Количественная оценка иммуноокрашенной каспазы-9 в ткани сетчатки
Summary
Здесь представлен подробный протокол иммуногистохимии для идентификации, проверки и нацеливания функционально значимых каспаз в сложных тканях.
Abstract
Семейство каспаз, как известно, опосредует многие клеточные пути за пределами гибели клеток, включая дифференцировку клеток, аксональное поиск путей и пролиферацию. С момента идентификации семейства протеаз гибели клеток ведется поиск инструментов для выявления и расширения функции конкретных членов семьи в развитии, здоровье и болезненных состояниях. Тем не менее, многие из коммерчески доступных в настоящее время инструментов каспазы, которые широко используются, не являются специфическими для целевой каспазы. В этом отчете мы описываем подход, который мы использовали для идентификации, проверки и нацеливания каспазы-9 в нервной системе с использованием нового ингибитора и генетических подходов с иммуногистохимическими показаниями. В частности, мы использовали нейронную ткань сетчатки в качестве модели для идентификации и проверки наличия и функции каспаз. Этот подход позволяет исследовать специфические апоптотические и неапоптотические функции каспазы-9 клеточного типа и может быть применен к другим сложным тканям и каспазам, представляющим интерес. Понимание функций каспаз может помочь расширить современные знания в клеточной биологии, а также может быть полезным для выявления потенциальных терапевтических целей из-за их участия в заболевании.
Introduction
Каспазы представляют собой семейство протеаз, которые регулируют гибель клеток развития, иммунные реакции и аберрантную гибель клеток при заболевании 1,2. Хотя хорошо известно, что члены семейства каспазы индуцируются при различных нейродегенеративных заболеваниях, понимание того, какая каспаза приводит к патологии заболевания, является более сложным3. Такие исследования требуют инструментов для выявления, характеристики и подтверждения функции отдельных членов семейства каспазы. Анализ соответствующих отдельных каспаз важен как с механистической, так и с терапевтической точки зрения, поскольку в литературе есть многочисленные исследования, свидетельствующие о различных ролях каспаз 4,5. Таким образом, если цель состоит в том, чтобы нацелиться на каспазу при заболевании для терапевтической пользы, крайне важно иметь конкретное нацеливание на соответствующего члена (членов) семьи. Традиционные методы определения уровней каспазы в тканях включают вестерн-блоттинг и ферментативный и флуорометрический подходы 3,6. Однако ни одна из этих мер не позволяет определить специфические для клеток уровни каспазы, и в некоторых сценариях расщепленные каспазы часто не могут быть обнаружены традиционными мерами анализа белка. Известно, что каспазы могут играть различные апоптотические и неапоптотические роли в одной и той же ткани7, поэтому для точного понимания путей развития и заболевания необходима тщательная характеристика клеточных специфических уровней каспазы.
Данное исследование показывает активацию и функцию каспазы в модели нейрососудистой гипоксии-ишемии – окклюзии вен сетчатки (RVO)7,8. В сложной ткани, такой как сетчатка, существует несколько типов клеток, которые могут быть затронуты гипоксией-ишемией, индуцированной в RVO, включая глиальные клетки, нейроны и сосудистую систему7. У взрослой мышиной сетчатки очень мало выраженности каспаз, проявляющихся в здоровой ткани, что измерено иммуногистохимией (IHC)7, но это не так во время развития9 или в моделях заболевания сетчатки10,11. IHC – это метод, который хорошо зарекомендовал себя в биомедицинских исследованиях и позволил валидировать заболевания и патологические цели, идентифицировать новые роли посредством пространственной локализации и количественной оценки белков. В тех случаях, когда расщепленные продукты каспазы не могут быть обнаружены с помощью вестерн-блоттинга или флуорометрического анализа, а также конкретного расположения клеток отдельных каспаз или опроса сигнальных путей каспазы через локализацию, следует использовать IHC.
Чтобы определить каспазу (каспазу), функционально значимую в RVO, IHC использовали с валидированными антителами к каспазам и клеточным маркерам. Предыдущие исследования, проведенные в лаборатории, показали, что каспаза-9 быстро активировалась в модели ишемического инсульта и ингибирования каспазы-9 высокоспецифичным ингибитором, защищенным от нейрональной дисфункции и смерти12. Поскольку сетчатка является частью центральной нервной системы (ЦНС), она служит модельной системой для запроса и дальнейшего изучения роли каспазы-9 в нейрососудистых повреждениях13. С этой целью мышиная модель RVO была использована для изучения клеточного специфического местоположения и распределения каспазы-9 и ее влияния на нейрососудистое повреждение. RVO является распространенной причиной слепоты у людей трудоспособного возраста, которая является результатом повреждения сосудов14. Было установлено, что каспаза-9 экспрессировалась неапоптотическим способом в эндотелиальных клетках, но не в нейронах.
