Summary

Улучшенный протокол для очищения и непосредственно моно-биотинилат рекомбинантный BDNF в трубе для клеточного исследования торговли в нейронах

Published: July 11, 2020
doi:

Summary

Рекомбинантный BDNF, содержащий последовательность Ави (BDNFAvi), производится в клетках HEK293 экономически эффективным образом и очищается с помощью хроматографии сродства. BDNFavi после этого сразу mono-biotinylated с энзимом BirA в пробке. BDNFavi и моно-биотинилированные BDNFavi сохраняют свою биологическую активность по сравнению с коммерчески доступным BDNF.

Abstract

Рекомбинантный BDNF, содержащий последовательность Ави (BDNFAvi), производится в клетках HEK293, а затем экономически эффективно очищается с помощью хроматографии сродства. Воспроизводимый протокол был разработан непосредственно для непосредственно моно-биотинилата BDNFAvi с ферментом BirA в трубке. В этой реакции моно-биотинилированный БДФФАВИ сохраняет свою биологическую активность.

Нейротрофины являются целевыми факторами роста, играющими роль в развитии и поддержании нейронов. Они требуют быстрых транспортных механизмов вдоль эндоцитного пути, чтобы позволить междугородной сигнализации между различными нейронными отсеками. Разработка молекулярных инструментов для изучения оборота нейротрофинов позволила точно отслеживать эти белки в клетке с помощью записи in vivo. В этом протоколе мы разработали оптимизированную и экономически эффективную процедуру производства моно-биотинилированного БДФ. Рекомбинантный вариант BDNF, содержащий биотинилизируемую последовательность ави (BDNFAvi), производится в клетках HEK293 в диапазоне микрограммов, а затем очищается в легко масштабируемой процедуре с помощью хроматографии сродства. Очищенный BDNF может быть однородно моно-биотинилирован прямой реакцией в пробирке с ферментом BirA в трубке. Биологическая активность моно-биотинилированных БДНФ (mbtBDNF) может быть сопряжена с стрептавидин-конъюгирована с различными фторфорами. BDNFAvi и mbtBDNF сохраняют свою биологическую активность, продемонстрированную путем обнаружения фосфорилированных целей ниже по течению с использованием западной помарки и активации транскрипцио-фактора CREB, соответственно. Используя стрептавидин-квантовые точки, мы смогли визуализировать интернализации mbtBDNF, сопутствующей активации CREB, которая была обнаружена с помощью фонофо-КРИБ специфического антитела. Кроме того, mbtBDNF, сопряженный со стрептавидин-квантовыми точками, подходит для ретроградного транспортного анализа в корковых нейронах, выращенных в микрофлюидных камерах. Таким образом, в трубке производится mbtBDNF является надежным инструментом для изучения физиологических сигнальных эндосомной динамики и оборота в нейронах.

Introduction

Нейроны являются функциональными единицами нервной системы, обладающими сложной и специализированной морфологией, которая позволяет синаптической коммуникации, и, таким образом, генерации скоординированного и сложного поведения в ответ на различные раздражители. Нейронные проекции, такие как дендриты и аксоны являются критическими структурными особенностями, участвующими в нейрональной коммуникации, и нейротрофины являются ключевыми игроками в определении их морфологии и функции1. Нейротрофины являются семейство выделяется факторов роста, которые включают NGF, NT-3, NT-4, и мозг полученных нейротрофический фактор (BDNF)2. В центральной нервной системе (ЦНС) БДНТ участвует в различных биологических процессах, включая нейротрансмиссию, дендритную арборизацию, созревание дендритных шипов, долгосрочную потенцию, среди прочих3,4. Таким образом, BDNF играет важную роль в регулировании нейронных функций.

Разнообразные клеточные процессы регулируют динамику и функцию BDNF. На нейрональной поверхности, BDNF связывает тропомиозин рецептор киназы B (TrkB) и / или рецептора нейротрофина p75 (p75). Комплексы BDNF-TrkB и BDNF-p75 до конца сортируются и сортируются в различных эндоцитных органеллах5,,6,,7,,8. Правильный внутриклеточный оборот комплекса BDNF/TrkB необходим для правильной сигнализации BDNF в различных нейрональных схемах9,,10,,11. По этой причине для понимания BDNF сигнализации в области здоровья и болезней необходимо глубокое понимание динамики оборота БДНФ и ее изменений, обнаруженных в патофизиологических процессах. Разработка новых и конкретных молекулярных инструментов для мониторинга этого процесса поможет продвинуть вперед эту область и позволит лучше понять соответствующие механизмы регулирования.

