Visualiseren van axonale groei Cone ineenstorting en vroege amyloïde β effecten in gekweekte muis neuronen
Summary
Hier wordt een protocol bij het onderzoeken van de vroege effecten van amyloid-β (Aβ) in de hersenen gepresenteerd. Dit toont aan dat Aβ clathrin-gemedieerde endocytose en ineenstorting van axonale groei kegels induceert. Het protocol is nuttig bij het bestuderen van de vroege effecten van Aβ op axonale groei kegels en preventie van de ziekte van Alzheimer kan vergemakkelijken.
Abstract
Amyloid-β (Aβ) zorgt ervoor dat geheugen bijzondere waardeverminderingen in de ziekte van Alzheimer (AD). Hoewel therapeutics is aangetoond dat het verminderen Aβ niveaus in de hersenen van patiënten van de advertentie, verbeteren dit geheugen functies niet. Omdat Aβ in de hersenen voor het uiterlijk van geheugen waardeverminderingen aggregaten, kan gericht op Aβ inefficiënt voor de behandeling van AD-patiënten die al geheugen tekorten vertonen worden. Dus moet stroomafwaarts signalering door Aβ afzetting geblokkeerd worden vóór AD ontwikkeling. Aβ induceert axonale degeneratie, leidt tot verstoring van de neuronale netwerken en geheugen waardeverminderingen. Hoewel er veel studies op de mechanismen van toxiciteit Aβ, is de bron van Aβ toxiciteit onbekend. Om te helpen bij het identificeren van de bron, stellen wij voor een nieuw protocol dat gebruikmaakt van microscopie, gene transfectie en levende cel imaging voor het onderzoek naar vroege wijzigingen veroorzaakt door Aβ in axonale groei kegels van beschaafde neuronen. Dit protocol is gebleken dat Aβ clathrin-gemedieerde endocytose in axonale groei kegels gevolgd door groei kegel ineenstorting geïnduceerde, waaruit blijkt dat de remming van endocytose Aβ toxiciteit voorkomt. Dit protocol nuttig zal zijn in het studeren van de vroege effecten van Aβ en kan leiden tot meer efficiënte en preventieve behandeling van AD.
Introduction
Amyloid-β (Aβ) deposito’s zijn te vinden in de hersenen van patiënten met de ziekte van Alzheimer (AD) en worden beschouwd als een kritische oorzaak van AD1 die verstoren neuronale netwerken, wat leidt tot geheugen waardeverminderingen,2,,3,4. Veel klinische drugkandidaten hebben aangetoond dat effectief voorkomen amyloid-β (Aβ) productie of verwijderen Aβ deposito’s. Echter, hebben geen geslaagd in de verbetering van de geheugenfunctie in AD patiënten5. Aβ is al gestort in de hersenen voorafgaand aan de inleiding van geheugen waardeverminderingen6; afnemende Aβ niveaus in de hersenen van patiënten kunnen exposerende geheugen waardeverminderingen dus ondoeltreffend. Aβ afzetting is aanwezig in preklinische AD patiënten; deze patiënten presenteren echter zelden met neuronale degeneratie en geheugen tekorten6. Er is een tijdsverschil tussen Aβ afzetting en geheugen waardeverminderingen. Daarom is een belangrijke strategie voor de preventie van AD blokkeren Aβ toxiciteit signalering tijdens de vroege stadia van AD, voorafgaand aan de ontwikkeling van geheugen tekorten. Aβ afzetting induceert axon degeneratie7,8,9,10,11,12,13, hetgeen tot een verstoring van leiden kan neurale netwerken en permanente schending van de geheugenfunctie. Vele studies hebben onderzocht de mechanismen van Aβ toxiciteit; de ontaarde axonen van AD muizen hersenen hebben bijvoorbeeld aangetoond dat toegenomen autophagy14. Calcineurin-activering is gemeld als een mogelijk mechanisme van axonale degeneratie Aβ-geïnduceerde15; de directe trekker van axonale degeneratie blijft echter onbekend.
