Чувствительный Обнаружение Proteopathic посев деятельности с FRET проточной цитометрии
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
Накопление внутриклеточного тау амилоидами определяет тауопатий, таких как болезнь Альцгеймера. В стадии ранней болезни, патологии, как правило, локализованы в отдельных участках головного мозга, но с прогрессированием заболевания, патологии неизменно распространяется по различным нейронных сетей 1-5. Накопленные данные свидетельствует о распространении трансцеллюлярного токсичных белковых агрегатов лежит в основе этой патологии (обзор в 6-10). В этой модели, proteopathic семена (например, тау) освобождаются от донорских клеток и введите соседние клетки, превращая нативного белка тау в виде неправильно свернутых через шаблонный конформационного изменения 11-15. Анализ, описанный здесь был разработан, чтобы чутко обнаружить такую деятельность посева. Он совместим с рекомбинантного белка и биологических образцов и позволяет количественно оценить минуту уровней proteopathic посева деятельности 16.
НЕК 293Т клеток, которые стабильно экспрессируют тау повтора Domain (РД), содержащий, ассоциированных с заболеваниями P301S мутацию, слитый либо CFP YFP или (в дальнейшем упоминается как тау-RD-КФП / YFP клеток) служат стабильной биосенсора посева активности. При отсутствии proteopathic семян, клетки поддерживать тау в виде растворимого мономера, и не имеют никакого заметного фона ладу. Спонтанное поглощение или опосредованную липосомами трансдукции семян тау в клетки, однако, приводит к RD-CFP и агрегации РД-YFP, который производит сигнал FRET, который измеряется в отдельные клетки с помощью проточной цитометрии.
Многочисленные компоненты этого анализа были разработаны для повышения чувствительности и снижения изменчивости. Моноклональное клеточную линию с соотношением 1: экспрессии РД-КФП / YFP 1 была выбрана, поскольку она обеспечивает оптимальную сигнал: шум. Для повышения чувствительности, фосфолипиды использованы для введения семена непосредственно в клетках (хотя для изучения биологических механизмов захвата, это может быть опущен). Наконец, проточной цитометрии мониторы FRET на уровне популяции и одной клетки Уровень, в отличие от других агрегации белков анализов. Окончательный результат мера, интегральная плотность ладу весьма количественный и счета и по количеству клеток с агрегацией, и степень, в которой произошло объединение в каждой ячейке. Все эти оптимизированными параметрами повышения чувствительности и обеспечения воспроизводимости.
Эта система была недавно занятых в комплексном исследовании в трансгенных мышей P301S tauopathy 17, которые оценивали временной возникновение и прогрессирование тау посев деятельности по отношению к другим, обычно используется тау патологических маркеров (например, МС1, AT8, PG5 и ThioflavinS). Посев активность на сегодняшний день является ранним и самым надежным маркером тау патологии оценивается, предшествующего гистологического обнаружения, по крайней мере 6 недель. Посев активность появляется в 1,5 месяцев и увеличивается постепенно с возрастом, предполагая причинную роль proteopathic семян в начале и / или прогрессирования нейродегенерации 16.
e_content "> Точная количественный мельчайших уровнях семенного материала из биологических образцов могут облегчить учебу, которые контролируют развитие на ранней стадии болезни. Сократив продолжительность проб и позволяет использовать более молодых животных, это может повысить эффективность и точность доклинических испытаний на животных. Например, в P301S мыши описано ранее, соединения свинца могут быть доставлены уже в 4-6 недель (непосредственно перед или в момент начала посева деятельности), и контролироваться на предмет эффективности через 2-4 недели. Анализ должен точно количественно-либо сокращений в посеве деятельность. FRET проточной цитометрии была в пробирке отбора заявок, а также. Например, анти-тау реактивы (например, антитела, малые молекулы, и т.д.) могут быть быстро проверены на их способность блокировать посев индукции непосредственно в культуре, используя либо рекомбинантный тау агрегаты или мозга, полученных лизаты в качестве источника семян (рис 5). С этой установкой, когда семенной материал готов, бывшийперимента занимает всего три дня, чтобы закончить, в том числе анализа данных. Быстрое количественное определение proteopathic посева деятельности может способствовать, таким образом, множество исследований нейродегенерации.Protocol
Representative Results
Discussion
Проточной цитометрии система FRET описано здесь является мощным инструментом для быстрого и количественно оценить тау посева деятельность. Это требует только умеренного опыт культивирования клеток и практические знания рвать и проточной цитометрии. Другие анализы посева, такие как ти…
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
- 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).
- 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).
- Raj, A., Kuceyeski, A., Weiner, M. A Network Diffusion Model of Disease Progression in Dementia. Neuron. 73 (6), 1204-1215 (2012).
- Braak, H., Braak, E. Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta Neuropathol. 82 (4), 239-259 (1991).
- Braak, H., Braak, E. Staging of Alzheimer’s disease-related neurofibrillary changes. Neurobiol Aging. 16 (3), 271-278 (1995).
- Frost, B., Diamond, M. I. Prion-like mechanisms in neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci. 11 (3), 155-159 (2009).
- Holmes, B. B., Diamond, M. I. Cellular mechanisms of protein aggregate propagation. Current Opinion in Neurology. 25 (6), 721-726 (2012).
- Kaufman, S. K., Diamond, M. I. Prion-like propagation of protein aggregation and related therapeutic strategies. Neurotherapeutics. 10 (3), 371-382 (2013).
- 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).
- Guo, J. L., Lee, V. M. Cell-to-cell transmission of pathogenic proteins in neurodegenerative diseases. Nat Med. 20 (2), 130-138 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- de Calignon, A., et al. Propagation of Tau Pathology in a Model of Early Alzheimer’s Disease. Neuron. 73 (4), 685-697 (2012).
- Liu, L., et al. Trans-Synaptic Spread of Tau Pathology In Vivo. PLoS One. 7 (2), e31302 (2012).
- Holmes, B. B., et al. Proteopathic tau seeding predicts tauopathy in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (41), E4376-E4385 .
- Yoshiyama, Y., et al. Synapse loss and microglial activation precede tangles in a P301S tauopathy mouse model. Neuron. 53 (3), 337-351 (2007).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. J Vis Exp. 65 (65), (2012).
- Hagihara, H., Toyama, K., Yamasaki, N., Miyakawa, T. Dissection of hippocampal dentate gyrus from adult mouse. J Vis Exp. (33), (2009).
- 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).
- McDonnell, G., et al. Cleaning, disinfection and sterilization of surface prion contamination. J Hosp Infect. 85 (4), 268-273 (2013).
- 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).
- 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).
- Sui, D., Liu, M., Kuo, M. H. In vitro aggregation assays using hyperphosphorylated tau protein. J Vis Exp. (95), e51537 (2015).
