重合・脱重合サイクルによる限定的な供給源からの制御された翻訳後修飾と同一型を用いたチューブリンの精製
Summary
このプロトコルは、培養細胞や単一マウス脳などの中小規模の源からのチューブリン精製を、重合および非重合サイクルを用いて記述する。精製されたチューブリンは、特定のアイソタイプで濃縮されるか、または特定の翻訳後修飾を有し、微小管のダイナミクスおよび相互作用を研究するためにインビトロ再構成アッセイで使用することができる。
Abstract
微小管細胞骨格の研究の重要な側面の1つは、インビトロ再構成実験における微小管挙動の研究である。これらは、ダイナミクスなどの微小管の本質的な特性と、微小管関連タンパク質(MAPs)との相互作用を分析することを可能にする。「チューブリンコード」は、微小管の特性および機能の調節因子として、異なるチューブのアイソタイプおよび様々な翻訳後修飾(PTM)を指し示す新しい概念である。チューブリンコードの分子機構を調べるには、特定のアイソタイプとPTMを用いた精製チューブリンを用いたインビトロ再構成実験を行うことが重要です。
現在までに、これはインビトロ実験で広く使用されている脳管状突管として技術的に困難であり、多くのPTMを抱え、定義されたアイソタイプ組成を有する。そこで、重合と非重合サイクルの古典的アプローチを用いて、異なる供給源から、異なるアイソタイプ組成および制御PTMを用いてチューブリンを精製するこのプロトコルを開発しました。アフィニティ精製に基づく既存の方法と比較して、このアプローチは、純粋で重合能力のある管状尿管を生成し、重合または脱重合に耐性のあるチューブリンが連続した精製工程中に廃棄されるようにする。
懸濁液または付着培養物として、そして単一マウスの脳から成長した細胞株からのチューブリンの精製について述べた。この方法は、まず、懸濁および付着性の両方の設定における細胞塊の生成、リシス工程、続いて重合脱重合サイクルによるチューブリン精製の連続段階について説明する。我々の方法は、チューブリンコードが微小管の固有特性および関連タンパク質との微小管相互作用に及ぼす影響に対処する実験に使用できるチューブリンを生み出す。
Introduction
微小管は、多くの細胞プロセスにおいて重要な役割を果たします。彼らは細胞に形状を与え、染色体分離のための大動脈および有糸性紡錘を構築し、細胞内輸送のトラックとして機能する。これらの多様な機能を実行するために、微小管はさまざまな方法で自分自身を整理します。この分野で興味深い質問の1つは、構造的および進化的に保存された微小管が、この多くの組織や機能に適応することを可能にする分子メカニズムを理解することです。潜在的なメカニズムの1つは、「管状コード1、2、3」と呼ばれる概念によって定義される微小管の多様化である。この管状には、αおよびβ-チューブリン遺伝子産物(チューブリンアイソタイプ)を微小管およびチューブリンの翻訳後修飾(PTM)に差動する2つの主要成分が含まれる。
1970年代以降、インビトロ再構成実験は、進化する光顕微鏡技術と組み合わせることで、微小管の特性に関する重要な発見への道を開いてきた:動的不安定性4とトレッドミリング5、およびその他のメカニズムおよび機能6、7、8、9、10、11、12、13、14、15。これまでに行われたインビトロ実験のほとんどすべては、重合および脱重合16、17の繰り返しサイクルを用いて脳組織から精製されたチューブリンに基づいている。脳組織からの精製は、高品質のチューブリンを大量に得る利点(通常はグラム量)を与えるが、脳組織から精製されたチューブリンが異なるチューブリンアイソタイプの混合物であり、多くのチューブリンPTMで濃縮されるという1つの重要な欠点がある。この異種性は、微小管の特性および機能の制御における特定の管状PTMまたはアイソタイプの役割を表解することを不可能にする。したがって、管内管制御PTMと均質なアイソタイプ組成物を有するアセンブリ管管ビンの製造は、管状コードの分子機構に対処するために不可欠である。
近年、酵母Stu2pの微小チューブ結合TOG(腫瘍過剰発現遺伝子)ドメインを用いたアフィニティークロマトグラフィーによるチューブリンの精製法が開発された。この方法では、細胞または組織の粗いライセート中のチューブリンは、マトリックス固定化TOGドメインに結合するカラムを通過し、非常に小さなサンプルであっても、与えられたチューブリンプール全体の分析を可能にする。近年、組換え尿細管を精製する待望のアプローチも記載されている。これは、バキュロウイルス系に基づいており、αおよびβ-チューブリン遺伝子を含むバイシストロニックベクターが昆虫細胞19に発現する。しかし、この方法は非常に煩雑で時間がかかるため、尿細管変異20およびチューブリンアイソタイプ21、22、23 in vitroの影響を研究するためにほとんど使用される。
現在のプロトコルでは、細胞株またはマウス脳組織24から異なるレベルの修飾を有するチューブリンを生成する青写真として、確立され広く使用されている重合脱重合アプローチを用いる方法を説明する。この手順では、チューブリンは可溶性(4°Cのチューブリンダイマー)と重合形態(グアノシン5′-三リン酸[GTP]の存在下で30°Cで微小管)との間で循環する。各形態は遠心分離の連続したステップによって分離される:管状のダイマーは、冷間(4°C)の回転後に上清に残り、微小管は30°Cでペレット化される。 さらに、1つの重合工程は、高ピペラジン-N,N-ビス(2-エタンスルホン酸)(PIPES)濃度で行われ、微小管から微小管関連タンパク質を除去し、したがって、最終的に精製されたチューブリンから行う。懸濁または付着培養物として増殖したHeLa S3細胞から精製されたチューブリンは、ほとんど全く全くチューブリンPTMを含まないものであり、最近のインビトロ再構成実験25、26、27、28で使用されている。さらに、単一マウス脳からチューブリンを精製する方法を適応させ、チューブリンアイソタイプおよびPTMの変化を伴う多数のマウスモデルに使用することができる。