Есть несколько инструментов, доступных для изучения BDNF торговли нейронами. Широко используемая методология включает в себя трансфекцию рекомбинантного BDNF, помеченного флуоресцентнымимолекулами,такими как зеленый флуоресцентный белок (GFP) или мономерный флуоресцентный красно-сдвинутый вариант GFP mCherry12,13. Однако основным недостатком переэкспрессии BDNF является то, что он исключает возможность доставки известных концентраций этого нейротрофина. Кроме того, это может привести к клеточной токсичности, заслоняя интерпретацию результатов14. Альтернативной стратегией является трансфекция TrkB с эпитопом, например Flag-TrkB. Эта методология позволяет изучать динамику интернализации TrkB15,но она также включает в себя трансфекцию, которая может привести к изменению функции TrkB и клеточной токсичности. Для преодоления этих методологических препятствий были разработаны рекомбинантные варианты NGF и BDNF, содержащие последовательность Ави (BDNFAvi), которые могут быть моно-биотинилированные биотин-лигазным ферментом BirA, были разработаны16,17. Биотиниолетированные рекомбинантные BDNF могут быть соединены с различными стрептавидин-связанных инструментов, которые включают фторфоры, бусы, парамагнитные наночастицы среди других для обнаружения. С точки зрения изображения живых клеток, квантовые точки (ЗД) стали часто использоваться фторфоры, так как они имеют желательные характеристики для одночастичего отслеживания, такие как повышенная яркость и устойчивость к фотоотмоблы по сравнению с небольшой молекулы фторфоров18.

Производство моно-биотинилированных BDNF (mbtBDNF) с использованием BDNFAvi было достигнуто путем котрансляции плазмидов, движущих выражение BDNFAvi и BirA, а затем очистка рекомбинантного белка сродством хроматографии с выходом 1-2 г BDNF на 20 мл HEK293-кондиционированных культурных носителей17. Здесь мы предлагаем модификацию этого протокола, которая позволяет для очистки BDNFAvi от 500 мЛ HEK293-кондиционированных средств массовой информации, которая стремится к максимальному восстановлению белка в хроматографии-колонке протокол для простоты манипуляции. Используемый трансфекционный агент, полиэтиленимин (PEI), обеспечивает экономичный метод без ущерба для трансфекционного выхода. Моно-биотинилирование шаг был адаптирован к реакции in vitro, чтобы избежать осложнений, связанных с со-трансфекции и обеспечить однородную маркировку BDNF. Биологическая активность mbtBDNF была продемонстрирована западными экспериментами по микро- и флуоресценции, включая активацию pCREB и изображения живых клеток для изучения ретроградного аксонального переноса БДНФ в микрофлюидных камерах. Использование этого протокола позволяет оптимизировать, высокодоходное производство однородного моно biotinylated и биологически активных BDNF.

Protocol

Все эксперименты проводились в соответствии с утвержденными руководящими принципами КОНИКИТ (Чилийская национальная комиссия по научно-техническим исследованиям). Протоколы, используемые в данном исследовании, были одобрены Комитетами по биобезопасности и биоэтике и защите животны…

Representative Results

Использование протокола на основе хроматографической колонки позволяет обрабатывать значительные объемы кондиционированных носителей HEK293. На рисунке 1показаны результаты очистки БДНФАВИ от 500 мЛ условных носителей. Последовательные elutions BDNFAvi из бусы Ni-NTA агарозы дают…

Discussion

В этой статье описана оптимизированная методология производства и очистки mbtBDNF в процедуре на основе хроматографии сродства, основанной на работе Сунга и сотрудников17. Оптимизация включает в себя использование экономически эффективного трансфекционного реагента (PEI) при…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы с благодарностью признают финансовую поддержку fondecyt (1171137) (FCB), Базального центра передового опыта в области науки и техники (AFB 170005) (FCB), Millenium-Nucleus (P 07/011-F) (FCB), Премия старшего следователя Wellcome Trust (107116//15/з) (GS) и премия Фонда Фонда Британского института деменции (GS). Эта работа была поддержана Unidad де Микроскопия Аванзада UC (УМА UC).

