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Research Article
Anaïs Aulas*1,2, Marta M. Fay*1,2, Witold Szaflarski1,2,3, Nancy Kedersha1,2, Paul Anderson1,2, Pavel Ivanov1,2,4
1Division of Rheumatology, Immunology, and Allergy,Brigham and Women's Hospital, 2Department of Medicine,Harvard Medical School, 3Department of Histology and Embryology,Poznan University of Medical Sciences, 4The Broad Institute of Harvard and M.I.T.
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
应激颗粒(SG)是在暴露于各种应激的细胞中形成的非膜细胞质结构。 SGs包含mRNA,RNA结合蛋白,小核糖体亚基,翻译相关因子和各种细胞信号传导蛋白。该协议描述了一种使用几种实验方法来检测,表征和量化真正的 SG的工作流程。
细胞经常受到突然环境变化的挑战。应激颗粒(SGs),在暴露于应激条件的细胞中形成的细胞质核糖核蛋白复合物涉及细胞代谢和存活的各个方面。 SGs调节细胞信号通路,转录后基因表达和应激反应程序。这些含mRNA的颗粒的形成与细胞翻译直接相关。 SG组件由抑制翻译起始触发,SG拆卸通过翻译激活或抑制翻译延伸来促进。 SG组合进一步突出了这种关系。核心SG组分是失速的翻译起始前复合物,mRNA和选定的RNA结合蛋白(RBP)。 SG装配的目的是通过隔离翻译停滞的内部管理mRNA来保存细胞能,从而允许应激反应蛋白的增强翻译。另外对核心成分,如停滞的翻译早产复合物,SG含有大量的其他蛋白质和信号分子。 SG形成的缺陷可以削弱细胞对应激的适应性,从而促进细胞死亡。 SG和类似的含RNA颗粒已经与许多人类疾病相关,包括神经变性疾病和癌症,导致最近对分类和定义RNA颗粒亚型的兴趣。该方案描述了表征和量化哺乳动物SG的测定法。
细胞采用许多机制来应对压力。一些反应发生在转录后水平,并涉及调节mRNA翻译和/或稳定性1,2 。应激调节的mRNA翻译阻滞和降解与特异性非膜细胞病灶的形成相关,其最好的特征是应激颗粒(SGs) 3 。 SG是细胞质焦点,其将非翻译的mRNP浓缩在对胁迫( 例如,氧化,热休克,营养物饥饿和病毒感染)反应的缓冲细胞中。除了非翻译mRNA之外,SG还含有翻译起始因子,RNA结合蛋白和各种信号转导蛋白。 SG是抑制蛋白质翻译和RNA代谢改变的生物标志物,并与细胞存活和细胞凋亡信号通路有关和核工程5 。
SG是动态实体,它们的形成与细胞翻译的状态紧密相关6 。尽管它们看起来很稳固,但大多数SG蛋白质组件都能快速穿梭进出,停留时间为秒。虽然SG持续了几分钟到几个小时,但其大多数组件都处于快速通量。翻译起始的抑制和随后的翻译多核糖体的拆卸促进了SG的形成;因此,SGs与翻译多核糖体处于平衡状态。这种多聚体/ SG平衡是将真正的 SG与其他应激诱发的病灶区分开来的关键6,7 。
抑制翻译起始需要转录含有mRNA,翻译起始因子(eIF)和40S核糖体亚基(s)的翻译能力的起始前复合物称为48S复合物)转化为可以聚结成SG 4,6的翻译失活复合物(所谓的48S *复合物)。 SGs通过在48S复合物形成上游的两个不同步骤的翻译阻滞来促进:干扰cap结合eIF4F复合物的功能( 例如靶向其eIF4A亚基)或翻译起始因子eIF2的α亚基的磷酸化,由一个介导的或更多的四种eIF2激酶。停滞的48S复合物( 即 40S核糖体亚基和选择的翻译起始因子)的存在是SG8,9的标志。
