脳からのアミロイド線維コアの生化学的浄化とプロテオミクス特性評価
Summary
質量分析ベースのプロテオミクス分析によるこの生化学的精製方法は、アミロイド線維コアの堅牢な特性評価を容易にし、アルツハイマー病を予防するための標的の同定を加速させる可能性がある。
Abstract
タンパク質性原線維含有物は、複数の神経変性疾患の重要な病理学的特徴である。アルツハイマー病(AD)の初期段階では、アミロイドβペプチドは細胞外空間でプロトフィブリルを形成し、徐々に成長し、大きなアミロイドプラークに成熟する種子として作用する。この基本的な理解にもかかわらず、脳内のアミロイド線維構造、組成、および沈着パターンに関する現在の知識は限られている。1つの大きな障壁は、高度に精製されたアミロイド線維を脳抽出物から単離することができないことであった。アフィニティー精製およびレーザー捕捉マイクロダイセクションベースのアプローチは、以前はアミロイドを単離するために使用されてきましたが、回収できる少量の材料によって制限されています。この新規で堅牢なプロトコルは、スクロース密度勾配超遠心および超音波によるドデシル硫酸ナトリウム(SDS)可溶化を用いたアミロイドプラークコアの生化学的精製を記述し、AD患者およびADモデル脳組織から高純度の線維を生じる。精製された材料の質量分析(MS)ベースのボトムアッププロテオーム分析は、アミロイド線維のほぼすべての一次タンパク質成分を同定するための堅牢な戦略を表しています。アミロイドコロナエのタンパク質に関する以前のプロテオミクス研究は、予想外に大きく、機能的に多様なタンパク質の集合体を明らかにした。注目すべきことに、精製戦略を精緻化した後、共精製タンパク質の数は10倍以上減少し、単離されたSDS不溶性物質の高純度を示す。陰性染色および免疫金電子顕微鏡観察により、これらの調製物の純度の確認が可能となった。アミロイド封入物へのこれらのタンパク質の沈着に寄与する空間的および生物学的属性を理解するためには、さらなる研究が必要である。まとめると、この分析戦略はアミロイド生物学の理解を深めるのに良い位置にあります。
Introduction
アミロイドは、タンパク質の多様なパネルに見られる非常に安定した超分子配列であり、そのうちのいくつかは病理学的変化をもたらす1。細胞内または細胞外のアミロイド凝集体の蓄積は、いくつかの神経変性疾患において観察される2。アミロイド凝集体は不均一であり、多数のタンパク質および脂質で富化されている3。近年、アミロイドプロテオームへの関心は、基礎および翻訳神経科学者の間で大きな関心を生み出している。マウスおよび死後のヒト脳組織からアミロイド凝集体を抽出および精製するために、いくつかの方法が開発されている。レーザー捕捉マイクロダイセクション、免疫沈降、脱細胞化、およびアミロイド凝集体の生化学的単離は、アミロイドプラーク、線維、およびオリゴマーを抽出および精製するために広く使用されている方法である4,5,6,7。これらの研究の多くは、半定量的MSを使用して、これらの密に充填された線維性沈着物のタンパク質組成を決定することに焦点を当てている。しかし、利用可能な結果は一貫性がなく、以前に報告された驚くほど多数の共精製タンパク質は解釈が困難です。
ADおよびADマウスモデル脳におけるアミロイドコアプロテオームを記述する既存の文献の主な制限は、精製された材料が管理不能な数の共精製タンパク質を含むことである。この方法の全体的な目標は、この制限を克服し、アミロイド線維コアを単離するための堅牢な生化学的精製を開発することです。この戦略は、死後ADヒトおよびマウス脳組織からのSDS不溶性富化アミロイド画分の単離のために、先に記載したスクロース密度勾配超遠心ベースの生化学的方法を採用する8、9。この方法は既存の文献に基づいていますが、超音波処理とSDS洗浄をさらに進めて、緩く結合したアミロイド関連タンパク質の大部分を除去し、高度に精製されたアミロイド線維の単離につながります(図1)。このプロトコールによって精製された線維は、脳抽出物から単離されたアミロイド線維の構造研究において頻繁に遭遇するいくつかの既存の課題を克服する。透過型電子顕微鏡(TEM)によるこれらのフィブリルの可視化は、精製された材料の完全性および純度を確認する(図2)。この研究では、単離されたフィブリルを可溶化し、トリプシンでペプチドに消化し、ラベルフリーMS分析により、フィブリルコアを形成するタンパク質の同一性を容易に明らかにすることができる。特に、これらのタンパク質のいくつかは、非膜結合細胞小器官において超分子集合体を形成する固有の傾向を有する。さらに、アミロイドβ(Aβ)線維の分析で同定されたタンパク質の多くは、他の神経変性疾患とも関連しており、これらのタンパク質が複数のプロテインオパチーにおいて重要な役割を果たしている可能性があることが示唆されている。
このSDS /超音波処理方法は、フィブリルコアの構造を変更または破壊する可能性は低いです。精製された材料は、幅広いトップダウンおよびボトムアッププロテオーム分析アプローチや、化学架橋や水素 – 重水素交換などの追加のMSベースの構造解析戦略にも適しています。この方法を用いた全体的な回収率は比較的高く、したがって、精製された材料のマイクログラム〜ミリグラムを必要とする詳細な構造研究に適している。精製された材料は、クライオEMおよび原子間力顕微鏡を用いた構造研究にも適している。このプロトコールは、哺乳動物の安定同位体標識と組み合わせて、アミロイド構造10の固体核磁気共鳴(NMR)研究を促進することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
