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* これらの著者は同等に貢献しました
ここでは、複雑な組織における機能的に関連するカスパーゼを同定、検証、標的化するための詳細な免疫組織化学プロトコルを示します。
カスパーゼのファミリーは、細胞分化、軸索経路探索、増殖など、細胞死以外の多くの細胞経路を媒介することが知られています。細胞死プロテアーゼのファミリーの同定以来、発生、健康、および疾患状態における特定のファミリーメンバーの機能を特定および拡張するためのツールが検索されてきました。しかしながら、広く使用されている現在市販されているカスパーゼツールの多くは、標的カスパーゼに特異的ではない。このレポートでは、新しい阻害剤と免疫組織化学的読み出しによる遺伝的アプローチを使用して、神経系のカスパーゼ-9を同定、検証、および標的にするために使用したアプローチについて説明します。具体的には、網膜神経組織をモデルとして、カスパーゼの存在と機能を特定および検証しました。このアプローチは、細胞型特異的なアポトーシスおよび非アポトーシスカスパーゼ-9機能の調査を可能にし、関心のある他の複雑な組織およびカスパーゼに適用することができます。カスパーゼの機能を理解することは、細胞生物学における現在の知識を広げるのに役立ち、また、カスパーゼが疾患に関与しているため、潜在的な治療標的を特定するのにも有利です。
カスパーゼは、疾患における発生細胞死、免疫応答、および異常な細胞死を調節するプロテアーゼのファミリーです1,2。カスパーゼファミリーのメンバーがさまざまな神経変性疾患に誘導されることはよく知られていますが、どのカスパーゼが疾患の病理を引き起こすかを理解することはより困難です3。このような研究には、個々のカスパーゼファミリーメンバーの機能を特定、特徴付け、および検証するためのツールが必要です。文献にはカスパーゼの多様な役割の証拠を提供する複数の研究があるため、関連する個々のカスパーゼを解析することは、機構と治療の両方の観点から重要です4,5。したがって、治療上の利益のために疾患のカスパーゼを標的にすることが目標である場合、関連する家族を特異的に標的とすることが重要です。組織内のカスパーゼレベルを検出する従来の技術には、ウェスタンブロッティング、酵素および蛍光測定アプローチが含まれます3,6。ただし、これらの測定値ではカスパーゼレベルの細胞特異的検出はできず、一部のシナリオでは、切断されたカスパーゼは従来のタンパク質分析測定では検出できないことがよくあります。カスパーゼは同じ組織内で異なるアポトーシスと非アポトーシスの役割を果たすことが知られている7ため、発生経路と疾患経路を正確に理解するには、細胞特異的なカスパーゼレベルの慎重な特性評価が必要です。
この研究は、神経血管低酸素虚血-網膜静脈閉塞(RVO)のモデルにおけるカスパーゼの活性化と機能を示しています7,8。網膜などの複雑な組織では、グリア細胞、ニューロン、血管系など、RVOで誘導される低酸素虚血の影響を受ける可能性のある複数の細胞型があります7。成体マウス網膜では、免疫組織化学(IHC)7によって測定されるように、健康な組織に明らかなカスパーゼの発現はほとんどありませんが、発生中9または網膜疾患のモデルではそうではありません10,11。IHCは、生物医学研究で確立された技術であり、疾患および病理学的標的の検証、空間的局在化による新しい役割の特定、およびタンパク質の定量を可能にしました。切断されたカスパーゼ産物がウェスタンブロットまたは蛍光分析によって検出できない場合、または明確なカスパーゼの特定の細胞位置または局在化によるカスパーゼシグナル伝達経路の調査では、IHCを使用する必要があります。
RVOに機能的に関連するカスパーゼを決定するために、IHCをカスパーゼおよび細胞マーカーの検証済み抗体とともに使用しました。研究室で実施された以前の研究では、カスパーゼ-9が虚血性脳卒中のモデルで急速に活性化され、神経機能障害と死から保護された高度に特異的な阻害剤によるカスパーゼ-9の阻害が示されました12。網膜は中枢神経系(CNS)の一部であるため、神経血管損傷におけるカスパーゼ-9の役割を照会し、さらに調査するためのモデルシステムとして機能します13。この目的のために、RVOのマウスモデルを使用して、カスパーゼ-9の細胞特異的な位置と分布、および神経血管損傷におけるその意味を研究しました。RVOは、血管損傷に起因する働く高齢者の失明の一般的な原因です14。カスパーゼ-9は内皮細胞では非アポトーシス的に発現するが、ニューロンでは発現しないことがわかった。