Deze studie richt zich op de ineenstorting van axonale uitgangen groei kegels genoemd. De ineenstorting van axonale groei kegels kan worden veroorzaakt door axonale groei insectenwerende middelen, zoals semaphorin-3A en ephrin-A516,17,18,19,20. Instorten-achtige Dystrofe axonale uitgangen zijn waargenomen in de hersenen van AD patiënten21,22. Daarnaast kan een gebrek aan groei kegel werking axonale degeneratie23provoceren. Het is echter onbekend of Aβ induceert groei kegel ineenstorting. Deze studie presenteert daarom een nieuw protocol om te observeren van de vroege gevolgen van Aβ in gekweekte neuronen en onderzoeken Aβ-geïnduceerde groei kegel ineenstorting.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol beschreven in deze studie ingeschakeld de waarneming van vroege verschijnselen in axonale groei kegels na behandeling van de Aβ1-42. Aβ1-42 geïnduceerde endocytose in axonale groei kegels binnen 20 min en groei kegel ineenstorting werd waargenomen binnen 1 uur van behandeling. Deze endocytose was waarschijnlijk gemedieerd door clathrin. Met behulp van dit protocol, werd de remming van clathrin-gemedieerde endocytose bevestigd om te voorkomen dat Aβ1-42-geïnduceerde groei kegel ineenstorting en axonale d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd slechts gedeeltelijk ondersteund door onderzoekssubsidies uit JSPS (KAKENHI 18K 07389), Japan, Takeda Science Foundation, Japan en Kobayashi farmaceutische Co., Ltd., Japan.
Materials
| ddY mice | SLC | ||
| Eight-well culture slide | Falcon | 354108 | |
| poly D lysine | Wako | 168-19041 | |
| Culture medium, Neurobasal medium | Gibco | 21103-049 | |
| house serum | Gibco | 26050-088 | |
| glucose | Wako | 049-31165 | |
| L-glutamine | Wako | 074-00522 | |
| 0.05% trypsin | Gibco | 25300-054 | |
| DNase I | Worthington | DP | |
| soybean trypsin inhibitor | Gibco | 17075-029 | |
| Filter with 70 µm mesh size, cell strainer | Falcon | 352350 | |
| B-27 supplement | Gibco | 17504-044 | |
| CO2 incubator | Astec | SCA-165DS | |
| Amyloid β1-42 | Sigma-Aldrich | A9810 | |
| paraformaldehyde | Wako | 162-16065 | |
| sucrose | Wako | 196-00015 | |
| Aqueous mounting medium, Aqua-Poly/Mount | polysciences | 18606-20 | |
| Inverted microscope A | Carl Zeiss | Axio Observer Z1 | Connected with AxioCam MRm, Heating Unit XL S, CO2 Module S1, and TempModule S1 |
| Objective Plan-Apochromat 20x | Carl Zeiss | 420650-9901 | |
| Objective Plan-Apochromat 63x | Carl Zeiss | 440762-9904 | |
| Objective, CFI Plan Apo Lambda 40X | Nikon | ||
| anti-MAP2 IgG | Abcam | ab32454 | |
| anti-tau-1 IgG | Chemicon | MAB3420 | |
| anti-amyloid β antibody | IBL | 10379 | clone 11A1 |
| normal goat serum | Wako | 143-06561 | |
| bovine serum albumin | Wako | 010-25783 | |
| t-octylphenoxypolyethoxyethanol | Wako | 169-21105 | |
| goat anti-mouse IgG conjugated with AlexaFluor 594 | Invitrogen | A11032 | |
| goat anti-rabbit IgG conjugated with AlexaFluor 488 | Invitrogen | A11029 | |
| hot plate | NISSIN | NHP-M30N | |
| cover glass | Fisher Scientific | 12-545-85 | |
| 35 mm dish | IWAKI | 1000-035 | |
| Silicone RTV | Shin-Etsu | KE42T | |
| hand punch | Roper Whitney | No. XX | |
| Fluorescence membrane probe, FM1-43FX | Invitrogen | F35355 | |
| Ca2+– and Mg2+-free Hanks' balanced salt solution | Gibco | 14175-095 | |
| Transfection solution, Nucleofector solution | Lonza | VPG-1001 | |
| Electroporator, Nucleofector I | Amaxa | ||
| Inverted microscope B | Keyence | BZ-X710 | |
| Image software, ImageJ | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ |
References
- Selkoe, D. J., Hardy, J. The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease at 25 years. EMBO Molecular Medicine. 8 (6), 595-608 (2016).
- Dickson, T. C., Vickers, J. C. The morphological phenotype of beta-amyloid plaques and associated neuritic changes in Alzheimer’s disease. Neurosciences. 105 (1), 99-107 (2001).
- Hardy, J., Selkoe, D. J. The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease: progress and problems on the road to therapeutics. Science. 297 (5580), 353-356 (2002).
- Perl, D. P. Neuropathology of Alzheimer’s disease. Mount Sinai Journal of Medicine. 77 (1), 32-42 (2010).
- Graham, W. V., Bonito-Oliva, A., Sakmar, T. P. Update on Alzheimer’s Disease Therapy and Prevention Strategies. Annual Review of Medicine. 68, 413-430 (2017).
