Subcellular Ubiquitin ölçümü-kemirgen beyinde proteasom aktivitesi
Summary
Bu protokol, kemirgen beynin farklı hücresel bölmeler içinde Ubiquitin-proteasome sistemi (UPS) etkinliğini verimli bir şekilde ölçmek için tasarlanmıştır. Kullanıcılar, aynı hayvanlarda nükleer, sitoplazmik ve sinaptik fraksiyonlar içinde çalışan UPS ‘i inceleyebilir, bu karmaşık analizleri gerçekleştirmek için gereken zaman ve hayvan sayısını azaltır.
Abstract
Ubiquitin-proteasom sistemi, protein bozulması ve ökaryotlar içindeki diğer hücresel süreçlerin önemli bir düzenleyicisidir. Beyinde, Ubiquitin-proteasom aktivitesinde artar sinaptik plastisite ve bellek oluşumu için kritik ve bu sistemde anormal değişiklikler nörolojik çeşitli ile ilişkilidir, nörodejeneratif ve psikiyatrik bozukluklar. Beyin içinde Ubiquitin-proteasome işleyişi okuyan sorunlardan biri, tüm hücresel bölmeler içinde mevcut olmasıdır, hangi protein hedefleri, fonksiyonel rol ve düzenleme mekanizmaları yaygın olarak değişebilir. Sonuç olarak, aynı hayvan içinde farklı hücre içi bölmeler içinde beyin Ubiquitin protein hedefleme ve proteasom katalitik aktivite doğrudan karşılaştırmak için yeteneği tam olarak nasıl UPS sinaptik plastisite katkıda anlaşılması için önemlidir, bellek ve hastalık. Burada açıklanan yöntem, aynı kemirgen (sıçan) beyinden gelen nükleer, sitoplazmik ve ham sinaptik fraksiyonlar toplamasının ardından, proteasom katalitik aktivitesinin eşzamanlı ölçülmesini (dolaylı olarak, proteasom çekirdeğinin etkinliğini sağlayarak) sağlar Sadece) ve bağlantıya özgü Ubiquitin proteini etiketleme. Böylece, yöntem doğrudan sinaptik plastisite, bellek oluşumu ve farklı hastalık durumları sırasında aynı hayvan farklı beyin bölgelerinde Ubiquitin-proteasome aktivite hücre altı değişiklikleri karşılaştırmak için kullanılabilir. Bu yöntem, aynı hayvan içindeki diğer proteinlerin alt hücresel dağıtımı ve fonksiyonunu değerlendirmek için de kullanılabilir.
Introduction
Ubiquitin-proteasome sistemi (UPS), hücreler1‘ de en kısa ömürlü proteinlerin bozulmasını kontrol eden birbirine bağlı protein yapıları ve ligazların karmaşık bir ağıdır. Bu sistemde, proteinlerin bozulması veya diğer hücresel süreçler için işaretlenmiş/küçük değiştirici Ubiquitin tarafından kaderleridir. Bir hedef protein, bir önceki Ubiquitin2‘ de yedi lizin (K) sitelerden (K6, K11, K27, K29, K33, K48 ve K63) veya N-terminal metiyoninin (M1; doğrusal olarak bilinen) birinde birlikte bağlanabilen 1-7 Ubiquitin modifikasyonları elde edebilir. Bu polyubiquitin etiketleri bazıları bozulmaya özeldir (K48)3, diğerleri büyük ölçüde protein bozulması süreci bağımsız iken (M1)4,5,6. Böylece, protein mayası süreci inanılmaz karmaşık ve belirli bir polyubiquitin etiketi değişiklikleri ölçmek için yeteneği sonuçta hücresel işleyişinde verilen değişikliğin rolünü anlamak için önemlidir. Bu sistemin çalışmayı daha da zorlaştıran, UPS7‘ nin katalitik yapısı olan proteasom, her iki proteini de düşürür, ancak diğer proteolitik olmayan süreçlerde de yer alabilir8,9. Daha sonra, ilk keşfi, normal ve anormal Ubiquitin-proteasom aktivitesi uzun süreli bellek oluşumu ve birçok nörolojik, nörodejeneratif ve psikiyatrik dahil olmak üzere çeşitli hastalıklar Devletler, karışmıştır beri şaşırtıcı değil bozukluklar10,11. Sonuç olarak, beyindeki UPS aktivitesini etkili ve verimli bir şekilde ölçen Yöntemler, sonuçta bu sistemin hastalık Devletlerinde nasıl disdüzenli olduğunu ve Ubiquitin ve/veya hedef alan tedavi seçeneklerinin nihai gelişimini anlamak için önemlidir proteasom işleyişi.
