שיטה לחקר רעילות וצבירה של α-סינוקלאין באמצעות מודל שמרים אנושי
Summary
מודל פיזיולוגי in vivo של α-סינוקלאין נדרש כדי לחקור ולהבין את הפתוגנזה של מחלת פרקינסון. אנו מתארים שיטה לניטור ציטוטוקסיות והיווצרות אגרגטים של α-סינוקלאין באמצעות מודל שמרים אנושי.
Abstract
מחלת פרקינסון היא ההפרעה הנוירודגנרטיבית השנייה בשכיחותה ומאופיינת במוות תאי מתקדם הנגרם על ידי היווצרות גופי לוי המכילים α-סינוקלאין מקופלים ומצטברים. α-סינוקלאין הוא חלבון קדם-סינפטי בשפע המווסת את הסחר בשלפוחית הסינפטית, אך הצטברות התכלילים החלבניים שלו גורמת לרעילות עצבית. מחקרים אחרונים גילו כי גורמים גנטיים שונים, כולל מלווים חיידקיים, עשויים להפחית את היווצרותם של אגרגטים α-סינוקלאין במבחנה. עם זאת, חשוב גם לעקוב אחר אפקט אנטי צבירה בתא כדי ליישם את זה כטיפול פוטנציאלי עבור החולים. זה יהיה אידיאלי להשתמש בתאים עצביים, אבל תאים אלה קשה לטפל ולוקח הרבה זמן להציג את הפנוטיפ נגד צבירה. לכן, נדרש כלי in vivo מהיר ויעיל להערכה נוספת של פעילות אנטי-צבירה in vivo . השיטה המתוארת כאן שימשה לניטור וניתוח הפנוטיפ האנטי-צבירה בשמרים האנושיים Saccharomyces cerevisiae, שביטאו α-סינוקלאין אנושיים. פרוטוקול זה מדגים כלי in vivo שיכולים לשמש לניטור רעילות תאית הנגרמת על-ידי α-סינוקלאין, כמו גם להיווצרות אגרגטים α-סינוקלאין בתאים.
Introduction
מחלת פרקינסון (PD) היא בעיה רצינית עבור חברות מזדקנות ברחבי העולם. הצבירה של α-סינוקלאין קשורה קשר הדוק למחלת פרקינסון, ואגרגטים חלבוניים של α-סינוקלאין נמצאים בשימוש נרחב כסמן ביולוגי מולקולרי לאבחון המחלה1. α-סינוקלאין הוא חלבון חומצי קטן (140 חומצות אמינו באורך) בעל שלושה תחומים, כלומר סליל α קושר שומנים N, התחום המרכזי קושר עמילואיד (NAC) והזנב החומצי C-terminal2. קיפול שגוי של α-סינוקלאין יכול להתרחש באופן ספונטני ובסופו של דבר מוביל להיווצרות של אגרגטים עמילואידים הנקראים גופי לוי3. α-סינוקלאין עשוי לתרום לפתוגנזה של מחלת פרקינסון במספר דרכים. באופן כללי, הוא חשב כי צורות אוליגומריות חריגות ומסיסות הנקראות פרוטופיברילים הן מינים רעילים הגורמים למוות של תאי עצב על ידי השפעה על מטרות תאיות שונות, כולל תפקוד סינפטי3.
המודלים הביולוגיים המשמשים לחקר מחלות נוירודגנרטיביות חייבים להיות רלוונטיים לבני אדם ביחס לגנום ולביולוגיה התאית שלהם. המודלים הטובים ביותר יהיו קווי תאים עצביים אנושיים. עם זאת, קווי תאים אלה קשורים למספר בעיות טכניות, כגון קשיים בתחזוקת תרביות, יעילות נמוכה של טרנספקציה והוצאות גבוהות4. מסיבות אלה נדרש כלי קל ואמין להאצת ההתקדמות בתחום מחקר זה. חשוב לציין, הכלי צריך להיות קל לשימוש לניתוח הנתונים שנאספו. מנקודות מבט אלה, אורגניזמי מודל שונים היו בשימוש נרחב, כולל דרוזופילה, Caenorhabditis elegans, Danio rerio, שמרים ומכרסמים5. ביניהם, שמרים הוא אורגניזם המודל הטוב ביותר כי מניפולציה גנטית היא קלה, וזה זול יותר מאשר אורגניזמים מודל אחרים. והכי חשוב, לשמרים יש קווי דמיון גבוהים לתאים אנושיים, כגון 60% הומולוגיה של רצף לאורתולוגים אנושיים ו-25% הומולוגיה קרובה עם גנים הקשורים למחלות אנושיות6, והם גם חולקים ביולוגיה בסיסית של התא האאוקריוטי. שמרים מכילים חלבונים רבים בעלי רצפים דומים ותפקודים מקבילים לאלה שבתאים אנושיים7. ואכן, שמרים המבטאים גנים אנושיים נמצאים בשימוש נרחב כמערכת מודל להבהרת תהליכים תאיים8. זן שמרים זה נקרא שמרים אנושיים והוא כלי שימושי לחקר תפקודם של גנים אנושיים9. לשמרים אנושיים יש יתרון בחקר אינטראקציות גנטיות מכיוון שמניפולציה גנטית מבוססת היטב בשמרים.