プロトコルでは、まず、原料物質(細胞質量または脳組織)の生成、その分解(図1A)、次いでチューブリン重合および脱重合の連続したステップを記述して、チューブリンを精製する(図1B)。精製されたチューブリンの純度(図2A,B)と量(図3A,B)を評価するプロセスについてさらに説明します。この方法は、チューブリン精製前の細胞内で修飾酵素を過剰発現させることにより、選択したPTMを濃縮したチューブリンを製造するように適合させることができる(図4B)。あるいは、チューブリン修飾酵素は、精製プロセス中にチューブリンに添加することができる。最後に、対応するチューブリン修飾酵素に欠乏しているマウスの脳から特定のアイソタイプまたはPTMを欠いた管状またはPTMを欠いて、精製することができる(図4B)29。
ここで説明する方法には、(i)比較的短時間で十分に大量のチューブリンを生産でき、(ii)特定のチューブリンアイソタイプ組成物またはPTMのいずれかで高品質で純粋なチューブリンを生成するという2つの主な利点があります。この原稿の関連ビデオでは、この手順に関連する重要な手順のいくつかを強調しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明する方法は、細胞株および単一マウス脳から中量で高品質で組み立て能力の高いチューブリンを迅速に生成するプラットフォームを提供する。これは、長年の分野で使用される牛の脳からの尿細管浄化の金標準プロトコルに基づいています16,17.このアプローチの特に利点は、HeLa S3細胞の懸濁培養物の使用であり、一度確立されると、実?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、ANR-10-IDEX-0001-0001-02、LabExセルンスケールANR-11-LBX-0038、コンバージェンス研究所Q-life Q-life QR-17-CONV-0005によって支えられました。CJはキュリー研究所によってサポートされています, フランス国立研究庁(ANR)は、ANR-12-BSV2-0007およびANR-17-CE13-0021、国立がん研究所(INCA)補助金2014-PL BIO-11-ICR-1を授与し、フォンダシオンはラ・レシェルシュ・メディカル(FRM)助成金DEQ20170366666666666666666666666年MMMはフォンダシオン・ヴァインクレ・アルツハイマー助成金FR-16055p、およびフランスのアルツハイマー付与AAP SM 2019 n°2023によって支えられている。JASは、マリー・スクウォトフスカ・キュリー交付金第675737の下で欧州連合のホライゾン2020研究・イノベーションプログラムによって支援され、FRM助成金FDT201904008210。SB は FRM グラント FDT201805005465 によってサポートされました。
私たちは、ジャンケ研究所、特にJ.スープロン、G.ラキシック(MICALIS、アグロパリテック)とA.ゴートロー(エコールポリテクニック)のすべてのメンバーに、プロトコルの確立中に助けてくれてありがとう。私たちは、マウスの繁殖とケアの助けのためにキュリー研究所の動物施設に感謝したいと思います。
J.フランケルとM.ネルソンによって開発された抗体12G10は、NICHDの後援の下で開発された発達研究ハイブリドーマ銀行から取得され、アイオワ大学によって維持されました。
Materials
| 1 M MgCl2 | Sigma | #M1028 | |
| 1-L cell culture vessels | Techne F7610 | Used for spinner cultures. Never stir the empty spinner bottles. When spinner bottles are in the cell culture incubator, always keep the lateral valves of spinner bottles slightly open to facilitate the equilibration of media with incubator’s atmosphere. After use, fill the spinner bottles immediately with tap water to avoid drying of remaining cells on the bottle walls. Wash the bottles with deionised water, add app 200 ml of deionised water and autoclave. Under a sterile cell culture hood remove the water and allow the bottles to dry completely, still under the hood, for several hours. Never use detergents for cleaning the spinner bottles because any trace amounts of the detergent can be deleterious to the cells. | |
| 1.5- and 2-ml tubes | |||
| 14-ml round-bottom tubes | |||
| 15-cm-diameter sterile culture dishes | |||
| 15-ml screw-cap tubes | |||
| 2-mercaptoethanol | Sigma | #M3148 | 2-mercaptoethanol is toxic and should be used under the hood. |
| 4-(2-aminoethyl)-benzenesulfonyl fluoride | Sigma | #A8456 | |
| 40% Acrylamide | Bio-Rad | #161-0140 | |
