Summary

Følsomme Påvisning af Proteopathic Seeding Aktivitet med FRET flowcytometri

Published: December 08, 2015
doi:

Summary

Cell-to-cell transfer of protein aggregates, or proteopathic seeds, may underlie the progression of pathology in neurodegenerative diseases. Here, a novel FRET flow cytometry assay is described that enables specific and sensitive detection of seeding activity from recombinant or biological samples.

Abstract

Increasing evidence supports transcellular propagation of toxic protein aggregates, or proteopathic seeds, as a mechanism for the initiation and progression of pathology in several neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease and the related tauopathies. The potentially critical role of tau seeds in disease progression strongly supports the need for a sensitive assay that readily detects seeding activity in biological samples.

By combining the specificity of fluorescence resonance energy transfer (FRET), the sensitivity of flow cytometry, and the stability of a monoclonal cell line, an ultra-sensitive seeding assay has been engineered and is compatible with seed detection from recombinant or biological samples, including human and mouse brain homogenates. The assay employs monoclonal HEK 293T cells that stably express the aggregation-prone repeat domain (RD) of tau harboring the disease-associated P301S mutation fused to either CFP or YFP, which produce a FRET signal upon protein aggregation. The uptake of proteopathic tau seeds (but not other proteins) into the biosensor cells stimulates aggregation of RD-CFP and RD-YFP, and flow cytometry sensitively and quantitatively monitors this aggregation-induced FRET. The assay detects femtomolar concentrations (monomer equivalent) of recombinant tau seeds, has a dynamic range spanning three orders of magnitude, and is compatible with brain homogenates from tauopathy transgenic mice and human tauopathy subjects. With slight modifications, the assay can also detect seeding activity of other proteopathic seeds, such as α-synuclein, and is also compatible with primary neuronal cultures. The ease, sensitivity, and broad applicability of FRET flow cytometry makes it useful to study a wide range of protein aggregation disorders.

Introduction

Ophobningen af ​​intracellulære tau amyloider definerer tauopatier såsom Alzheimers sygdom. I tidlige stadier sygdom, patologi generelt lokaliseret til diskrete områder af hjernen, men med sygdomsprogression, patologi altid spredes langs forskellige neurale netværk 1-5. Akkumulere tyder transcellulær formering af giftige proteinaggregater ligger til grund for denne patologi (revideret i 6-10). I denne model er proteopathic frø (f.eks tau) frigives fra donorceller og indtast naboceller, omdanne native tau-protein i misfoldet form via template konformationsændring 11-15. Den her beskrevne assay blev udviklet til at påvise en sådan følsomt seeding. Den er kompatibel med rekombinant protein og biologiske prøver og muliggør kvantificering af små niveauer af proteopathic seeding aktivitet 16.

HEK 293T-celler, der stabilt udtrykker tau repeat domain (RD) indeholdende sygdomsassocieret P301S mutation fusioneret til enten CFP eller YFP (i det følgende benævnt tau-RD-CFP / YFP celler) fungere som en fast biosensor podningstidspunktet aktivitet. I mangel af proteopathic frø, cellerne fastholde tau som en opløselig monomer, og har ingen mærkbar baggrund FRET. Spontan optagelse eller liposommedieret transduktion af tau frø i celler resulterer imidlertid i RD-CFP og RD-YFP aggregering, som frembringer et FRET signal, der er målt inden for de enkelte celler via flowcytometri.

Talrige elementer i dette assay blev fremstillet til at øge følsomheden og reducere variabilitet. Et monoklonalt cellelinje med en 1: 1 RD-CFP / YFP udtryk forholdet blev valgt, da den giver optimal signal: støj. For at øge følsomheden, er phospholipider anvendes til at indføre frøene direkte ind i celler (selvom at studere biologiske mekanismer af optagelse, kan dette punkt udelades). Endelig flowcytometri skærme FRET på populationen og en enkelt celle niveau, i modsætning til andre proteinaggregering assays. Det endelige resultat foranstaltning, integreret FRET densitet, er meget kvantitativ og redegørelser for både antallet af celler med aggregering og i hvilken grad aggregering er opstået inden for hver celle. Alle disse optimerede parametre forbedre følsomheden og sikre reproducerbarhed.

Dette system blev for nylig ansat i en omfattende undersøgelse i transgene P301S tauopati mus 17, der evaluerede den tidsmæssige debut og progression af tau såning aktivitet i forhold til andre almindeligt anvendte tau patologiske markører (f.eks MC1, AT8, PG5 og ThioflavinS). Seeding er langt den tidligste og mest robuste markering af tau patologi vurderes, forud histologisk påvisning af mindst 6 uger. Såning aktivitet vises ved 1,5 måneder og stiger gradvist med alderen, hvilket tyder på en kausal rolle proteopathic frø i starten og / eller progression af neurodegeneration 16.

