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Aqui, é apresentado um método para a análise da cinética de agregação de proteínas no nematode Caenorhabditis elegans. Animais de uma população sincronizada por idade são imagens em diferentes momentos, seguidos pela contagem de inclusão semiatomada no CellProfiler e adaptação a um modelo matemático em Amilafit.
A agregação de proteínas em inclusões insolúveis é uma marca registrada de uma variedade de doenças humanas, muitas das quais estão relacionadas à idade. O nematode Caenorhabditis elegans é um organismo modelo bem estabelecido que tem sido amplamente utilizado no campo para estudar a agregação e toxicidade proteica. Sua transparência óptica permite a visualização direta da agregação de proteínas por microscopia de fluorescência. Além disso, o ciclo reprodutivo rápido e a vida útil curta fazem do nematode um modelo adequado para a triagem de genes e moléculas que modulam esse processo.
No entanto, a quantificação da carga agregada em animais vivos é pouco padronizada, normalmente realizada por inclusão manual contando sob um microscópio de dissecção de fluorescência em um único ponto de tempo. Essa abordagem pode resultar em alta variabilidade entre observadores e limita a compreensão do processo de agregação. Em contraste, a agregação de proteínas semelhantes a amiloide in vitro é rotineiramente monitorada pela fluorescência thioflavvin T de forma altamente quantitativa e resolvida pelo tempo.
Aqui, um método análogo é apresentado para a análise imparcial da cinética de agregação em C. elegans vivos, utilizando um microscópio confocal de alta produtividade combinado com análise de imagem personalizada e encaixe de dados. A aplicabilidade deste método é demonstrada pelo monitoramento da formação de inclusão de uma proteína de poliglutamina (polyQ) fluorescentemente rotulada nas células musculares da parede corporal. O fluxo de trabalho de análise de imagem permite a determinação do número de inclusões em diferentes momentos, que são ajustados a um modelo matemático baseado em eventos de nucleação independentes em células musculares individuais. O método aqui descrito pode ser útil para avaliar os efeitos dos fatores de proteostase e potenciais terapêuticas para doenças de agregação de proteínas em um animal vivo de forma robusta e quantitativa.
O acúmulo de proteínas desdobradas em depósitos insolúveis ocorre em uma ampla gama de doenças. Exemplos bem conhecidos são a agregação de amilóide-β e tau na doença de Alzheimer, α-sinucleína na doença de Parkinson, e a caça com polq expandido na doença de Huntington 1,2. O descompactamento desses polipeptídeos em fibrilas amiloides está associado à toxicidade e morte celular por mecanismos que ainda não estão claros. Elucidar os mecanismos de formação amiloide será crucial para o desenvolvimento de terapias eficazes, que atualmente não estão disponíveis.
Investigações detalhadas da formação amiloide têm sido realizadas in vitro com base em medidas de fluorescência thioflavina T, levando a uma compreensão mecanicista do processo de agregação e do efeito das moléculas inibitórias 3,4,5. No entanto, não está claro se os mesmos mecanismos de agregação se mantêm verdadeiros no complexo ambiente de células vivas e organismos. O verme nematode Caenorhabditis elegans é um organismo modelo adequado para estudar a agregação de proteínas in vivo. Tem uma anatomia relativamente simples, mas consiste em múltiplos tecidos, incluindo músculo, intestino e um sistema nervoso. É geneticamente bem caracterizado, e ferramentas para modificação genética estão prontamente disponíveis. Além disso, tem um curto tempo de geração de ~3 dias e uma vida útil total de 2-3 semanas. Como tal, a agregação de proteínas pode ser examinada ao longo da vida útil do animal em uma escala de tempo experimentalmente conveniente. Finalmente, o nematoide é opticamente transparente, permitindo o rastreamento da agregação de proteínas fluorescentes rotuladas em animais vivos.
Essas características de C. elegans foram previamente exploradas para investigar a agregação de proteínas de polq como modelo para doenças de expansão de Huntington e outras doenças de expansão do POLQ. Acima do limiar patogênico de 35-40 resíduos de glutamina, as proteínas de polq rotuladas com proteína fluorescente amarela (YFP) podem ser observadas para formar inclusões insolúveis no tecido muscular 6,7, neurônios8 e intestino 9,10. Essas características têm sido amplamente utilizadas para a triagem de genes 11,12,13 e modificadores de pequenas moléculas14 de agregação e toxicidade de proteínas.
C. elegans tem o potencial de desempenhar um papel importante na ponte entre estudos in vitro de agregação de proteínas e modelos de doenças mais complexas, como camundongos15. C. elegans é favorável ao rastreamento de drogas16 , mas também pode ser explorado para obter uma compreensão fundamental dos mecanismos moleculares de agregação de proteínas in vivo, como demonstrado recentemente17. No entanto, para ambas as aplicações, é de grande importância extrair uma medida quantitativa e reprodutível de agregação de proteínas. Aqui, isso é conseguido com o uso de um microscópio confocal de alta produtividade combinado com um pipeline de análise de imagem dedicado (Figura 1).
