de repórteres de estresse marcados com fluorescência em outros tecidos. Como um segundo método para RNAi específico do tecido, demonstramos como o sistema mutante sid-1 pode ser adaptado para alimentar bactérias que expressam RNAi em vez da expressão de uma construção de RNAi em grampo de cabelo. Isso pode ser útil ao realizar uma triagem de RNAi candidato ou de todo o genoma para identificar os componentes necessários para uma resposta específica do tecido. Da mesma forma, defeitos de desenvolvimento associados à depleção de um componente vital de NP exigirão knockdown mediado por RNAi em tecidos específicos em estágios posteriores de desenvolvimento. Demonstramos como um sistema de complementação SID-1 pode ser usado em uma triagem de RNAi candidata para modificadores TCS específicos do tecido. No exemplo, pretendemos identificar componentes de sinalização que, após o knockdown no tecido emissor "perceptivo de estresse" (intestino) e no tecido que afeta o estresse (músculo), levam à expressão alterada de um repórter hsp-70 marcado com fluorescência nas células musculares.
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1. RNAi específico do tecido de duas maneiras: RNAi em grampo e complementação SID-1 específica do tecido
2. Usando repórteres de estresse e sensores de proteostase para monitorar a proteostase celular autônoma e não autônoma da célula
NOTA: Para monitorar a capacidade de NP em tecidos específicos, use sensores de proteostase específicos do tecido (como cepas que expressam Q44 no intestino ou Q35 no músculo – consulte a Tabela 3) e repórteres de estresse (como o repórter hsp-70p::mCherry induzível pelo calor; Tabela 3).
3. Triagem de RNAi candidato a tecido específico para modificadores de proteostase não autônoma celular
NOTA: Para a triagem de RNAi específico do tecido, usamos a cepa PVH172 permitindo RNAi específico do intestino alimentando bactérias RNAi e a cepa PVH171 permitindo RNAi específico do músculo (consulte a Tabela 1 para genótipo).
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RNAi específico do tecido de duas maneiras: Expressão de construções em grampo ou complementação de SID-1 específico do tecido
A expressão de construções de RNAi em grampo de cabelo específicas do tecido permite o knockdown constitutivo de um gene ao longo do desenvolvimento. No entanto, isso às vezes pode ser impraticável quando o gene pesquisado é necessário para a organogênese desse tecido específico, como elt-2 , que é necessário para o...
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Os métodos aqui descritos demonstram o uso de ferramentas que permitem o knockdown tecido-específico dos componentes da NP de forma constitutiva e temporal. Identificamos anteriormente o TCS, um mecanismo de resposta ao estresse não autônomo da célula que é induzido pela alteração específica do tecido dos níveis de expressão de Hsp9010. O knockdown específico do tecido de hsp-90 pela expressão de RNAi em grampo de cabelo leva à regulação p...
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Os autores não têm nada a divulgar.
Agradecemos ao Dr. Richard I. Morimoto por fornecer a cepa AM722. Algumas cepas de C. elegans usadas nesta pesquisa foram fornecidas pelo Caenorhabditis Genetics Center, que é financiado pelo Escritório de Programas de Infraestrutura de Pesquisa do NIH (P40 OD010440). P.v.O.-H. foi financiado por doações do NC3Rs (NC/P001203/1) e por um Wellcome Trust Seed Award (200698/Z/16/Z). J.M. foi apoiado por uma parceria de treinamento de doutorado MRC DiMeN (MR/N013840/1).
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ampicillin | Merck | A0166-5G | Protocol Section 3.1. |
DNA Clean & Concentrator-500 | Zymo Research | D4031 | Protocol Section 2.2. |
IPTG Isopropyl-β-D-thiogalactoside | Merck | 367-93-1 | Protocol Section 3.1. |
Multisite Gateway Cloning Kit | Thermo Fisher | 12537100 | Protocol Section 1.2. |
SigmaCote | Merck | SL2-25mL | Protocol Section 2.3. |
Tetracycline | Merck | T7660-5G | Protocol Section 3.1. |
Zero Blunt TOPO PCR Cloning Kit | Thermo Fisher | K280002 | Protocol Section 1.1. |
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