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Neste Artigo

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  • Referências
  • Reimpressões e Permissões

Resumo

Relatamos um ensaio simples, eficiente e de alta produtividade baseado em espectroscopia de fluorescência para a quantificação de filamentos de actina em amostras biológicas ex vivo de tecidos cerebrais de roedores e seres humanos.

Resumo

Actin, o principal componente do citoesqueleto, desempenha um papel crítico na manutenção da estrutura e função neuronal. Nos estados fisiológicos, a actina ocorre em equilíbrio em suas duas formas: globular monomérica (G-actin) e fisordenos polimerizados (F- actina). Nos terminais sinápticos, o citoesqueleto de actin forma a base para funções críticas pré e pós-sináptica. Além disso, mudanças dinâmicas no status de polimerização da actina (interconversão entre formas globulares e relacionáveis de actina) estão intimamente ligadas a alterações relacionadas à plasticidade na estrutura e função sináptica. Informamos aqui uma metodologia baseada em fluorescência modificada para avaliar o status de polimerização da actina em condições ex vivo. O ensaio emprega fábulina fluorescentemente rotulada, uma falotoxina que se liga especificamente aos filamentos de actina (F-actin), fornecendo uma medida direta de ato de fiomatos polimerizados. Como prova de princípio, fornecemos evidências para a adequação do ensaio tanto em roedores quanto em homogeneizações de tecido cerebral humano pós-morte. Utilizando latrunculin A (uma droga que despomeriza filamentos de actina), confirmamos a utilidade do ensaio no monitoramento de alterações nos níveis de F-actin. Além disso, estendemos o ensaio a frações bioquímicas de terminais sinápticos isolados em que confirmamos o aumento da polimerização da actina após a estimulação por despolarização com alto K+extracelular .

Introdução

A actina de proteína citoesquelél está envolvida em múltiplas funções celulares, incluindo suporte estrutural, transporte celular, motilidade celular e divisão. A actina ocorre em equilíbrio em duas formas: actina globular monomérica (G-actin) e ato de fisordenada polimerizada (F-actin). Mudanças rápidas no status de polimerização da actina (interconversão entre suas formas G e F) resultam em rápida montagem de filamentos e desmontagem e fundamentam suas funções regulatórias na fisiologia celular. Actin forma o principal componente da estrutura citoesquelético neuronal e influencia uma ampla gama de funções neuronais1,2. Note-se que o citoesqueleto actin forma parte integrante da plataforma estrutural dos terminais sinápticos. Como tal, é um dos principais determinantes da morfogênese sináptica e da fisiologia e desempenha um papel fundamental no controle do tamanho, número e morfologia das sinapses3,4,5. Em particular, a polimerização dinâmica de actina-despomerização é um determinante fundamental da remodelagem sináptica associada à plasticidade sináptica subjacente aos processos de memória e aprendizagem. De fato, tanto as funções pressiná-iânfmáticas (como a liberação neurotransmissor6,7,8,9,10) quanto as funções postsintálicas (remodelagem dinâmica relacionada à plasticidade11,12,13,14) dependem criticamente de mudanças dinâmicas no status de polimerização do citoesqueleto actin.

Em condições fisiológicas, os níveis de F-actin são dinamicamente e firmemente regulados através de uma via multimodal envolvendo modificação pós-transacional4,15,16, bem como proteínas de ligação de actina (ABPs)4,17. Os ABPs podem influenciar a dinâmica da actina em vários níveis (como iniciar ou inibir a polimerização, induzir ramificações de filamentos, cortar filamentos em peças menores, promover a despomerização e proteger contra a despomerização), e estão em turno sob um rigoroso controle modulatório sensível a vários sinais extra e intracelular18,19,20. Tais verificações regulatórias em vários níveis ditam uma regulação rigorosa da dinâmica da actina no citoesqueleto sináptico, afinando aspectos pré e postinopticos da fisiologia neuronal, tanto nos estados basais quanto induzidos pela atividade.

