本文介绍了一种在哺乳动物细胞中测量整体自噬捕获活性的简单且经过充分验证的实验方案。该方法基于定量分析可沉淀细胞组分中乳酸脱氢酶(LDH)所占的比例,并将其与细胞总LDH水平进行比较。
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本文介绍了一种在哺乳动物细胞中测量整体自噬捕获活性的简单且经过充分验证的实验方案。该方法基于定量分析可沉淀细胞组分中乳酸脱氢酶(LDH)所占的比例,并将其与细胞总LDH水平进行比较。
大自噬的特征是将细胞质的大片段包裹进称为自噬体的双层/多层膜结构中。本文描述了一种监测该过程的简单方案,并提供了在多种培养的哺乳动物细胞中,自噬诱导条件下该方法的典型结果及实验验证。在大自噬过程中,自噬体会包裹细胞质,从而非选择性地将可溶性胞质蛋白及其他自噬货物一同包裹进去。乳酸脱氢酶(LDH)是一种稳定且丰度很高的可溶性胞质酶,可被非选择性地包裹进自噬体中。因此,LDH的包裹量反映了大自噬包裹的总量。为了高效且准确地测定细胞中LDH的包裹情况,我们采用基于电穿孔裂解的分级分离方法,有效分离可沉淀的LDH与胞质中的LDH,随后测定沉淀组分与全细胞样品中的酶活性。自噬包裹量通过处理组细胞中可沉淀LDH的比例减去未处理组细胞中的相应比例来确定。LDH包裹检测法的优点在于,它能够定量测定内源性自噬货物的包裹情况,而不同于其他需要异位表达包裹探针或对自噬标志物或受体进行半定量蛋白酶保护分析的方法。
自噬(希腊语意为"自我吞噬")是一种在进化上保守的细胞内物质通过液泡/溶酶体途径进行降解的过程。随着自噬相关("ATG")基因的发现——这些基因在酵母和人类的自噬过程中起重要作用,以及认识到自噬在人类健康与疾病中具有重要意义(大隅良典于2016年因此获得诺贝尔生理学或医学奖),自噬迅速成为细胞生物学中最受关注的研究过程之一1,2。
大自噬(下文简称为 "自噬")的特征是细胞内膜囊("吞噬泡")的扩展和折叠,形成封闭的双层或多层膜结构("自噬体"),从而将包裹的物质与细胞质其余部分有效隔离。自噬体与溶酶体融合后,其内层膜及所包裹的物质被降解并循环利用。自噬体可以以非特异性(非选择性自噬)或特异性(选择性自噬)的方式包裹细胞质成分。大规模自噬很可能同时包含非选择性自噬和选择性自噬的混合过程。
20世纪60年代和70年代"形态学时代" 自噬研究领域,自噬性隔离主要通过超微结构分析进行评估。20世纪80年代至90年代初("生化时代"根据研究大鼠原代肝细胞自噬作用的Per Seglen及其同事所建立的方法,首次实现了对自噬性包封活性的定量检测3利用这些检测方法,Seglen 定义并表征了自噬-溶酶体途径的不同步骤4,5,发现并命名了amphisome6 (内体与自噬体融合的产物),并首次描述了蛋白质磷酸化在自噬调控中的作用7。然而,自从20世纪90年代发现ATGs以来("分子 时代"以及2000年首次对哺乳动物ATG8蛋白——微管相关蛋白1A/1B-轻链3(LC3)的表征8因此,将ATG蛋白用作自噬过程的标志物迅速流行起来,而过去更为繁琐的生化方法则逐渐被淘汰。事实上,在过去18年中,对LC3的蛋白质印迹(western blot)和荧光显微镜分析已成为研究哺乳动物细胞自噬最广泛使用(在许多情况下是唯一使用)的方法。这些方法的优势在于操作相对简便。其缺点在于研究的是运输工具(LC3)本身,而非真正的自噬底物。这是一个相当严重的问题,因为LC3在自噬通路中的状态或流量与底物的包裹及流量之间的关系极不明确。事实上,我们已证明,在完全不存在LC3流量的情况下,尽管细胞中存在共轭形式的LC3,大分子底物的流量仍可维持在较高水平。9此外,我们证明了高效耗竭LC3对整体自噬没有影响,因此整体自噬很可能是不依赖LC3的9这一发现随后通过LC3基因敲除研究得到了证实10,11,这也表明Parkin依赖性线粒体自噬(线粒体的选择性自噬)不依赖于LC310,11.