1) Ubiquitin modifikasyonları çeşitliliği ve 2) dağılımı dahil olmak üzere, UPS fonksiyonunu incelemek için kullanılan en yaygın model sistemleri olan fareler ve farelerden gelen beyin dokusunda Ubiquitin-proteasom aktivitesinin ölçüldiği bir dizi sorun vardır. UPS ‘in hücre içi bölmeler arasında işleyişi diferansiyel Yönetmeliği12,13,14. Örneğin, bellek oluşumu sırasında beyinde Ubiquitin-proteasom fonksiyonunun erken gösterilerinin çoğu, her iki protein mayası ve proteozom aktivitesinde zaman bağımlı artışları ve belirtilen tüm hücre endoglikozidazları kullanılır15, 16 , 17 , 18 , 19 , 20. ancak, son zamanlarda bu Ubiquitin-proteasome aktivite yaygın olarak öğrenme yanıt olarak alt hücre bölmeleri arasında çeşitli bulundu, bazı bölgelerde eşzamanlı artışlarla ve diğerlerinden azalır, önemli ölçüde farklıdır bir desen daha önce tüm hücre endoglikozidazları21bildirildi. Bu, tüm hücre yaklaşımlarının sınırlandırılmasıdır, çünkü bu, UPS aktivitesindeki değişikliklerin farklı alt hücresel bölmeler boyunca katkılarını ayıramaz. Yine de daha yeni çalışmalar araştırmada sinapses özellikle de UPS çalışmak için sinaptik kesir protokolleri istihdam var22,23,24, yöntemleri ölçmek için occlude kullanılan yöntemler aynı hayvanda nükleer ve sitoplazmik Ubiquitin-proteasom değişiklikleri. Bu, her biri farklı bir hücre altı fraksiyonu toplama, deneyler birden çok kez tekrarlamak için gereksiz bir ihtiyaç sonuçlanır. Bu, sadece hayvan hayatlarını daha büyük bir kayıpla sonuçlanır, ancak belirli bir olaya veya belirli bir hastalık durumunda yanıt olarak farklı hücre içi bölmeler arasında UPS etkinliğini doğrudan karşılaştırmak için yeteneğini ortadan kaldırır. Ubiquitin ve proteasomun protein hedeflerini göz önünde bulundurarak hücre boyunca yaygın olarak farklılık gösterir, nasıl Ubiquitin-proteozom sinyalizasyon farklı alt hücre bölmeler farklıdır anlamak UPS işlevsel rolünü belirlemek için önemlidir beyin bellek oluşumu ve nörolojik, nörodejeneratif ve psikiyatrik bozukluklar sırasında.
Bu gereksinimi ele almak için, Geçenlerde aynı hayvan21gelen belirli bir beyin bölgesi için nükleer, sitoplazmik ve sinaptik fraksiyonları toplanan olabilir bir prosedür geliştirdik. Ayrıca, aynı örnekten birden fazla hücre altı fraksiyonları toplama elde edilebilir protein sınırlı miktarda hesaba, biz tahlil in vitro proteozom aktivite ve bağlantı spesifik için önceden kurulan protokolleri optimize kemirgen beyin dokusundan toplanan lysed hücrelerinde protein mayası. Bu protokolü kullanarak, biz toplamak ve doğrudan proteasom aktivite, K48, K63, M1 ve Atom ve sitoplazmada genel protein polyubiquitination düzeylerinde öğrenme bağımlı değişiklikleri karşılaştırmak başardık ve fareler lateral amigdala sinaps. Burada, UPS ‘in uzun süreli bellek oluşumu ve çeşitli hastalık Devletlerinde nasıl yer aldığı konusunda anlayışımızı önemli ölçüde iyileştiren prosedürlerimizi ayrıntılı olarak tarif ediyoruz (Şekil 1). Ancak, bizim protokolde tartışılan in vitro proteasom aktivite, yaygın olarak kullanıldığında, doğrudan tam 26S proteozom kompleksleri aktivitesini ölçmek değil unutulmamalıdır. Yerine, bu tahlil 20s çekirdek etkinliğini ölçer, sadece bir vekil olarak tüm 26S proteozom kompleks aksine çekirdek kendisi etkinliğini anlamak için hizmet edebilir anlamına gelir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, aynı hayvanın farklı hücre içi bölmeleri boyunca Ubiquitin-proteasom aktivitesinde yapılan değişikliklerin ölçülmeleri için etkili bir yöntem gösteriyoruz. Şu anda, Ubiquitin-proteasome sisteminin aktivitesinde hücre altı değişiklikleri ölçme girişimleri çoğu örnek başına tek bir bölme ile sınırlıdır, denemeler tekrarlamak gerek sonuçlanan. Bu önemli maliyetlere ve hayvan yaşamının kaybına yol açar. Protokollerimiz, aynı hayvanın her yarımküünden toplanacak farklı hü…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, tarım ve Yaşam Bilimleri Koleji ve Virginia Tech Bilim Koleji başlangıç fonları tarafından desteklenmektedir. tan, Virginia Tech ‘de George Washington Carver programı tarafından desteklenmektedir.