במחקר זה השתמשנו בשמרים Saccharomyces cerevisiae כאורגניזם מודל לחקר הפתוגנזה של מחלת פרקינסון, במיוחד לחקר היווצרות אגרגטים α-סינוקלאין וציטוטוקסיות10. לביטוי של α-סינוקלאין בשמרים הניצנים, זן W303a שימש לטרנספורמציה עם קידוד פלסמידים עבור גרסאות PD מסוג בר ומשפחתיות של α-סינוקלאין. מכיוון שלזן W303a יש מוטציה אוקסוטרופית ב-URA3, הוא ישים לבחירת תאים המכילים פלסמידים עם URA3. הביטוי של α-סינוקלאין המקודד בפלסמיד מוסדר תחת מקדם GAL1. לפיכך, ניתן לשלוט ברמת הביטוי של α-סינוקלאין. בנוסף, היתוך של חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) באזור C-terminal של α-סינוקלאין מאפשר ניטור של היווצרות מוקדי α-סינוקלאין. כדי להבין את המאפיינים של הווריאנטים המשפחתיים הקשורים ל-PD של α-סינוקלאין, ביטאנו את הווריאנטים האלה גם בשמרים ובחנו את ההשפעות התאיות שלהם. מערכת זו היא כלי פשוט לסינון תרכובות או גנים המציגים תפקידי הגנה מפני ציטוטוקסיות של α-סינוקלאין.
Protocol
Representative Results
Discussion
בהתחשב במורכבות של מערכות תאיות שונות בבני אדם, כדאי להשתמש בשמרים כמודל לחקר מחלות נוירודגנרטיביות אנושיות. למרות שכמעט בלתי אפשרי לחקור את האינטראקציות התאיות המורכבות של המוח האנושי באמצעות שמרים, מנקודת מבט של תא בודד, לתאי שמרים יש רמה גבוהה של דמיון לתאים אנושיים במונחים של הומולוג…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לג’יימס בארדוול וטיאגו פ. אוטיירו על שחלקו בחביבות את הפלסמידים המכילים α-סינוקלאין. צ’אנגהאן לי קיבל מימון מקרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (MSIT) (מענק 2021R1C1C1011690), תוכנית המחקר המדעית הבסיסית באמצעות NRF במימון משרד החינוך (מענק 2021R1A6A1A10044950), וקרן המחקר החדשה של אוניברסיטת אג’ו.
Materials
| 96 well plate | SPL | 30096 | |
| Agarose | TAESHIN | 0158 | |
| Bacto Agar | BD Difco | 214010 | |
| Breathe-easy | diversified biotech | BEM-1 | Gas permeable sealing membrane for microtiter plates |
| cover glasses | Marienfeld | 24 x 60 mm | |
| Culture tube | SPL | 40014 | |
| Cuvette | ratiolab | 2712120 | |
| D-(+)-Galactose | sigma | G0625 | |
| D-(+)-Glucose | sigma | G8270 | |
| D-(+)-Raffinose pentahydrate | Daejung | 6638-4105 | |
| Incubator (shaking) | Labtron | model: SHI1 | |
| Incubator (static) | Vision scientific | model: VS-1203PV-O | |
| LiAc | sigma | L6883 | |
| Microplate reader | Tecan | 30050303 01 | Model: Infinite 200 pro |
| multichannel pipette 20-200 µL | gilson | FA10011 | |
| multichannel pipette 2-20 µL | gilson | FA10009 | |
| Olympus microscope | Olympus | IX-53 | |
| PEG | sigma | P4338 | average mol wt 3,350 |
| Petridish | SPL | 10090 | |
| pRS426 | Christianson, T. W., Sikorski, R. S., Dante, M., Shero, J. H. & Hieter, P. Multifunctional yeast high-copy-number shuttle vectors. Gene. 110 (1), 119-122 (1992). | ||
| pRS426 GAL1 promoter α-synuclein A30P | Outeiro, T. F. & Lindquist, S. Yeast cells provide insight into alpha-synuclein biology and pathobiology. Science. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| pRS426 GAL1 promoter α-synuclein A53T | Outeiro, T. F. & Lindquist, S. Yeast cells provide insight into alpha-synuclein biology and pathobiology. Science. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| pRS426 GAL1 promoter α-synuclein E46K | Outeiro, T. F. & Lindquist, S. Yeast cells provide insight into alpha-synuclein biology and pathobiology. Science. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| pRS426 GAL1 promoter α-synuclein WT | Outeiro, T. F. & Lindquist, S. Yeast cells provide insight into alpha-synuclein biology and pathobiology. Science. 302 (5651), 1772-1775 (2003) | ||
| Reservoir | SPL | 23050 | |
| Spectrophotometer | eppendorf | 6131 05560 | |
| W303a | Present from James Bardwell | ||
| Yeast nitrogen base w/o amino acids | Difco | 291940 | |
| Yeast synthetic drop-out medium supplements without uracil | sigma | Y1501 | |
| YPD | Condalab | 1547.00 |
Riferimenti
- Khurana, V., Lindquist, S. Modelling neurodegeneration in Saccharomyces cerevisiae: Why cook with baker’s yeast. Nature Reviews Neuroscience. 11 (6), 436-449 (2010).
