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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Um protocolo robusto é apresentado aqui para isolar grânulos de neuromelanina de tecido humano post-mortem substantia nigra pars compacta via microdissecção a laser. Este protocolo revisado e otimizado minimiza massivamente o tempo necessário para a coleta de amostras, reduz a quantidade de amostra necessária e melhora a identificação e quantificação de proteínas pela análise LC-MS/MS.
A neuromelanina é um pigmento preto-acastanhado, presente nos chamados grânulos de neuromelanina (NMGs) em neurônios dopaminérgicos da substância negra pars compacta. Além da neuromelanina, os NMGs contêm uma variedade de proteínas, lipídios e metais. Embora os neurônios dopaminérgicos contendo NMGs sejam preferencialmente perdidos em doenças neurodegenerativas, como a doença de Parkinson e a demência com corpos de Lewy, pouco se sabe sobre o mecanismo de formação de NMG e o papel dos NMGs na saúde e na doença. Assim, mais pesquisas sobre a caracterização molecular de NMGs são essenciais. Infelizmente, os protocolos padrão para o isolamento de proteínas são baseados na ultracentrifugação do gradiente de densidade e, portanto, exigem grandes quantidades de tecido humano. Assim, um protocolo automatizado baseado em microdissecção a laser (LMD) é estabelecido aqui, que permite a coleta de NMGs e tecido de substância negra (SN) circundante usando quantidades mínimas de tecido de forma imparcial e automatizada. As amostras excisadas são posteriormente analisadas por espectrometria de massas para decifrar a sua composição proteómica. Com este fluxo de trabalho, foram identificadas 2.079 proteínas, das quais 514 proteínas foram identificadas exclusivamente em NMGs e 181 em SN. Os presentes resultados foram comparados com um estudo anterior utilizando uma abordagem semelhante baseada em LMD, alcançando uma sobreposição de 87,6% para ambos os proteomas, verificando a aplicabilidade do protocolo revisado e otimizado aqui apresentado. Para validar os achados atuais, as proteínas de interesse foram analisadas por espectrometria de massa direcionada, por exemplo, experimentos de monitoramento de reação paralela (PRM).
Cada tecido consiste em uma mistura heterogênea de diferentes tipos de células, mas o isolamento específico de um tipo de célula muitas vezes é indispensável para uma caracterização mais precisa. A microdissecção a laser (LMD), acoplando um microscópio com uma aplicação a laser, é uma ferramenta poderosa para o isolamento específico de áreas de tecido, células individuais ou subestruturas celulares de um composto complexo. A aplicação de LMD em combinação com espectrometria de massas (LMD-MS) já foi implementada com sucesso para diversas questões de pesquisa, incluindo o isolamento de DNA1, RNA2 e proteínas 3,4,5. Neste protocolo, um protocolo LMD-MS revisado e otimizado é descrito para a análise proteômica do tecido cerebral post-mortem humano e componentes subcelulares para decifrar novos patomecanismos da doença de Parkinson.
A neuromelanina é um pigmento preto, quase insolúvel, encontrado nos neurônios catecolaminérgicos produtores de dopamina da substância negra pars compacta6. Juntamente com proteínas e lipídios, acumula-se em grânulos organelas circundados por uma dupla membrana, denominada grânulos de neuromelanina (NMGs)7,8,9. Os NMGs podem ser observados a partir dos três anos de idade em humanos, aumentando em quantidade e densidade durante o processo de envelhecimento10,11. Até o momento, não há uma hipótese definitiva sobre a formação de neuromelanina, mas uma suposição é que a neuromelanina é formada através da oxidação da dopamina12. Outras hipóteses são baseadas na produção enzimática de neuromelanina (por exemplo, tirosinase)13. Neuromelanina em si foi encontrado para ter uma alta afinidade de ligação a lipídios, toxinas, íons metálicos e pesticidas. Com base nesses achados, supõe-se que a formação de NMGs proteja a célula do acúmulo de substâncias tóxicas e oxidativas e de toxinas ambientais14,15. Além dessa função neuroprotetora, há evidências de que a neuromelanina pode causar efeitos neurodegenerativos, por exemplo, pela saturação de ferro e pela subsequente catálise dos radicais livres16,17. Além disso, a neuromelanina liberada durante processos neurodegenerativos pode ser decomposta por peróxido de hidrogênio, o que poderia acelerar a necrose por metais reativos e outros compostos tóxicos previamente ligados à neuromelanina e pode contribuir para a neuroinflamação e danos celulares18. No entanto, até agora, o papel exato dos NMGs em processos neurodegenerativos, como no curso da doença de Parkinson, não é claramente compreendido. Ainda assim, os NMGs parecem estar envolvidos na patogênese da doença de Parkinson e sua análise específica é de extrema importância para desvendar seu papel na neurodegeneração. Infelizmente, animais de laboratório comuns (por exemplo, camundongos e ratos) e linhagens celulares não possuem NMGs19. Portanto, os pesquisadores confiam especialmente no tecido cerebral post-mortem para sua análise. No passado, o isolamento de NMG por centrifugação por gradiente de densidade dependia da disponibilidade de grandes quantidades de tecido da substância negra 20,21. Hoje, o LMD apresenta uma ferramenta versátil para isolar especificamente NMGs de amostras de cérebro humano para, em seguida, analisá-los por LC-MS / MS.