1. Crescimento de uma população sincronizada por idade de C. elegans
2. Preparação amostral de C. elegans em uma placa multiwell
NOTA: Como o procedimento de imagem requer anestésicos que eventualmente matarão os animais, os mesmos animais não podem ser reutilizados para pontos de tempo subsequentes. Em vez disso, animais diferentes do mesmo lote sincronizado por idade são imagens em dias diferentes. Embora a maioria das cepas tenha poucas inclusões no primeiro dia, recomenda-se incluir este ponto de tempo como linha de base.
3. Aquisição de imagem no microscópio confocal de alto rendimento
NOTA: Este experimento também pode ser configurado em um microscópio confocal de disco giratório regular com um suporte de placa multiwell. Uma câmera com um grande campo de visão é benéfica para limitar o número de telhas necessárias para serem imagens para cobrir todo o poço. Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre o microscópio e o software utilizados neste protocolo.
4. Costurando imagens de ladrilhos no ImageJ
NOTA: Esta etapa só é necessária ao usar um objetivo maior que 4x, para o qual a imagem de cada poço é adquirida como múltiplas telhas. Nesta análise, a costura das telhas é realizada utilizando-se o software livre FIJI/ImageJ19 (Figura 2). Dependendo do instrumento utilizado na etapa 3, também pode ser possível realizar a costura diretamente no software de acompanhamento.
5. Contagem automatizada de inclusão usando CellProfiler22
6. Ajuste global de dados de contagem de inclusão usando AmyloFit5
NOTA: Esta etapa só pode ser realizada quando os dados para múltiplas concentrações proteicas estiverem disponíveis. Para o Q40-YFP, um conjunto de quatro cepas com diferentes níveis de superexpressão nas células musculares da parede corporal foi criado anteriormente17. Em outros casos, novas cepas devem ser geradas usando microinjeção plasmida e integração genômica24.
O método descrito aqui (Figura 1) foi utilizado para analisar a cinética de agregação de uma construção composta por 40 glutaminas fundidas a YFP (Q40-YFP). A proteína é expressa sob o controle do promotor unc-54 , conduzindo expressão nas células musculares da parede corporal. Como estes são relativamente grandes e fáceis de visualizar, o uso de um objetivo de 10x é suficiente para resolver as inclusões formadas pelo Q40-YFP neste tecido. Quatro cepas (linhas A-D) foram previamente desenvolvidas expressando a proteína em diferentes extensões para avaliar a concentração-dependência da agregação de polq in vivo17.
As populações sincronizadas por idade das linhas A-D foram geradas por um ovo-lei de 2 h, seguido pela transferência diária assim que a prole atingiu a idade adulta. Do 1º ao 10º dia da idade adulta, 20 animais de cada uma das quatro cepas foram retratados em uma placa de 384 poços, usando um microscópio confocal de alta produtividade. As imagens dos poços foram adquiridas como 6 telhas, que foram costuradas juntas utilizando um plugin na ImageJ21 (Figura 2). As imagens costuradas foram posteriormente analisadas usando um pipeline personalizado cellprofiler22 (Figura 3) para quantificar o número médio de inclusão por animal para cada cepa e ponto de tempo.
Os dados foram então ajustados a um modelo matemático em AmyloFit5 (Figura 4). O modelo baseia-se no pressuposto de que cada uma das 95 células musculares da parede corporal adquire independentemente uma inclusão por um evento de nucleação que limita a taxa, seguido pelo rápido crescimento agregado17. O ajuste rendeu uma taxa de nucleação constante de 9,9 × 105 moléculas M-2.1 d-1 cell-1 e uma ordem de reação de 2,1, correspondendo a uma taxa de nucleação de 0,38 moléculas d-1 célula-1 a uma concentração de proteína intracelular de 1 mM. Duas réplicas biológicas independentes levaram a valores intimamente correspondentes para a taxa de nucleação e a ordem de reação, que estão de acordo com um estudo anterior utilizando um protocolo semelhante17 (Tabela 1).
