Modulering av Tau-subcellulär lokalisering som ett verktyg för att undersöka uttrycket av sjukdomsrelaterade gener
Summary
Tau är ett neuronala protein som finns både i cytoplasman, där det binder mikrotubuli, och i kärnan, där det utövar okonventionella funktioner, inklusive modulering av Alzheimers sjukdomsrelaterade gener. Här beskriver vi en metod för att undersöka funktionen av nukleära Tau samtidigt utesluta eventuella störningar som kommer från cytoplasmiska Tau.
Abstract
Tau är en mikrotubuli bindande protein uttrycks i nervceller och dess viktigaste kända funktion är relaterad till upprätthållandet av cytoskelettets stabilitet. De senaste bevisen visade dock att Tau förekommer även i andra subcellulära fack, inklusive kärnan där den är inblandad i DNA-skydd, i rRNA-transkription, i rörligheten för retrotransposoner och i den strukturella organisationen av nucleolus. Vi har nyligen visat att Nuclear Tau är involverad i uttrycket av VGluT1 genen, vilket tyder på en molekylär mekanism som kan förklara den patologiska ökningen av glutamat release i de tidiga stadierna av Alzheimers sjukdom. Tills nyligen har inblandning av Nuclear Tau i modulerande uttrycket av målgener varit relativt osäker och tvetydig på grund av tekniska begränsningar som hindrade uteslutandet av bidraget av cytoplasmiska Tau eller effekten av andra nedströms faktorer som inte är relaterade till Nuclear Tau. För att övervinna denna osäkerhet utvecklade vi en metod för att studera uttrycket av målgener som specifikt modulerades av det nukleära Tau-proteinet. Vi använde ett protokoll som par användningen av lokaliseringssignaler och subcellulära fraktionering, vilket gör att utesluta störningar från cytoplasmiska Tau molekyler. Framför allt är protokollet lätt och består av klassiska och pålitliga metoder som i stor utsträckning är tillämpliga för att studera den nukleära funktionen av Tau i andra celltyper och cellulära förhållanden.
Introduction
De funktioner tau protein i kärnan har samlat stort intresse under de senaste åren, eftersom det har visat sig vara nära förknippad med nukleinsyror1,2,3,4,5,6. I själva verket visade en nyligen genomomfattande studie att Tau binder genmodifierade och intergena DNA-sekvenser in vivo7. En roll i nukleolära organisation har föreslagits8,9,10,11. Tau har dessutom föreslagits att vara involverad i DNA-skydd mot oxidativ och Hypertermisk stress5,10,12,13, medan muterade Tau har kopplats till kromosom instabilitet och aneuploidi14,15,16.
Hittills har utmaningarna i att studera funktionerna i Tau i kärnkraft facket förblev nästan olösta på grund av svårigheterna att dissekera det specifika bidraget från Nuclear Tau från bidraget av cytoplasmiska Tau. Dessutom är de funktioner som tillskrivs Tau-molekyler i kärnkrafts facket, fram till nu, endast korrelära eftersom de saknar en entydig demonstration av direkt inblandning av nukleära Tau-proteiner. I själva verket kan Tau i rörligheten för retrotransposoner eller i rRNA transkription eller i DNA-skydd11,12,17,18,19 också förklaras av bidraget av cytoplasmiska Tau eller av effekten av andra nedströms faktorer som inte är relaterade till nukleär Tau.
