生物体蛋白质稳态的维持需要不同组织之间伴侣分子表达等蛋白质质量控制反应的协调。本文提供了在 C. elegans 中使用的工具,可用于监测特定组织中的蛋白质稳态能力,并确定细胞间信号传导反应。
方法文章
生物体蛋白质稳态的维持需要不同组织之间伴侣分子表达等蛋白质质量控制反应的协调。本文提供了在 C. elegans 中使用的工具,可用于监测特定组织中的蛋白质稳态能力,并确定细胞间信号传导反应。
在过去十年中,人们对蛋白质质量控制过程调控机制的认识取得了突破性进展,揭示了细胞间信号传导过程在调控非细胞自主性蛋白质稳态中的重要性。近期研究开始揭示从一种组织到另一种组织协调蛋白质质量控制的信号组分和通路。因此,明确非细胞自主性蛋白质稳态网络(PN)的机制与组分,及其在衰老、应激反应和蛋白质错误折叠疾病中的作用,具有重要意义。在实验室中,我们采用组织特异性RNAi介导的基因敲降,结合应激报告系统和组织特异性蛋白质稳态传感器来研究这一过程。本文描述了用于检测和鉴定非细胞自主性PN组分的方法,这些组分可在感知应激条件的组织以及响应细胞中发挥作用,从而激活保护性反应。我们首先介绍如何构建用于在特定组织中实现组成型基因敲降的发夹RNAi载体,以及如何在不同生命周期阶段通过饲喂RNAi实现组织特异性基因敲降。应激报告系统 和行为学检测作为 有效的检测指标 ,可实现对调控系统性应激信号通路的基因和条件进行快速筛选。 最后,利用在不同组织中表达的蛋白质稳态传感器,可检测发育和衰老不同阶段中PN组织特异性能力的变化。因此,这些工具将有助于阐明并监测特定组织中PN的功能能力,同时帮助鉴定在不同组织中发挥作用以介导生物体非细胞自主性PN的组分。
细胞蛋白质稳态由一个复杂的蛋白质质量控制网络进行监控,该网络包括分子伴侣、应激反应以及降解机制,如泛素-蛋白酶体系统(UPS)和自噬1,2。应激反应通路的激活,例如由HSF-1介导的热休克反应(HSR)、内质网未折叠蛋白反应(UPRER)以及线粒体未折叠蛋白反应(UPRmito),对于细胞在环境胁迫或导致毒性蛋白聚集的蛋白质错误折叠疾病中的适应与存活至关重要1,2,3,4,5,6。
多细胞生物的细胞蛋白质稳态由一个额外的调控层面协调,例如 秀丽隐杆线虫, 需要协调不同组织中的细胞应激反应,以激活分子伴侣等保护性蛋白质质量控制组分7在过去十年中,已观察到热休克反应(HSR)和未折叠蛋白反应(UPR)等“细胞”应激反应通路存在细胞非自主性激活现象。内质网 和未折叠蛋白反应(UPR)线粒体以及跨细胞伴侣信号传导(TCS)3,4,7,8,9,10在每种情况下,神经系统以及肠道发出的信号都在调控不同组织中分子伴侣的激活方面发挥着关键作用,以抵御急性和慢性蛋白质错误折叠应激所带来的毒性后果3,5,9,11。这种从神经元向肠道及外周其他细胞的信号传递可通过神经递质实现,未折叠蛋白反应(UPR)即属于此种情况内质网 和HSR6,8,11在一种由神经元中HSP-90表达升高所激活的细胞非自主性应激信号通路TCS中,分泌型免疫肽在激活过程中发挥作用 hsp-90 从神经元到肌肉的分子伴侣表达5在另一种TCS形式中,降低主要分子伴侣的表达水平 hsp-90 在肠道中导致热诱导型表达增加 hsp-70 在允许温度下位于体壁肌肉中5,10然而,在这一特定情况下,介导肠道感知应激信号并激活肌肉细胞响应的具体信号分子尚不清楚。
因此,为了确定分子伴侣表达如何在不同组织间被激活,需要一种能够监测蛋白质稳态网络(PN)功能及应激反应在组织特异性水平上激活情况的方法。为研究在各个组织中被激活的应激反应通路,可利用一系列已有的与荧光蛋白标签融合的转录型分子伴侣报告系统(参见 表3)。这些包括荧光标记的 hsp-90, hsp-70 和 hsp-16.2 指示热激反应(HSR)诱导的转录报告基因, hsp-4 表明未折叠蛋白反应(UPR)的激活内质网 和 hsp-6,表明未折叠蛋白反应(UPR)线粒体将这些报告系统与组织特异性应激条件相结合,可实现强有力的检测输出,精确定位那些对感知应激的远端“信号发出”组织中蛋白质稳态(PN)失衡产生响应的特定组织。为在特定组织中诱导应激状态或蛋白质稳态(PN)失衡,可采用多种不同策略。例如,其中一种方法是异位表达激活形式的应激转录因子(如 xbp-1s)另一种方法是降低一种必需的分子伴侣的表达水平(例如, hsp-90) 使用组织特异性启动子8,10为了仅在一种细胞类型中耗竭 PN 组分,利用 RNAi 进行组织特异性敲低是一种有效的工具。