Neste protocolo, uma versão melhorada e automatizada de um protocolo anterior22 é apresentada para o isolamento de NMGs e tecido circundante (SN), permitindo uma geração de amostras mais rápida, maior número de proteínas identificadas e quantificadas e uma redução severa das quantidades teciduais necessárias.
O uso de tecido cerebral humano foi aprovado pelo comitê de ética da Ruhr-University Bochum, Alemanha (número de arquivo 4760-13), de acordo com os regulamentos e diretrizes alemãs. Este protocolo foi aplicado em fatias de tecido de substantia nigra pars compacta obtidas comercialmente. Uma visão geral gráfica do protocolo apresentado é mostrada na Figura 1.
1. Secção de tecidos
2. Microdissecção a laser e catapultação de pressão
NOTA: Como os grânulos de neuromelanina são visíveis sem qualquer coloração devido à sua cor preto-acastanhada, nenhuma coloração é necessária para este protocolo. No entanto, diferentes procedimentos de coloração podem ser combinados com este protocolo, se necessário. Tenha em mente que o uso de soluções de bloqueio ou anticorpos influenciará as análises de LC-MS/MS.
3. Digestão tríptica
4. Cromatografia líquida de alta eficiência e espectrometria de massas
NOTA: A seguinte análise espectrométrica de massa (MS) por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) é otimizada para o sistema LC específico com um dispositivo de coluna de aprisionamento e espectrômetro de massa usado aqui (consulte Tabela de Materiais). Para outros sistemas LC e MS, recomenda-se a adaptação de parâmetros.
5. Análise de dados brutos proteômicos utilizando MaxQuant
NOTA: Uma informação detalhada sobre os parâmetros MaxQuant é fornecida na Tabela Suplementar 2. Eles são brevemente descritos abaixo.
6. Análise estatística utilizando Perseu
7. Validação de proteínas selecionadas
NOTA: Os métodos comumente usados para validação de dados de EM são, por exemplo, coloração imunológica ou Western Blot. Devido à cor escura e à autofluorescência da neuromelanina, a coloração imunológica de proteínas dentro dos grânulos de neuromelanina com anticorpos conjugados com peroxidase ou fluoróforo de rábano não é aplicável. Para a análise de Western Blot, quantidades muito grandes de tecido post-mortem seriam necessárias. Portanto, as proteínas selecionadas são validadas por espectrometria de massa direcionada e, no presente caso, foram criados experimentos de monitoramento paralelo de reação (PRM).
O isolamento específico de NMGs e tecido SN é o passo mais importante para o sucesso da aplicação deste protocolo. Usando a função Análise de Campo de Visão no software fornecido pelo fornecedor do LMD, os NMGs podem ser selecionados automaticamente de maneira dependente da cor. Portanto, as áreas teciduais contendo NMGs (Figura 2A) devem ser identificadas e uma Análise de Campo de Visão com limiares de cor ajustados deve ser realizada, resultando na marcação do...
A LMD é uma técnica amplamente aplicável para o isolamento de áreas teciduais específicas, células únicas ou estruturas subcelulares. No protocolo revisado e automatizado aqui apresentado, esta técnica é aplicada para o isolamento específico de grânulos de neuromelanina (NMGs) e tecido circundante de NMG (SN). Até agora, duas abordagens diferentes para o isolamento de NMGs fora do tecido cerebral post-mortem humano foram publicadas e amplamente utilizadas:
a) Gradiente des...
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Este trabalho foi apoiado por de. NBI, um projeto do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) (número de concessão FKZ 031 A 534A) e P.U.R.E. (Protein Research Unit Ruhr within Europe) e Center for Protein Diagnostics (ProDi) subvenções, ambos do Ministério da Inovação, Ciência e Pesquisa da Renânia do Norte-Vestfália, Alemanha.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,4-dithiothreitol | AppliChem | A1101 | |
Acetonitrile | Merck | 1.00029.2500 | |
Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | A6141 | |
Formic acid | Sigma-Aldrich | 56302 | |
Iodoacetamide | AppliChem | A1666,0100 | |
Micro Tube 500 | Carl Zeiss | 415190-9221-000 | |
Orbitrap Fusion Lumos Tribrid mass spectrometer | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBHQ | |
PALM MicroBeam | Zeiss | 494800-0014-000 | |
PEN Membrane slide | Carl Zeiss | 415190-9041-000 | |
substantia nigra pars compacta tissue slices | Navarrabiomed Biobank (Pamplona, Spain) | ||
Trifluoroacetic acid | Merck | 91707 | |
Trypsin sequencing grade | Serva | 37283.01 | |
Ultimate 3000 RSLC nano LC system | Thermo Fisher Scientific | ULTIM3000RSLCNANO | |
Name of Software | Weblink/Company | Version | |
FreeStyle | Thermo Fisher Scientific | 1.6 | |
MaxQuant | https://www.maxquant.org/ | 1.6.17.0 | |
PALMRobo | Zeiss | 4.6 pro | |
Perseus | https://www.maxquant.org/perseus/ | 1.6.15.0 | |
Skyline | https://skyline.ms/project/home/software/Skyline/begin.view | 20.2.0.343 | |
XCalibur | Thermo Fisher Scientific | 4.3 |
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