Modellazione di malattie neurodegenerative associate all'età in Caenorhabditis elegans

Summary

Qui, introduciamo e descriviamo metodologie ampiamente accessibili utilizzando alcuni modelli di nematodi versatili, tra cui la necrosi ionica indotta dal canale ionico e la neurotossicità indotta da aggregazioni proteiche, per monitorare e sezionare le basi cellulari e molecolari delle malattie neurodegenerative associate all’età.

Abstract

Combattere le patologie neurodegenerative umane e gestire il loro impatto socioeconomico pervasivo sta diventando una priorità globale. Nonostante i loro effetti nocivi sulla qualità della vita umana e sul sistema sanitario, la maggior parte dei disturbi neurodegenerativi umani rimangono ancora incurabili e non prevenibili. Pertanto, lo sviluppo di nuovi interventi terapeutici contro tali malattie sta diventando un’urgenza urgente. Il deterioramento associato all’età dei circuiti neuronali e della funzione è evolutivamente conservato in organismi diversi come il verme umile Caenorhabditis elegans e gli esseri umani, che significa somiglianze nei meccanismi cellulari e molecolari sottostanti. C. elegans è un modello genetico altamente malleabile, che offre un sistema nervoso ben caratterizzato, trasparenza del corpo e un repertorio diversificato di tecniche genetiche e di imaging per valutare l’attività neuronale e il controllo della qualità durante l’invecchiamento. Qui, introduciamo e descriviamo metodologie che utilizzano alcuni modelli di nematodi versatili, tra cui la necrosi ioonizzata indotta dal canale ionico (ad esempio, deg-3(d) e mec-4(d)) e l’aggregazione proteica (ad esempio, la siccoliera e la neurotossicisia indotta dalla poli-glutamata) per sezionare e sezionare le basi cellulari e molecolari. Una combinazione di questi modelli di neurodegenerazione animale, insieme a schermi genetici e farmacologici per modulatori di morte cellulare porterà a una comprensione senza precedenti della ripartizione della funzione neuronale legata all’età e fornirà informazioni critiche con ampia rilevanza per la salute umana e la qualità della vita.

Introduction

Negli ultimi due decenni, C. elegans è stato ampiamente utilizzato come organismo modello per studiare i meccanismi molecolari della morte cellulare necrotica. C. elegans offre un sistema nervoso eccezionalmente ben caratterizzato e mappato, una struttura del corpo trasparente e un repertorio diversificato di metodi genetici e di imaging per monitorare la funzione cellulare in vivo e la sopravvivenza durante l’invecchiamento. Così, diversi modelli genetici C. elegans di neurodegenerazione sono già stati sviluppati per valutare la vitalità neuronale. In particolare, i modelli di nematode ben descritti e utilizzati includono la necrosi ioattiva indotta dal canale ionico^1,2,3 e la morte cellulare innescata da una maggiore aggregazione proteica^{4,5,6,7,8,9,10} e colpo di calore^11,12, tra gli altri.

L’esposizione a breve termine a temperature subletali ha conferito resistenza contro la morte delle cellule necrotiche, innescata da un successivo stress termico sia nei nematodi che nei neuroni mammiferi¹¹. È interessante notare che il precondizionamento giornaliero dei nematodi a una temperatura elevata lieve protegge dalla neurodegenerazione, che viene inflitta da diversi stimoli, come lo squilibrio ionico (ad esempio, il mec-4(u231) e/o il deg-3 (u662)) e l’aggregazione delle proteine (ad esempio, zo-sinucleina e poliQ40)^11,13.

Qui, descriviamo metodologie versatili usando C. elegans per monitorare e valutare la neurodegenerazione dipendente dall’età in modelli consolidati di malattie umane, come la morte cellulare innescata da eccitotossicità, il morbo di Parkinson e la malattia di Huntington. Inoltre, sottolineiamo il ruolo neuroprotettivo del precondizionamento del calore in diversi modelli di neurodegenerazione. Una combinazione di queste tecniche con schermi genetici e/o farmacologici comporterà l’identificazione e la caratterizzazione di nuovi modulatori di morte cellulare, con potenziale interesse terapeutico.

