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.2014年6月5日;14(6):781-95.
doi:10.1016/j.stem.2014.03.004。 Epub 2014年4月3日。

通过突变SOD1的基因校正确定人类ALS运动神经元中的通路被破坏

附属公司

通过突变SOD1的基因校正确定人类ALS运动神经元中的通路被破坏

埃文格洛斯·基斯基尼斯等。 细胞干细胞. .

摘要

虽然已知多种基因中的许多不同突变会导致肌萎缩性侧索硬化症(ALS),但它们如何选择性地影响运动神经元生物学,以及它们是否汇聚在共同的通路上导致神经元变性,目前尚不清楚。在这里,我们将重编程和干细胞分化方法与基因组工程和RNA测序相结合,以确定突变SOD1在人类运动神经元中诱导的转录和功能变化。突变SOD1蛋白诱导了一种转录信号,表明氧化应激增加、线粒体功能降低、亚细胞转运改变以及内质网应激和未折叠蛋白反应途径的激活。功能研究表明,这些途径受到干扰的方式取决于SOD1突变。最后,对C9orf72重复扩增的ALS患者产生的干细胞源性运动神经元的询问表明,这些变化中至少有一部分在ALS中更为广泛地保守。

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数字

图1
图1。iPSC衍生的运动神经元SOD1标准+/A4V型ALS患者表现出与健康对照组相比的生存率和形态计量学差异
(A)实验大纲:对患者成纤维细胞进行重新编程以生成iPSCs,将其分化为MN并评估ALS相关表型。(B类)分化后3天和30天对照组和对照组的神经胶质单层培养SOD1标准+/A4V型iPSC。ISL和TUJ1共染的MN用白色箭头表示(比例尺=50μm)。(C类)ISL阳性MN的定量(n=3,m>8000,+/-SEM,P<0.05),以及()培养30天后,ISL阴性神经元(n=3,m>25000,+/-SEM,P<0.05)。(E类)培养30天后BrdU阴性的MN数量的量化(n=1,m>3600,+/-SD,P<0.05)。不同的运动神经发生不能解释SOD1标准+/A4V型案例。(如果)培养21天后无胶质细胞的神经元培养物TUNEL阳性细胞核的定量(n=2,m>13000,+/-SD,P<0.05)。(G公司)对照组和对照组测量的躯体大小(白斑周长)的代表性图像SOD1标准+/A4V型MN,(比例尺=20μm)。(H(H))ISL阳性MN胞体大小的量化,与对照组标准化值(n=3,m=340,+/-SEM,P<0.01)。()培养3、15和30天后,每个细胞系的MN胞体大小恢复到第3天。尽管MN在所有4个细胞系中的大小随着时间的推移而增加,但在SOD1标准+/A4V型案例。(J型)ISL阴性神经元胞体大小的量化,与对照组标准化值(n=3,m=446,+/-SEM,P:n.s.)。(K(K))培养30天后MN胞体大小的累积频率图。虚线表示控制和疾病的平均值。n.s:不显著;n=实验,m=细胞数。
图2
图2。遗传校正SOD1A4V型突变等位基因拯救运动神经元存活和体细胞大小缺陷
(A)用于产生等基因39b的基因打靶策略-SOD1标准+/+iPSC线路。靶向SOD1标准轨迹在上游造成双链断裂外显子1; 基因组位点与靶向质粒的同源重组外显子1耦合至PGK|嘌呤霉素替换了SOD1A4V型突变等位基因;抗生素筛选后,通过Flp介导的重组去除耐药盒,只留下一个FRT公司足迹。;ZFN:锌指核酸酶,FRT:Flippase识别靶点。(B类)序列色谱图外显子第1页,共页SOD1标准在靶向前后iPSC株系39b中,证明了A4V突变的纠正。(C类)磅/平方英寸放大的AI限制性消化SOD1标准基因打靶前后的cDNA。突变产生一个PshAI公司更正行中不存在的限制站点。()基因组qPCRSOD1标准表明在校正的系中没有多余的基因拷贝(E类)cDNA的qRT-PCR显示SOD1标准在校正后的线中是相同的(n=3,+/-SEM)。(如果)通过western blot(WB)分析评估父母(39b)的SOD1蛋白水平-SOD1标准+/A4V型),靶向半合子敲除(39b-SOD1标准+/-)并修正(39b-SOD1标准+/+)iPSC克隆。(G公司)同基因39b-SOD1标准+/+MNs表现出细胞存活率增加(n=6,m>13000,+/-SEM,P<0.05)和(H(H))胞体大小(n=3,m=280,+/-SEM,P<0.01)。()第12天神经元培养中洗涤剂可溶(RIPA)和洗涤剂不溶(UREA)组分中SOD1蛋白的WB分析。正常情况下未检测到不溶性SOD1。经MG132处理抑制蛋白酶体后,不溶性SOD1仅在SOD1标准+/A4V型MN,不在修正行中。
图3
图3。39b的转录分析-SOD1标准+/A4V型通过RNA-Seq和等基因控制运动神经元揭示基因型调控变化
(A)实验大纲:SOD1标准+/A4V型和等基因对照MN培养物与原代胶质细胞共培养,用血红蛋白9在第15天纯化RFP慢病毒和FACS,用于RNA分离和测序。(B类)根据RNA测序测量的转录变化,树突状图显示出清晰的基因型聚类。(C类)基因总数和前30个基因(基于折叠变化)在SOD1标准+/A4V型FDR为5%的跨国公司。()独立样本中错误调控基因的qRT-PCR验证(n=3,+/-SEM)。
