Detección Sensible de Proteopathic Siembra Actividad con FRET Citometría de Flujo
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
La acumulación intracelular de tau amiloides define tauopatías tales como enfermedad de Alzheimer. En las etapas iniciales de la enfermedad, la patología es generalmente localizada en regiones discretas del cerebro, pero con progresión de la enfermedad, la patología se extiende invariablemente a lo largo de distintas redes neuronales 1-5. La evidencia acumulada sugiere propagación transcelular de agregados de proteínas tóxicas subyace en esta patología (revisado en 6-10). En este modelo, las semillas proteopathic (por ejemplo, tau) se liberan de las células del donante y entran en las células vecinas, la transformación de la proteína tau nativa en la forma mal plegada a través cambio conformacional con plantilla 11-15. El ensayo descrito aquí fue desarrollado para detectar con sensibilidad tal actividad siembra. Es compatible con la proteína recombinante y muestras biológicas y permite la cuantificación de los niveles de minutos de actividad siembra proteopathic 16.
Células HEK 293T que expresan de forma estable tau d repeticiónOmain (RD) que contiene la mutación P301S asociado a la enfermedad ya sea fusionado a PPC o YFP (denominado en lo sucesivo como células tau-RD-CFP / YFP) servir como un biosensor estable de la actividad de la siembra. En ausencia de semillas proteopathic, las células mantener tau como un monómero soluble, y no tienen ningún fondo apreciable FRET. Absorción espontánea o transducción mediada por liposomas de las semillas de tau en las células, sin embargo, los resultados en RD-CFP y agregación RD-YFP, que produce una señal de FRET que se mide dentro de las células individuales a través de citometría de flujo.
Numerosos componentes de este ensayo fueron diseñados para mejorar la sensibilidad y reducir la variabilidad. Fue seleccionado expresión ratio 1 RD-PPC / YFP, ya que proporciona óptima de la señal: Una línea celular monoclonal con un 1 ruido. Para aumentar la sensibilidad, los fosfolípidos se utilizan para introducir semillas directamente en las células (aunque para estudiar los mecanismos biológicos de la absorción, esto puede ser omitido). Por último, citometría de flujo monitores FRET a nivel de población y de una sola célula nivel, a diferencia de otros ensayos de agregación de proteínas. La medida de resultado final, la densidad de FRET integrado, es altamente cuantitativo y representa tanto por el número de células con la agregación, y el grado en que se ha producido la agregación dentro de cada célula. Todos estos parámetros optimizados aumentar la sensibilidad y asegurar la reproducibilidad.
Este sistema fue empleado recientemente en un estudio integral en ratones transgénicos tauopatía P301S 17 que evaluó la aparición temporal y la progresión de la actividad de siembra de tau en relación con otros marcadores patológicos tau uso común (por ejemplo, MC1, AT8, PG5 y tioflavinas). Actividad siembra es, con mucho, el marcador más temprana y más robusta de la patología tau evaluado, precediendo a la detección histológica por al menos 6 semanas. Siembra actividad aparece en 1,5 meses y aumenta progresivamente con la edad, lo que sugiere un papel causal de las semillas proteopathic en la aparición y / o progresión de la neurodegeneración 16.
e_content "> cuantificación precisa de los niveles de diminutas de material de semilla a partir de muestras biológicas puede facilitar los estudios que monitorean progresión de la enfermedad temprana. Al acortar la duración del ensayo y permitiendo el uso de los animales más jóvenes, esto podría aumentar la eficiencia y la exactitud de los ensayos preclínicos con animales. Por ejemplo, en el ratón P301S se ha descrito anteriormente, los compuestos de plomo se podrían entregar tan pronto como 4-6 semanas (inmediatamente antes de, o al inicio de la actividad de la siembra), y controlado para la eficacia de 2-4 semanas más tarde. El ensayo debe cuantificar con precisión cualquier reducción de la siembra actividad. FRET citometría de flujo ha in vitro aplicaciones de cribado también. Por ejemplo, los reactivos anti-tau (por ejemplo, anticuerpos, moléculas pequeñas, etc.) se puede probar rápidamente por su capacidad para bloquear la inducción de la siembra directamente en cultivo, utilizando ya sea tau recombinante agregados o lisados derivados del cerebro como una fuente de semilla (Figura 5). Con esta configuración, una vez que se prepara material de siembra, un experimento toma sólo tres días para completar, incluyendo el análisis de datos. La rápida cuantificación de la actividad de siembra proteopathic tanto, puede facilitar muchos estudios de la neurodegeneración.Protocol
Representative Results
Discussion
La citometría de flujo del sistema FRET descrito aquí es una poderosa herramienta para evaluar de forma rápida y cuantitativamente la actividad de siembra tau. Sólo se requiere la experiencia de cultivo de células moderado y un conocimiento práctico de FRET y citometría de flujo. Otros ensayos de siembra, como tioflavina T – que exhibe fluorescencia aumentada cuando se une a la estructura de lámina beta – son laboriosos y requieren un sustrato de proteína pura, recombinante. Además, los ensayos in vitro</e…
Disclosures
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 |
References
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