Dado os importantes papéis da actina na fisiologia neuronal, não é de surpreender que vários estudos tenham fornecido evidências de alterações na dinâmica da actina como eventos patogênicos críticos ligados a uma ampla gama de distúrbios neurológicos, incluindo neurodegeneração, doenças psicológicas e doenças neurodesenvolvimentares3,21,22,23,24,25,26,27. Apesar da riqueza de dados de pesquisa que apontam para papéis-chave da actina na fisiologia neuronal e na fisiopatologia, no entanto, lacunas significativas ainda permanecem na compreensão da dinâmica da actina, particularmente no citoesqueleto sináptico. Mais estudos de pesquisa são necessários para ter uma melhor compreensão da actina neuronal e suas alterações em condições patológicas. Uma das principais áreas de foco nesse contexto é a avaliação do status de polimerização de actina. Existem kits comerciais baseados em manchas ocidentais (G-Actin/F-Actin in vivo assay bioquímico kit; Cytoskeleton SKU BK03728,29) e ensaios caseiros para avaliação dos níveis de F-actin6. No entanto, como estes requerem isolamento bioquímico de F-actin e G-actin e porque sua quantificação subsequente é baseada em protocolos de imunobloquetação, eles podem ser demorados. Aqui relatamos um ensaio baseado em espectroscopia de fluorescência adaptado de um estudo anterior30 com modificações que podem ser usadas para avaliar tanto os níveis basais de F-actin, como mudanças dinâmicas em sua montagem-desmontagem. Notavelmente, modificamos eficientemente o protocolo original que requer amostras adequadas para um cuvette de 1 mL para o formato atual de placa de 96 poços. O protocolo modificado reduziu significativamente a quantidade de tecido/amostra necessária para o ensaio. Além disso, fornecemos evidências de que o protocolo é adequado não apenas para homogeneizadores de tecido cerebral, mas também frações subcelulares, como terminais sinápticos isolados (sinápttos e sinápticos). Por fim, o ensaio pode ser empregado para tecidos cerebrais de roedores recém-dissecados e amostras cerebrais humanas pós-morte armazenadas a longo prazo. Note-se que, embora o ensaio seja apresentado em um contexto neuronal, ele pode ser adequadamente estendido a outros tipos de células e processos fisiológicos associados a eles.

Protocolo

Todos os procedimentos experimentais foram realizados de acordo com as normas do Comitê de Ética da Universidade de Otago no Cuidado e Uso de Animais de Laboratório (Protocolo de Ética Nº. AUP95/18 e AUP80/17) e legislatura neozelandesa. Os tecidos cerebrais humanos foram obtidos do Neurological Tissue Bank of Hospital Clínic-IDIBAPS BioBank em Barcelona, Espanha. Todos os protocolos de coleta de tecidos foram aprovados pelo Comitê de Ética do Hospital Clínic, em Barcelona, e o consentimento informado foi obtido das famílias.

1. Preparação de tampões e reagentes

  1. Prepare os seguintes buffers para a homogeneização do tecido cerebral e a preparação de fração enriquecida de terminais sinápticos:
    Tampão de homogeneização: 5 mM HEPES, pH 7.4 suplementado com 0,32 M de sacarose
    Tampão de resuspensão: 5 mM Tris, pH 7.4 suplementado com sacarose de 0,32 M
    Tampão de lavagem: 5 mM Tris, pH 8.1
    1,2 M de sacarose
    1,0 M de sacarose
    0,85 M de sacarose
  2. Adicione mistura caseira ou comercial de inibidores de protease e fosfatase.
    NOTA: Usamos a versão sem EDTA do mix completo do Inibidor protease (1 comprimido por tampão de 10 mL) e coquetel inibidor de fosfatase IV (1:100; volume: volume).
  3. Prepare os seguintes buffers e reagentes para a fixação, permeabilização e vinculação da falooidina:
    Tampão krebs: 118,5 mM NaCl, 4,7 mM KCl, 1,2 mM MgCl2, 2 mM CaCl2, 0,1 mM KH2PO4, 5 mM NaHCO3,10 mM de glicose, 20 mM HEPES, pH 7.4
    1 M KCl
    Glutaraldeído 25% (solução de estoque)
    Tampão krebs contendo 0,1 % Triton X-100 e 1 mg/mL NaBH4
    400x Alexa Fluor 647 Phalloidin em DMSO
    Tampão krebs contendo 0,32 M de sacarose
    50 μM latrunculin A em DMSO (solução de estoque)
    1 M KCl (solução de estoque)
    ATENÇÃO: A falooidina é tóxica (LD50 = 2 mg/kg) e deve ser tratada com cuidado. A inalação de glutaraldeído é tóxica e deve ser manuseada em um capô de fumaça.
  4. Armazene os buffers a 4 °C e a faloideína e latrunculin A a -20 °C para armazenamento a longo prazo.
    NOTA: O armazenamento a longo prazo de buffers não é recomendado. O protocolo pode ser pausado aqui.