| 5-, 10- 20-ml syringes | |||
| 5-ml, 10-ml, 25-ml sterile pipettes | |||
| 50-ml screw-cap tubes | |||
| Ammonium persulfate (APS) | Sigma | #A3678 | |
| Anti-alpha-tubulin antibody, 12G10 | Developed by J. Frankel and M. Nelson, obtained from the Developmental Studies Hybridoma Bank, developed under the auspices of the NICHD, and maintained by the University of Iowa | dilution: 1/500 | |
| Anti-glutamylated tubulin antibody, GT335 | AdipoGen | #AG-20B-0020 | dilution: 1/20,000 |
| Aprotinin | Sigma | #A1153 | |
| Balance (0.1 – 10 g) | |||
| Beckman 1-l polypropylene bottles | For collecting spinner cultures | ||
| Beckman Avanti J-26 XP centrifuge | For collecting spinner cultures | ||
| Biological stirrer | Techne MCS-104L | Installed in the cell culture incubator (for spinner cultures), 25 rpm for Hela S3 and HEK 293 cells | |
| Bis N,N’-Methylene-Bis-Acrylamide | Bio-Rad | #161-0201 | |
| Blender IKA Ultra-Turrax® | For lysing brain tissue, use 5-mm probe, with the machine set at power 6 or 7. Blend the brain tissue 2-3 times for 15 s on ice. | ||
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | #A7906 | |
| Bromophenol blue | Sigma | #1.08122 | |
| Carboxypeptidase A (CPA) | Sigma | #C9268 | Concentration: 1.7 U/µl |
| Cell culture hood | |||
| Cell culture incubator set at 37°C, 5% CO2 | |||
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | #D8418 | DMSO can enhance cell and skin permeability of other compounds. Avoid contact and use skin and eye protection. |
| DMEM medium | Life Technologies | #41965062 | |
| DTT, DL-Dithiothreitol | Sigma | #D9779 | |
| EDTA | Euromedex | #EU0007-C | |
| EGTA | Sigma | #E3889 | |
| Ethanol absolute | Fisher Chemical | #E/0650DF/15 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Sigma | #F7524 | |
| French pressure cell press | Thermo electron corporation | #FA-078A | with a #FA-032 cell; for lysing big amounts of cells. Set at medium ratio, and the gauge pressure of 1,000 psi (corresponds to 3,000 psi inside the disruption chamber). |
| Glycerol | VWR Chemicals | #24388.295 | |
| Glycine | Sigma | #G8898 | |
| GTP | Sigma | #G8877 | |
| Heating block | Stuart | #SBH130D | |
| Hela cells | ATCC® CCL-2™ | ||
| Hela S3 cells | ATCC | ATCC® CCL-2.2™ | |
| Hydrochloric acid (HCl ) | VWR | #20252.290 | |
| Inverted microscope | With fluorescence if cell transfection is to be verified | ||
| Isopropanol | VWR | #20842.298 | |
| jetPEI | Polyplus | #101 | |
| JLA-8.1000 rotor | For collecting spinner cultures | ||
| KOH | Sigma | #P1767 | KOH is corrosive and causes burns; use eye and skin protection. |
| L-Glutamine | Life Technologies | #25030123 | |