Materials
| 0.5M EDTA | Fisher | 15575020 | Various other vendors |
| 20S Proteasome Activity Kit | Millipore Sigma | APT280 | Other vendors carry different versions |
| ATP | Fisher | FERR1441 | Various other vendors |
| Beta-actin antibody | Cell signaling | 4967S | Various other vendors |
| Beta-tubulin antibody | Cell signaling | 2128T | Various other vendors |
| BioTek Synergy H1 plate reader | BioTek | VATECHH1MT3 | Other vendors carry different versions |
| B-mercaptoethanol | Fisher | ICN19024280 | Various other vendors |
| clasto lactacystin b-lactone | Millipore Sigma | L7035 | Various other vendors |
| Cryogenic cup | Fisher | 033377B | Various other vendors |
| DMSO | DMSO | D8418 | Varous other vendors |
| DTT | Millipore Sigma | D0632 | Various other vendors |
| Glycerol | Millipore Sigma | G5516 | Various other vendors |
| H3 antibody | Abcam | ab1791 | Various other vendors |
| HEPES | Millipore Sigma | H3375 | Various other vendors |
| Hydrochloric acid | Fisher | SA48 | Various other vendors |
| IGEPAL (NP-40) | Millipore Sigma | I3021 | Various other vendors |
| K48 Ubiquitin Antibody | Abcam | ab140601 | Various other vendors |
| K63 Ubiquitin Antibody | Abcam | ab179434 | Various other vendors |
| KCl | Millipore Sigma | P9541 | Various other vendors |
| KONTES tissue grinder | VWR | KT885300-0002 | Various other vendors |
| Laemmli sample buffer | Bio-rad | 161-0737 | Various other vendors |
| Linear Ubiquitin Antibody | Life Sensors | AB-0130-0100 | Only M1 antibody |
| MgCl | Millipore Sigma | 442611 | Various other vendors |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 2231000213 | Various other manufacturers/models |
| myr-AIP | Enzo Life Sciences | BML-P212-0500 | Carried by Millipore-Sigma |
| NaCl | Millipore Sigma | S3014 | Various other vendors |
| Odyssey Fc Imaging System | LiCor | 2800-02 | Other vendors carry different versions |
| Phosphatase Inhibitor | Millipore Sigma | 524625 | Various other vendors |
| Precision Plus Protein Standard | Bio-rad | 161-0373 | Various other vendors |
| Protease Inhibitor | Millipore Sigma | P8340 | Various other vendors |
| PSD95 antibody | Cell signaling | 3450T | Various other vendors |
| SDS | Millipore Sigma | L3771 | Various other vendors |
| Sodium hydroxide | Fisher | SS255 | Various other vendors |
| Sucrose | Millipore Sigma | S0389 | Various other vendors |
| TBS | Alfa Aesar | J62938 | Varous other vendors |
| Tris | Millipore Sigma | T1503 | Various other vendors |
| Tween-20 | Fisher | BP337-100 | Various other vendors |
| Ubiquitin Antibody | Enzo Life Sciences | BML-PW8810 | Various other vendors |
References
- Hershko, A., Ciechanover, A. The ubiquitin system. Annu Rev Biochem. 67, 425-479 (1998).
- Akutsu, M., Dikic, I., Bremm, A. Ubiquitin chain diversity at a glance. Journal of Cell Science. 129 (5), 875-880 (2016).
- Ravid, T., Hochstrasser, M. Diversity of degradation signals in the ubiquitin-proteasome system. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 9 (9), 679-690 (2008).
- Erpapazoglou, Z., Walker, O., Haguenauer-Tsapis, R. Versatile roles of k63-linked ubiquitin chains in trafficking. Cells. 3 (4), 1027-1088 (2014).
- Iwai, K., Fujita, H., Sasaki, Y. Linear ubiquitin chains: NF-kappaB signalling, cell death and beyond. Nature Review Molecular Cell Biology. 15 (8), 503-508 (2014).
- Rieser, E., Cordier, S. M., Walczak, H. Linear ubiquitination: a newly discovered regulator of cell signalling. Trends in Biochemical Sciences. 38 (2), 94-102 (2013).