SG已经与各种病理状态相关联,例如病毒感染,神经变性,自身免疫和癌症3,10,11 ,ss ="xref"> 12,13。几种SG成分的突变形式与神经变性疾病( 例如,肌萎缩性侧索硬化症)相关,其中神经元显示可能在神经元死亡中起主要作用的细胞内病理性包涵体13 。一些病毒劫持SG成分以抑制SG形成和增强病毒复制14 。最近的研究还将SG与癌症15联系起来,并将化疗和放疗治疗的癌细胞存活10,16,17,18,19,20。虽然这些发现激发了对SG生物学的极大兴趣,但许多已发表的报告缺乏重要的控制来区分真正的 SG的形成和其他压力引起的病灶。
SG最初描述为由选定的mRNA结合蛋白(RBP)组成的非膜性细胞质病灶,包括T细胞细胞抗原1(TIA-1)和Poly-A结合蛋白(PABP);翻译起始因素;聚腺苷酸化mRNA;和小核糖体亚基4,6,21,22。传统上,它们的组成通过诸如免疫染色和荧光标记蛋白的异位表达的技术23,24来确定。由于其高度动态的性质,SG蛋白和/或mRNA的免疫定位仍然是检测SG 23,24的定义方法。迄今为止,许多RBP和其他蛋白质(超过120种不同的蛋白质)被描述为SG组分11 。多少SG-局部蛋白质以应激依赖性和独立性方式改变其定位,并且可以在其他细胞内区室和灶点积累,选择正确的SG标记物并采用功能标准来区分SG与其他类型的应激诱导灶。 真正的 SGs含有mRNA,翻译起始因子和小核糖体亚基,并且与翻译处于动态平衡。
这个简单的工作流程旨在确定应激诱发的病灶是否真正的 SGs。该工作流程包括使用U2OS细胞的几种实验方法,通常用于研究SG的细胞。这些细胞是理想的,因为它们具有大的细胞质,相对平坦,并且牢固地附着在玻璃盖玻片上。其他细胞类型可用于研究SG,但重要的是要注意,时间,药物浓度和SG-成核蛋白丰度的差异可以改变动力学和组合sition。另外,一些细胞通过形成细胞表面泡泡来响应多聚甲醛固定,然后产生引起一些SG标记物的点状定位的皱纹外观;没有仔细分析,这些可以被分类为SG。这突出了必须评估将应激诱发的病灶识别为真正的 SG所需的所有标准。长春瑞滨(VRB)是一种促进SG 20的癌症治疗剂,以及砷酸钠(SA),一种健壮且性能良好的SG诱导剂,被用作本协议实验的应力。
标准SGs包含多个SG标记(蛋白质和mRNA),共定位于细胞质病灶。该方案同时使用免疫荧光和荧光原位杂交(FISH)检测蛋白质标记和聚腺苷酸化mRNA 22的定位。简言之,间接免疫荧光使用抗体(即即一级抗体)对于给定的蛋白质是特异的,以在细胞内检测它。然后,附着于荧光染料的二抗(通常是物种特异性)识别第一抗体并揭示靶蛋白定位。荧光显微镜用于检测细胞内的局部信号。使用不同物种产生的抗体并用不同颜色的二级抗体进行检测,可以检测多种抗体的共定位,表明它们的蛋白质靶标位于同一位置23 。选择已被验证以在真正的 SG上共定位的标记是重要的。
FISH使用与特定RNA或DNA序列碱基对的标记探针25 。为了检测mRNA,该方案使用与mRNA的polyA尾杂交(或碱基对)的生物素化寡核苷酸(dT) 40探针( 即 polyA FISH)。然后使用荧光偶联的链霉亲和素检测生物素化的探针,因为链霉亲和素对生物素具有高亲和力。当评估SG时,重要的是将polyA FISH与免疫荧光检测SG标记物结合,如真正的 SG,两个信号应共定位。