| Laboratory centrifuge for 50-ml tubes | Sigma | 4-16 K | |
| Leupeptin | Sigma | #L2884 | |
| Liquid nitrogen | |||
| Micro-pipettes p2.5, p10, p20, p100, p200 and p1000 and corresponding tips | |||
| Micropestles | Eppendorf | #0030 120.973 | |
| Mouse brain tissue | Animal care and use for this study were performed in accordance with the recommendations of the European Community (2010/63/UE). Experimental procedures were specifically approved by the ethics committee of the Institut Curie CEEA-IC #118 (authorization no. 04395.03 given by National Authority) in compliance with the international guidelines. | ||
| Needles 18G X 1 ½” (1.2 X 38 mm | Terumo | #18G | |
| Needles 20G X 1 ½” (0.9 X 38 mm | Terumo | #20G | |
| Needles 21G X 4 ¾” (0.8 X 120 mm | B.Braun | #466 5643 | |
| Parafilm | |||
| PBS | Life Technologies | #14190169 | |
| Penicillin-Streptomycin | Life Technologies | #15140130 | |
| pH-meter | |||
| Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Sigma | #P7626 | PMSF powder is hazardous. Use skin and eye protection when preparing PMSF solutions. |
| PIPES | Sigma | #P6757 | |
| Pipette-boy | |||
| Rotors | Beckman 70.1 Ti; TLA-100.3; and TLA 55 | ||
| SDS-PAGE electrophoresis equipment | Bio-Rad | #1658001FC | |
| SDS, Sodium dodecyl sulphate | VWR | #442444H | For preparing Laemmeli buffer |
| SDS, Sodium dodecyl sulphate | Sigma | #L5750 | For preparing 'TUB' SDS-PAGE gels |
| Sonicator | Branson | #101-148-070 | Used for lysing cells grown as adherent cultures. Use 6.5 mm diameter probe, set the sonicator at “Output control” 1, “Duty cycle” 10% and time depending on the cell type used. |
| Tabletop centrifuge for 1.5 ml tubes | Eppendorf | 5417R | |
| TEMED, N, N, N′, N′-Tetramethylethylenediamine | Sigma | #9281 | |
| Trichostatin A (TSA) | Sigma | #T8552 | |
| Triton X-100 | Sigma | #T9284 | |
| Trizma base (Tris) | Sigma | #T1503 | |
| Trypsin | Life Technologies | #15090046 | |
| Ultracentrifuge rotors | TLA-55, TLA-100.3 and 70.1 Ti rotors | Set at 4°C or 30°C based on the need of the experiment | |
| Ultracentrifuge tubes | Beckman | #357448 | for using with TLA-55 rotor |
| Ultracentrifuge tubes | Beckman | #349622 | for using with TLA-100.3 rotor |
| Ultracentrifuge tubes | Beckman | #355631 | for using with 70.1 Ti rotor |
| Ultracentrifuges | Beckman | Optima L80-XP (or equivalent) and Optima MAX-XP (or equivalent) | Set at 4°C or 30°C based on the need of the experiment |
| Vortex mixer | |||
| Water bath equipped with floaters or tube holders | Set at 30°C |
Riferimenti
- Verhey, K. J., Gaertig, J. The tubulin code. Cell Cycle. 6 (17), 2152-2160 (2007).