2. Homogeneização do tecido cerebral

  1. Homogeneize o tecido cerebral de rato criopreservado ou recém-dissecado em 10 volumes de tampão de homogeneização em um tubo de vidroPotter-Elvehjem e pilão no gelo.
    NOTA: A homogeneização ideal é alcançada por 15-20 golpes do pilão à mão para tecidos cerebrais. A homogeneização bem sucedida pode ser confirmada pelo fluxo suave da suspensão através do tubo de vidro. O protocolo pode ser pausado aqui.
  2. Determine a concentração de proteína no homogeneizar usando um ensaio de Bradford31.
    NOTA: Ensaios caseiros ou comerciais alternativos para estimativa de proteínas também podem ser usados.
  3. Diluir amostras homogeneizadas no tampão krebs a uma concentração de 2-3 mg de proteína/mL em um volume de 50 μL.
    NOTA: Em alguns de nossos experimentos, incubamos homogeneizadores com 2 μM latrunculin A ou DMSO (controles) a 37 °C por 1 h. Para isso, os homogeneizadores são resuspended em 48 μL de buffer Krebs, e 2 μL de 50 μM latrunculin A ou 2 μL de DMSO é adicionado. Além disso, para a imunoblotação, uma pequena quantidade de amostra (10 μg) é coletada após a incubação.
  4. Fixar as amostras homogeneizais (seção 5).

