Метод количественного фракционирования микротрубочек для разделения стабильных микротрубочек, лабильных микротрубочек и свободного тубулина в тканях мышей
Summary
Микротрубочки, которые являются полимерами тубулина, играют решающую роль в качестве компонента цитоскелета в эукариотических клетках и известны своей динамической нестабильностью. В этом исследовании был разработан метод фракционирования микротрубочек для разделения их на стабильные микротрубочки, лабильные микротрубочки и свободный тубулин для оценки стабильности микротрубочек в различных тканях мышей.
Abstract
Микротрубочки, состоящие из димеров α/β-тубулина, являются важнейшим компонентом цитоскелета в эукариотических клетках. Эти трубчатые полимеры демонстрируют динамическую нестабильность, поскольку субъединицы гетеродимера тубулина подвергаются повторяющейся полимеризации и деполимеризации. Точный контроль стабильности и динамики микротрубочек, достигаемый с помощью посттрансляционных модификаций тубулина и белков, ассоциированных с микротрубочками, имеет важное значение для различных клеточных функций. Дисфункции микротрубочек тесно связаны с патогенезом, в том числе с нейродегенеративными расстройствами. Текущие исследования сосредоточены на терапевтических агентах, нацеленных на микротрубочки, которые модулируют стабильность, предлагая потенциальные варианты лечения этих заболеваний и рака. Следовательно, понимание динамического состояния микротрубочек имеет решающее значение для оценки прогрессирования заболевания и терапевтических эффектов.
Традиционно динамику микротрубочек оценивали in vitro или в культивируемых клетках с помощью грубого фракционирования или иммуноанализа с использованием антител, нацеленных на посттрансляционные модификации тубулина. Однако точный анализ статуса тубулина в тканях с помощью таких процедур представляет собой проблему. В этом исследовании мы разработали простой и инновационный метод фракционирования микротрубочек для разделения стабильных микротрубочек, лабильных микротрубочек и свободного тубулина в тканях мышей.
Процедура включала гомогенизацию рассеченных тканей мышей в буфере, стабилизирующем микротрубочки, в объемном соотношении 19:1. Затем гомогенаты были фракционированы с помощью двухступенчатого процесса ультрацентрифугирования после первоначального медленного центрифугирования (2400 × г) для удаления мусора. Первая стадия ультрацентрифугирования (100 000 × г) осаждала стабильные микротрубочки, в то время как полученная надосадочная жидкость подвергалась второй стадии ультрацентрифугирования (500 000 × г) для фракционирования лабильных микротрубочек и растворимых димеров тубулина. Этот метод определял пропорции тубулина, составляющего стабильные или лабильные микротрубочки в мозге мыши. Кроме того, наблюдались различные тканевые вариации стабильности микротрубочек, которые коррелировали с пролиферативной способностью составляющих клеток. Эти результаты подчеркивают значительный потенциал этого нового метода для анализа стабильности микротрубочек при физиологических и патологических состояниях.
Introduction
Микротрубочки (МТ) представляют собой удлиненные трубчатые структуры, состоящие из протофиламентов, состоящих из α/β-тубулиновых гетеродимерных субъединиц. Они играют важную роль в различных клеточных процессах, таких как деление клеток, подвижность, поддержание формы и внутриклеточный транспорт, что делает их неотъемлемыми компонентами эукариотического цитоскелета. Минус-конец МТ, где экспонируется субъединица α-тубулина, относительно стабилен, тогда как плюс-конец, где экспонируется субъединица β-тубулина, подвергается динамической деполимеризации и полимеризации2. Этот непрерывный цикл присоединения и диссоциации димера тубулина на плюс-конце, называемый динамической нестабильностью, приводит к повторяющемуся процессу спасения икатастрофы. МТ демонстрируют фокальные домены с локализованными вариациями динамической неустойчивости, включая стабильные и лабильные домены4.