- Jack, C. R., et al. Hypothetical model of dynamic biomarkers of the Alzheimer’s pathological cascade. Lancet Neurology. 9 (1), 119-128 (2010).
- Kuboyama, T., Tohda, C., Komatsu, K. Neuritic regeneration and synaptic reconstruction induced by withanolide A. British Journal of Pharmacology. 144 (7), 961-971 (2005).
- Tohda, C., Urano, T., Umezaki, M., Nemere, I., Kuboyama, T. Diosgenin is an exogenous activator of 1,25D3-MARRS/Pdia3/ERp57 and improves Alzheimer’s disease pathologies in 5XFAD mice. Scientific Reports. 2, 535 (2012).
- Jawhar, S., Trawicka, A., Jenneckens, C., Bayer, T. A., Wirths, O. Motor deficits, neuron loss, and reduced anxiety coinciding with axonal degeneration and intraneuronal Abeta aggregation in the 5XFAD mouse model of Alzheimer’s disease. Neurobiology of Aging. 33 (1), e129-e140 (2012).
- Postuma, R. B., et al. Substrate-bound beta-amyloid peptides inhibit cell adhesion and neurite outgrowth in primary neuronal cultures. Journal of Neurochemistry. 74 (3), 1122-1130 (2000).
- Tohda, C., Nakada, R., Urano, T., Okonogi, A., Kuboyama, T. Kamikihi-to (KKT) rescues axonal and synaptic degeneration associated with memory impairment in a mouse model of Alzheimer’s disease, 5XFAD. International Journal of Neuroscience. 121 (12), 641-648 (2011).
- Tsai, J., Grutzendler, J., Duff, K., Gan, W. B. Fibrillar amyloid deposition leads to local synaptic abnormalities and breakage of neuronal branches. Nature Neuroscience. 7 (11), 1181-1183 (2004).
- Wirths, O., Weis, J., Kayed, R., Saido, T. C., Bayer, T. A. Age-dependent axonal degeneration in an Alzheimer mouse model. Neurobiology of Aging. 28 (11), 1689-1699 (2007).
- Sanchez-Varo, R., et al. Abnormal accumulation of autophagic vesicles correlates with axonal and synaptic pathology in young Alzheimer’s mice hippocampus. Acta Neuropathologica. 123 (1), 53-70 (2012).
- Wu, H. Y., et al. Amyloid beta induces the morphological neurodegenerative triad of spine loss, dendritic simplification, and neuritic dystrophies through calcineurin activation. Journal of Neuroscience. 30 (7), 2636-2649 (2010).
- Campbell, D. S., Holt, C. E. Chemotropic responses of retinal growth cones mediated by rapid local protein synthesis and degradation. Neuron. 32 (6), 1013-1026 (2001).
- Jurney, W. M., Gallo, G., Letourneau, P. C., McLoon, S. C. Rac1-mediated endocytosis during ephrin-A2- and semaphorin 3A-induced growth cone collapse. Journal of Neuroscience. 22 (14), 6019-6028 (2002).
- Luo, Y., Raible, D., Raper, J. A. Collapsin: a protein in brain that induces the collapse and paralysis of neuronal growth cones. Cell. 75 (2), 217-227 (1993).
- Nicol, X., Muzerelle, A., Rio, J. P., Metin, C., Gaspar, P. Requirement of adenylate cyclase 1 for the ephrin-A5-dependent retraction of exuberant retinal axons. Journal of Neuroscience. 26 (3), 862-872 (2006).
- Wu, K. Y., et al. Local translation of RhoA regulates growth cone collapse. Nature. 436 (7053), 1020-1024 (2005).
- Benes, F. M., Farol, P. A., Majocha, R. E., Marotta, C. A., Bird, E. D. Evidence for axonal loss in regions occupied by senile plaques in Alzheimer cortex. Neurosciences. 42 (3), 651-660 (1991).
- Masliah, E., et al. An antibody against phosphorylated neurofilaments identifies a subset of damaged association axons in Alzheimer’s disease. American Journal of Pathology. 142 (3), 871-882 (1993).
- Zhou, F. Q., Snider, W. D. Intracellular control of developmental and regenerative axon growth. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. 361 (1473), 1575-1592 (2006).
- Teshigawara, K., et al. A novel compound, denosomin, ameliorates spinal cord injury via axonal growth associated with astrocyte-secreted vimentin. British Journal of Pharmacology. 168 (4), 903-919 (2013).
- Kuboyama, T., Tohda, C., Komatsu, K. Withanoside IV and its active metabolite, sominone, attenuate A beta(25-35)-induced neurodegeneration. European Journal of Neuroscience. 23 (6), 1417-1426 (2006).