3. Preparação de terminais nervosos isolados

  1. Preparação de sinástomos
    NOTA: Protocolos alternativos32,33 para sináttoso também podem ser usados.
    1. Centrífuga cerebral homogeneiza a 1.200 x g por 10 min a 4 °C.
    2. Descarte a pelota, que é a fração nuclear bruta.
    3. Mais centrífuga o supernascido (S1) obtido na etapa 3.1.1 a 12.000 x g para 15 min a 4 °C.
    4. Remova o supernatante (S2), que é a fração citosolica solúvel.
    5. Resuspend a pelota (P2) obtida na etapa 3.1.3, que é a fração sintásica bruta no tampão de resuspensão.
      NOTA: O volume do tampão de ressuspensão depende da quantidade de tecido inicial e da quantidade de pelotas obtida. Por exemplo, quando começa com 150-300 mg de tecidos cerebrais, a pelota obtida pode ser resuspended em 200 μL de tampão de resuspensão.
    6. Carregue os sinapstos brutos resuspendados em um gradiente de sacarose descontínuo feito de volumes iguais de 0,85-1.0-1,2 M de sacarose.
      NOTA: Normalmente usamos 1 mL cada uma da solução de sacarose (para tecido de 150-300 mgs). Isso pode ser alterado de acordo com quantidades maiores de tecido. Gradientes descontínuos podem ser feitos usando uma seringa 25G pressionada contra a parede interna do tubo ultracentrífuga e camadas suaves das camadas de sacarose.
    7. Centrifugar a 85.000 x g por 2 h a 4 °C.
      NOTA: Devido à alta velocidade da centrifugação, é necessário um ultracentrifuge capaz de criar um vácuo para reduzir o aquecimento.
    8. Colete a fração sinapstosômica na interface entre 1,0 e 1,2 M de sacarose usando uma ponta de tubulação de 200 μL.
    9. Lave a fração sinaptosômica com tampão de lavagem gelado por centrifugação a 18.000 x g por 10 minutos a 4 °C.
      NOTA: Para a lavagem, a fração sinaptosômica obtida na interface de 1,0 e 1,2 M de sacarose é coletada em um tubo fresco de 1,5 mL, e um volume igual de tampão de lavagem é adicionado, garantindo a remoção de alta sacarose do meio.
    10. Lave a pelota sinaptosômica novamente com tampão de homogeneização gelada a 12.000 g durante 10 minutos a 4 °C.
    11. Resuspense os sinapstosos no tampão de homogeneização no gelo.
      NOTA: O protocolo pode ser brevemente pausado aqui.
    12. Determine a concentração de proteínas usando um ensaio de Bradford.
    13. Resuspenda os sinapstosmos em tampão krebs a uma concentração de 2-3 mg de proteína/mL em um volume de 50 μL (47,5 μL se os sináceos devem ser despolarizados por KCl; ver seção 4).
      NOTA: Para a resuspensão, a fração sinapstosômica é primeiramente girada em 12.000 x g por 5 min a 4 °C e o supernascido (tampão) é removido. A pelota sinaptosômica é então resuspendida no tampão Krebs por pipetação suave usando uma ponta de tubulação de 200 μL.
    14. Prossiga com a despolarização (seção 4).
  2. Preparação de sináticos
    NOTA: Protocolos alternativos34,35 para sináptos também podem ser usados.
    1. Passe o cérebro homogeneizar através de um filtro de rede pré-molhado de 100 μm de tamanho de poro em um suporte de filtro usando uma seringa de 1 mL.
      NOTA: A pré-motação de todos os filtros é importante para evitar a perda da amostra e deve ser feita usando tampão de homogeneização. Para isso, o tampão de homogeneização é passado através dos filtros no suporte do filtro usando uma seringa de 1 mL até que o buffer flua.
    2. Colete o filtrado (F1) em um tubo pré-refrigerado de 1,5 mL no gelo.
    3. Repita o processo (etapas 3.2.1 e 3.2.2) para a fração F1 para obter o segundo filtrado (F2).
    4. Passe f2 filtrado através de um filtro líquido de 5 μm tamanho de poros.
    5. Colete o filtrado (F3) em um tubo pré-refrigerado de 1,5 mL no gelo.
    6. Centrífuga filtra F3 a 1.500 x g por 10 min a 4 °C.
    7. Resuspend a pelota (sináptogoso) em tampão de Krebs no gelo a uma concentração de 2-3 mg de proteína/mL em um volume de 50 μL (47,5 μL se os sináceos devem ser despolarizados pela KCl; ver seção 4).
      NOTA: O protocolo pode ser brevemente pausado aqui.
    8. Estime a concentração de proteínas usando um ensaio de Bradford.
    9. Prossiga com a despolarização (seção 4).

4. Despolarização mediada por KCl de terminais sinápticos isolados

  1. Equilibre os sináceos/sináptosmos a 37 °C por 5-10 min.
  2. Estimule os sinápstosmos/sináptorias adicionando KCl para aumentar k extracelular+ para 50 mM para 30 s a 37 °C e adicionar o mesmo volume de tampão Krebs ao respectivo conjunto de controle não estimulado.
    NOTA: Por exemplo, adicione 2,5 μL de 1 M KCl aos sinápstoses resuspentados em 47,5 μL de buffer Krebs; e adicionar 2,5 μL de tampão Krebs ao respectivo sinaptosomo de controle não estimulado. Para experimentos em que um grande número de amostras estão envolvidas, proceda com no máximo 2 amostras por vez para que o tempo de despolarização não exceda os 30 s.
  3. Finalce a estimulação adicionando glutaraldeído (seção 5).