Protocol

1. Morte delle cellule necrotiche indotta da canali ionici iperattivi NOTA: Mutazioni di guadagno di funzione nella famiglia genica dei degenerins, tra cui mec-4 e deg-3 tra gli altri, provoca la generazione di canali iperattivi che innescano la morte necrotica cellulare di sei neuroni recettori tattili necessari per la meccanoscima nei vermi3. La necrosi indotta dalla stimolazione aberrante dei degenerini mostra diverse somiglianze meccanicistiche e mor…

Representative Results

Indotta dalla morte delle cellule necrotiche dai canali ionici iperattiviUtilizzando le procedure qui presentate, gli embrioni mutanti mec-4(u231) e deg-3u662) sono stati incubati per 25 min a 34 gradi centigradi o mantenuti alla temperatura standard di 20 gradi centigradi. Alla schiusa, il numero di cadaveri di cellule neuronali è stato determinato nella fase larvale L1 di entrambi i gruppi. La morte delle cellule necrotiche è diminuita nei nematodi che si schiudono dalle uova pr…

Discussion

Qui, introduciamo e descriviamo metodologie ampiamente accessibili per la crescita, la sincronizzazione e l’esame microscopico di alcuni modelli versatili di C. elegans che studiano la neurodegenerazione dipendente dall’età. In particolare, valutiamo e seleviamo le basi cellulari e molecolari della ripartizione neuronale legata all’età utilizzando necrosi ionica indotta dal canale iperattivato e neurotossicità indotta da proteine^1,2,<sup cl…

Materials

Agar	Sigma-Aldrich	5040
Agarose	Biozym	8,40,004
AM101: rmsIs110[prgef-1Q40::YFP]	Caenorhabditis Genetics Center (CGC)
Calcium chloride dehydrate (CaCl2∙2H2O)	Sigma-Aldrich	C5080
Cholesterol	SERVA Electrophoresis	17101.01
deg-3(u662)V or deg-3(d)	Caenorhabditis Genetics Center (CGC)		Maintain animals at 20 °C
DIC microscope (Nomarsky)	Zeiss		Axio Vert A1
Dissecting stereomicroscope	Nikon Corporation		SMZ645
Epifluorescence microscope	Thermo Fisher Scientific		EVOS Cell Imaging Systems
Escherichia coli OP50 strain	Caenorhabditis Genetics Center (CGC)
Greiner Petri dishes (60 mm x 15 mm)	Sigma-Aldrich	P5237
image analysis software	Fiji		https://fiji.sc
KH2PO4	EMD Millipore	1,37,010
K2HPO4	EMD Millipore	1,04,873
Magnesium sulfate (MgSO4)	Sigma-Aldrich	M7506
mec-4(u231)X or mec-4(d)	Caenorhabditis Genetics Center (CGC)		Maintain animals at 20 °C
Microscope slides (75 mm x 25 mm x 1 mm)	Marienfeld, Lauda-Koenigshofen	10 006 12
Microscope cover glass (18 mm x 18 mm)	Marienfeld, Lauda-Koenigshofen	01 010 30
Microsoft Office 2011 Excel software package	Microsoft Corporation, Redmond, USA
Na2HPO4	EMD Millipore	1,06,586
Nematode growth medium (NGM) agar plates
Nystatin stock solution	Sigma-Aldrich	N3503
Peptone	BD, Bacto	211677
Phosphate buffer
Sodium chloride (NaCl)	EMD Millipore	1,06,40,41,000
Standard equipment for preparing agar plates (autoclave, Petri dishes, etc.)
Standard equipment for maintaining worms (platinum wire pick, incubators, etc.)
statistical analysis software	GraphPad Software Inc., San Diego, USA		GraphPad Prism software package
Streptomycin	Sigma-Aldrich	S6501
Tetramisole hydrochloride	Sigma-Aldrich	L9756
UA44: Is[baIn1; pdat-1α-syn, pdat-1GFP]			Upon request: G. Caldwell (University of Alabama, Tuscaloosa AL)