Как ткань, сетчатка имеет преимущество в том, что она визуализируется либо как плоская гора, что позволяет оценить сосудистые сети, либо как поперечные сечения, которые выделяют нейронные слои сетчатки. Количественная оценка экспрессии белка каспазы в поперечных сечениях обеспечивает контекст, в отношении которого каспаза потенциально имеет решающее значение для нейронной связности сетчатки и функции зрения путем идентификации локализации каспазы (каспазы) в сетчатке. После идентификации и валидации нацеливание на интересующую каспазу достигается с использованием индуцируемой клеточной специфической делеции идентифицированной каспазы. Для потенциальных терапевтических исследований актуальность интересующих каспаз была проверена с использованием специальных инструментов для ингибирования активированной каспазы. Для каспазы-9 использовался клеточный проникающий высокоселективный ингибитор 7,15, Pen1-XBIR3. Для этого отчета были использованы 2-месячный мужской штамм C57BL/6J и тамоксифен-индуцируемый эндотелиальная каспаза-9 нокаут (iEC Casp9KO) с фоном C57BL/6J. Эти животные подвергались воздействию мышиной модели RVO, а C57BL/6J обрабатывали селективным ингибитором каспазы-9 Pen1-XBir3. Описанная методика может быть применена к другим моделям заболевания в центральной и периферической системах 7,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
Каспазы представляют собой многочленное семейство протеаз, наиболее изученных из-за их роли в гибели клеток и воспалении; однако в последнее время для некоторых членов семьи были выявлены различные функции, не связанные со смертью 4,5. Большая часть нашег…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом DGE – 1644869 Национального научного фонда (NINDS) Национальных институтов здравоохранения (NIH), наградой No F99NS124180 NIH NINDS Diversity Specialized F99 (для CKCO), Национальным институтом глаз (NEI) 5T32EY013933 (для AMP), Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта (RO1 NS081333, R03 NS099920 к CMT) и Министерство обороны армии / ВВС (DURIP к CMT).
Materials
| anti-Caspase-7 488 | Novus Biologicals | NB-56529AF488 | use at 1:150 |
| anti-cl-Caspase-9 | Cell Signaling | 9505-S | use at 1:800 |
| anti-CD31 | BD Pharmingen | 553370 | use at 1:50 |
| Confocal Spinning Disc Microscope | Biovision | ||
| FIJI 2.3.0 | open source | ||
| Fluormount G | Fisher | 50-187-88 | |
| Forcep | Roboz | RS-5015 | |
| iCasp9FL/FL X VECad-CreERT2 mice | lab generated | see Avrutsky 2020 | |
| Isolectin (594, 649) | Vector | DL-1207 | use at 1:200 |
| Ketamine Hydrochloride | Henry Schein | NDC: 11695-0702-1 | |
| Perfusion pump | Masterflex | ||
| Pen1-XBir3 | lab generated | see Avrutsky 2020 | |
| Prism 9.1 | GraphPad | ||
| Tissue-Tek O.C.T. | Fisher | 14-373-65 | |
| Vis-a-View 4.0 | Visitron Systems | ||
| Xylazine | Akorn | NDCL 59399-110-20 |
Riferimenti
- Van Opdenbosch, N., Lamkanfi, M. Caspases in cell death, inflammation, and disease. Immunity. 50 (6), 1352-1364 (2019).
- Ramirez, M. L. G., Salvesen, G. S. A primer on caspase mechanisms. Seminars in Cell & Developmental Biology. 82, 79-85 (2018).
- Troy, C. M., Jean, Y. Y. Caspases: therapeutic targets in neurologic disease. Neurotherapeutics. 12 (1), 42-48 (2015).
- Avrutsky, M. I., Troy, C. M. Caspase-9: a multimodal therapeutic target with diverse cellular expression in human disease. Frontiers in Pharmacology. 12, 1728 (2021).
- Fuchs, Y., Steller, H. Programmed cell death in animal development and disease. Cell. 147 (4), 742-758 (2011).
- Troy, C. M., Akpan, N., Jean, Y. Y. Regulation of caspases in the nervous system: implications for functions in health and disease. Progress in Molecular Biology and Translational Science. 99, 265-305 (2011).
- Avrutsky, M. I., et al. Endothelial activation of caspase-9 promotes neurovascular injury in retinal vein occlusion. Nature Communications. 11 (1), 3173 (2020).
- Colon Ortiz, C., Potenski, A., Lawson, J. M., Smart, J., Troy, C. M. Optimization of the retinal vein occlusion mouse model to limit variability. Journal of Visualized Experiments. (174), e62980 (2021).
- Tisch, N., et al. Caspase-8 modulates physiological and pathological angiogenesis during retina development. The Journal of Clinical Investigation. 129 (12), 5092-5107 (2019).
- Chi, W., et al. HMGB1 promotes the activation of NLRP3 and caspase-8 inflammasomes via NF-kappaB pathway in acute glaucoma. Journal of Neuroinflammation. 12, 137 (2015).
- Thomas, C. N., et al. Caspase-2 mediates site-specific retinal ganglion cell death after blunt ocular injury. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (11), 4453-4462 (2018).
- Akpan, N., et al. Intranasal delivery of caspase-9 inhibitor reduces caspase-6-dependent axon/neuron loss and improves neurological function after stroke. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8894-8904 (2011).
- London, A., Benhar, I., Schwartz, M. The retina as a window to the brain-from eye research to CNS disorders. Nature Reviews Neurology. 9 (1), 44-53 (2013).
- Song, P., Xu, Y., Zha, M., Zhang, Y., Rudan, I. Global epidemiology of retinal vein occlusion: a systematic review and meta-analysis of prevalence, incidence, and risk factors. Journal of Global Health. 9 (1), 010427 (2019).
- Akpan, N., et al. Intranasal delivery of caspase-9 inhibitor reduces caspase-6-dependent axon/neuron loss and improves neurological function after stroke. The Journal of neuroscience. 31 (24), 8894-8904 (2011).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).
- McStay, G. P., Salvesen, G. S., Green, D. R. Overlapping cleavage motif selectivity of caspases: implications for analysis of apoptotic pathways. Cell Death & Differentiation. 15 (2), 322-331 (2007).
- Kuida, K., et al. Reduced apoptosis and cytochrome c-mediated caspase activation in mice lacking caspase 9. Cell. 94 (3), 325-337 (1998).
- Troy, C. M., et al. Death in the balance: alternative participation of the caspase-2 and -9 pathways in neuronal death induced by nerve growth factor deprivation. Journal of Neuroscience. 21 (14), 5007-5016 (2001).
