我们描述了一种用于在组织样本中直接绘制能够生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAD(P)H)+ H+ 的酶类其酶活性空间分布的实验方案。
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我们描述了一种用于在组织样本中直接绘制能够生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAD(P)H)+ H+ 的酶类其酶活性空间分布的实验方案。
在空间和时间上定位酶活性对于理解正常组织和疾病状态下细胞行为的分子基础至关重要。原位代谢活性检测可提供有关组织内代谢活性空间分布的信息。本文提供了一种在组织样本中直接监测乳酸脱氢酶活性的详细实验方案。乳酸脱氢酶是决定摄入的葡萄糖通过有氧还是无氧糖酵解途径转化为能量的关键因素。将含有乳酸和NAD的溶液加入冷冻组织切片中。具有高乳酸脱氢酶活性的细胞会将提供的乳酸转化为丙酮酸,同时将提供的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)转化为NADH并释放一个质子;该反应可通过硝基四氮唑蓝还原为甲臜而被检测,甲臜呈现为蓝色沉淀物。我们描述了在小鼠皮肤中监测乳酸脱氢酶活性的详细步骤。应用此方案,我们发现皮肤中静息态毛囊干细胞的乳酸脱氢酶活性较高。将该方案应用于培养的小鼠胚胎干细胞时,结果显示胚胎干细胞的染色强度高于小鼠胚胎成纤维细胞。对新鲜分离的小鼠主动脉进行分析,发现染色主要出现在垂直于主动脉走向的平滑肌细胞中。本方法可用于在冷冻或新鲜组织中对产生质子的酶活性进行空间定位分析。
了解酶在组织中哪些位置具有高或低活性,对于理解发育和生理过程至关重要。转录本或蛋白质水平常被用作酶活性的替代指标。尽管此类研究可能提供一定信息,但它们无法提供对确定酶活性至关重要的信息,例如翻译后修饰、蛋白质复合物的存在,或酶的亚细胞定位。当直接测量酶活性时,通常是在匀浆化的蛋白裂解液中进行监测,而此类样本已不再包含混合物中单个细胞的信息,也无法反映组织内具有高或低活性的细胞的空间分布情况。
我们在此提供一种详细的实验方案,用于绘制组织样本中酶活性空间分布图。该方法基于早期研究,证明四唑盐可用于定位冷冻组织中脱氢酶、还原酶和氧化酶的活性。1采用这些方法时,当质子转移至四氮唑盐后,会形成一种水不溶性的甲臜。2,3葡萄糖-6-磷酸脱氢酶可生成NADPH和一个质子,并可通过四唑盐活性检测。该酶的活性已在欧洲鲽肝细胞中进行监测。4肺泡Ⅱ型细胞中5 肾脏的肾单位5四氮唑盐也已被用于监测冻存组织中转酮醇酶的活性6最近采用了一种类似的方法 用于在相邻切片上监测同一组织中多种脱氢酶的活性7.
本文介绍了一种利用四氮唑盐来监测乳酸脱氢酶活性空间分布的方法(图1)。乳酸脱氢酶能够将糖酵解产生的丙酮酸转化为乳酸,也可催化其逆向反应。因此,乳酸脱氢酶的活性是决定丙酮酸进入三羧酸循环还是以乳酸形式分泌的关键因素之一。血液中的乳酸水平常用于诊断多种疾病,包括癌症8,9,10,因为乳酸升高可能提示机体存在疾病或损伤导致细胞受损,酶被释放。
乳酸脱氢酶基因有四种:LDHA、LDHB、LDHC 和 LDHD11。LDHA 和 LDHB 被认为是由早期 LDHA 基因复制而来12。乳酸脱氢酶以四聚体形式发挥活性,LDHA 和 LDHB 可各自形成同源四聚体,也可相互结合形成异源四聚体。据报道,LDHA 对丙酮酸具有更高的亲和力,而 LDHB 对乳酸具有更高的亲和力,并倾向于将乳酸转化为丙酮酸13。LDHA 启动子区域含有 HIF1α、cMYC 和 FOXM1 转录因子的结合位点11。此外,与其他多种糖酵解酶类似14,15,LDH 可发生翻译后修饰。成纤维细胞生长因子受体 1 可在 Y10 位点磷酸化 LDHA,促进四聚体形成;或在 Y83 位点磷酸化,促进 NADH 底物结合16。LDHA 还可发生乙酰化修饰17。因此,要全面理解 LDH 的活性,不仅需要监测 LDH 蛋白的表达水平,还需同时检测其酶活性。
除了本文介绍的方法外,已有其他方法用于监测乳酸脱氢酶活性。乳酸脱氢酶活性可通过分光光度法在均质化的蛋白裂解液中进行检测。当乳酸转化为丙酮酸时,可依据在340 nm处的吸光度测定NADH的生成;而当丙酮酸转化为乳酸时,则可监测NADH的减少18。乳酸脱氢酶活性也可通过磁共振成像(MRI)进行监测。13C标记的丙酮酸可被施用,并通过监测[1-13C]乳酸/[1-13C]丙酮酸的比值来反映丙酮酸向乳酸的转化。在癌组织中已观察到[1-13C]乳酸/[1-13C]丙酮酸比值升高19。尽管基于MRI的方法可提供正常组织和病变组织中乳酸脱氢酶活性的信息,但这些方法缺乏确定特定细胞内酶活性水平所需的空间分辨率。本文所提供的方法则能够提供组织区域乃至单个细胞水平上的乳酸脱氢酶活性信息。
使用 原位 活性检测实验发现,小鼠皮肤毛囊干细胞中乳酸脱氢酶的活性较高20我们还利用该方法检测了培养的胚胎干细胞中乳酸脱氢酶的活性,发现干细胞中的酶活性高于饲养层细胞。最后,我们检测了新鲜小鼠主动脉中乳酸脱氢酶的活性,观察到平滑肌细胞呈现染色阳性。本文详细描述了一种用于检测冷冻小鼠皮肤中乳酸脱氢酶活性的实验方案。
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所描述的所有实验均经加州大学洛杉矶分校动物护理委员会批准。