Här ger vi en metod som kan lösa detta problem genom att utnyttja en klassisk procedur för att isolera kärnkrafts facket kombinerat med användning av Tau konstruktioner 0N4R märkta med nukleär lokalisering (NLS) eller kärnvapen export signaler (NES). Detta tillvägagångssätt eliminerar komplexa problem relaterade till möjliga artefakter på grund av spridnings av Tau molekyler från cytoplasmiska facket. Tau-NLS och Tau-NES-konstruktioner inducerar dessutom berikningen eller uteslutandet av Tau-molekyler från kärnkrafts facket, vilket ger positiva och negativa kontroller för inblandning av nukleära Tau-molekyler i en specifik funktion. Protokollet är tekniskt enkelt och består av klassiska och pålitliga metoder som i stor utsträckning är tillämpliga för att studera den nukleära funktionen i Tau i andra celltyper, differentierade eller inte, såsom cancerceller som reaktiverar Tau-uttrycket20,21. Dessutom kan det tillämpas även på andra proteiner som finns i både cytoplasman och kärnan för att dissekera biologiska funktioner relaterade till olika fack.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi beskriver en metod för att mäta effekten av nukleärt tau-protein på genuttryck. Med detta protokoll bidraget av cytoplasmiska Tau är starkt begränsad. Kritiska steg i detta protokoll är följande: differentieringen av humana neuroblastom sh-SY5Y-celler, den subcellulära fraktioneringen och lokaliseringen av tau-protein i kärnkrafts facket.
Först, som visas i representativa resultat avsnitt, differentiering av SH-SY5Y celler genom att lägga till RA och BDNF är avgörande för att…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av bidrag från Scuola normale Superiore (SNS14_B_DIPRIMIO; SNS16_B_DIPRIMIO).
Materials
| Alexa Fluor 633 goat anti-mouse IgG | Life Technologies | A21050 | IF 1:500 |
| anti Actin Antibody | BETHYL LABORATORIE | A300-485A | anti-rabbit WB 1:10000 |
| anti GAPDH Antibody | Fitzgerald Industries International | 10R-G109a | anti-mouse WB 1:10000 |
| anti H2B Antibody | Abcam | ab1790 | anti-rabbit WB 1:15000 |
| anti Tau-13 Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-21796 | anti-mouse WB 1:1000; IF 1:500 |
| anti Tubulin alpha Antibody | Thermo Fisher Scientific | PA5-16891 | anti-mouse WB 1:5000 |
| anti VGluT1 Antibody | Sigma-Aldrich | AMAb91041 | anti-mouse WB 1:500 |
| BCA Protein Assay Kit | Euroclone | EMPO14500 | |
| BDNF | Alomone Labs | B-250 | |
| Blotting-Grade Blocker | Biorad | 1706404 | Non-fat dry milk |
| BOVIN SERUM ALBUMIN | Sigma-Aldrich | A4503-50g | |
| cOmplete Mini | Roche | 11836170001 | protease inhibitor |
| Criterion TGX 4-20% Stain Free, 10 well | Biorad | 5678093 | |
| DAPI | Thermo Fisher Scientific | 62247 | |
| DMEM/F-12 | GIBCO | 21331-020 | |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium Low Glucose | Euroclone | ECM0060L | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | 0390-100ml | pH=8 0.5M |
| Foetal Bovine Serum | Euroclone | EC50182L | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-500ml | |
| Goat anti-mouse IgG-HPR | Santa Cruz Biotechnology | sc-2005 | WB 1:1000 |
| Goat anti-rabbit IgG-HPR | Santa Cruz Biotechnology | sc-2004 | WB 1:1000 |
| IGEPAL CA-630 | Sigma-Aldrich | I8896-50ml | Octylphenoxy poly(ethyleneoxy)ethanol |
| Immobilon Western | MERCK | WBKLS0500 | |
| Lab-Tech Chamber slide 8 well glass slide | nunc | 177402 | |
| L-glutamine | Euroclone | ECB3000D | 100X |
| Lipofectamine 2000 transfection reagent | Thermo Fisher Scientific | 12566014 | cationic lipid |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 322415-6X1L | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266-100G | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014-1kg | |
| Opti-MEM reduced serum medium | Gibco | 31985070 | |
| PEI | Sigma-Aldrich | 40,872-7 | |
| Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | 10,000 U/ml, 100ml |
| Phosphate Buffered Saline (Dulbecco A) | OXOID | BR0014G | |
| PhosStop | Roche | 4906837001 | phosphatase inhibitor |
| QIAGEN Plasmid Maxi Kit | Qiagen | 12163 | Step 3.10 |
| Retinoic acid | Sigma-Aldrich | R2625-100mg | |
| Subcellular Protein Fractionation Kit for cultured cells | Thermo Fisher Scientific | 78840 | |
| Supported Nitrocellulose membrane | Biorad | 1620097 | |
| TC-Plate 6well | SARSTEDT | 833,920 | |
| TCS SP2 laser scanning confocal microscope | Leica | N/A | |
| Triton x-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ml | Non-ionic surfactant |
| Trypsin-EDTA | Thermo Fisher Scientific | 15400054 | 0.50% |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416-100ml | |
| VECTASHIELD antifade mounting medium | Vector Laboratories | H-1000 | |
| Wizard Plus SV Minipreps DNA Purification Systems | Promega | A1330 | Step 3.5 |
References
- Padmaraju, V., Indi, S. S., Rao, K. S. J. New evidences on Tau-DNA interactions and relevance to neurodegeneration. Neurochemistry International. 57 (1), 51-57 (2010).