5. Fixação e mancha de faloideína de amostras

  1. Adicione glutaraldeído a amostras homogeneizas/sinapstosômicas/sinapstoneurosomais a uma concentração final de 2,5% para 2-3 min à temperatura ambiente.
    NOTA: Adicionamos 6 μL de solução de glutaraldeído de 25% para que a concentração final de glutaraldeído nas amostras de 50 μL (homogeneizados/sinápitos/sinapontorosos) fosse de cerca de 2,5%. A fixação é crítica e deve ser rápida e, portanto, imediatamente após a adição de glutaraldeído, a amostra deve ser vigorosamente vórticada.
  2. Sedimente as amostras a 20.000 x g por 5 min.
  3. Remova o supernatante.
    NOTA: Descarte o supernatante em uma capa de fumaça, pois o glutaraldeído é tóxico.
  4. Permeabilize a pelota por resuspensão em 100 μL de tampão Krebs contendo 0,1% Triton X-100 e 1 mg/mL NaHB4 para 2-3 min em temperatura ambiente.
  5. Sedimente as amostras a 20.000 x g por 5 min.
  6. Remova o tampão de permeabilização.
  7. Lave a pelota com 200 μL de tampão Krebs por centrifugação a 20.000 x g por 5 min.
  8. Resuspend e colora a pelota com 1x Alexa Fluor 647 Phalloidin (correspondente a 500 μU) em 100 μL de tampão Krebs por 10 minutos no escuro à temperatura ambiente.
    NOTA: Outras variedades de análogos fluorescentes de faloideína estão disponíveis comercialmente e podem ser substituídas para o ensaio. A concentração de faloidina e o volume total de amostra de incubação podem ter que ser modificados de acordo com a quantidade e o tipo de tecido/amostra que está sendo testado e as condições ideais devem ser padronizadas em conformidade.
  9. Centrifugar as amostras manchadas a 20.000 x g por 5 min.
  10. Remova a falooidina desvinculada (supernante).
  11. Lave a amostra com 200 μL de tampão krebs por centrifugação a 20.000 x g por 5 min.
  12. Resuspend em 200 μL de tampão Krebs contendo 0,32 M de sacarose.
    NOTA: O protocolo pode ser brevemente pausado aqui.

6. Análise fluorométrica e dispersão de luz

  1. Dispense alexa fluor 647 amostras manchadas de phalloidina em uma placa preta de 96 poços.
  2. Meça a intensidade da fluorescência em um comprimento de onda de excitação de 645 nm e um comprimento de onda de emissão de 670 nm em um leitor de placas à temperatura ambiente.
  3. Transfira as amostras da placa preta de 96 poços para a placa transparente de 96 poços usando pontas de tubulação de 200 μL.
  4. Meça a dispersão de luz em 540 nm para corrigir quaisquer perdas que possam ter ocorrido durante as etapas anteriores de fixação, permeabilização e coloração.
    NOTA: Variações no material biológico retido nas amostras manchadas podem ser mais proeminentes para quantidades menores de material inicial (ver Discussão).
  5. Inclua um conjunto de Alexa Fluor 647 Phalloidin no buffer Krebs em diferentes concentrações (0,05x, 0,1x, 0,25x, 0,35x, 0,75x, 0,5x e 1x correspondente a 25, 50, 125, 175, 250, 375 e 500 μU) para cada lote do ensaio como curva padrão.
    NOTA: Esta é uma etapa opcional e não afeta os resultados do ensaio especialmente quando os níveis de F-actin estão sendo expressos de forma relativa (Seção 7). O protocolo pode ser pausado aqui.

7. Análise de dados

  1. A quantidade de F-actin nas amostras é diretamente proporcional à intensidade de fluorescência da faloideina ligada. Expresse em termos absolutos de unidades de faloideína encadernadas calculadas a partir da curva linear do padrão de faloideina marcada.
    NOTA: Como exemplo, ver Figuras 2A-B, 3A, 4A-B e Figura Suplementar 2.
  2. Expresse níveis de F-actin como uma fração das amostras de controle.
    NOTA: Como exemplo, consulte figuras 5A-B.

