The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
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1Department of Pathology, New York University Langone School of Medicine, 2Program in Molecular Pathogenesis, Marty and Helen Kimmel Center for Biology and Medicine and Skirball Institute for Biomolecular Medicine, 3Laboratory of Molecular Immunogenetics, National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, National Institutes of Health, 4Veteran Affairs New York Harbor Healthcare System
Prins, K. C., Vasiliver-Shamis, G., Cammer, M., Depoil, D., Dustin, M. L., Hioe, C. E. Imaging of HIV-1 Envelope-induced Virological Synapse and Signaling on Synthetic Lipid Bilayers. J. Vis. Exp. (61), e3757, doi:10.3791/3757 (2012).
Humaine de type virus de l'immunodéficience 1 (VIH-1) infection survient le plus efficacement par l'intermédiaire de cellules à 2,10,11 transmission de cellules. Cette cellule à cellule de transfert entre cellules CD4 + T comprend la formation d'une synapse virologique (VS), qui est un F-actine cellulaire dépendante des cellules jonction formée lors de l'engagement du VIH-1 enveloppe gp120 de la cellule infectée avec CD4 et le récepteur de chimiokine (CKR) CCR5 ou CXCR4 sur la cellule cible 8. En plus de la gp120 et ses récepteurs, des protéines membranaires autres, en particulier la molécule d'adhésion LFA-1 et ses ligands, la famille ICAM, jouent un rôle dans la formation et la transmission du virus SV qu'ils sont présents sur la surface des cellules infectées par un virus donneurs des cellules cibles et, ainsi que sur l'enveloppe de VIH-1 virions 1,4,5,6,7,13. La formation VS s'accompagne aussi d'événements de signalisation intracellulaire qui sont transduits à la suite de la gp120-engrènement de ses récepteurs. En effet, nous avons récemment montré que les CD4 <sup> + d'interaction des cellules T avec la gp120 induit le recrutement et la phosphorylation de molécules de signalisation associées à la signalosome TCR, y compris Lck, CD3ζ, ZAP70, LAT, SLP-76, ITK, et PLCγ 15.
Dans cet article, nous présentons une méthode pour visualiser arrangement supramoléculaire et les événements de signalisation membrane proximal qui se déroulent lors de la formation VS. Nous profitons du verre soutenu par plane bi-couche du système comme un modèle réductionniste pour représenter la surface de cellules infectées portant l'enveloppe virale gp120 et la molécule d'adhésion cellulaire ICAM-1. Le protocole décrit les procédures générales pour la surveillance du VIH-1 gp120 induit VS assemblage et les événements d'activation de signaux qui incluent i) bi-couche de préparation et d'assemblage dans une cellule d'écoulement, ii) l'injection de cellules et immunofluorescence pour détecter des molécules de signalisation intracellulaires sur cellules en interaction par le VIH-1 gp120 d'acquisition d'image et ICAM-1 sur bi-couches, iii) par microscopie TIRF, unee iv) l'analyse des données. Ce système génère des images à haute résolution de l'interface VS-delà de celle obtenue avec le classique système de cellule-cellule, car elle permet la détection de groupes distincts de chaque composants moléculaires de VS long avec des molécules de signalisation spécifiques recrutés pour ces sous-domaines.
1. Étiquetage GP120
Les colorants fluorescents utilisés dans ce protocole sont efficaces pour se lier aux protéines, sont suffisamment photo-stable pour l'imagerie microscopique, et correspondent aux longueurs d'onde d'excitation des lasers disponibles avec notre microscope. Ces trois critères doivent être respectés lors de la sélection des molécules fluorescentes pour marquage des protéines.