Figura 1: Visão geral esquemática do método. (A) As populações de C. elegans sincronizadas pela idade são geradas por um ovo-lay cronometrado. (B) Animais da mesma população são retratados em uma placa de 384 poços em diferentes pontos de tempo. (C) As telhas são costuradas juntas para formar imagens de todos os poços, que são analisadas no CellProfiler para quantificar os números de inclusão por animal. (D) Os dados são ajustados a um modelo matemático usando o AmyloFit. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Capturas de tela do procedimento de costura no ImageJ usando a costura grade/coleção de plugin21. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Esquema do pipeline CellProfiler para quantificar números de inclusões. (A-C) A imagem de campo brilhante (A) é usada para identificar os worms (B, close-up em C). (D-G) A imagem de fluorescência (D, close-up em E) é usada para identificar as inclusões (F). Os vermes e inclusões estão relacionados para fornecer o número de inclusões para cada verme no poço (G). As imagens mostradas são de animais da linha Q40 A no terceiro dia da idade adulta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: A montagem dos dados a um modelo matemático em AmyloFit. (A) Os dados são enviados para o AmyloFit. (B) Uma equação personalizada é inserida na formação de inclusão do modelo, assumindo eventos de nucleação independentes em cada célula. (C) Montagem da cinética de agregação para as linhas C. elegans A-D expressando diferentes níveis de Q40-YFP. Os dados são representativos de duas réplicas biológicas independentes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Conjunto de dados 1 | Conjunto de dados 2 | Sinnige et al.17 | |
n | 2.1 | 1.9 | 1.6 |
Célula K (moléculas M-n d-1 célula-1) | 9,9 x 105 | 1,4 x 105 | 3.1 x 104 |
Taxa de nucleação em 1 mM (moléculas d-1 célula-1) | 0.38 | 0.21 | 0.35 |
Tabela 1: Valores da taxa de nucleação e ordem de reação da agregação Q40-YFP. Dados para duas réplicas biológicas independentes do protocolo e comparação com dados publicados anteriormente17.
O método aqui apresentado facilita uma análise imparcial e quantitativa da cinética de agregação de proteínas no organismo modelo C. elegans. Depende de quatro elementos-chave (Figura 1): 1) manter uma população sincronizada por idade de nematoides; 2) microscopia de fluorescência em placas multiwell; 3) contagem automatizada de inclusão no CellProfiler; 4) encaixe de dados no AmyloFit. Em comparação com a contagem manual de inclusões em animais em movimento livre ou de imagens salvas26, a quantificação no CellProfiler é mais rápida e imparcial. O outro avanço fundamental do protocolo é a aquisição de dados cinéticos, em vez de pontos de tempo únicos, que fornece insights quantitativos sobre o mecanismo de agregação ao encaixar os dados em um modelo matemático.
Os quatro elementos do protocolo podem ser usados como módulos independentes que podem ser modificados dependendo da aplicação. Populações sincronizadas por idade também podem ser mantidas usando 5-fluoro-2'-desoxyuridina (FUDR) para esterilizar os animais. Este composto afeta a vida útil e a proteostase 24,25 e é altamente cancerígeno para o experimentador; no entanto, impede a transferência manual dos vermes, que podem ser intensivos em mão-de-obra quando grandes números são tratados. Outras alternativas são o uso de mutantes estéreis29 ou dispositivos de filtragem para separar a prole30.
A etapa de microscopia de fluorescência também pode ser ajustada, por exemplo, usando ampliações mais altas para monitorar a agregação de proteínas nos neurônios. A microscopia widefield pode ser suficiente para monitorar a agregação de polq em células musculares quando a diferença relativa entre as condições é mais importante do que o número absoluto de inclusões. O pipeline CellProfiler ainda pode ser usado nesses casos, embora as configurações para reconhecer worms e inclusões precisem ser ajustadas pelo usuário. Atualmente, o rendimento da técnica é limitado pela necessidade de colheita manual dos animais na placa de 384 poços. Isso pode ser potencialmente corrigido pelo uso de dispositivos microfluidos16. O azida de sódio é um anestésico relativamente severo, que pode ser substituído pela imobilização física por hidrogéis ou contas28,29.
A análise em Amilado apresentado aqui é baseada em um mecanismo de agregação composto por eventos de nucleação independentes em células individuais. Nos casos em que esse modelo não se encaixa, o usuário deve considerar uma alternativa como o modelo de agregação cooperativa desenvolvido anteriormente17. Uma limitação dessa abordagem é que as cepas que expressam a proteína do interesse em diferentes concentrações precisam estar disponíveis, embora estas possam ser geradas usando métodos de rotina C. elegans 24.
Ao todo, este protocolo fornece os meios para a obtenção de dados de alta qualidade para a cinética de agregação de proteínas em um sistema modelo in vivo , permitindo uma análise detalhada dos mecanismos de agregação17. Embora o método tenha sido demonstrado para agregação de poliq no tecido muscular C. elegans , futuras aplicações do protocolo podem incluir outras proteínas e tecidos e os efeitos de fatores de proteostase e pequenas moléculas.
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Agradecemos ao laboratório Morimoto por cepas C. elegans e Esmeralda Bosman por assistência no microscópio confocal de alto rendimento. Este trabalho foi financiado por uma bolsa inicial da Universidade de Utrecht para t.S.
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 CV7000S | |
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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