总之,迫切需要基于货物分子的检测方法来监测自噬活性。理想的此类检测方法应具有广泛的适用性、定义明确且易于操作。在过去的几年中,我们对乳酸脱氢酶(LDH)截留检测法产生了特别的兴趣,该方法由 Per Seglen 在 20 世纪 80 年代开发12,基于检测胞质乳酸脱氢酶(LDH)向可沉淀的、含自噬空泡的细胞组分的转移。LDH 是一种稳定的可溶性胞质蛋白,在吞噬体包裹胞质内容物时可被有效共包裹。因此,LDH 的包裹程度可作为自噬性包裹的通用指标。LDH 仅通过自噬-溶酶体途径降解。12因此,在存在溶酶体降解抑制剂的情况下, 例如, bafilomycin A1 (Baf)13, 实验处理效应直接反映了自噬包封活性的变化。在不存在降解抑制剂的情况下,可测量LDH包封与降解变化的净效应。
乳酸脱氢酶(LDH)截留实验具有广泛的适用性,因为LDH在所有细胞类型中均高表达且普遍存在,其水平可通过酶法检测进行准确定量14,15。然而,最初在原代大鼠肝细胞中建立的实验方案12 耗时较长,需要大量起始材料,并依赖于自制的电击电容器。我们通过逐步优化,将该方法改进为一种简便且通用的技术。首先,将原始方案调整适用于哺乳动物细胞系16;其次,显著缩小了实验规模3,9;第三,删除了多个操作步骤,包括繁琐的密度垫层步骤17,这使得实验规模得以进一步缩小,从最初每样本使用10 cm培养皿16 降至每样本仅使用12孔板中的一个孔(i.e.,起始材料减少约15倍)17;第四,我们确定了一种可商用的电穿孔装置,能够替代自制的电击电容器17。
本文介绍了乳酸脱氢酶(LDH)截留实验的最新实验方案,与先前发表的方法相比,该方案进一步简化了操作步骤17。此外,展示了在多种不同细胞类型中获得的一系列典型实验结果,并且重要的是,提供了通过药理学手段以及基因敲低和基因敲除方法对该实验技术进行验证的多条实验证据。有关整个实验流程的总体示意图,请参见图1。
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1. 细胞接种与处理
2. 细胞收获与电破裂处理的准备
3. 质膜电穿孔及可沉淀细胞组分与全细胞组分的分离
4. 乳酸脱氢酶的提取及乳酸脱氢酶酶活性的测定
5. 乳酸脱氢酶封存率的计算


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使用本方案中描述的方法,测量了多种不同哺乳动物细胞系中的巨自噬捕获活性,包括 LAPC4、DU145、Huh7、PNT2A、HeLa、VCaP、H3122、Hec1A、MCF-7、T47D、U2OS、PC3、G361、小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)、RPE-1、HEK293、BJ 和 LNCaP 细胞。在基础条件下(使用完全、营养丰富的培养基)或在急性缺乏血清和氨基酸的细胞中评估了捕获活性(a 真正有效的 自噬诱导条件22)。结果表明,在饥饿条件下,不同细胞系中的乳酸脱氢酶(LDH)截留活性存在显著差异,LAPC4、DU145、Huh7 和 PNT2 细胞中该活性几乎检测不到(数据未显示),而在 LNCaP 细胞中则约为 1.6%/h(图2A)。在饥饿状态下的原代大鼠肝细胞中观察到的速率高于上述细胞系,通常为2.5–4%/h23在基础条件下,所测试的细胞系中有一半几乎...