アミロイド構造と組成の明確な理解を発展させることは、AD脳組織から精製された線維を抽出する際の生物学的複雑さと実験上の制限のために、構造生物学者および生化学者にとって挑戦的である16,17。アミロイド線維は分子レベルで多型であり、様々な長さおよび複雑さの不均一な集団を示す18、19。そ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、R.J.V.およびJ.N.S.に対するNIH助成金R01AG061865によって支援されました。著者らは、ノースウェスタン大学のヴァッサーとサヴァスの研究グループのメンバーに、思慮深い議論をしてくれたことに感謝している。また、Dr(複数可)にも心から感謝します。南カリフォルニア大学のAnsgar SeimerとRalf Langenは、彼らの重要なインプットのために。ノースウェスタン大学先端顕微鏡センターでのサンプル調製と陰性染色電子顕微鏡イメージングのファリダ・コラボワ博士に感謝します。
Materials
| Acclaim PepMap 100 C18 HPLC column 0.075 mm x 20 mm | Thermo Scientific | 164535 | Alternative instruments, chemicals and antibodies from other manufacturers can be used |
| Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 9830 | |
| anti-amyloid beta (1-16) 6E10 antibody | Biolegend | 803001 | |
| anti-amyloid beta (17-24) 4G8 antibody | Biolegend | 800701 | |
| anti-amyloid beta (N terminus 82E1) antibody | IBL America | 10323 | |
| anti-amyloid fibril LOC antibody | EMD Millipore | AB2287 | |
| BCA kit | Thermo Fisher Scientific | 23225 | |
| Bioruptor Pico Plus | Diagenode | B01020001 | |
| Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | |
| Collagenase | Sigma-Aldrich | C0130 | |
| Complete Protease Inhibitor Cocktail | Sigma-Aldrich | 11697498001 | |
| Dnase I | Thermo Fisher Scientific | EN0521 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | EDS | |
| Guanidine hydrochloride | Sigma-Aldrich | G4505 | |
| HyperSep C18 Cartridges | Thermo Fisher Scientific | 60108-302 | |
| Integrated Proteomics Pipeline – IP2 | http://www.integratedproteomics.com/ | ||
| Iodoacetamide (IAA) | Sigma-Aldrich | I1149 | |
| K54 Tissue Homogenizing System Motor | Cole Parmer | Glas-Col 099C | |
| MaxQuant | https://www.maxquant.org/ | ||
| Micro BCA kit | Thermo Fisher Scientific | 23235 | |
| Nanoviper 75 μm x 50 cm | Thermo Scientific | 164942 | |
| Optima L-90K Ultracentrifuge | Beckman Coulter | BR-8101P-E | |
| Orbitrap Fusion TribridMass Spectrometer | Thermo Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBCX | |
| Pierce C18 Spin Columns | Thermo Fisher Scientific | 89870 | |
| Precellys 24 tissue homogenizer | Bertin Instruments | P000062-PEVO0-A | |
| ProteaseMAX(TM) Surfactant Trypsin Enhancer | Promega | V2072 | |
| RawConverter | http://www.fields.scripps.edu/rawconv/ | ||
| Sodium azide | VWR | 97064-646 | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Sigma-Aldrich | 74255 | |