Resultados

Linearidade do ensaio para avaliação dos níveis de F-actin
Primeiro, foi verificada uma curva padrão para o aumento linear da fluorescência de Alexa Fluor 647 Phalloidin e repetida para cada conjunto de experimentos(Figura 1). Para investigar a faixa linear do ensaio, foram processadas diferentes quantidades de homogeneizadores cerebrais de roedores(Figuras 2A e 2B) e indivíduos humanos pós-morte(Figura 3A

Discussão

O ensaio aqui descrito, essencialmente adaptado de um estudo anterior30 com modificações, emprega uma falotoxina, phalloidina marcada com um rótulo fluorescente. Os análogos fluorescentes de faloidina são considerados o padrão-ouro para filamentos de actina de coloração em tecidos fixos47,48,49. Na verdade, são as ferramentas mais antigas para identificar especificamente os filamentos

Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Neurológica da Nova Zelândia (1835-PG), pelo Conselho de Pesquisa em Saúde da Nova Zelândia (#16-597) e pelo Departamento de Anatomia da Universidade de Otago, Nova Zelândia. Estamos em dívida com o Banco de Tecidos Neurológicos do HCB-IDIBAPS BioBank (Espanha) por tecidos cerebrais humanos. Agradecemos a Jiaxian Zhang por sua ajuda na gravação e edição do vídeo.

Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
3.5 mL, open-top thickwall polycarbonate tubeBeckman Coulter349622For gradient centrifugation (synaptosome prep)
Alexa Fluor 647 PhalloidinThermo Fisher ScientificA22287F-actin specific ligand
Antibody against  b-actinSanta Cruz BiotechnologySc-47778For evaluation of total actin levels by immunoblotting
Antibody against GAPDHAbcamAb181602For evaluation of GAPDH levels by immunoblotting
Bio-Rad Protein Assay Dye Reagent ConcentrateBio-Rad5000006Bradford based protein estimation
Calcium chloride dihydrate (CaCl2·2H2O)Sigma-AldrichC3306Krebs buffer component
cOmplete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor CocktailSigma-Aldrich4693159001For inhibition of endogenous protease activity during sample preparation
Corning 96-well Clear Flat Bottom PolystyreneCorning3596For light-scattering measurements
D-(+)-GlucoseSigma-AldrichG8270Krebs buffer component
Dimethyl sulfoxideSigma-AldrichD5879Solvent for phalloidin and latrunculin A
Fluorescent flatbed scanner (Odyssey Infrared Scanner)Li-Cor BiosciencesFor detection of immunoreactive signals on immunoblots
Glutaraldehyde solution (25% in water) Grade IISigma-AldrichG6257Fixative
HEPESSigma-AldrichH3375Buffer ingredient for sample preparation and Krebs buffer component
Latrunculin ASigma-AldrichL5163Depolymerizer of actin filaments
Magnesium chloride hexahydrate (MgCl2·6H2O)Sigma-AldrichM2670Krebs buffer component
Microplates
Mitex membrane filter 5 mmMilliporeLSWP01300Preparation of synaptoneurosomes
Nunc F96 MicroWell Black PlateThermo Fisher Scientific237105For fluorometric measurements
Nylon net filter 100 mmMilliporeNY1H02500Preparation of synaptoneurosomes
Phosphatase Inhibitor Cocktail IVAbcamab201115For inhibition of endogenous phosphatase activity during sample preparation
Potassium chloride (KCl)Sigma-AldrichP9541Krebs buffer component and for depolarization of synaptic terminals
Potassium phosphate monobasic ((KH2PO4)Sigma-AldrichP9791Krebs buffer component
Sodium borohydride (NaBH4)Sigma-Aldrich71320Component of Permeabilization buffer
Sodium chloride (NaCl)LabServ (Thermo Fisher Scientific)BSPSL944Krebs buffer component
Sodium hydrogen carbonate (NaHCO3)LabServ (Thermo Fisher Scientific)BSPSL900Krebs buffer component
SpectraMax i3xMolecular DevicesFor fluorometric measurements
SucroseFisher ChemicalS/8600/60Buffer ingredient for sample preparation
Swimnex Filter HolderMilliporeSx0001300Preparation of synaptoneurosomes
Tissue grinder 5 mL Potter-ElvehjemDuran Wheaton Kimble358034For tissue homogenization
Triton X-100Sigma-AldrichX100Component of Permeabilization buffer
Trizma baseSigma-AldrichT6066Buffer ingredient for sample preparation

Referências

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