- Rady, R. M., Zinkowski, R. P., Binder, L. I. Presence of tau in isolated nuclei from human brain. Neurobiology of Aging. 16 (3), 479-486 (1995).
- Krylova, S. M., Musheev, M., Nutiu, R., Li, Y., Lee, G., Krylov, S. N. Tau protein binds single-stranded DNA sequence specifically – The proof obtained in vitro with non-equilibrium capillary electrophoresis of equilibrium mixtures. FEBS Letters. 579 (6), 1371-1375 (2005).
- Vasudevaraju, P., Guerrero, E., Hegde, M. L., Collen, T. B., Britton, G. B., Rao, K. S. New evidence on α-synuclein and Tau binding to conformation and sequence specific GC* rich DNA: Relevance to neurological disorders. Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences. 4 (2), 112-117 (2012).
- Wei, Y., et al. Binding to the minor groove of the double-strand, Tau protein prevents DNA damage by peroxidation. PLoS ONE. 3 (7), (2008).
- Qi, H., et al. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Characterization of Interaction of Tau with DNA and Its Regulation by Phosphorylation. Biochimie. 54 (7), 1525-1533 (2015).
- Benhelli-Mokrani, H., et al. Genome-wide identification of genic and intergenic neuronal DNA regions bound by Tau protein under physiological and stress conditions. Nucleic Acids Research. 1, 1-18 (2018).
- Sotiropoulos, I., et al. Atypical, non-standard functions of the microtubule associated Tau protein. Acta Neuropathologica Communications. 5 (1), 91 (2017).
- Lu, J., Li, T., He, R. Q., Bartlett, P. F., Götz, J. Visualizing the microtubule-associated protein tau in the nucleus. Science China Life Sciences. 57 (4), 422-431 (2014).
- Sultan, A., et al. Nuclear Tau, a key player in neuronal DNA protection. Journal of Biological Chemistry. 286 (6), 4566-4575 (2011).
- Sjöberg, M. K., Shestakova, E., Mansuroglu, Z., Maccioni, R. B., Bonnefoy, E. Tau protein binds to pericentromeric DNA: a putative role for nuclear tau in nucleolar organization. Journal of cell science. 119 (10), 2025-2034 (2006).
- Violet, M., et al. A major role for Tau in neuronal DNA and RNA protection in vivo under physiological and hyperthermic conditions. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 1-11 (2014).
- Hua, Q., He, R. Q. Tau could protect DNA double helix structure. Biochimica et Biophysica Acta – Proteins and Proteomics. 1645 (2), 205-211 (2003).
- Rossi, G., et al. A new function of microtubule-associated protein tau: Involvement in chromosome stability. Cell Cycle. 7 (12), 1788-1794 (2008).
- Rossi, G., et al. Mutations in MAPT gene cause chromosome instability and introduce copy number variations widely in the genome. Journal of Alzheimer’s Disease. 33 (4), 969-982 (2013).
- Rossi, G., et al. Mutations in MAPT give rise to aneuploidy in animal models of tauopathy. neurogenetics. 15 (1), 31-40 (2014).