C. elegans 中的 RNAi 具有系统性;环境中的双链 RNA 可进入生物体并在整个动物体内扩散,从而沉默靶基因12,13。这种摄入的 dsRNA 的系统性扩散由 SID(系统性 RNAi 缺陷)蛋白介导,例如作为 dsRNA 转运蛋白的 SID-1 和 SID-2,以及与晚期内体蛋白共定位并参与摄入的 dsRNA 外排的 SID-514,15,16。SID-1 是一种多通道跨膜蛋白,存在于除神经元以外的所有细胞中 ,并且对 dsRNA 向细胞内的导入和导出均是必需的17。SID-2 的表达局限于肠道,在那里它作为内吞受体,将来自肠腔的摄入 dsRNA 转运至肠细胞的细胞质中16。神经元对系统性 RNAi 无反应,这与神经元中跨膜蛋白 SID-1 表达水平降低相关,而 SID-1 对 dsRNA 的导入至关重要15,18。因此,若要使组织特异性 RNAi 仅在一种细胞类型中发挥作用,就必须阻止 dsRNA 的系统性扩散。这可以通过使用对 RNAi 具有抗性的 sid-1(pk3321) 突变体来实现,该突变体可阻止 dsRNA 在不同组织间的释放和摄取15。在此突变体中表达组织特异性的发夹 RNAi 构建体,或在特定组织中异位表达 SID-1,即可弥补 sid-1 突变体的功能缺陷,从而实现组织特异性的 RNAi19。
那么,在 sid-1 功能缺失突变体中,dsRNA 如何被肠道摄取,并如何到达异位表达 SID-1 构建体的神经元或肌肉细胞?目前有一种模型可解释该机制:内吞的 dsRNA 通过 SID-2 进入肠细胞胞质,随后通过一种不依赖 SID-1 的机制(涉及 SID-5 和转胞吞作用)被转运至假体腔17。因此,由于 SID-1 是 dsRNA 导入所必需的17,只有表达野生型 SID-1 的细胞才能摄取从肠道释放到假体腔中的 dsRNA。
本文演示了一组可用于组织特异性RNAi的工具的使用方法。我们以分子伴侣Hsp90为例,描述了发夹结构RNAi的构建过程,该方法可用于在特定组织中持续敲低基因表达10。所描述的方法可适用于任何目标基因。通过监测其他组织中荧光标记的应激报告基因的表达,可以探究其他组织对由组织特异性hsp-90 RNAi引起的蛋白质稳态失衡的响应。作为第二种组织特异性RNAi方法,我们展示了如何将sid-1突变体系统用于喂养表达RNAi的细菌,而非表达发夹RNAi构建体。当进行候选基因或全基因组范围的RNAi筛选以鉴定参与组织特异性响应的组分时,该方法尤为有用。同样,针对重要PN组分缺失所导致的发育缺陷,需要在发育后期阶段对特定组织进行RNAi介导的基因敲低。我们展示了如何利用SID-1互补系统对组织特异性TCS调控因子进行候选RNAi筛选。在该示例中,我们的目标是鉴定那些在“应激感知”信号发送组织(肠道)和应激效应组织(肌肉)中敲低后,会导致肌肉细胞中荧光标记的hsp-70报告基因表达发生变化的信号通路组分。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 两种组织特异性RNAi方法:发夹RNAi与组织特异性SID-1互补
2. 利用应激报告基因和蛋白质稳态传感器监测细胞自主性和非细胞自主性蛋白质稳态
注意:为了监测特定组织中的蛋白质稳态能力,应使用组织特异性的蛋白质稳态传感器(例如在肠道中表达 Q44 或在肌肉中表达 Q35 的品系——参见表 3)以及应激报告基因(例如热诱导的hsp-70p::mCherry报告系统;表 3)。
3. 组织特异性候选RNAi筛选调控细胞非自主蛋白质稳态的因子
注意:在组织特异性RNAi筛选中,我们使用了菌株PVH172,该菌株可通过喂食RNAi细菌实现肠道特异性RNAi;同时使用了菌株PVH171,该菌株可实现肌肉特异性RNAi(基因型见表1)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
两种组织特异性RNAi方法:表达发夹结构或组织特异性SID-1互补