| Sorvall Legend Micro 21R Microcentrifuge | Thermo Fisher Scientific | 75002446 | |
| Speed Vaccum Concentrator | Labconco | 7315021 | |
| Tris-2-carboxyethylphosphine (TCEP) | Sigma-Aldrich | C4706-2G | |
| Tris-HCl | Thermo Fisher Scientific | 15568025 | |
| Trypsin Gold-Mass spec grade | Promega | V5280 | |
| UltiMate 3000 RSLCnano System | Thermo Scientific | ULTIM3000RSLCNANO |
Riferimenti
- Willbold, D., Strodel, B., Schröder, G. F., Hoyer, W., Heise, H. Amyloid-type protein aggregation and prion-like properties of amyloids. Chemical Reviews. 121 (13), 8285-8307 (2021).
- Rambaran, R. N., Serpell, L. C. Amyloid fibrils: abnormal protein assembly. Prion. 2 (3), 112-117 (2008).
- Upadhyay, A., et al. Complex inclusion bodies and defective proteome hubs in neurodegenerative disease: New clues, new challenges. The Neuroscientist. , (2021).
- Greiner, E. R., Kelly, J. W., Palhano, F. L. Immunoprecipitation of amyloid fibrils by the use of an antibody that recognizes a generic epitope common to amyloid fibrils. PLOS ONE. 9 (8), 105433 (2014).
- Kourelis, T. V., et al. A proteomic atlas of cardiac amyloid plaques. JACC: CardioOncology. 2 (4), 632-643 (2020).
- Mangione, P. P., et al. Increasing the accuracy of proteomic typing by decellularisation of amyloid tissue biopsies. Journal of Proteomics. 165, 113-118 (2017).
- Rostagno, A., Neubert, T. A., Ghiso, J. Unveiling brain Aβ heterogeneity through targeted proteomic analysis. Methods in Molecular Biology. 1779, 23-43 (2018).
- Roher, A. E., et al. Morphology and toxicity of Aβ-(1-42) dimer derived from neuritic and vascular amyloid deposits of Alzheimer’s disease. Journal of Biological Chemistry. 271 (34), 20631-20635 (1996).
- Lu, J. -. X., et al. Molecular structure of β-amyloid fibrils in Alzheimer’s disease brain tissue. Cell. 154 (6), 1257-1268 (2013).
- Tycko, R. Solid-state NMR studies of amyloid fibril structure. Annual Review of Physical Chemistry. 62, 279-299 (2011).
- Saito, T., et al. Single App knock-in mouse models of Alzheimer’s disease. Nature Neuroscience. 17 (5), 661-663 (2014).
- Meyerhoff, J., et al. Microdissection of mouse brain into functionally and anatomically different regions. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (168), e61941 (2021).
- Spijker, S., Li, K. Dissection of Rodent Brain Regions. Neuroproteomics. Neuromethods. 57, (2011).