e_content "> Præcis kvantificering af små niveauer af frø materiale fra biologiske prøver kan fremme undersøgelser, der overvåger tidligt sygdomsprogression. Ved at forkorte retssagen varighed og muliggør brug af yngre dyr, kan det øge effektiviteten og nøjagtigheden af ​​prækliniske dyreforsøg. For eksempel i den P301S musen tidligere beskrevet, kunne blyforbindelser leveres så tidligt som 4-6 uger (umiddelbart før eller i starten af ​​såning aktivitet), og overvåges for effektivitet 2-4 uger senere. Analysen bør nøjagtigt kvantificere eventuelle nedsættelser i såning FRET flowcytometri har kan testes hurtigt for deres evne til at blokere såning induktion direkte i kultur, enten ved hjælp af rekombinant tau in vitro screening ansøgninger. For eksempel anti-tau reagenser (f.eks, antistoffer, små molekyler, osv) aktivitet. aggregater eller hjerne-afledt lysater som frøkilde (figur 5). Med denne opsætning, når podemateriale fremstilles en exeksperimentere tager kun tre dage til at fuldføre, herunder dataanalyse. Den hurtige kvantificering af proteopathic såning aktivitet kan således fremme mange undersøgelser af neurodegeneration.

Protocol

BEMÆRK: Denne protokol lægger vægt på brugen af ​​FRET flowcytometri til påvisning seeding fra muse biologiske prøver. Det er også kompatibel med rekombinante fibriller og humane biologiske prøver. Mus eutanasi og hjerne høst blev udført i overensstemmelse med IACUC-godkendte procedurer. 1. Brain Extraction Efter dyb bedøvelse med isofluran (2%), perfundere en mus med iskold PBS indeholdende 0,03% heparin og ekstraher hjernen efter detaljerne beskrevet i Gage et al. 18</su…

Representative Results

FRET flowcytometri muliggør følsom, kvantitativ og hurtig påvisning af såning aktivitet fra rekombinante eller biologiske prøver. Assay opsætningen er facile: monoklonale-afledte stabile cellelinjer, der udtrykker tau-RD-CFP / YFP transduceres med frømateriale, inkuberet i 24-48 timer og underkastet flowcytometri analyse (figur 1A). I mangel af frø, biosensor celler opretholde tau i en opløselig, monomer form (figur 1B). I nærvær af frø, dog biosensor celler konvertere tau i…

Discussion

FRET flowcytometri her beskrevne system er et kraftfuldt værktøj til hurtigt og kvantitativt at vurdere tau seeding. Det kræver kun moderat cellekultur erfaring og et praktisk kendskab til FRET og flowcytometri. Andre seeding assays, såsom thioflavin T– som udviser forbedret fluorescens, når de er bundet til beta-sheet struktur – er besværlig og kræver en ren, rekombinant protein substrat. Derudover in vitro såning analyser for tau er kun semi-kvantitativ og generelt ufølsom for subnanomolære niveaue…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Tau Consortium (M.I.D); National Institutes of Health Grant 1R01NS071835 (M.I.D.), a Department of Defense Grant PT110816 (to M.I.D.), 1F32NS087805 (to J.L.F.), and 1F31NS079039 (to B.B.H.).

Materials

TBS Sigma T5912
cOmplete Protease Inhibitors (EDTA-free) Roche 4693159001
Cryo-vials Sarstedt 72.694.006
Analytical Balance Mettler Toledo XSE 105DU
Weighing Boats Fisher Scientific 13-735-743
15 mL conical tube USA Scientific 1475-0501
Omni Sonic Ruptor Ultrasonic Homogenizer Omni International 18-000-115
Micro-Tip for Ultrasonic Homogenizer Omni International OR-T-156
2-Propanol Fisher Scientific A451
Noise Cancelling Ear Muffs Fisher Scientific 19-145-412
Kimwipes Fisher Scientific S47299
1.5 mL tubes USA Scientific 1615-5510
Microcentrifuge  Eppendorf 5424 000.215
DPBS Life Technologies 14190-136
DMEM Life Technologies 11965-084
Fetal Bovine Serum HyClone SH30071.03
Penicillin-Streptomycin Life Technologies 15140-122
GlutaMax Life Technologies 35050-061
Trypsin-EDTA Life Technologies 25300-054
50 mL Conical Tubes Phenix Research SS-PH15
25 mL reagent resevoirs VWR 41428-954
Multi channel pipet Fisher Scientific TI13-690-049
96 well flat bottom plates Corning 3603
Opti-MEM Life Technologies 31985-070
Lipofectamine 2000 Invitrogen 11668019
96 well round bottom plates Corning 3788
16% Paraformaldehyde Electron Microscopy Sciences RT 15710
PBS Sigma-Aldrich P5493
EDTA Sigma-Aldrich ED2SS
HBSS Life Technologies 14185-052
Sorvall ST 40 Centrifuge Thermo Scientific 75004509
BIOLiner Swinging Bucket Rotor Thermo Scientific 75003796
Hemacytometer VWR 15170-172
MACSQuant VYB Flow Cytomter Miltenyi Biotec 130-096-116
Chill 96 Rack Miltenyi Biotec 130-094-459
Flow Jo analysis software Flow Jo
20 uL pipet tips Rainin GPS-L10
200 uL pipet tips Rainin GPS-250
1 mL pipet tips Rainin GPS-1000
200 uL pipet tips USA Scientific 1111-1800
5 mL serological pipett Phenix Research SPG-606180
10 mL serological pipett Phenix Research SPG-607180
25 mL Serological pipett Phenix Research SPG-760180