2. Assemblée cellule d'écoulement et de préparation bicouche
La procédure générale pour cellule d'écoulement et la préparation bicouche a été décrite en détail précédemment 14. Nous exposons ici spécifiquement le protocole pour préparer bicouches contenant Son 6-étiquetés gp120 DH12 sur une cellule d'écoulement Bioptech. Pour les études impliquant des virus infectieux ou des cellules infectées et quand de petits volumes sont nécessaires en raison de réactifs limitées, une chambre de débit jetable ibidi (Diapositive collant I 0,2 Luer) peuvent être utilisés et suivis avec la procédure de préparation bi-couche même dans les étapes 2.4-2.9. Information pour les chambres d'écoulement ibidi peuvent être obtenus auprès du site de l'entreprise, http://www.ibidi.com/service/display_material/CA_8p_EN_150dpi.pdf
3. Contrôle de la qualité de bicouches par FRAP
Protéines dans les bicouches doivent être latéralement diffusible. Avant d'ajouter des cellules sur des bicouches, il est important d'assurer lala mobilité des protéines dans la bicouche préparée. Nous décrivons ici une récupération fluorescent Après photoblanchiment (FRAP) la méthode 3 qui peuvent être effectués manuellement sur la plus objective illuminée FRBR, épifluorescence large champ, ou à balayage laser microscopes confocaux. L'objectif est de champs d'image totalement uniformes de la fluorescence dans la bicouche lipidique, l'eau de Javel une place, et de surveiller le retour des molécules inassouvis de la zone blanchie. Une reprise de 50% en 2 minutes peut être acceptable. Tous les principaux fabricants de microscopes (Leica, Nikon, Olympus, Zeiss) de vendre des systèmes objectifs TIRF illuminés qui fonctionnent bien pour cette application. Bien que chaque société fournit des variations d'éclairage TIRF et d'autres aspects opérationnels, la qualité d'image est essentiellement le même.
Remarque: Dans notre microscope actuelle, nous pouvons livrer 0,9 mW de 641 nm à la lumière une tache circulaire d'une superficie de 240 um 2, qui blanchit ICAM fluorescente à des concentrations typiques en moins de 4 secondes. Les lecteurs doivent trouver que l'alignement critique d'une Hg ou Xe lampe avec blanchiment fois moins de 30 secondes est plus que suffisant pour effectuer ce test de manière reproductible. Nous aimerions également vous référer à la référence 3 pour plus de detmaux.
4. L'injection de cellules et immunofluorescence
5. L'acquisition des images par microscopie TIRF
Microscopie TIRF permet d'excitation de signaux fluorescents limitées à une 250 nm ou plus mince planes au niveau du substrat en verre et l'interface cellulaire. Ce qui garantit l'acquisition d'images de signaux uniquement à partir de la bicouche lipidique et des membranes cellulaires immédiatement apposées. Par conséquent, seules les molécules à la synapse sont imagés. Parce que les images TIRF que la zone de membrane proximale à la partie inférieure de la cellule, les protéines qui sont internalisées ou redistribuées dans la membrane dorsale ne seront pas détectées. Il peut alors être important de en outre acquérir des images grand champ par la norme ou la microscopie confocale pour déterminer l'accumulation ou la distribution des protéines à la zone synaptique par rapport aux autres volumes de la cellule.
Tous les principaux fabricants de microscopes (Leica, Nikon, Olympus, Zeiss) de vendre des systèmes objectifs TIRF illuminés qui fonctionnent bien pour ce point d'accèscation. Bien que chaque société fournit des variations d'éclairage TIRF et d'autres aspects opérationnels, la qualité d'image est essentiellement le même. Chaque microscope TIRF a ses propres détails pour le fonctionnement, mais les règles générales suivantes s'appliquent pour obtenir des images haute résolution.
6. Analyse des données
Pour étudier les signaux intracellulaires activées à la suite de l'interaction CD4 + lymphocytes T avec la gp120 à la VS, des analyses quantitatives des images TIRF sont effectués pour déterminer si oui ou non molécules de signalisation intracellulaires tels que Lck et Fyn sont activés et recrutés pour la synapse 15. Nous décrivons ici une méthode simple applicable à la plupart des analyses d'imagedes packages d'applications telles que ImageJ et Metamorph. Nous avons utilisé ImageJ, qui fonctionne sur Windows, Macintosh, et Linux, pour notre méthode ici 12.
Dans le Analyser Set Mesures> onglet, cocher les cases pour la zone et la valeur moyenne de gris. Lorsque vous effectuez une région d'intérêt sur l'image qui est un polygone à main levée ou d'un tracé de forme fermée et ne Analyser> Mesure, le logiciel va mettre les données de cette mesure dans un tableau de résultats. La zone sera en nombre de pixels ou en 2 microns. La moyenne est de l'intensité moyenne en unités arbitraires. Il doit avoir une intensité de fond soustrait. Multipliant le fond moyenne moins par zone renvoie l'intensité intégrée de la protéine en unités arbitraires.