組織として、網膜は、血管網の鑑賞を可能にするフラットマウント、またはニューロン網膜層を強調する断面として視覚化されるという利点があります。断面におけるカスパーゼタンパク質発現の定量化は、網膜におけるカスパーゼの局在を特定することにより、網膜ニューロンの接続性と視覚機能においてどのカスパーゼが潜在的に重要であるかに関するコンテキストを提供します。同定および検証の後、目的のカスパーゼのターゲティングは、同定されたカスパーゼの誘導性細胞特異的欠失を用いて達成される。潜在的な治療上の問い合わせのために、関心のあるカスパーゼの関連性を、活性化されたカスパーゼを阻害するための特定のツールを使用してテストしました。カスパーゼ-9細胞パーサルインした高選択的阻害剤7,15については、Pen1-XBIR3を用いた。本報告では、生後2ヶ月の雄C57BL/6J株およびタモキシフェン誘導性内皮カスパーゼ-9ノックアウト(iEC Casp9KO)株を使用し、C57BL/6Jをバックグラウンドとした。これらの動物をRVOのマウスモデルに曝露し、C57BL/6Jをカスパーゼ-9選択的阻害剤Pen1-XBir3で治療した。記載された方法論は、中枢系および末梢系における疾患の他のモデルに適用することができる7、15。
このプロトコルは、眼科および視覚研究における動物の使用に関する視覚眼科研究協会(ARVO)の声明に従います。げっ歯類の実験は、コロンビア大学の施設動物管理使用委員会(IACUC)によって承認および監視されました。
1.網膜組織の調製と凍結切片
2. 免疫組織化学
注:細胞形態を維持するために、免疫組織化学に固定凍結保存された組織を使用してください。 in vivo7で取得した光干渉断層撮影(OCT)画像のレベルにある切片を選択します。クライオスタットから採取した最初の2つの一連のスライド、または150μmの切片を網膜組織に使用します。
3. 共焦点イメージング
4.カスパーゼレベルの定量化
5.内皮細胞カスパーゼ-9の関連性の遺伝的確認
6. RVOにおけるカスパーゼ-9の標的化
記載されたプロトコルは、ユーザが網膜組織におけるカスパーゼ−9レベルを分析および定量化することを可能にする。さらに、カスパーゼ-9および下流の基質をさらに同定、検証、および特異的に標的とするためのツールを提示します。要約されたステップにより、蛍光顕微鏡写真におけるカスパーゼレベルと細胞特異性の定量化可能な分析が可能になります。すべての図は、代表的な顕微鏡写真と、損傷していない1日P-RVO網膜断面の全網膜、内皮細胞、およびニューロンにおける示されたカスパーゼレベルの定量を示しています。網膜断面は、ヘキストで染色した場合、網膜神経節層(RGL)、内顆粒層(INL)、および外顆粒層(ONL)の網膜核の視覚化を可能にします。さらに、網膜血管は、網膜網状層またはRGLとINLの間、およびINLとONLの間に見える。血管の組織学的性質のために、網膜が切片化されると、血管は切断されて分離しているように見え、網状層を供給します。 図2 は、カスパーゼ-9を高度に調節された1日P-RVOとして識別しています。 図3 は、誘導性内皮細胞ノックアウトマウスを用いて内皮カスパーゼ−9の機能的関連性を検証した。 図4 は、活性型カスパーゼ−9を標的とすることが、カスパーゼ−9−カスパーゼ−7の下流標的の誘導を薬理学的に遮断することを示す。このプロトコルは、カスパーゼの細胞局在およびカスパーゼが発現するニューロン網膜層を識別する。
図1:網膜イメージングスキーム 。 (A)顕微鏡スライドへの網膜切片の推奨配置。(B)網膜の画像領域の概要。(C)20倍対物レンズでの網膜視野の表現。網膜層:RGL =網膜神経節層、INL =内顆粒層、ONL =外顆粒層。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:RVOは内皮細胞およびニューロンにおいてカスパーゼ-9を誘導する。 (A)cl-カスパーゼ-9 1:800(緑)、イソレクチン1:200(赤)、およびDAPI(白)で染色された無傷および1日P-RVOの代表的な網膜断面。(B)cl-カスパーゼ-9によるニューロン数の定量(抗体の詳細については 、材料の表 を参照)。(C)cl-カスパーゼ-9による内皮細胞数の定量。(D)cl-カスパーゼ-9を発現する細胞の総数。無傷、n = 6;1日P-RVO、n = 5。エラーバーはSEM±平均値を表します。一方向分散分析、フィッシャーのLSDテスト。スケールバー = 50 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:内皮カスパーゼ-9の内皮細胞欠失は、カスパーゼ-7のRVO誘導をブロックします。 (A)カスパーゼ-7(緑)、cl-カスパーゼ-9(青)、CD31、血管マーカー(赤)、およびDAPI(白)で染色したiEC Casp9WTおよびiEC Casp9KO同腹仔マウスの代表的な網膜断面。(B)cl-カスパーゼ-9およびカスパーゼ-7による網膜内膜の細胞数の定量化。(C)cl-カスパーゼ-9およびカスパーゼ-7による内皮細胞の数の定量。(d)cl-カスパーゼ-9またはカスパーゼ-7を発現する細胞の総数。iEC Casp9WT, n = 6-12;iEC Casp9KO, n = 3-8.エラーバーはSEM±平均値を表します。一方向分散分析、フィッシャーのLSDテスト。スケールバー = 50 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:カスパーゼ-9活性の阻害は、カスパーゼ-7発現P-RVOを阻害する。 (A)カスパーゼ-7(緑)、イソレクチン(赤)、およびDAPI(白)で染色されたPen1-XBIR3で治療または未治療の無傷および1日P-RVOからの代表的な網膜断面。(B)カスパーゼ-7による内皮細胞数の定量。(C)カスパーゼ-7による白血球数の定量。(D)カスパーゼ-7によるニューロン層あたりのニューロン数の定量化。(e)カスパーゼ7を発現する細胞の総数。無傷のPen1生理食塩水、n = 6;無傷のペン1-XBIR3、n = 5;1日P-RVOペン1生理食塩水、n = 5;1 日 P-RVO ペン1-XBIR3, n = 3.エラーバーはSEM±平均値を表します。一方向分散分析、フィッシャーのLSDテスト。略語:RGL =網膜神経節層、INL =内顆粒層、およびONL =外顆粒層。スケールバー = 50 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
カスパーゼは、細胞死と炎症における役割について最もよく研究されているプロテアーゼの多員ファミリーです。しかし、最近では、一部の家族についてさまざまな非死亡機能が発見されています4,5。カスパーゼ機能に関する私たちの理解の多くは、細胞培養の研究とヒトの病気からの推論データに由来しています。疾患においてカスパーゼの異常な誘導、活性化、または不活性化があることは認識されているが、カスパーゼが疾患の病状を引き起こしているかどうかを機能的に決定することは困難であった。特定のカスパーゼを評価するために使用される多くのツールは、複数のファミリーメンバーを検出し、これらの試薬で得られたデータの機能的関連性を損なう17。ここでは、網膜を例に、複雑な組織のカスパーゼを研究するためのプロトコルを提供します。神経系では、カスパーゼ発現は出生前と出生後にダウンレギュレーションされます。これにより、疾患モデルにおけるカスパーゼレベルの変化をテストするための特異的抗体の使用が可能になります。
プロトコルの焦点は画像処理と分析にありますが、この技術の成功は、データの一貫性、妥当性、信頼性を確保するためのIHCと顕微鏡イメージングだけでなく、慎重な組織調製にも依存しています。データセット全体を画像化するために同じパラメータを使用するように注意する必要があります。低品質の画像、低コントラスト、ぼやけた焦点は、信頼できるデータを提供しません。網膜のP-RVO領域を切片化してイメージングする場合、これらの領域はアーチファクトを引き起こす可能性があるため、裂け目や折り畳みを避ける必要があります。直接的な損傷のある領域も避ける必要があります。イメージングを行う研究者は、組織の治療を盲検化する必要があります。分析のために、治療群を知らされていない2人の独立した観察者が分析を実行することをお勧めします。さらに、一次マウス抗体は血管系に非特異的に結合するため、マウス損傷モデルでは一次マウス抗体を使用しないでください。別の方法は、直接結合した一次抗体を使用することです。
細胞計数に対する別のアプローチは、発現面積の百分率の定量化である。これは、細胞計数が不可能な場合(例えば、カスパーゼ発現がニューロン突起または光受容体セグメントに局在している場合)に使用することができる。中枢網膜および末梢網膜は、さまざまな損傷モデルで異なる影響を受けます。この方法は、異なる網膜領域を特異的に分析するように適合させることができる。BRVOを実行する場合は、目の負傷した部分からセクションを選択する必要があります。このプロトコルは、カスパーゼが発現している場所を特定するために、さまざまな細胞マーカーの染色も提供します。
この方法の制限には、所与の細胞における高レベルのカスパーゼシグナルと低レベルのカスパーゼシグナルを区別しないことが含まれる。さらに、核染色を使用してニューロン層を特定することは便利ですが、ニューロンの発現を明確に示すものではありません(グリアと白血球もこれらの層に存在します)。追加のニューロンマーカーを使用して、ニューロン発現を検証することができます。カスパーゼ発現を評価するために利用できるさまざまな抗体もあります。これらは、全長/切断(CL)カスパーゼ-9、自己切断カスパーゼ-9、およびカスパーゼ-3切断カスパーゼ-9の抗体が存在するヒトカスパーゼ-9に対して最もよく定義されています。
IHCシグナルの平均強度は、定量化方法として頻繁に報告されています。ただし、バックグラウンドノイズや赤血球からの自己蛍光は、不正確な結果をもたらす可能性があります。細胞特異的定量により、バックグラウンド、非特異的染色、および自家蛍光の決定と識別が可能になります。
このプロトコルは、個々のカスパーゼの発現における組織全体の変化、内皮細胞などの特定の細胞型における発現の変化、および異なる網膜層のニューロンなどの特定の位置における特定の細胞型の変化を測定するために使用することができる。この柔軟性により、実験者は、疾患状態が個々のカスパーゼレベルをどのように変化させているかを照会することができます。既存/代替法では、カスパーゼシグナル伝達の半定量的比較にウェスタンブロッティング分析を使用しますが、この方法では、このプロトコルが達成する細胞局在の明確な分離は提供されません。特に、 図3Dにおいて、カスパーゼ-9阻害は、RGLと比較して、INLおよびONLにおけるニューロンカスパーゼ-9を減少させるのにより効果的である。この種の解決は、他の方法で達成することは困難です。さらに、組織全体を生化学的に分析する場合、複雑な組織にはさまざまな細胞タイプがあるため、変化するカスパーゼのレベルが低すぎて検出できない場合があります。