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综上所述,本文所述方案是一种可靠且广泛应用的方法,可用于监测哺乳动物细胞中的整体自噬捕获活性。与原始方法12,16相比,我们删除了多个不必要的步骤,简化了其余部分步骤,并进行了显著的规模缩小。因此,该方案在成本和时间效率方面得到了极大改进,现在处理相同数量的样本所需时间不到原始方案的一半。对于24个样本,第2–3步(第1天)大约需要½小时的准备时间和3小时的有效操作时间,而第4步(第2天)可在约2小时内完成(时间估算基于所有必要缓冲液已预先配制好的前提)。由于第1天的检测通常需要在细胞处理之后进行,包括使用Baf或其他自溶酶体LDH降解抑制剂孵育3–4小时,因此将检测分为连续两天进行较为方便。然而,整个检测也可在同一天内完成。在这种情况下,在第3.6 和3.7步中将样本在液氮中速冻将节省时间。尽管当前方案尚未验证 这一操作,但很可能可以完全省略冻融步骤,因为在原代大鼠肝细胞中进行的更复杂版本检测已无需此步骤23。
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本工作获得了挪威研究理事会、奥斯陆大学、安德斯·亚尔基金会、南森基金会以及亨里克·霍曼纪念遗产基金的资助。我们感谢 Noboru Mizushima 博士提供的 ATG5+/+ MEFs 和 ATG5-/- MEFs,Masaaki Komatsu 博士提供的 ATG7+/+ MEFs 和 ATG7-/- MEFs,以及 Shizuo Akira 博士提供的 ATG9A+/+ MEFs 和 ATG9A-/- MEFs。我们感谢 Frank Sætre 提供的技术支持,以及 Per O. Seglen 博士在方法学方面的建设性讨论。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 和 2 mL 微量离心管 | Eppendorf | 211-2130 和 211-2120 | |
| 12 孔板 | Falcon | 353043 | |
| Accumax 细胞解离液 | Innovative Cell Technologies | A7089 | 分装后于 -20 °C 可保存数年,冰箱中可保存数月 |
| Bafilomycin A1 | Enzo | BML-CM110-0100 | 溶于 DMSO |
| BJ 细胞 | ATCC | CRL-2522 | 使用代次 <30 |
| 牛血清白蛋白 (BSA) | VWR | 422361V | |
| Burker 计数室 | Fisher Scientific | 139-658585 | |
| Countess 细胞计数板 | ThermoFisher Scientfic | C10228 | |
| Countess II 自动细胞计数仪 | ThermoFisher Scientfic | AMQAX1000 | |
| Burker 计数室盖玻片 | Fisher Scientific | 139-658586 | |
| Criterion Tris-HCl 凝胶,4–20%,26 孔,15 µL,13.3 cm × 8.7 cm (W × L) | Bio-Rad | 3450034 | |
| DTT | Sigma-Aldrich | D0632 | |
| Earle's 平衡盐溶液 (EBSS) | Gibco | 24010-043 | 含 0.1% 葡萄糖 |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E7889 | |
| 电穿孔比色皿 (4 mm) | Bio-Rad | 1652088 | |
| 指数衰减波电穿孔仪 | BTX Harvard Apparatus | EMC 630 | |
| 胎牛血清 (FBS) | Sigma | F7524 | RPMI 1640 培养基中终浓度为 10% |
| HEK293 细胞 | ATCC | CRL-1573 | |
| 咪唑 | Sigma-Aldrich | 56750 | 将 65 mM 溶液高压灭菌后置于冰箱中可保存数月 |
| 培养箱;Autoflow IR 直接加热 CO2 培养箱 | NuAire | NU-5510E | |
| Lipofectamine RNAiMAX 转染试剂 | ThermoFisher | 13778150 | |
| LNCaP 细胞 | ATCC | CRL-1740 | 使用代次 <30 |
| 3-甲基腺嘌呤 (3MA) | Sigma-Aldrich | M9281 | 100 mM 储存液溶于 RPMI,-20 °C 保存。 使用前于 65 °C 加热 10 分钟,工作终浓度为 10 mM |