7. Les résultats représentatifs
Pour mesurer l'activation et le recrutement des premiers membrane proximal molécules de signalisation LCK et Fyn comme un résultat de l'interaction avec la gp120 à la VS, primaires CD4 + humains cellules T ont été introduits dans les bicouches portant gp120 et ICAM-1 15. Les cellules introduites à bicouches avec seulement ICAM-1 a servi de témoin pour définir les niveaux de base de la signalisation. Spespécifique intensité de fluorescence est mesurée dans la zone de contact pour la gp120 cellules sur la gp120 et ICAM-1 bicouches contenant et dans la zone de contact pour l'ensemble des cellules qui interagissent avec l'ICAM-1 bicouche. Une augmentation de l'intensité de fluorescence moyenne est un signe de augmentée recrutement et l'activation de la molécule de signalisation de la VS. Ce sera également démontrée par une augmentation comparable de l'intensité de fluorescence intégré. Si toutefois, il n'ya pas de changement dans l'intensité de fluorescence intégré, ce qui indique une redistribution de la molécule de signalisation.
Après que les cellules contenant des bicouches interagi avec la gp120 et ICAM-1, le total des Lck et pLck (Y394) ont été recrutés à l'interface VS et colocalisés avec la gp120 (fig. 1 & 2). L'intensité moyenne du total des Lck (Fig. 1) était plus élevée sur la bicouche contenant à la fois la gp120 et ICAM-1 qu'avec ICAM-1 seul, mais les niveaux d'intensité intégrés (Fig. 1) étaient similaires, ce qui suggère que Lck est redistribué dansun cluster central sur cellules T CD4 + se liant à gp120. Cependant, la quantification des pLck (Y394) (Fig. 2) montre que l'intensité moyenne sur la gp120 et ICAM-1 bicouches contenant était plus élevé que celui d'ICAM-1 bicouches seuls, et l'intensité intégrée était plus élevée sur les bicouches avec deux gp120 et ICAM -1 que sur ICAM-1 bicouches seuls. Cela indique que même si les niveaux du total LCK à l'interface sont similaires dans les cellules adhérant à la gp120 et ICAM-1 et ICAM-1 bicouches seuls, gp120 phosphorylation de liaison accrue des résidus Y394 à la boucle d'activation Lck. En revanche, Fionie n'a pas été recruté au VS (Fig. 3), comme plus Fionie était présent dans la zone de contact des cellules sur ICAM-1 bicouches seuls que sur bicouches contenant à la fois la gp120 et ICAM-1. Par conséquent, nous concluons que Lck, Fyn pas, est la kinase active à la gp120 du VIH-1 induite par VS.
Les chiffres: Membrane-proximale de signalisation à VIH-1 gp120 induit VS. Images de cellules représentatives sur legp120 + ICAM-1 bicouche (panneaux supérieurs) et d'ICAM-1 bicouche (panneaux inférieurs) sont présentés. Intensités de fluorescence des cellules individuelles ont été quantifiés dans les zones tracées manuellement des empreintes de cellules comme illustré par la région marquée avec la ligne jaune dans la figure 1. Quantification des intensités moyennes et intégrée détectée par microscopie TIRF sont présentés dans le graphique de gauche et de droite, respectivement. Un total de 30 à 350 cellules ont été quantifiés pour chaque condition. Bars = 5 um. Les données de l'une des trois expériences répétées sont présentés.

CD4 Figure 1. + De lymphocytes T ont été introduits dans les bicouches contenant gp120 et ICAM-1 ou ICAM-1 seul pendant 45 min puis fixées et colorées pour un total Lck.

CD4 Figure 2. + De lymphocytes T ont été introduits dans bicouches contenant la gp120 et ICAM-1 ou ICAM-1 seul pendant 45 min puis fixées et colorées pour pLck (Y394).

CD4 Figure 3. + De lymphocytes T ont été introduits dans les bicouches contenant gp120 et ICAM-1 ou ICAM-1 seul pendant 45 min puis fixées et colorées pour Fionie totale.