ユーザーが検証しなければならない抗体は、プローブされたカスパーゼに特異性を提供します。カスパーゼはカスケードで作用する可能性があります(すなわち、エフェクターを活性化し、その後、死、炎症、細胞シグナル伝達などの結果につながります)。このプロトコルは、損傷後のさまざまな時点で収集されたサンプルで使用できます。ここに示す例では、サンプルは RVO 後の異なるタイミングで収集されます。以前に発表された研究では、カスパーゼ-9がRVO7後1時間以内に増加したことがわかっており、さらなる検証と標的化研究につながります。内皮カスパーゼ-9をRVO病態の潜在的なドライバーとして特定した後、内皮カスパーゼ-9を検証するために誘導可能な内皮細胞カスパーゼ-9KOを有するマウスを使用した。誘導性細胞特異的カスパーゼKOマウスの使用は、別のレベルの特異性を提供し、構成的カスパーゼ-9KO18で見られる発生死を回避する。また、構成的カスパーゼKOマウス19において起こることが示されている他の家族メンバーにおける代償的変化を回避する。さらに、KOマウスの細胞特異的誘導性カスパーゼを用いることにより、カスパーゼが組織内の病態を調節している細胞型の同定が可能になる。このプロトコルは、RVOの活性カスパーゼ-9を標的とする治療アプローチの有効性を調べる手順も提供します。このアプローチは、脳を含む他の組織にも適用できます。
著者らは、以下の競合する利益を宣言します:CMTは、以下の特許出願US20200164026、US20190142915、およびUS20150165061を持っています。CMTとS.S.は米国20140024597特許出願を行っています。C.M.T.、A.M.P.、およびM.I.A.は特許出願US2020058683を持っています。CMTとY.Y.J.は特許出願WO2018013519を持っています。M.I.AとC.M.Tは、ニューヨーク市のコロンビア大学の評議員会による特許出願WO/2020/223212に発明者としてリストされています。残りの著者は、競合する利益を宣言しません。
この研究は、国立科学財団大学院研究フェローシッププログラム(NSF-GRFP)助成金DGE-1644869および国立衛生研究所(NIH)の国立神経障害および脳卒中研究所(NINDS)、賞番号F99NS124180 NIH NINDSダイバーシティスペシャライズドF99(CKCOへ)、国立眼科研究所(NEI)5T32EY013933(AMPへ)、国立神経障害および脳卒中研究所(RO1 NS081333、 R03 NS099920からCMT)、および国防総省の陸軍/空軍(DURIPからCMT)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
anti-Caspase-7 488 | Novus Biologicals | NB-56529AF488 | use at 1:150 |
anti-cl-Caspase-9 | Cell Signaling | 9505-S | use at 1:800 |
anti-CD31 | BD Pharmingen | 553370 | use at 1:50 |
Confocal Spinning Disc Microscope | Biovision | ||
FIJI 2.3.0 | open source | ||
Fluormount G | Fisher | 50-187-88 | |
Forcep | Roboz | RS-5015 | |
iCasp9FL/FL X VECad-CreERT2 mice | lab generated | see Avrutsky 2020 | |
Isolectin (594, 649) | Vector | DL-1207 | use at 1:200 |
Ketamine Hydrochloride | Henry Schein | NDC: 11695-0702-1 | |
Perfusion pump | Masterflex | ||
Pen1-XBir3 | lab generated | see Avrutsky 2020 | |
Prism 9.1 | GraphPad | ||
Tissue-Tek O.C.T. | Fisher | 14-373-65 | |
Vis-a-View 4.0 | Visitron Systems | ||
Xylazine | Akorn | NDCL 59399-110-20 |
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