使用该协议,共定位以多种方式进行评估。在多通道( 即 RGB:红色,绿色和蓝色)图像中,colocalization将改变重叠信号的颜色( 例如, colocalized红色和绿色出现黄色) 23 。另外,使用线扫描分析图形化定量共定位,其中在给定线8,20上测量每个颜色的强度。该协议描述了使用ImageJ 26的两行扫描分析程序。一个程序是手动的,经过整个过程,另一个使用宏,或者一个自动执行手动步骤的简单程序。重要的是要通过手动程序来了解宏程序。
SGs形成在翻译被压制的单元格中;因此,与未处理的细胞相比,具有SG的细胞应该显示出降低的全局翻译水平。实验上,使用了尿布溴霉素。在固定之前,将嘌呤霉素和埃马汀加入细胞持续一段时间,使嘌呤霉素掺入活跃形成的多肽中,导致终止27,28 。需要用emetine进行治疗以防止再次起搏29 。然后可以使用抗嘌呤霉素抗体检测嘌呤霉素,给出活性翻译的快照。使用这种方法是因为它很快,不需要用缺乏特定氨基酸的介质(并且潜在地预处理细胞)的预饥饿,并且揭示了蛋白质翻译的亚细胞定位。已经使用其他方法,特别是使用修饰的氨基酸类似物,例如甲硫氨酸类似物L-叠氮基低聚维生素(AHA),与"click-it"化学30相结合 ,表明含有SG的细胞显示比相邻细胞31低得多的翻译。然而,该技术需要甲硫氨酸饥饿,然后脉冲标记15-30分钟。蛋氨酸饥饿构成额外的压力,而长的标签时间( 即 15-30分钟)导致测量累积而不是正在进行的翻译,并且还允许新合成的蛋白质从其合成位点移动到其最终目的地内细胞。相比之下,番红霉素更快,并且与任何培养基(例如用于通过葡萄糖饥饿诱导SG的无葡萄糖培养基)相容。
规范SGs处于动态平衡状态积极翻译多核糖体。这可以通过用稳定或不稳定多核糖体的药物处理样品来实验地评估,从而在SG和多核糖体之间平衡23 。通过将核糖体"冻结"到mRNA上,环己酰亚胺(或其类似的表现)阻断延伸,从而减少能够形成SG的可用非多核糖体mRNP的库。实验上可以通过以下两种方法使用:在应力之前加入放线菌酮(或埃米汀)以防止SG形成,或者在形成SG之后加入放线菌酮(或埃米汀),即使没有除去应激剂,也会导致SG拆卸停止早产复合物缓慢进入多聚糖部分。相比之下,嘌呤霉素引起过早终止并促进多聚体拆解,增加能够组装成SG的起始mRNA的集合。实验上,嘌呤霉素治疗会增加SG的数量或降低threshold,其响应于分级应激或药物剂量形成。当评估嘌呤霉素的作用时,重要的是使用目的药物的亚最大水平,因为嘌呤霉素预期会增加药物的作用并增加显示SGs的细胞的百分比 - 如果药物不能发生,则不会发生/压力最初导致100%细胞中的SG。这与放线菌酮处理形成对照,当约95%的细胞初始显示SG时,分解SG并且最好地工作,以便可以观察到并且准确地量化最大可能的降低。
该协议提供了研究哺乳动物细胞中SGs的框架。方法包括:(1)免疫荧光染色和ImageJ分析,评估推定的SGs中经典SG相关标记eIF4G,eIF3b和Ras GTPase激活蛋白结合蛋白1(G3BP1)的共定位; (2)寡聚(dT)荧光原位杂交(polyA FISH)检测多聚腺苷酸化mRNA; (3)放线菌酮和嘌呤霉素处理,以确定应激诱导的病灶是否与多核糖体处于动态平衡状态;和(4)番红霉素以评估含有推定的SG的细胞的翻译状态。在一起,这些测定法可以确定应激诱导的病灶是否可归类为真正的 SG。
细胞准备
2.压力细胞
细胞固定和免疫荧光
注意事项:在实验前,确保甲醇冷却至-20°C,制备缓冲液,包括磷酸盐缓冲盐水(PBS),PBS中5%正常血清(NHS)和4%多聚甲醛(PFA) )在PBS中。4. 原位荧光杂交(FISH)
用于评估转化状态的雷帕霉素测定
图像采集与分析
应激诱发的灶不一定是SG。 SG被分类为含有mRNA,翻译起始因子和RNA结合蛋白的细胞质病灶,并且与主动翻译处于平衡状态。上述方案可用作模板来表征给定的应激是否诱导真正的 SG。