Des études antérieures ont VS visualisée dans le système conjugué de cellule à cellule, mais ces études n'ont pas de fournir des images de résolution suffisamment élevée pour visualiser les structures supramoléculaires à la synapse. Dans notre laboratoire, nous avons utilisé le verre soutenu par système bicouche plane pour représenter la surface des cellules infectées exprimant le gp120 de l'enveloppe du virus et la molécule d'adhésion cellulaire ICAM-1. En collaboration avec la microscopie TIRF, qui détecte des signaux de fluorescence dans les 100-200 nm de la surface de la bicouche avec un fort rapport signal sur bruit, nous étions en mesure de détecter la ségrégation supramoléculaire de la gp120 de l'ICAM-1 à la VS. En outre, la méthode immunomarquage norme peut être appliquée au système bicouche et a été utilisé ici afin de détecter et de quantifier le recrutement spécifique de Lck actif, mais pas Fionie, à la zone de gp120-contact à VS 15. Par conséquent, la bicouche plane offre un système expérimental pour l'imagerie haute résolution de l'interface synapse dans un plan 2D par la FRBR microscopie, ainsi que les méthodes d'éclairage à grand champ ou confocale. Cependant, le système a aussi ses limites que l'ajustement de mobilité ligand, out-of-plan de flexion, et les fluctuations des membranes biologiques ne sont pas reproduites par les bicouches planes. En outre, il s'agit d'un système in vitro et a donc d'autres limitations, telles que le manque de molécules membranaires d'autres qui seraient présents sur une cellule infectée et de la machinerie du cytosquelette qui réglemente la mobilité moléculaire et la motilité cellulaire. En outre, la dynamique et la distribution des molécules, telles que trimères contre monomères de la gp120, ne peuvent pas être représentés physiologiquement sur la bicouche. Néanmoins, même avec ces limitations, ce système est encore très précieux pour l'étude du virus-cellule ou cellule-cellule interactions, et ces méthodes peuvent servir de guide utile aux chercheurs qui cherchent des images haute résolution pour détecter organisation supramoléculaire qui n'est pas perceptible dans le système conjugué de cellule à cellule conventionnelle.
Les auteurs déclarent aucun conflit d'intérêts.
Ce travail a été soutenu par des subventions du NIH AI071815 (CEH) et la Feuille de route nanomédecine Centre de développement attribution PN2EY016586 (MLD).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| His tagged HIV gp120 | Gift from Dr. Cho | DH12 | |
| His tagged HIV gp120 | Immune Technology | Various X4 or R5 tropic | |
| HSA | Williams Medical Company | 521302 | Human Serum Albumin 25% |
| Amicon Ultra Centrifugal Filters | EMD Millipore | UFC803024 | Ultracel-30K |
| Lck Rabbit mAb | Cell Signaling Technology | 2787 | |
| p-Lck Rabbit pAb | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | Sc-101728 | Tyr 394 |
| Fyn Rabbit mAb | EMD Millipore | 04-353 | |
| Alexa Fluor 568 2° Ab | Molecular Probes, Life Technologies | A11034 | Goat anti-Rabbit IgG (H+L) |
| Alexa Fluor 488 | Molecular Probes, Life Technologies | A-20000 | carboxylic acid succinimidyl ester |
| FCS2 Chamber | Bioptechs | 060319-2-03 | |
| Microaqueduct Slide | Bioptechs | 130119-5 | |
| 30mm Round w/holes | Bioptechs | 1907-08-750 | 0.75mm thick |
| Rectangle Gasket | Bioptechs | 1907-1422-250 | 14x24 0.25mm thick |
| Tygon Tubing | Bioptechs | 20202275 | 1/16" (25ft) |
| Three-way Stopcock | Bio-Rad | 7328103 | |
| Two-way Stopcock | Bio-Rad | 7328102 | |
| Sticky Slide I 0.2 Luer | Ibidi | 80168 | |
| Cover glasses | Ibidi | 10812 | |
| 1ml syringe | BD Biosciences | 309659 | |
| DOGS-NTA | Avanti Polar Lipid, Inc | 790404C | |
| DOPC | Avanti Polar Lipid, Inc | 850375C | |
| Glass coverslip | Bioptechs | 40-1313-0319 | 40mm |
| TIRF microscope | Nikon Instruments | ||
| ImageJ | National Institutes of Health | http://rsbweb.nih.gov/ij/ |