להמחיש התמוטטות חרוט הצמיחה עצב ואפקטים β עמילואיד מוקדם בנוירונים תרבותי. העכבר
Summary
כאן מוצג פרוטוקול לחקור את ההשפעות המוקדמות של עמילואיד-β (Aβ) במוח. זה מראה Aβ גורם אנדוציטוזה בתיווך clathrin וכיווץ של צמיחת עצב קונוסים. הפרוטוקול שימושי בלימוד ההשפעות המוקדמות של Aβ על צמיחת עצב קונוסים, עשוי להקל על מניעת מחלת אלצהיימר.
Abstract
עמילואיד-β (Aβ) גורמת ליקויי הזיכרון מחלת אלצהיימר (AD). למרות הרפוי הוכחו להפחית את רמות Aβ במוחם של חולי אלצהיימר, אלה לא לשפר זיכרון פונקציות. מאז Aβ אגרגטים במוח לפני הופעתו של ליקויי הזיכרון, מיקוד Aβ עשוי להיות יעיל לטיפול בחולי לספירה אשר כבר תערוכת זיכרון גירעונות. לכן, איתות במורד הזרם עקב Aβ התצהיר לחסום לפני פיתוח לספירה. Aβ גורם ניוון עצב, שמוביל שיבוש רשתות עצביים, ליקויי הזיכרון. למרות שיש מחקרים רבים על המנגנונים רעילות Aβ, המקור של רעילות Aβ נותר עלום. כדי לסייע בזיהוי המקור, אנו מציעים הרומן פרוטוקול העושה שימוש במיקרוסקופ ג’ין תרביות תאים, תא חי הדמיה כדי לחקור מוקדם השינויים שנגרמו על ידי Aβ ב צמיחת עצב קונוסים של נוירונים בתרבית. פרוטוקול זה חשף כי Aβ המושרה בתיווך clathrin אנדוציטוזה בתוך גביעי צמיחת עצב ואחריו התמוטטות חרוט הצמיחה, הוכחת כי עיכוב של אנדוציטוזה מונעת Aβ רעילות. פרוטוקול זה יהיה שימושי ללמוד את ההשפעות המוקדמות של Aβ, עלול להוביל יותר יעיל, מונעת טיפול לספירה.
Introduction
משקעי עמילואיד-β (Aβ) נמצאים במוח של חולי מחלת אלצהיימר (AD) והם נחשבים מטרה קריטית לספירה1 לשבש רשתות עצביים, המוביל אל זיכרון ליקויי2,3,4. מועמדים סמים קליניים רבים הוכחו יעיל למנוע ייצור עמילואיד-β (Aβ) או להסיר משקעים Aβ. עם זאת, איש לא הצליח לשיפור הזיכרון הפונקציה ב- AD חולים5. Aβ כבר נצבר במוח לפני תחילתה של ליקויי זיכרון6; לכן, הפחתת רמות Aβ במוחם של חולי מפגין ליקויי הזיכרון עשוי להיות לא יעיל. Aβ התצהיר נוכחת חולי אלצהיימר פרה; עם זאת, חולים אלו להציג רק לעתים רחוקות עצביים ניוון וזיכרון גירעונות6. יש פער-זמן בין התצהיר Aβ ליקויי הזיכרון. לכן, אסטרטגיה קריטי למניעת לספירה חוסם רעילות Aβ איתות כבר בשלבים המוקדמים של AD, לפני הפיתוח של זיכרון גירעונות. Aβ התצהיר המניע האקסון ניוון7,8,9,10,11,12,13, דבר שעלול להוביל לשיבוש רשתות עצביות, ליקוי הקבע של פונקציית הזיכרון. מחקרים רבים חקרו את המנגנונים רעילות Aβ; לדוגמה, האקסונים מנוונת של המוח עכברים לספירה הוכחו הגדילו autophagy14. הפעלת Calcineurin דווחה כמנגנון אפשרי של Aβ-induced ניוון עצב15; עם זאת, הגורם הישיר של ניוון עצב נותר עלום.
מחקר זה מתמקד ההתמוטטות של קצות עצב הנקרא צמיחה קונוסים. נפילת קונוסים צמיחת עצב יכול להיגרם על ידי דוחי צמיחת עצב, כגון semaphorin-3A ו- ephrin-A516,17,18,19,20. קצות עצב dystrophic כמו התמוטטות נצפו במוחם של המודעה חולים21,22. בנוסף, כישלון של תפקוד חרוט הצמיחה יכול לעורר ניוון עצב23. עם זאת, לא ידוע אם Aβ גורם לקריסת חרוט הצמיחה. לפיכך, מחקר זה מציג פרוטוקול הרומן לבחון את ההשפעות המוקדמות של Aβ בנוירונים בתרבית ולחקור התמוטטות חרוט הצמיחה הנוצרות על-ידי Aβ.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המתוארים במחקר זה מאפשר התבוננות תופעות בראשית צמיחת עצב קונוסים לאחר טיפול Aβ1-42. Aβ1-42 המושרה אנדוציטוזה ב צמיחת עצב קונוסים בתוך 20 דקות, התמוטטות חרוט הצמיחה נצפתה בתוך h 1 של הטיפול. אנדוציטוזה הזה היה כנראה בתיווך clathrin. באמצעות פרוטוקול זה, עיכוב של אנדוציטוזה בתיווך clathrin אושר ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומן בחלקו על ידי מענקי מחקר של JSPS (KAKENHI 18K 07389), יפן, טקדה למדע, יפן ו קוביאשי פרמצבטיקה ושות’, בע מ, יפן.
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).