1. 制备小鼠冷冻皮肤切片
2. 染色用玻片的制备
3. 配制染色液
4. 将切片在染色液中孵育
5. 监测玻片
6. 复染与封片
7. 图像采集与定量分析
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我们此前已报道过相关结果 原位 小鼠皮肤中的活性检测20如图所示 图3我们观察到,按照上述步骤操作时,毛囊基底部的毛囊干细胞表现出高水平的乳酸脱氢酶活性。这些结果通过皮肤毛囊干细胞的荧光激活细胞分选得到验证,并对分选后的细胞进行活性检测,进一步确认了干细胞区室中乳酸脱氢酶的高活性。
根据我们发现毛囊干细胞具有高乳酸脱氢酶活性的结果,我们进一步拓展了对培养的胚胎干细胞的研究。作为饲养层的小鼠胚胎成纤维细胞被单独分析,或在与胚胎干细胞共培养的条件下进行分析。为分析培养的细胞,吸除培养基后,细胞经短暂固定,随后按照上述方法与乳酸脱氢酶染色液孵育。我们观察到胚胎干细胞中的乳酸脱氢酶活性显著高于小鼠胚胎成纤维细胞(图4)。
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本文所述方法可用于监测组织内不同细胞类型或组织不同区域中乳酸脱氢酶或其他产生NADH或NADPH的代谢酶在时间进程中的活性。乳酸脱氢酶是理解干细胞和肿瘤生物学的重要酶,能够在单个细胞水平上监测其酶活性,有望为该酶的功能提供重要见解。
与其它方法相比,本方案的一个重要优势在于能够监测酶活性而不仅仅是蛋白质丰度,从而不仅可以获知乳酸脱氢酶存在的位置,还能明确其实际发挥功能的位置,提供更具结论性的信息。此处描述的方法可与免疫组织化学相结合,以便在同一组织样本中同时检测选定蛋白质(例如细胞谱系标志物)的表达水平和乳酸脱氢酶活性。与基于磁共振成像(MRI)的乳酸脱氢酶活性监测方法相比,本方案具有更高的空间分辨率,有助于确定组织中哪些特定细胞具有较高的酶活性。与基于荧光底物的代谢定位方法相比,本方案的信号检测不受自发荧光的限制1。Miller 及其合作者通过监测向甲臜的转化,对五种不同酶的时间依赖性和底物依赖性进行了类似分析7。研究发现这些反应遵循酶动力学的化学计量原理。Miller 及其合作者通过...
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作者无任何竞争利益需要披露。
HAC 是丽塔·艾伦基金会(http://www.ritaallenfoundation.org)的米尔顿·E·卡塞尔学者。本研究由以下基金资助:美国国立普通医学科学研究所 R01 GM081686、R01 AR070245、美国国立普通医学科学研究所 R01 GM0866465 以及伊莱 & 埃迪丝·布罗德再生医学中心 & 干细胞研究(Rose Hills 和 Hal Gaba 奖项)、Iris Cantor 女性健康中心/UCLA CTSI 美国国立卫生研究院资助号 UL1TR000124、白血病与淋巴瘤学会、Jonsson 综合癌症中心授予 WEL 和 HAC 的 Impact 奖项。本出版物所报告的研究由美国国立卫生研究院国家癌症研究所资助奖项编号 P50CA092131 支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。HAC 是 Eli & 埃迪丝·布罗德再生医学中心 &;干细胞研究,加州大学洛杉矶分校分子生物学研究所,以及加州大学洛杉矶分校生物信息学跨系项目。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 手术器械 | 用于采集安乐死小鼠的皮肤组织 | ||
| Tissue-tek 冷冻模具 25 mm x 20 mm x 5 mm | Fisher Scientific | NC9511236 | 用于冷冻小鼠皮肤 |
| Tissue-Tek O.C.T. 包埋剂 | Fisher Scientific | NC9638938 | 用于固定冷冻模具 |
| 冰桶 | Fisher Scientific | 07-210-106 | |
| 干冰 | |||
| Polysine 黏附载玻片 | Fisher Scientific | 12-545-78 | |
| 4% 甲醛 | Fisher Scientific | 23-245-684 | 用水稀释 |
| 磷酸盐缓冲液,pH 7.4 | |||
| 涡旋振荡器 | |||
| Tris 碱 | Fisher Scientific | 23-245-684 | |
| NAD | Sigma-Aldrich | N7004 | |
| 吩嗪甲基硫酸盐 | Sigma-Aldrich | P9625 | |
| 硝基四氮唑蓝氯化物 | Sigma-Aldrich | N6876 | |
| L-乳酸锂 | Sigma-Aldrich | L2250 | 底物 |
| 37°C 培养箱(或组织培养箱) | |||
| Braziliant! 复染剂 | Anatech | 861 | 复染剂 |
| 封片介质 | Vector Laboratories | H-5000 | |
| 载玻片盖玻片 | Fisher Scientific | 12-544D | |
| 光学显微镜 |
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