SG与其他已知的SG标记物共定位,包括蛋白质和mRNA两者。 SA和VRB诱导含有G3BP1,eIF4G和eIF3b的细胞质病灶( 图2A )。使用线扫描分析和放大倍率增加的单通道图像来确认这些标记的共定位( 图2A )。另外,这些病灶含有如PolyA FISH所示的Mrna,寡核苷酸(dT)信号与G3BP1免疫荧光信号共定位( 图2B )。显示polyA-FISH是至关重要的信号与已知的SG标记重叠,因为应激可以促进多种类型的病灶。
SG在翻译抑制状态期间发生。 VRB和SA均促进了翻译抑制状态,如用实验性评估的抗尿黄素( 图3 )。 真正的 SGs正在动态平衡,主动翻译多核糖体。 SA-和VRB诱导的SGs与CHX一起溶解,CHX将多聚核苷酸捕获在mRNA上,从而停止多聚体拆解和防止SG( 图4A,4B )。相反,用puro处理后,诱导更多的SA和VRB SG,因为puro促进多聚体拆解,从而有利于SG形成( 图4A,4C )。
总之,与阳性对照SA一样,VRB诱导真正的 SGs:(1)与已知的SG标记共定位,(2)包括蛋白质和mRNA( Figu (3)在平移压迫的细胞中发现( 图3 ),和(4)与主动翻译处于动态平衡状态( 图4A-4C )。

图1:实验图。 ( A )如前所述,将种子细胞置于预先置于24孔板中的盖玻片上。用SA或VRB处理A,B行60分钟,使用浓度如μM所示。 60分钟后,向药物培养基中加入CHX(终浓度为20μg/ mL的第2列)或puro(20μg/ mL嘌呤霉素用于第4列)。在固定和染色之前,继续孵育30分钟。 ( B )盖玻片图,表示应进行成像计算的字段。盖玻片分为五个大致相等的区域;在每个地区拍摄一幅图像。"http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55656/55656fig1large.jpg"target ="_ blank">请点击此处查看此图的较大版本。

图2:含有SG标记anPoly(A)mRNA的SA和VRB诱导细胞质Foci。 ( A )对G3BP1(绿色),eIF3b(红色)和eIF4G(蓝色)进行免疫染色的U2OS细胞。细胞用100μMSA或150μMVRB处理60分钟或未处理(对照)。缩放区域被放大(2X),并以黑色和白色(下图)显示为单独的通道。该图表示区域(白线)颗粒的线扫描分析,并显示重叠或共定位的程度。比例尺表示10μm。 ( B )与免疫染色偶联的PolyA-FISH利用寡聚(dT) 40探针(红色)检测polyA mRNA,使用抗G检测G3BP1(绿色)3BP抗体,使用Hoechst染料(蓝色)检测核DNA。缩放区域(2X),单通道图像和线扫描分析显示共定位。刻度棒=10μm。 请点击此处查看此图的较大版本。

图3:SA和VRB治疗原因翻译抑制。在指定的治疗后,用嘌呤霉素脉冲标记5分钟的U2OS细胞的免疫荧光。嘌呤霉素(绿色),eIF3b(红色)和用Hoechst染色的核DNA(蓝色)。细胞用100μMSA或150μMVRB处理60分钟或未处理(对照)。刻度棒=10μm。 请点击这里查看更大的经文这个数字的离子。

图4:与多聚体动态平衡的SA和VRB诱导细胞质Foci。 ( A )描述多核糖体/ SG关系的一般方案。 ( BC )使用Hoechst(蓝色)染色G3BP1(绿色),eIF3b(红色)和核DNA的U2OS细胞。在加入( B )CHX(放线菌酮,20μg/ mL),( C )puro(嘌呤霉素,10μg/ mL)之前,用100μMSA或150μMVRB处理细胞60分钟或未处理(对照) ),或没有添加剂另外30分钟的孵育。数字对应于代表性实验中具有SG的细胞的百分比。刻度棒= 25μm,(BC)。 请点击这里查看大图版本的这个数字。