- Janke, C. The tubulin code: Molecular components, readout mechanisms, and functions. Journal of Cell Biology. 206 (4), 461-472 (2014).
- Janke, C., Magiera, M. M. The tubulin code and its role in controlling microtubule properties and functions. Nature Reviews: Molecular Cell Biology. 21 (6), 307-326 (2020).
- Mitchison, T., Kirschner, M. Dynamic instability of microtubule growth. Nature. 312 (5991), 237-242 (1984).
- Margolis, R. L., Wilson, L. Opposite end assembly and disassembly of microtubules at steady state in vitro. Cell. 13 (1), 1-8 (1978).
- Borisy, G. G., Olmsted, J. B. Nucleated assembly of microtubules in porcine brain extracts. Science. 177 (55), 1196-1197 (1972).
- Kirschner, M. W., Williams, R. C. The mechanism of microtubule assembly in vitro. Journal of Supramolecular Structure. 2 (2-4), 412-428 (1974).
- Baas, P. W., Lin, S. Hooks and comets: The story of microtubule polarity orientation in the neuron. Developmental Neurobiology. 71 (6), 403-418 (2011).
- Stepanova, T., et al. Visualization of microtubule growth in cultured neurons via the use of EB3-GFP (end-binding protein 3-green fluorescent protein). Journal of Neuroscience. 23 (7), 2655-2664 (2003).
- Nedelec, F. J., Surrey, T., Maggs, A. C., Leibler, S. Self-organization of microtubules and motors. Nature. 389 (6648), 305-308 (1997).
- Bieling, P., Telley, I. A., Surrey, T. A minimal midzone protein module controls formation and length of antiparallel microtubule overlaps. Cell. 142 (3), 420-432 (2010).
- Roostalu, J., et al. Directional switching of the kinesin Cin8 through motor coupling. Science. 332 (6025), 94-99 (2011).
- Schaedel, L., et al. Microtubules self-repair in response to mechanical stress. Nature Materials. 14 (11), 1156-1163 (2015).
- Hendricks, A. G., Goldman, Y. E., Holzbaur, E. L. F. Reconstituting the motility of isolated intracellular cargoes. Methods in Enzymology. 540, 249-262 (2014).
- Dogterom, M., Surrey, T. Microtubule organization in vitro. Current Opinion in Cell Biology. 25 (1), 23-29 (2013).
- Vallee, R. B. Reversible assembly purification of microtubules without assembly-promoting agents and further purification of tubulin, microtubule-associated proteins, and MAP fragments. Methods in Enzymology. 134, 89-104 (1986).
- Castoldi, M., Popov, A. V. Purification of brain tubulin through two cycles of polymerization-depolymerization in a high-molarity buffer. Protein Expression and Purification. 32 (1), 83-88 (2003).
- Widlund, P. O., et al. One-step purification of assembly-competent tubulin from diverse eukaryotic sources. Molecular Biology of the Cell. 23 (22), 4393-4401 (2012).