- Tanabe, N., Kuboyama, T., Tohda, C. Matrine Directly Activates Extracellular Heat Shock Protein 90, Resulting in Axonal Growth and Functional Recovery in Spinal Cord Injured-Mice. Frontiers in Pharmacology. 9 (446), (2018).
- Kuboyama, T., Lee, Y. A., Nishiko, H., Tohda, C. Inhibition of clathrin-mediated endocytosis prevents amyloid beta-induced axonal damage. Neurobiology of Aging. 36 (5), 1808-1819 (2015).
- Pike, C. J., Walencewicz, A. J., Glabe, C. G., Cotman, C. W. In vitro aging of beta-amyloid protein causes peptide aggregation and neurotoxicity. Brain Research. 563 (1-2), 311-314 (1991).
- Uchida, N., et al. Yokukansan inhibits social isolation-induced aggression and methamphetamine-induced hyperlocomotion in rodents. Biological and Pharmaceutical Bulletin. 32 (3), 372-375 (2009).
- Pike, C. J., Burdick, D., Walencewicz, A. J., Glabe, C. G., Cotman, C. W. Neurodegeneration induced by beta-amyloid peptides in vitro: the role of peptide assembly state. Journal of Neuroscience. 13 (4), 1676-1687 (1993).
- Kuboyama, T., Hirotsu, K., Arai, T., Yamasaki, H., Tohda, C. Polygalae Radix Extract Prevents Axonal Degeneration and Memory Deficits in a Transgenic Mouse Model of Alzheimer’s Disease. Frontiers in Pharmacology. 8, 805 (2017).
- Dotti, C. G., Sullivan, C. A., Banker, G. A. The establishment of polarity by hippocampal neurons in culture. Journal of Neuroscience. 8 (4), 1454-1468 (1988).
- Arimura, N., Kaibuchi, K. Neuronal polarity: from extracellular signals to intracellular mechanisms. Nature Reviews: Neuroscience. 8 (3), 194-205 (2007).
- De Felice, F. G., et al. Alzheimer’s disease-type neuronal tau hyperphosphorylation induced by A beta oligomers. Neurobiology of Aging. 29 (9), 1334-1347 (2008).
- Izuo, N., et al. Toxicity in Rat Primary Neurons through the Cellular Oxidative Stress Induced by the Turn Formation at Positions 22 and 23 of Aβ42. ACS Chemical Neuroscience. 3 (9), 674-681 (2012).
- Fujiwara, H., et al. Uncaria rhynchophylla, a Chinese medicinal herb, has potent antiaggregation effects on Alzheimer’s beta-amyloid proteins. Journal of Neuroscience Research. 84 (2), 427-433 (2006).
- Murakami, K., et al. Monoclonal antibody against the turn of the 42-residue amyloid beta-protein at positions 22 and 23. ACS Chemical Neuroscience. 1 (11), 747-756 (2010).
- Ford, M. G., et al. Simultaneous binding of PtdIns(4,5)P2 and clathrin by AP180 in the nucleation of clathrin lattices on membranes. Science. 291 (5506), 1051-1055 (2001).
- Tojima, T., Itofusa, R., Kamiguchi, H. Asymmetric clathrin-mediated endocytosis drives repulsive growth cone guidance. Neuron. 66 (3), 370-377 (2010).
- Ahmed, G., et al. Draxin inhibits axonal outgrowth through the netrin receptor DCC. Journal of Neuroscience. 31 (39), 14018-14023 (2011).
- Brennaman, L. H., Moss, M. L., Maness, P. F. EphrinA/EphA-induced ectodomain shedding of neural cell adhesion molecule regulates growth cone repulsion through ADAM10 metalloprotease. Journal of Neurochemistry. 128 (2), 267-279 (2014).
- Tojima, T., et al. Attractive axon guidance involves asymmetric membrane transport and exocytosis in the growth cone. Nature Neuroscience. 10 (1), 58-66 (2007).
- Ooashi, N., Futatsugi, A., Yoshihara, F., Mikoshiba, K., Kamiguchi, H. Cell adhesion molecules regulate Ca2+-mediated steering of growth cones via cyclic AMP and ryanodine receptor type 3. Journal of Cell Biology. 170 (7), 1159-1167 (2005).
- Biswas, S., Kalil, K. The Microtubule-Associated Protein Tau Mediates the Organization of Microtubules and Their Dynamic Exploration of Actin-Rich Lamellipodia and Filopodia of Cortical Growth Cones. Journal of Neuroscience. 38 (2), 291-307 (2018).
- Kuboyama, T., et al. Paxillin phosphorylation counteracts proteoglycan-mediated inhibition of axon regeneration. Experimental Neurology. 248, 157-169 (2013).