作者没有什么可以披露的。
应激颗粒(SG)是在暴露于各种应激的细胞中形成的非膜细胞质结构。 SGs包含mRNA,RNA结合蛋白,小核糖体亚基,翻译相关因子和各种细胞信号传导蛋白。该协议描述了一种使用几种实验方法来检测,表征和量化真正的 SG的工作流程。
我们感谢Ivanov和Anderson实验室的成员对这份手稿的有益的讨论和反馈。这项工作得到了国家卫生研究院(GM111700和CA168872至PA,NS094918至PI),波兰国家科学中心[授予UMO-2012/06 / M / NZ3 / 00054至WS]的支持。 WS还承认波兰的科学和高等教育部(Mobility Plus计划)和波兰美国富布莱特委员会在美国的研究经费支持。
| U-2 OS | ATCC ATCC | 注册HTB-96&贸易; | 通常写成 "U2OS" Culture at 37 °C 在 10% FBS/DMEM 中低于 5% CO<亚>2亚> |
| Dulbecco 改良 Eagle 培养基 (DMEM) | 康宁 | 10-013-CV | 含有 4.5 g/L 葡萄糖、丙酮酸和酚红 补充有 10% FBS、10 mM HEPES 和青霉素/步霉素 预热既往药物稀释 |
| 胎牛血清 (FBS) | Sigma | F2442-500ml | 用于补充培养基 |
| HEPES (1 M) | Thermo Fisher Scientific | 15630-080 | 用于补充培养基 |
| 青霉素 | 链霉素 Sigma | P0781-100ml | 用于补充培养基 |
| 24 孔板 | Costar | 3524 | |
| 实验室组织 (kimwipes) | KIMTECH SCIENCE | 34120 | |
| 生长盖玻片 盖玻片 | Fisher Scientific | 12-545-82 | 使用前高压灭菌 在组织培养罩中保持无菌 |
| 亚砷酸钠 >90% (SA) | Sigma | S7400-100G | 溶于水至 1 M 浓度,然后稀释至 100 &微量;M 作为工作储备 |
| 液长春瑞滨 (VRB) | TSZ CHEM | RS055 | 溶于水至 10 mM |
| 嘌呤霉素 | Sigma | P9620 | 用于评估翻译水平(核氧咯霉素化) - 用于评估 SG 与主动翻译的联系 在水中稀释至 10 mg/mL |
| 依米汀二盐酸盐水合物 | Sigma | E2375 | 与嘌呤霉素联合用于评估一般翻译水平 用于评估与主动翻译的 SG 连接 - 在水中稀释至 10 mg/mL |
| 放线菌酮 (CHX) | Sigma | C4859 | 用于评估与活性翻译的 SG 连接 在水中稀释至 10 mg/mL |
| 磷酸盐缓冲盐水 (PBS) | Lonza / VWR | 95042-486 | 免疫荧光 |
| 洗涤缓冲液多聚甲醛试剂级结晶 (PFA) | Sigma | P6148-500G | 在通风橱中用热 PBS 制成 4% 溶液,搅拌至溶解 等分试样可在 -20 °de 下储存;C 几个月 危险,通风 丢弃在特殊废液中 |
| 甲醇,ACS | BDH/VWR | BDH1135-4LP | 预冷至 -20 °C 使用前 丢弃在特殊废物中 |
| 普通马血清 (NHS) | Thermo Fisher Scientific | 31874 | 在 PBS 中稀释至 5% 加入叠氮化钠,在 4 &°g 下储存;C 免疫荧光封闭液 |
| 乙醇,纯,200 证明 (100%),USP,KOPTEC | Decon Labs / VWR | 89125-188 | 用水稀释至 70% |