- Minoura, I., et al. Overexpression, purification, and functional analysis of recombinant human tubulin dimer. FEBS Letters. 587 (21), 3450-3455 (2013).
- Uchimura, S., et al. A flipped ion pair at the dynein-microtubule interface is critical for dynein motility and ATPase activation. Journal of Cell Biology. 208 (2), 211-222 (2015).
- Pamula, M. C., Ti, S. C., Kapoor, T. M. The structured core of human beta tubulin confers isotype-specific polymerization properties. Journal of Cell Biology. 213 (4), 425-433 (2016).
- Vemu, A., et al. Structure and dynamics of single-isoform recombinant neuronal Human tubulin. Journal of Biological Chemistry. 291 (25), 12907-12915 (2016).
- Ti, S. C., Alushin, G. M., Kapoor, T. M. Human beta-tubulin isotypes can regulate microtubule protofilament number and stability. Developmental Cell. 47 (2), 175-190 (2018).
- Souphron, J., et al. Purification of tubulin with controlled post-translational modifications by polymerization-depolymerization cycles. Nature Protocols. 14, 1634-1660 (2019).
- Barisic, M., et al. Microtubule detyrosination guides chromosomes during mitosis. Science. 348 (6236), 799-803 (2015).
- Nirschl, J. J., Magiera, M. M., Lazarus, J. E., Janke, C., Holzbaur, E. L. F. alpha-Tubulin tyrosination and CLIP-170 phosphorylation regulate the initiation of dynein-driven transport in neurons. Cell Reports. 14 (11), 2637-2652 (2016).
- Guedes-Dias, P., et al. Kinesin-3 responds to local microtubule dynamics to target synaptic cargo delivery to the presynapse. Current Biology. 29 (2), 268-282 (2019).
- Luo, Y., et al. Direct observation of dynamic protein interactions involving human microtubules using solid-state NMR spectroscopy. Nature Communications. 11 (1), 18 (2020).
- Even, A., et al. ATAT1-enriched vesicles promote microtubule acetylation via axonal transport. Science Advances. 5 (12), 2705 (2019).
- Wolff, J., Sackett, D. L., Knipling, L. Cation selective promotion of tubulin polymerization by alkali metal chlorides. Protein Science. 5 (10), 2020-2028 (1996).
- Magiera, M. M., et al. Excessive tubulin polyglutamylation causes neurodegeneration and perturbs neuronal transport. EMBO Journal. 37 (23), 100440 (2018).
- Lacroix, B., Janke, C. Generation of differentially polyglutamylated microtubules. Methods in Molecular Biology. 777, 57-69 (2011).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Magiera, M. M., Janke, C., Correia, J. J., Wilson, L. . Methods in Cell Biology Vol. 115 Microtubules, in vitro. , 247-267 (2013).
- Hausrat, T. J., Radwitz, J., Lombino, F. L., Breiden, P., Kneussel, M. Alpha- and beta-tubulin isotypes are differentially expressed during brain development. Developmental Neurobiology. , (2020).
- Janke, C., et al. Tubulin polyglutamylase enzymes are members of the TTL domain protein family. Science. 308 (5729), 1758-1762 (2005).
- Newton, C. N., et al. Intrinsically slow dynamic instability of HeLa cell microtubules in vitro. Journal of Biological Chemistry. 277 (45), 42456-42462 (2002).
- Belvindrah, R., et al. Mutation of the alpha-tubulin Tuba1a leads to straighter microtubules and perturbs neuronal migration. Journal of Cell Biology. 216 (8), 2443-2461 (2017).
- Breuss, M., et al. Mutations in the murine homologue of TUBB5 cause microcephaly by perturbing cell cycle progression and inducing p53 associated apoptosis. Development. , (2016).
- Latremoliere, A., et al. Neuronal-specific TUBB3 is not required for normal neuronal function but is essential for timely axon regeneration. Cell Reports. 24 (7), 1865-1879 (2018).
- Morley, S. J., et al. Acetylated tubulin is essential for touch sensation in mice. Elife. 5, (2016).