- Collins, G. A., Goldberg, A. L. The Logic of the 26S Proteasome. Cell. 169 (5), 792-806 (2017).
- Bhat, K. P., et al. The 19S proteasome ATPase Sug1 plays a critical role in regulating MHC class II transcription. Molecular Immunology. 45 (8), 2214-2224 (2008).
- Ezhkova, E., Tansey, W. P. Proteasomal ATPases link ubiquitylation of histone H2B to methylation of histone H3. Molecular Cell. 13 (3), 435-442 (2004).
- Jarome, T. J., Helmstetter, F. J. The ubiquitin-proteasome system as a critical regulator of synaptic plasticity and long-term memory formation. Neurobiology of Learning and Memory. 105, 107-116 (2013).
- Hegde, A. N., Upadhya, S. C. The ubiquitin-proteasome pathway in health and disease of the nervous system. Trends in Neuroscience. 30 (11), 587-595 (2007).
- Adori, C., et al. Subcellular distribution of components of the ubiquitin-proteasome system in non-diseased human and rat brain. Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 54 (2), 263-267 (2006).
- Upadhya, S. C., Ding, L., Smith, T. K., Hegde, A. N. Differential regulation of proteasome activity in the nucleus and the synaptic terminals. Neurochemistry International. 48 (4), 296-305 (2006).
- Enenkel, C., Lehmann, A., Kloetzel, P. M. Subcellular distribution of proteasomes implicates a major location of protein degradation in the nuclear envelope-ER network in yeast. EMBO Journal. 17 (21), 6144-6154 (1998).
- Jarome, T. J., Kwapis, J. L., Ruenzel, W. L., Helmstetter, F. J. CaMKII, but not protein kinase A, regulates Rpt6 phosphorylation and proteasome activity during the formation of long-term memories. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 7, 115 (2013).
- Jarome, T. J., Werner, C. T., Kwapis, J. L., Helmstetter, F. J. Activity dependent protein degradation is critical for the formation and stability of fear memory in the amygdala. PLoS One. 6 (9), e24349 (2011).
- Lopez-Salon, M., et al. The ubiquitin-proteasome cascade is required for mammalian long-term memory formation. European Journal of Neuroscience. 14 (11), 1820-1826 (2001).
- Reis, D. S., Jarome, T. J., Helmstetter, F. J. Memory formation for trace fear conditioning requires ubiquitin-proteasome mediated protein degradation in the prefrontal cortex. Frontiers in Behavior Neuroscience. 7, 150 (2013).
- Rosenberg, T., Elkobi, A., Rosenblum, K. mAChR-dependent decrease in proteasome activity in the gustatory cortex is necessary for novel taste learning. Neurobiology of Learning and Memory. 135, 115-124 (2016).
- Rosenberg, T., Elkobi, A., Dieterich, D. C., Rosenblum, K. NMDAR-dependent proteasome activity in the gustatory cortex is necessary for conditioned taste aversion. Neurobiology of Learning and Memory. 130, 7-16 (2016).
- Orsi, S. A., et al. Distinct subcellular changes in proteasome activity and linkage-specific protein polyubiquitination in the amygdala during the consolidation and reconsolidation of a fear memory. Neurobiology of Learning and Memory. 157, 1-11 (2019).
- Cullen, P. K., Ferrara, N. C., Pullins, S. E., Helmstetter, F. J. Context memory formation requires activity-dependent protein degradation in the hippocampus. Learning and Memory. 24 (11), 589-596 (2017).
- Jarome, T. J., Ferrara, N. C., Kwapis, J. L., Helmstetter, F. J. CaMKII regulates proteasome phosphorylation and activity and promotes memory destabilization following retrieval. Neurobiology of Learning and Memory. 128, 103-109 (2016).
- Lee, S. H., et al. Synaptic protein degradation underlies destabilization of retrieved fear memory. Science. 319 (5867), 1253-1256 (2008).
- Dunah, A. W., Standaert, D. G. Dopamine D1 receptor-dependent trafficking of striatal NMDA glutamate receptors to the postsynaptic membrane. Journal of Neuroscience. 21 (15), 5546-5558 (2001).
- Kelly, P. T., Cotman, C. W. Synaptic proteins. Characterization of tubulin and actin and identification of a distinct postsynaptic density polypeptide. Journal of Cell Biology. 79 (1), 173-183 (1978).
- Mengual, E., Arizti, P., Rodrigo, J., Gimenez-Amaya, J. M., Castano, J. G. Immunohistochemical distribution and electron microscopic subcellular localization of the proteasome in the rat CNS. Journal of Neuroscience. 16 (20), 6331-6341 (1996).