Materials

2 way stopcock BioRad 7328102 Chromatography apparatus component
2-mercaptoethanol Sigma M6250 BDNF elution buffer
Acrylamide/Bisacrylamide BioRad 1610154 SDS-PAGE gel preparation
Amicon Ultra-15 10K Millipore UFC901024 BDNF concentration
Ammonium Persulfate Sigma A9164 SDS-PAGE gel preparation
anti B-III-Tubulin antibody Sigma T8578 Western blot assays for BDNF biological activity detection
anti BDNF antibody Alomone AGP-021 Western blot assays for BDNF quantification
anti BDNF antibody Alomone ANT-010 Western blot assays for BDNF quantification
Anti ERK antibody Cell Signaling 9102 Western blot assays for BDNF biological activity detection
anti pCREB antibody (S133) Cell Signaling 9198 Western blot assays for BDNF biological activity detection
anti pERK antibody (T202, Y204) Cell Signaling 4370 Western blot assays for BDNF biological activity detection
anti pTrkB antibody (Y515) Abcam ab109684 Western blot assays for BDNF biological activity detection
Antibiotic/Antimycotic Gibco 15240-062 HEK293 maintenance
ATP Sigma A26209 BDNF monobiotinylation buffer
B-27 Supplement Gibco 17504-044 Neuron maintenance
Bicine Sigma B3876 BDNF monobiotinylation buffer
BirA-GST BPS Bioscience 70031 Enzyme for BDNF AviTag monobiotinylation
Bovine Fetal Serum HyClone HC.SH30396.02 HEK293 maintenance
Bovine Serum Albumin Jackson ImmunoResearch 001-000-162 BDNF buffer modification component, blocking buffer for western blot and immunofluorescence
D-Biotin Sigma B4639 BDNF monobiotinylation buffer
Dithiothreitol Invitrogen 15508-013
DMEM High Glucose Medium Gibco 11965-092 Neuron seeding
DMEM Medium Gibco 11995-081 HEK293 maintenance
Econo Column Funnel BioRad 7310003 Chromatography apparatus component
EDTA Merck 108418
EZ-ECL Kit Biological Industries 1633664 Protein detection by western blotting
Glutamax Gibco 35050-061 Neuron and HEK293 maintenance
Glycerol Merck 104094 BDNF elution buffer, lysis buffer for western blot assays
Hettich Rotina 46R Centrifuge Hettich Discontinued Centrifuge used for clearing the medium of debris
Hettich Universal 32R Centrifuge Hettich Discontinued Centrifuge used for protein concentrator centrifugation
Horse Serum Gibco 16050-122 Neuron seeding
ImageQuant LAS 500 GE Healthcare Life Sciences 29005063 Western blot image acquisition
Imidazole Sigma I55513 BDNF buffer modification component
KCl Winkler BM-1370 PBS component
KH2PO4 Merck 104873 PBS component
Laminin Invitrogen 23017-015 Cover coating for compartmentalized neurons
Luer Tubing Adaptor BioRad 7323245 Chromatography apparatus component
Luminata™ Forte Western HRP Substrate Millipore WBLUF0100 Protein detection by western blotting
Mg(CH3COO)2 Merck 105819 BDNF monobiotinylation buffer
Mowiol 4-88 Calbiochem 475904 Mounting reagent for immunofluorescence assays
MyOne C1 Streptavidin Magnetic Beads Invitrogen 65001 Biotinylation verification
Na2HPO4 Merck 106586 BDNF buffer modification component
NaCl Winkler BM-1630 PBS component, BDNF buffer modification component
NaH2PO4 Merck 106346 BDNF buffer modification component
Neurobasal Medium Gibco 21103-049 Neuron maintenance
Ni-NTA Agarose Beads Qiagen 30210 BDNF AviTag purification
Nikon Ti2-E Nikon Microscope for fluorescence imaging
Nitrocellulose Membrane BioRad 1620115 Protein transfer for western blotting
ORCA-Flash4.0 V3 Digital CMOS camera Hamamatsu C13440-20CU Camera for epifluorescence imaging
P8340 Protease Inhibitor Cocktail Sigma P8340 BDNF buffer modification component
Paraformaldehyde Merck 104005 Fixative for immunofluorescence assays
Penicillin/Streptomycin Gibco 15140-122 Neuron maintenance
Poli-D-Lysine Corning DLW354210 Cover coating for compartmentalized neurons
Poli-L-Lysine Millipore P2363 Cover coating for non-compartmentalized neurons
Poly-Prep Chromatography Column BioRad 7311550 Chromatography apparatus component
Polyethyleneimine 25K Polysciences Inc. PLY-0296 HEK293 transfection
Quantum Dots 655 streptavidin conjugate Invitrogen Q10121MP Monobiotinylated BDNF AviTag label for live and fixed cell experiments
Saponin Sigma S4521 Detergent for immunofluorescence assays
Sucrose Merck 107687
Syldgard 184 silicone elastomer base Poirot 4019862 Microfluidic chamber preparation
TEMED Sigma T9281 SDS-PAGE gel preparation
Tris Winkler BM-2000 Lysis buffer component
Triton X100 Merck 108603 Cell permeabilization in immunofluorescence and western blot assays
Trypsin-EDTA 0.5% Gibco 15400-054 HEK293 passaging