- Hark, T. J., et al. Pulse-chase proteomics of the App knockin mouse models of Alzheimer’s disease reveals that synaptic dysfunction originates in presynaptic terminals. Cell Systems. 12 (2), 141-158 (2021).
- Liu, S., et al. Highly efficient intercellular spreading of protein misfolding mediated by viral ligand-receptor interactions. Nature Communications. 12 (1), 5739 (2021).
- Toyama, B. H., Weissman, J. S. Amyloid structure: conformational diversity and consequences. Annual Review of Biochemistry. 80, 557-585 (2011).
- Sundaria, N., et al. Neurodegeneration & imperfect ageing: Technological limitations and challenges. Mechanisms of Ageing and Development. 200, 111574 (2021).
- Cendrowska, U., et al. Unraveling the complexity of amyloid polymorphism using gold nanoparticles and cryo-EM. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (12), 6866-6874 (2020).
- Seuring, C., et al. Amyloid fibril polymorphism: almost identical on the atomic level, mesoscopically very different. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (8), 1783-1792 (2017).
- Close, W., et al. Physical basis of amyloid fibril polymorphism. Nature Communications. 9 (1), 699 (2018).
- Tycko, R. Amyloid polymorphism: Structural basis and neurobiological relevance. Neuron. 86 (3), 632-645 (2015).
- Konstantoulea, K., et al. Heterotypic Amyloid β interactions facilitate amyloid assembly and modify amyloid structure. The EMBO Journal. 41, 108591 (2022).
- Hondius, D. C., et al. Proteomics analysis identifies new markers associated with capillary cerebral amyloid angiopathy in Alzheimer’s disease. Acta Neuropathologica Communications. 6 (1), 1-19 (2018).
- Luo, J., Wärmländer, S. K., Gräslund, A., Abrahams, J. P. Cross-interactions between the Alzheimer disease amyloid-β peptide and other amyloid proteins: a further aspect of the amyloid cascade hypothesis. Journal of Biological Chemistry. 291 (32), 16485-16493 (2016).
- Hosp, F., et al. Spatiotemporal proteomic profiling of Huntington’s disease inclusions reveals widespread loss of protein function. Cell Reports. 21 (8), 2291-2303 (2017).
- Wallace, E. W. J., et al. Reversible, specific, active aggregates of endogenous proteins assemble upon heat stress. Cell. 162 (6), 1286-1298 (2015).
- Darling, A. L., Liu, Y., Oldfield, C. J., Uversky, V. N. Intrinsically disordered proteome of human membrane-less organelles. Proteomics. 18 (5-6), 1700193 (2018).
- Kepchia, D., et al. Diverse proteins aggregate in mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease brain. Alzheimer’s Research & Therapy. 12 (1), 1-20 (2020).
- Espay, A. J., et al. Revisiting protein aggregation as pathogenic in sporadic Parkinson and Alzheimer diseases. Neurology. 92 (7), 329-337 (2019).
- Fändrich, M., Schmidt, M., Grigorieff, N. Recent progress in understanding Alzheimer’s β-amyloid structures. Trends in Biochemical Sciences. 36 (6), 338-345 (2011).
- Bonnin, E. A., Fornasiero, E. F., Lange, F., Turck, C. W., Rizzoli, S. O. NanoSIMS observations of mouse retinal cells reveal strict metabolic controls on nitrogen turnover. BMC Molecular and Cell Biology. 22 (1), 1-10 (2021).
- Michno, W., et al. Following spatial Aβ aggregation dynamics in evolving Alzheimer’s disease pathology by imaging stable isotope labeling kinetics. Science Advances. 7 (25), (2021).
- Toyama, B. H., et al. Identification of long-lived proteins reveals exceptional stability of essential cellular structures. Cell. 154 (5), 971-982 (2013).
- Bomba-Warczak, E., Edassery, S. L., Hark, T. J., Savas, J. N. Long-lived mitochondrial cristae proteins in mouse heart and brain. Journal of Cell Biology. 220 (9), 202005193 (2021).