| Fisherbrand Superfrost Plus 显微镜载玻片 | Fisherbrand | 12-550-15 | |
| 小鼠抗 G3BP1 抗体 (TT-Y) | Santa Cruz | sc-81940 | 储存在 4 度;C 1/100 稀释 |
| 兔抗 eIF4G 抗体 (H-300) | Santa Cruz | sc-11373 | 储存在 4 °C 1/250 稀释 |
| 山羊抗 eIF3η(N-20) 抗体 | Santa Cruz | sc-16377 | eIF3η 也被称为 eIF3b Store at 4 °C 1/250 稀释 |
| 小鼠抗嘌呤霉素 12D10 抗体 | Millipore | MABE343 | 储存在 4 °C 1/1,000 稀释 |
| Cy2 AffiniPure 驴抗小鼠 IgG (H+L) | Jackson Immunoresearch | 715-225-150 | 根据制造商在水中复溶s 说明然后存储在 4 °C 1/250 稀释 |
| Cy3 AffiniPure 驴抗兔 IgG (H+L) | Jackson Immunoresearch | 711-165-152 | 根据制造商在水中复溶的指示然后存储在 4°C 1/2,500 稀释 |
| Cy5 AffiniPure 驴抗山羊 IgG (H+L) | Jackson Immunoresearch | 705-175-147 | 根据制造商在水中复溶的指示然后存储在 4°C 1/250 稀释 |
| Hoechst 33258 溶液 | Sigma | 94403-1ML | 与二抗一起孵育 0.5 mg/mL 储备液 0.5 mg/mL 在 dH20 中,避光 - 储存在 4 °C |
| Cy3 链霉亲和素 | Jackson Immunoresearch | 016-160-084 | 每个制造商在水中复溶s 说明,然后储存在 4 °C 1/250 稀释 |
| 寡核苷酸-(dT)<亚>40x亚>探针生物素化 | 集成 DNA 技术 (IDT) | / | 在水中复溶至 100 ng/mL,分装并储存在 -20 °C;C 使用前在杂交缓冲液中稀释 1/50 定制订单 |
| 杂交盒 | / | / | 通过在底部添加加湿纸,与任何储存载玻片盒组成一个水分室 - 使用前预热盒子 |
| 20x SSC 缓冲液 | Thermo Fisher Ambion | AM9763 | 使用不含 RNase 的水(经 DEPC 处理)稀释至 2x SSC 储存在 RT FISH |
| 洗涤缓冲液PerfectHybPlus 杂交缓冲液 | Sigma | H7033-50ml | 用于 FISH 载玻片封固剂的封闭和探针孵育缓冲液 |
| 自制 | / | 混合 5 g "冷溶性"20 mL PBS 中的聚(乙烯醇)超声混合,然后在 RT 下搅拌 O/N 加入 5 mL 甘油和 0.2 mL 20% 叠氮化钠,并在 RT 下搅拌 16 小时 以 20,000 g 离心 20 分钟,弃去大颗粒 等分粘稠液体, 在 -20 °C 下长期储存;C,4 度 1 周;C | |
| 封口膜 "M" | Sigma | P7793-1EA | |
| 聚乙烯醇 | Sigma P-8136-250G | 制造维诺 | |
| 醇的试剂 甘油 | Sigma | G5516-100ML | 制造维诺 |
| 醇叠氮化钠 | 的试剂Fisher Scientific | S2002-5G | 用于封闭溶液和维诺 的防腐剂 在水中稀释 20% |