Точный контроль динамической нестабильности МТ имеет решающее значение для многих клеточных функций, особенно в нейронах, характеризующихся сложной морфологией. Адаптивность и долговечность МТ играют жизненно важную роль в развитии и правильном функционировании нервных клеток 5,6,7. Было обнаружено, что динамическая нестабильность МТ связана с различными посттрансляционными модификациями (ПТМ) тубулина, такими как ацетилирование, фосфорилирование, пальмитоилирование, детирозинирование, дельта2, окисление полиглутамина и полиглицилирование. Кроме того, связывание белков, ассоциированных с микротрубочками (MAP), служит регуляторным механизмом8. ПТМ, исключая ацетилирование, преимущественно встречаются в карбоксиконцевой области тубулина, расположенной на наружной поверхности МТ. Эти модификации создают разнообразные поверхностные условия на МТ, влияя на их взаимодействие с MAP и, в конечном счете, определяя устойчивость МТ9. Наличие карбокси-концевого остатка тирозина в α-тубулине свидетельствует о динамических МТ, которые быстро замещаются пулом свободного тубулина. И наоборот, детирозинация карбокси-конца и ацетилирование Lys40 означают стабильные МТ с пониженной динамической нестабильностью 9,10.
ПТМ тубулина широко использовались в экспериментах по оценке динамики и стабильности МТ 5,7,11,12,13,14,15. Например, в исследованиях клеточных культур тубулины могут быть разделены на два пула: пул свободного тубулина и пул МТ. Это достигается высвобождением свободного тубулина через пермеабилизацию клеток перед фиксацией оставшихся МТ 15,16,17,18,19. Биохимические методы включают использование химических стабилизаторов МТ, которые защищают МТ от катастрофы, позволяя отделять МТ и свободный тубулин путем центрифугирования20,21,22. Тем не менее, эти процедуры не различают стабильные и менее стабильные (лабильные) МТ, что делает невозможным количественное определение МТ или растворимого тубулина в тканях, таких как головной мозг. Следовательно, оценка стабильности МТ у организмов в физиологических и патологических условиях оказалась сложной задачей. Чтобы устранить это экспериментальное ограничение, мы разработали новый метод точного разделения МТ и свободного тубулина в тканях мыши23.
Этот уникальный метод фракционирования МТ включает в себя гомогенизацию тканей в условиях, поддерживающих статус тубулина в тканях, и двухступенчатое центрифугирование для разделения стабильных МТ, лабильных МТ и свободного тубулина. Эта простая процедура может быть применена к широким исследованиям, включая фундаментальные исследования МТ и МАП у живых организмов, физиологический и патологический анализ здоровья и заболеваний, связанных со стабильностью МТ, а также разработку лекарств и других терапевтических средств, нацеленных на МТ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важнейшей задачей при исследовании состояния тубулина в тканях живых организмов является предотвращение случайной МТ-полимеризации или деполимеризации в процессе препарирования. На стабильность МТ в образцах влияют такие факторы, как концентрация таксола в MSB, доля тканевого количе?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана JST, учреждением университетских стипендий для создания научно-технических инноваций (A.HT.; JPMJFS2145), JST SPRING (A.HT.; JPMJSP2129), Grant-in-Aid для стипендиатов JSPS (A.HT.; 23KJ2078), грант для научных исследований (B) JSPS KAKENHI (22H02946 для TM), грант для научных исследований в инновационных областях под названием «Старение белка мозга и контроль деменции» от MEXT (TM; 26117004) и исследовательская стипендия Уэхара от Мемориального фонда Уэхара (TM; 202020027). Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Materials
| 1.5 ML TUBE CASE OF 500 | Beckman Coulter | 357448 | |
| 1A2 | Sigma-Aldrich | T9028 | 1:5,000 dilution |
| 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | Nacalai Tesque | 02442-44 | |
| 300 kDa ultrafiltration spin column | Aproscience | PT-1013 | |
| 6-11B1 | Sigma-Aldrich | T7451 | 1:5,000 dilution |
| AKTA prime plus | Cytiva | ||
| anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch | 115-035-146 | 1:5,000 dilution |
| antipain | Peptide Institute Inc. | 4062 | |
| aprotinin | Nacalai Tesque | 03346-84 | |
| Chemi-Lumi One L | Nacalai Tesque | 07880-54 | |
| Corning bottle-top vacuum filter system | Corning | 430758 | 0.22µm 33.2cm² Nitrocellulose membrane |
| DIFP | Sigma-Aldrich | 55-91-4 | |
| DIGITAL HOMOGENIZER | AS ONE | HOM | |
| DM1A | Sigma-Aldrich | T9026 | 1:5,000 dilution |
| DTT | Nacalai Tesque | 14128-46 | |
| EGTA | Nacalai Tesque | 37346-05 | |
| FluoroTrans W 3.3 Meter Roll | Pall Corporation | BSP0161 | |
| glycerol | Nacalai Tesque | 17018-25 | |
| GTP | Nacalai Tesque | 17450-61 | |
| HIGH SPEED REFRIGERATIOED MICRO CENTRIFUGE Kitman | TOMY | ||
| HiLoad 16/600 Superdex 200 pg column | Cytiva | 28-9893-35 | |
| Image Gauge Software | FUJIFILUM Wako Pure Chemical Corporation | ||
| ImmunoStar LD | FUJIFILUM Wako Pure Chemical Corporation | 292-69903 | |
| KMX-1 | Millipore | MAB3408 | 1:5,000 dilution |
| LAS-4000 luminescent image analyzer | FUJIFILUM Wako Pure Chemical Corporation | ||
| leupeptin | Peptide Institute Inc. | 43449-62 | |
| MgSO4 | Nacalai Tesque | 21003-75 | |
| Na3VO4 | Nacalai Tesque | 32013-92 | |
| NaF | Nacalai Tesque | 31420-82 | |
| okadaic acid | LC Laboratories | O-2220 | |
| OPTIMA MAX-XP | Beckman Coulter | 393315 | |
| pepstatin | Nacalai Tesque | 26436-52 | |
| PMSF | Nacalai Tesque | 27327-81 | |
| Polycarbonate Centrifuge Tubes for TLA120.2 | Beckman Coulter | 343778 | |
| Protease inhibitor cocktail (cOmplete, EDTA-free) | Roche | 5056489001 | |
| Purified tubulin | Cytoskeleton | T240 | |
| QSONICA Q55 | QSonica | Q55 | |
| Taxol | LC Laboratories | P-9600 | |
| TLA-120.2 rotor | Beckman Coulter | 357656 | |
| TLA-55 rotor | Beckman Coulter | 366725 | |
| TLCK | Nacalai Tesque | 34219-94 | |
| Triton X-100 | Nacalai Tesque | 12967-45 | |
| β-glycerophosphate | Sigma-Aldrich | G9422 |
References
- 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).
- Conde, C., Caceres, A. Microtubule assembly, organization and dynamics in axons and dendrites. Nature Reviews Neuroscience. 10 (5), 319-332 (2009).
- Mitchison, T., Kirschner, M. Dynamic instability of microtubule growth. Nature. 312 (5991), 237-242 (1984).
- Baas, P. W., Rao, A. N., Matamoros, A. J., Leo, L. Stability properties of neuronal microtubules. Cytoskeleton (Hoboken). 73 (9), 442-460 (2016).
- Challacombe, J. F., Snow, D. M., Letourneau, P. C. Dynamic microtubule ends are required for growth cone turning to avoid an inhibitory guidance cue. Journal of Neuroscience. 17 (9), 3085-3095 (1997).
- Kapitein, L. C., Hoogenraad, C. C. Building the neuronal microtubule cytoskeleton. Neuron. 87 (3), 492-506 (2015).
- Leo, L., et al. Vertebrate fidgetin restrains axonal growth by severing labile domains of microtubules. Cell Reports. 12 (11), 1723-1730 (2015).
- Janke, C. The tubulin code: molecular components, readout mechanisms, and functions. Journal of Cell Biology. 206 (4), 461-472 (2014).
- Wloga, D., Joachimiak, E., Fabczak, H. Tubulin post-translational modifications and microtubule dynamics. International Journal of Molecular Sciences. 18 (10), 2207 (2017).
- Baas, P. W., Black, M. M. Individual microtubules in the axon consist of domains that differ in both composition and stability. Journal of Cell Biology. 111 (2), 495-509 (1990).
- Cartelli, D., et al. Microtubule alterations occur early in experimental parkinsonism and the microtubule stabilizer epothilone D is neuroprotective. Scientific Reports. 3, 1837 (2013).
- Zhang, B., et al. Microtubule-binding drugs offset tau sequestration by stabilizing microtubules and reversing fast axonal transport deficits in a tauopathy model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (1), 227-231 (2005).
- Zhang, F., et al. Post-translational modifications of alpha-tubulin in Alzheimer disease. Translational Neurodegeneration. 4, 9 (2015).
- Miyasaka, T., et al. Curcumin improves tau-induced neuronal dysfunction of nematodes. Neurobiology of Aging. 39, 69-81 (2016).