References

  1. Huang, E., Reichardt, L. Neurotrophins: Roles in Neuronal Development and Function. Annual Review of Neuroscience. 24, 677-736 (2001).
  2. Skaper, S. D. The neurotrophin family of neurotrophic factors: an overview. Methods in Mollecular Biology. 846, 1-12 (2012).
  3. Gonzalez, A., Moya-Alvarado, G., Gonzalez-Billault, C., Bronfman, F. C. Cellular and molecular mechanism regulating neuronal growth by brain-derived neurotrophic factor. Cytoskeleton. 73 (10), 612-628 (2016).
  4. Cunha, C., Brambilla, R., Thomas, K. A simple role for BDNF in learning and memory. Frontiers in Mollecular Neuroscience. 3, 1 (2010).
  5. Bronfman, F. C., Lazo, O. M., Flores, C., Escudero, C. A., Lewin, G., Carter, B. Spatiotemporal intracelular dynamics of neurotrophin and its receptors. Implications for neurotrophin signaling and neuronal function. Neurotrophic Factor. Handbook of Experimental Pharmacology. 220, (2014).
  6. Ascano, M., Bodmer, D., Kuruvilla, R. Endocytic trafficking of neurotrophins in neural development. Trends in Cell Biology. 22 (5), 266-273 (2012).
  7. Deinhardt, K., Salinas, S., Verastegui, C., Watson, R., Worth, D., Hanrahan, S., Bucci, C., Schiavo, G. Rab5 and Rab7 control endocytic sorting along the axonal retrograde transport pathway. Neuron. 52 (2), 293 (2006).
  8. Escudero, C. A., et al. c-Jun N-terminal kinase (JNK)-dependent internalization and Rab5-dependent endocytic sorting medaited long-distance retrograde neuronal death induced by axonal BDNF-p75 signaling. Scientific Reports. 9, 6070 (2019).
  9. Vrabec, J. P., Levin, L. A. The neurobiology of cell death in glaucoma. Eye. 21, 11-14 (2007).
  10. Liot, G., Zala, D., Pla, P., Mottet, G., Piel, M., Saudou, F. Mutant huntingtin alters retrograde transport of TrkB receptors in striatal dendrites. Journal of Neuroscience. 33 (15), 6298-6309 (2013).
  11. Zhou, B., Cai, Q., Xie, Y., Sheng, Z. H. Snapin recruits dynein to BDNF-TrkB signaling endosomes for retrograde axonal transport and is essential for dendrite growth of cortical neurons. Cell Reports. 2 (1), 42-51 (2012).
  12. Haubensak, W., Narz, F., Heumann, R., Lessmann, V. BDNF-GFP containing secretory granules are localized in the vicinity of synaptic junctions of cultured cortical neurons. Journal of Cell Science. 111 (11), 1483-1493 (1998).
  13. Adachi, N., et al. Glucocorticoid affects dendritic transport of BDNF-containing vesicles. Scientific Reports. 5, 12684 (2015).
  14. Biocompare: The Buyer’s Guide for Life Scientists. Mirus Bio. Cellular Toxicity Caused by Transfection: Why is it important Available from: https://www.biocompare.com/Bench-Tips/121111-Cellular-Toxicity-Caused-by-Transfection-Why-is-it-important/ (2012)
  15. Zhao, L., et al. Mechanism underlying activity-dependent insertion of TrkB into the neuronal surface. Journal of Cell Science. 122 (17), 3123-3136 (2009).
  16. Zhao, X., Zhou, Y., Weissmiller, A., Pearn, M., Mobley, W., Wu, C. Real-time imaging of axonal transport of quantum dot-labeled BDNF in primary neurons. Journal of Visualized Experiments. 91, 51899 (2014).