表达组织特异性的发夹RNAi构建体可实现基因在整个发育过程中的持续敲低。然而,当目标基因本身对特定组织的器官发生至关重要时,这种方法可能不切实际,例如elt-2基因,其对肠道发育必不可少26。在RNAi抗性的sid-1突变体中实现组织特异性SID-1表达具有独特优势,即可以在发育的后期阶段精确控制组织特异性基因的敲低时间。在这两种情况下(无论是表达发夹构建体还是组织特异性SID-1互补),都需要验证组织特异性RNAi的效率,以确认仅有目标组织受到RNAi影响。这一验证可通过在不同组织中共同表达荧光标记蛋白(如与RFP融合的HSP-90(HSP-90::RFP))来实现。
我们将单独的 sid-1(pk3321) 突变体,或在神经元、肠道或体壁肌中表达 SID-1 的 sid-1 突变体,与在神经元(图 2A
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本文所述方法展示了如何使用工具以组成型和时间特异性的方式实现对特定组织中 PN 组分的敲低。我们此前已鉴定出 TCS,这是一种由特定组织中 Hsp90 表达水平改变所诱导的细胞非自主性应激反应机制10。通过表达发夹 RNAi 在特定组织中敲低 hsp-90,可导致远端组织中保护性分子伴侣 hsp-70 的表达发生细胞非自主性上调,从而增强整个生物体的应激抗性10。然而,我们尚不清楚在感知应激或响应应激的组织中,哪些信号组分被激活以启动这一保护性反应。为了鉴定介导该过程的信号组分,组织特异性的反向遗传学筛选是重要的首选方法之一。
尽管通过表达发夹结构实现组织特异性基因敲低是有效的,但在需要检测大量基因时,这种方法存在缺点。利用RNAi抗性的sid-1突变体,并通过在肠道、神经元或肌肉中表达SID-1进行回补,可实现通过喂食RNAi进行组织特异性的基因敲低,因此该系统适用于组织特异性的遗传筛选。本文中我们描述了一个针对58个候选基因的小规...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢理查德·I·莫里莫托博士(Dr. Richard I. Morimoto)提供AM722菌株。本研究中使用的一些 C. elegans 菌株由线虫遗传学中心(Caenorhabditis Genetics Center)提供,该中心由美国国立卫生研究院研究基础设施项目办公室(NIH Office of Research Infrastructure Programs,P40 OD010440)资助。P.v.O.-H. 的研究得到了NC3Rs基金(NC/P001203/1)以及惠康信托种子奖(Wellcome Trust Seed Award,200698/Z/16/Z)的资助。J.M. 受到英国医学研究理事会DiMeN博士培训合作项目(MRC DiMeN doctoral training partnership,MR/N013840/1)的支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氨苄青霉素 | 默克 | A0166-5G | 第3.1节 实验方案 |
| DNA 纯化 & 浓缩仪-500 | Zymo Research | D4031 | 第2.2节 实验方案 |
| IPTG 异丙基-β-D-硫代半乳糖苷β-D-硫代半乳糖苷 | 默克 | 367-93-1 | 第3.1节 实验方案 |
| Multisite Gateway 克隆试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | 12537100 | 第1.2节 实验方案 |
| SigmaCote | 默克 | SL2-25mL | 第2.3节 实验方案 |
| 四环素 | 默克 | T7660-5G | 第3.1节 实验方案 |
| Zero Blunt TOPO PCR克隆试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | K280002 | 第1.1节 实验方案 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可