- Sun, W., Samimi, H., Gamez, M., Zare, H., Frost, B. Pathogenic tau-induced piRNA depletion promotes neuronal death through transposable element dysregulation in neurodegenerative tauopathies. Nature Neuroscience. 21 (8), 1038-1048 (2018).
- Guo, C., et al. Tau Activates Transposable Elements in Alzheimer’s Disease. Cell Reports. 23 (10), 2874-2880 (2018).
- Maina, M. B., et al. The involvement of tau in nucleolar transcription and the stress response. Acta Neuropathologica Communications. 6 (1), 70 (2018).
- Bonneau, C., Gurard-Levin, Z. A., Andre, F., Pusztai, L., Rouzier, R. Predictive and prognostic value of the Tau protein in breast cancer. Anticancer Research. 35 (10), 5179-5184 (2015).
- Vanier, M. T., Neuville, P., Michalik, L., Launay, J. F. Expression of specific tau exons in normal and tumoral pancreatic acinar cells. Journal of Cell Science. 111 (1), 1419-1432 (1998).
- Liao, A., et al. Therapeutic efficacy of FTY720 in a rat model of NK-cell leukemia. Blood. 118 (10), 2793-2800 (2011).
- Cascio, S., Zhang, L., Finn, O. J. MUC1 protein expression in tumor cells regulates transcription of proinflammatory cytokines by forming a complex with nuclear factor-κB p65 and binding to cytokine promoters: Importance of extracellular domain. Journal of Biological Chemistry. 286 (49), (2011).
- Costello, D. A., et al. Long Term Potentiation Is Impaired in Membrane Glycoprotein CD200-deficient Mice. Journal of Biological Chemistry. 286 (40), 34722-34732 (2011).
- Roy, G., Placzek, E., Scanlan, T. S. ApoB-100-containing lipoproteins are major carriers of 3-iodothyronamine in circulation. Journal of Biological Chemistry. 287 (3), 1790-1800 (2012).
- Loo, L. H., et al. Heterogeneity in the physiological states and pharmacological responses of differentiating 3T3-L1 preadipocytes. Journal of Cell Biology. 187 (3), 375-384 (2009).
- Draker, R., Sarcinella, E., Cheung, P. USP10 deubiquitylates the histone variant H2A.Z and both are required for androgen receptor-mediated gene activation. Nucleic Acids Research. 39 (9), 3529-3542 (2011).
- Richard, D. J., et al. HSSB1 rapidly binds at the sites of DNA double-strand breaks and is required for the efficient recruitment of the MRN complex. Nucleic Acids Research. 39 (5), 1692-1702 (2011).
- Roger, L., Jullien, L., Gire, V., Roux, P. Gain of oncogenic function of p53 mutants regulates E-cadherin expression uncoupled from cell invasion in colon cancer cells. Journal of Cell Science. 123 (8), (2010).
- ten Have, S., Hodge, K., Lamond, A. I. Dynamic Proteomics: Methodologies and Analysis. Functional Genomics. , (2012).
- Siano, G., et al. Tau Modulates VGluT1 Expression. Journal of Molecular Biology. 431 (4), 873-884 (2019).
- Serdar, B. S., Koçtürk, S., Akan, P., Erkmen, T., Ergür, B. U. Which Medium and Ingredients Provide Better Morphological Differentiation of SH-SY5Y Cells?. Proceedings. 2 (25), 1577 (2018).
- Forster, J. I., et al. Characterization of differentiated SH-SY5Y as neuronal screening model reveals increased oxidative vulnerability. Journal of Biomolecular Screening. 21 (5), 496-509 (2016).
- Dwane, S., Durack, E., Kiely, P. A. Optimising parameters for the differentiation of SH-SY5Y cells to study cell adhesion and cell migration. BMC Research Notes. 6 (1), 1 (2013).
- Encinas, M., et al. Sequential Treatment of SH-SY5Y Cells with Retinoic Acid and Brain-Derived Neurotrophic Factor Gives Rise to Fully Differentiated, Neurotrophic Factor-Dependent, Human Neuron-Like Cells. Journal of Neurochemistry. 75 (3), 991-1003 (2002).