  17. Sung, K., Maloney, M., Yang, J., Wu, C. A novel method for producing mono-biotinylated, biologically active neurotrophic factors: an essential reagent for single molecule study of axonal transport. Journal of Neuroscience Methods. 200 (2), 121-128 (2011).
  18. Deerinck, T. The application of fluorescent quantum dots to confocal, multiphoton and electron microscopic imaging. Toxicologic Pathology. 36 (1), 112-116 (2008).
  19. Unsain, N., Nuñez, N., Anastasia, A., Mascó, D. H. Status epilepticus induces a TrkB to p75 neurotrophin receptor switch and increases brain-derived neurotrophic factor interaction with p75 neurotrophon receptor: an initial event in neuronal injury induction. Neuroscience. 154 (3), 978-993 (2008).
  20. Walker, J. M. The bicinchoninic acid (BCA) assay for protein quantitation. Methods Mol Biol. 32, 5-8 (1994).
  21. Moya-Alvarado, G., Gonzalez, A., Stuardo, N., Bronfman, F. C. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) regulates Rab5-positive early endosomes in hippocampal neurons to induce dendritic branching. Frontiers in Cellular Neuroscience. 12, 493 (2018).
  22. Sasi, M., Vignoli, B., Canossa, M., Blum, R. Neurobiology of local and intercellular BDNF signaling. Pflugers Archiv European Journal of Physiology. 469 (5), 593-610 (2017).
  23. . The Rab5-Rab11 endosomal pathway is required for BDNF-induced CREB transcriptional regulation in neurons Available from: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/844720v1 (2019)
  24. Mowla, , et al. Biosynthesis and post-translational processing of the precursor to brain-derived neurotrophic factor. Journal of Biological Chemistry. 276 (16), 12660-12666 (2001).
  25. Longo, P., Kavran, J., Kim, M. S., Leahy, D. Transient Mammalian Cell Transfection with Polyethyleneimine (PEI). Methods in Enzymology. 529, 227-240 (2013).
  26. Raymond, C., Tom, R., Perret, S., Moussouami, P., L’Abbé, D., St-Laurent, G., Durocher, Y. A simplified polyethyleneimine-mediated transfection process for large-scale and high-throughput applications. Methods. 55 (1), 44-51 (2011).
  27. Dalton, A., Barton, W. Over-expression of secreted proteins from mammalian cell lines. Protein Science. 23 (5), 517-525 (2014).
  28. Hunter, M., Yuan, P., Vavilala, D., Fox, M. Optimization of protein expression in mammalian cells. Current Protocols in Protein Science. 95 (1), 77 (2019).
  29. Stepanenko, A. A., Heng, H. H. Transient and stable vector transfection: Pitfalls, off-target effects, artifacts. Mutation Research. 773, 91-103 (2017).
  30. Guerzoni, L. P., Nicolas, V., Angelova, A. In vitro modulation of TrkB receptor signaling upon sequential delivery of curcumin-DHA loaded carriers towards promoting neuronal survival. Pharmaceutical Research. 34 (2), 492-505 (2017).
  31. Angelova, A., Angelov, B. Dual and multi-drug delivery nanoparticles towards neuronal survival and synaptic repair. Neural Regeneration Research. 12 (6), 886-889 (2017).

Play Video

Cite This Article
Stuardo, N., Moya-Alvarado, G., Ramírez, C., Schiavo, G., Bronfman, F. C. An Improved Protocol to Purify and Directly Mono-Biotinylate Recombinant BDNF in a Tube for Cellular Trafficking Studies in Neurons. J. Vis. Exp. (161), e61262, doi:10.3791/61262 (2020).

View Video