Referências

  1. Seeley, W. W., Crawford, R. K., Zhou, J., Miller, B. L., Greicius, M. D. Neurodegenerative diseases target large-scale human brain networks. Neuron. 62 (1), 42-52 (2009).
  2. Zhou, J., Gennatas, E. D., Efstathios, D., Kramer, J. H., Miller, B. L., Seeley, W. W. Predicting Regional Neurodegeneration from the Healthy Brain Functional Connectome. Neuron. 73 (6), 1216-1227 (2012).
  3. Raj, A., Kuceyeski, A., Weiner, M. A Network Diffusion Model of Disease Progression in Dementia. Neuron. 73 (6), 1204-1215 (2012).
  4. Braak, H., Braak, E. Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta Neuropathol. 82 (4), 239-259 (1991).
  5. Braak, H., Braak, E. Staging of Alzheimer’s disease-related neurofibrillary changes. Neurobiol Aging. 16 (3), 271-278 (1995).
  6. Frost, B., Diamond, M. I. Prion-like mechanisms in neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci. 11 (3), 155-159 (2009).
  7. Holmes, B. B., Diamond, M. I. Cellular mechanisms of protein aggregate propagation. Current Opinion in Neurology. 25 (6), 721-726 (2012).
  8. Kaufman, S. K., Diamond, M. I. Prion-like propagation of protein aggregation and related therapeutic strategies. Neurotherapeutics. 10 (3), 371-382 (2013).
  9. Holmes, B. B., Diamond, M. I. Prion-like properties of Tau protein: the importance of extracellular Tau as a therapeutic target. J Biol Chem. 289 (29), 19855-19861 (2014).
  10. Guo, J. L., Lee, V. M. Cell-to-cell transmission of pathogenic proteins in neurodegenerative diseases. Nat Med. 20 (2), 130-138 (2014).
  11. Frost, B., Jacks, R. L., Diamond, M. I. Propagation of tau misfolding from the outside to the inside of a cell. J Biol Chem. 284 (19), 12845-12852 (2009).
  12. Guo, J. L., Lee, V. M. Y. Seeding of normal tau by pathological tau conformers drives pathogenesis of Alzheimer-like tangles. Journal of Biological Chemistry. , (2011).
  13. Holmes, B. B., et al. Heparan sulfate proteoglycans mediate internalization and propagation of specific proteopathic seeds. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (33), E3138-E3147 (2013).
  14. de Calignon, A., et al. Propagation of Tau Pathology in a Model of Early Alzheimer’s Disease. Neuron. 73 (4), 685-697 (2012).
  15. Liu, L., et al. Trans-Synaptic Spread of Tau Pathology In Vivo. PLoS One. 7 (2), e31302 (2012).
  16. Holmes, B. B., et al. Proteopathic tau seeding predicts tauopathy in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (41), E4376-E4385 .
  17. Yoshiyama, Y., et al. Synapse loss and microglial activation precede tangles in a P301S tauopathy mouse model. Neuron. 53 (3), 337-351 (2007).
  18. Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. J Vis Exp. 65 (65), (2012).
  19. Hagihara, H., Toyama, K., Yamasaki, N., Miyakawa, T. Dissection of hippocampal dentate gyrus from adult mouse. J Vis Exp. (33), (2009).
  20. Yan, Z. X., Stitz, L., Heeg, P., Pfaff, E., Roth, K. Infectivity of prion protein bound to stainless steel wires: a model for testing decontamination procedures for transmissible spongiform encephalopathies. Infect Control Hosp Epidemiol. 25 (4), 280-283 (2004).
  21. McDonnell, G., et al. Cleaning, disinfection and sterilization of surface prion contamination. J Hosp Infect. 85 (4), 268-273 (2013).
  22. Banning, C., et al. A flow cytometry-based FRET assay to identify and analyse protein-protein interactions in living cells. PLoS One. 5 (2), e9344 (2010).
  23. Morozova, O. A., March, Z. M., Robinson, A. S., Colby, D. W. Conformational Features of Tau Fibrils from Alzheimer’s Disease Brain Are Faithfully Propagated by Unmodified Recombinant Protein. Bioquímica. , (2013).
  24. Sui, D., Liu, M., Kuo, M. H. In vitro aggregation assays using hyperphosphorylated tau protein. J Vis Exp. (95), e51537 (2015).
check_url/pt/53205?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Furman, J. L., Holmes, B. B., Diamond, M. I. Sensitive Detection of Proteopathic Seeding Activity with FRET Flow Cytometry. J. Vis. Exp. (106), e53205, doi:10.3791/53205 (2015).

View Video