- Surguchov, A. Intracellular dynamics of synucleins: "Here, there and everywhere". International Review of Cell and Molecular Biology. 320, 103-169 (2015).
- Soto, C., Pritzkow, S. Protein misfolding, aggregation, and conformational strains in neurodegenerative diseases. Nature Neuroscience. 21 (10), 1332-1340 (2018).
- Gordon, J., Amini, S. General overview of neuronal cell culture. Methods in Molecular Biology. 2311, 1-8 (2021).
- Dawson, T. M., Golde, T. E., Lagier-Tourenne, C. Animal models of neurodegenerative diseases. Nature Neuroscience. 21 (10), 1370-1379 (2018).
- Bassett, D. E., Boguski, M. S., Hieter, P. Yeast genes and human disease. Nature. 379 (6566), 589-590 (1996).
- Koteliansky, V., Glukhova, M., Bejanian, M., Surguchov, A., Smirnov, V. Isolation and characterization of actin-like protein from yeast Saccharomyces cerevisiae. FEBS Letters. 102 (1), 55-58 (1979).
- Botstein, D., Chervitz, S. A., Cherry, M. Yeast as a model organism. Science. 277 (5330), 1259-1260 (1997).
- Kachroo, A. H., Vandeloo, M., Greco, B. M., Abdullah, M. Humanized yeast to model human biology, disease and evolution. Disease Models & Mechanisms. 15 (6), (2022).
- Outeiro, T. F., Lindquist, S. Yeast cells provide insight into alpha-synuclein biology and pathobiology. Science. 302 (5651), 1772-1775 (2003).
- Dunham, M., Gartenberg, M., Brown, G. . Methods in Yeast Genetics and Genomics. , (2015).
- Skinner, S. O., Sepúlveda, L. A., Xu, H., Golding, I. Measuring mRNA copy number in individual Escherichia coli cells using single-molecule fluorescent in situ hybridization. Nature Protocols. 8 (6), 1100-1113 (2013).
- Tenreiro, S., Munder, M. C., Alberti, S., Outeiro, T. F. Harnessing the power of yeast to unravel the molecular basis of neurodegeneration. Journal of Neurochemistry. 127 (4), 438-452 (2013).
- Nielsen, J. Yeast systems biology: Model organism and cell factory. Biotechnology Journal. 14 (9), 1800421 (2019).
- Eleutherio, E., et al. Oxidative stress and aging: learning from yeast lessons. Fungal Biology. 122 (6), 514-525 (2018).
- Rencus-Lazar, S., DeRowe, Y., Adsi, H., Gazit, E., Laor, D. Yeast models for the study of amyloid-associated disorders and development of future therapy. Frontiers in Molecular Biosciences. 6, 15 (2019).
- Franco, R., Rivas-Santisteban, R., Navarro, G., Pinna, A., Reyes-Resina, I. Genes implicated in familial Parkinson’s disease provide a dual picture of nigral dopaminergic neurodegeneration with mitochondria taking center stage. International Journal of Molecular Sciences. 22 (9), 4643 (2021).
- Wan, O. W., Chung, K. K. The role of alpha-synuclein oligomerization and aggregation in cellular and animal models of Parkinson’s disease. PLoS One. 7 (6), 38545 (2012).
- Xu, L., Pu, J. Alpha-synuclein in Parkinson’s disease: From pathogenetic dysfunction to potential clinical application. Parkinson’s Disease. 2016, 1720621 (2016).
- Gitler, A. D., et al. The Parkinson’s disease protein α-synuclein disrupts cellular Rab homeostasis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (1), 145-150 (2008).
- Sampson, T. R., et al. A gut bacterial amyloid promotes α-synuclein aggregation and motor impairment in mice. Elife. 9, 53111 (2020).
- Evans, M. L., et al. The bacterial curli system possesses a potent and selective inhibitor of amyloid formation. Molecular Cell. 57 (3), 445-455 (2015).
- Su, L. J., et al. Compounds from an unbiased chemical screen reverse both ER-to-Golgi trafficking defects and mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease models. Disease Models & Mechanisms. 3 (3-4), 194-208 (2010).