图4
图4。SOD1标准+/A4V型运动神经元表现出线粒体缺陷,这些缺陷是通过基因纠正SOD1标准A4V突变
(A)实验大纲:SOD1标准+/A4V型和等基因对照MN培养物以低密度电镀,用血红蛋白9在第5天检测到RFP慢病毒,并在第23-26天进行分析。(B类)电子显微镜分析表明,与对照神经元(顶部面板)相比,SOD1标准+/A4V型神经元(中间板)经常表现为突起肿胀、形态紊乱和聚集。基因矫正神经元中的线粒体(下图)表现出正常的形态学特征。显示了3个独立实验中的代表性图像。(C类)线粒体蛋白质WB分析。()活细胞成像后MNs线粒体线粒体线粒体线粒体MitoTracker染色的典型波形图。显示了相对于细胞体的远侧和近侧方向。SOD1标准+/A4V型与对照组相比,MNs表现出线粒体运输缺陷(E类)较少的活动线粒体(如果)线粒体相对于轴突长度和(G公司)固定线粒体之间的距离较短(n=4,+/-SEM,P<0.05)。
图5
图5。SOD1标准+/A4V型运动神经元表现出未折叠蛋白反应的特征,并且选择性地易受内质网应激诱导
(A)转录变化的基因集富集分析SOD1标准+/A4V型MNs对参与翻译能力的基因表现出强烈的下调(标准化富集分数:-3.31)。水平黑条代表单个基因,并显示了代表性示例。蓝色或红色代表分别在SOD1标准+/A4V型相对于等基因对照MN。在检测到的139个被注释为参与翻译调控的基因中,有130个被下调,这与UPR通路的激活一致。(B类)图示典型未折叠蛋白质反应的图表。(C类)WB分析显示磷酸化EIF2α水平增加,这是UPR通路激活的标志物SOD1标准+/A4V型明尼苏达州文化。显示了每个时间点相对于控制样本的百分比。()SOD1标准+/A4V型MN表现出增加的水平XBP1型剪接是内质网应激的标志。RNA是从纯化的血红蛋白9培养15天后的RFP MNs(n=3,+/-SEM,P<0.05)。U: 未拼接,S:拼接。(E类)用于评估XBP1和ATF4对SOD1标准+/A4V型MN。(如果)显示了未经治疗和治疗的MN培养物的代表性图像。(G公司)SOD1标准+/A4V型MN数量在之后选择性增加XBP1型击倒,而ATF4型击倒显著减少了控制组和SOD1标准+/A4V型例(n=3,m>9800,m>8500,P<0.05),+/-SEM,P<0.05。(H(H))Salubrinal对超氧化物歧化酶1+/A4V型MN公司(n=2,m>10000,+/-SEM,P<0.05)。
图6
图6。人类运动神经元的基础内质网应激水平增加,这取决于其生理活动
(A)已净化血红蛋白9GFP控制MN显示较高水平的拼接XBP1型相对于其他人类细胞类型。人类脊髓RNA也显示出比大脑RNA更高的水平。U:未切割,S:剪接。(B类)相对于成纤维细胞或星形胶质细胞,对照组MN更容易受到急性内质网应激诱导(DTT,2mM)的影响,而(C类)DTT治疗导致MN胞体大小减少(n=2,+/-SD,P<0.05)。()用于基于单元大小隔离MN的实验策略。对照组MN培养物感染了血红蛋白9第5天感染RFP病毒。第15天,对RFP+MN进行FACS纯化并按大小分类,以分离大小细胞。(E类)通过测量MAP2+细胞体,对细胞亚群进行重新镀膜,以确定胞体大小(如果). 基本水平XBP1型从其余纯化的MN中分离出的RNA中进行了剪接评估,结果表明,较大的MN具有较高的剪接XBP1型小于较小的(n=3,+/-SEM,P<0.05)。MN培养物的治疗(G公司)TTX降低,同时(H(H))亚麻酰吡啶和红藻氨酸增加XBP1型分别拼接。使用()沙丁鱼减少,而(J型)DTT增加动作电位放电(n=3,+/-SEM,P<0.05)。(K)ER应力、UPR和MNs的电活动是相关的。
图7
图7。在中检测到转录变化SOD1标准+/A4V型运动神经元在运动神经元中被部分保护C9或72扩张
(A)实验大纲:ALS患者成纤维细胞C9或72重复扩增被重新编程以产生iPSCs,这些iPSCs被分化为MN并与胶质细胞共同培养。第5天,培养物感染了血红蛋白9©RFP慢病毒和第15天,RFP标记的MN被FACS纯化用于RNA分离。(B类)通过重复定时PCR和等位基因测定对样本进行基因分型C9或72患者样本RB8和19显示超过50GGGCC公司重复。(C类)不同于C9或72ALS患者(比例尺=50μm)。()发现在SOD1标准+/A4V型MNs还表现出来自C9或72(n=2行,n=8个重复,+/-SEM,P<0.05)与大量对照样品(n=6行,n=15个重复,+/SEM,P<0.05)相比。

中的注释

  • 急速射击中的急诊室。
    Schwenk BM,Edbauer D。 Schwenk BM等人。 EMBO J.2014年6月2日;33(11):1195-7. doi:10.1002/embj.201488692。Epub 2014年4月30日。 EMBO,2014年。 PMID:24788411 免费PMC文章。

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