- Fujiwara, H., et al. Inhibition of microtubule assembly competent tubulin synthesis leads to accumulation of phosphorylated tau in neuronal cell bodies. Biochemical and Biophysical Research Communications. 521 (3), 779-785 (2020).
- Vielkind, U., Swierenga, S. H. A simple fixation procedure for immunofluorescent detection of different cytoskeletal components within the same cell. Histochemistry. 91 (1), 81-88 (1989).
- Kanai, Y., et al. Expression of multiple tau isoforms and microtubule bundle formation in fibroblasts transfected with a single tau cDNA. Journal of Cell Biology. 109 (3), 1173-1184 (1989).
- Brown, A., Li, Y., Slaughter, T., Black, M. M. Composite microtubules of the axon: quantitative analysis of tyrosinated and acetylated tubulin along individual axonal microtubules. Journal of Cell Science. 104 (2), 339-352 (1993).
- Black, M. M., Slaughter, T., Moshiach, S., Obrocka, M., Fischer, I. Tau is enriched on dynamic microtubules in the distal region of growing axons. Journal of Neuroscience. 16 (11), 3601-3619 (1996).
- Caron, J. M., Jones, A. L., Kirschner, M. W. Autoregulation of tubulin synthesis in hepatocytes and fibroblasts. Journal of Cell Biology. 101 (5), 1763-1772 (1985).
- Merrick, S. E., Trojanowski, J. Q., Lee, V. M. Selective destruction of stable microtubules and axons by inhibitors of protein serine/threonine phosphatases in cultured human neurons. Journal of Neuroscience. 17 (15), 5726-5737 (1997).
- Miyasaka, T., Sato, S., Tatebayashi, Y., Takashima, A. Microtubule destruction induces tau liberation and its subsequent phosphorylation. FEBS Letters. 584 (14), 3227-3232 (2010).
- Hagita, A., et al. Quantitative fractionation of tissue microtubules with distinct biochemical properties reflecting their stability and lability. Biochemical and Biophysical Research Communications. 560, 186-191 (2021).
- Montecinos-Franjola, F., Chaturvedi, S. K., Schuck, P., Sackett, D. L. All tubulins are not alike: Heterodimer dissociation differs among different biological sources. Journal of Biological Chemistry. 294 (26), 10315-10324 (2019).
- Vallee, R. B. A taxol-dependent procedure for the isolation of microtubules and microtubule-associated proteins (MAPs). Journal of Cell Biology. 92 (2), 435-442 (1982).
- Bartolo, M. E., Carter, J. V. Effect of microtubule stabilization on the freezing tolerance of mesophyll cells of spinach. Plant Physiology. 97 (1), 182-187 (1991).
- Strang, K. H., Golde, T. E., Giasson, B. I. MAPT mutations, tauopathy, and mechanisms of neurodegeneration. Laboratory Investigation. 99 (7), 912-928 (2019).
- Fourel, G., Boscheron, C. Tubulin mutations in neurodevelopmental disorders as a tool to decipher microtubule function. FEBS Letters. 594 (21), 3409-3438 (2020).
- Terry, R. D., Gonatas, N. K., Weiss, M. Ultrastructural studies in Alzheimer’s presenile dementia. The American Journal of Pathology. 44 (2), 269-297 (1964).
- Yoshida, H., Ihara, Y. Tau in paired helical filaments is functionally distinct from fetal tau: assembly incompetence of paired helical filament-tau. Journal of Neurochemistry. 61 (3), 1183-1186 (1993).
- Cash, A. D., et al. Microtubule reduction in Alzheimer’s disease and aging is independent of tau filament formation. The American Journal of Pathology. 162 (5), 1623-1627 (2003).
- Hempen, B., Brion, J. P. Reduction of acetylated alpha-tubulin immunoreactivity in neurofibrillary tangle-bearing neurons in Alzheimer’s disease. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 55 (9), 964-972 (1996).
- Miyasaka, T., et al. Imbalanced expression of tau and tubulin induces neuronal dysfunction in C. elegans models of tauopathy. Frontiers in Neuroscience. 12, 415 (2018).
- Boiarska, Z., Passarella, D. Microtubule-targeting agents and neurodegeneration. Drug Discovery Today. 26 (2), 604-615 (2021).