| 制冷微量离心机 | Beckman Coulter Life Sciences | 368831 | |
| 带软模式功能的制冷微量离心机 | Eppendorf | Eppendorf 5417R | |
| MRT67307 盐酸盐 (ULKi) | Sigma-Aldrich | SML0702 | 抑制 ULK 激酶活性。溶于 DMSO。 |
| MaxMat 多功能分析仪 | Erba Diagnostics | PL-II | |
| MCF7 细胞 | ATCC | HTB-22 | |
| NADH | Merck-Millipore | 1.24644.001 | |
| Nycodenz | Axis-Shield | 1002424 | |
| Opti-MEM 低血清培养基 | ThermoFisher | 31985062 | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Gibco | 20012-019 | |
| 移液器吸头 3 (0.5–20 µL) | VWR | 732-2223 | Thermo Fischer ART 防污染吸头 |
| 移液器吸头 (1–200 µL) | VWR | 732-2207 | Thermo Fischer ART 防污染吸头 |
| 移液器吸头 (100–1,000 µL) | VWR | 732-2355 | Thermo Fischer ART 防污染吸头 |
| 移液器 | ThermoFisher | 4701070 | Finnpipette F2 GLP 套件 |
| 聚-D-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P6407-10X5MG | 用无菌 H2O 配制成 1 mg/mL 储存液。该溶液在 -20 °C 至少可稳定保存 1 年。 |
| 丙酮酸盐 | Merck-Millipore | 1066190050 | |
| RPE-1 细胞 (hTERT RPE-1) | ATCC | CRL-4000 | |
| RPMI 1640 | Gibco | 21875-037 | |
| SAR-405 | ApexBio | A8883 | 抑制 III 类磷脂酰肌醇 3-激酶 (PIK3C3)。溶于 DMSO。 |
| Silencer Select 阴性对照 #1 (siCtrl) | ThermoFisher/Ambion | 4390843 | |
| Silencer Select ATG9 靶向 siRNA (siATG9A) | ThermoFisher/Ambion | s35504 | |
| Silencer Select FIP200 靶向 siRNA (siFIP200) | ThermoFisher/Ambion | s18995 | |
| Silencer Select ULK1 靶向 siRNA (siULK1) | ThermoFisher/Ambion | s15964 | |
| Silencer Select ULK2 靶向 siRNA (siULK2) | ThermoFisher/Ambion | s18705 | |
| Silencer Select GABARAP 靶向 siRNA (siGABARAP) | ThermoFisher/Ambion | s22362 | |
| Silencer Select GABARAPL1 靶向 siRNA (siGABARAPL1) | ThermoFisher/Ambion | s24333 | |
| Silencer Select GABARAPL2 靶向 siRNA (siGABARAPL2) | ThermoFisher/Ambion | s22387 | |
| 磷酸二氢钠二水合物 (NaH2PO4 • 2H2O) | Merck-Millipore | 1.06580.1000 | |
| 磷酸氢二钠二水合物 (Na2HPO4 • 2H2O ) | Prolabo | 28014.291 | |
| 蔗糖 | VWR | 443816T | 水中终浓度为 10%;经 0.45 µm 滤膜过滤后置于冰箱中可保存数月 |
| 毒胡萝卜素 | Sigma-Aldrich | T9033 | 抑制 SERCA 内质网 Ca2+ 泵。溶于 DMSO。 |
| Triton X-405 | Sigma-Aldrich | X405 | 终浓度 1% |
| 台盼蓝染液 0.4% | Molecular Probes | T10282 | |
| 胰蛋白酶-EDTA (0.25% w/v 胰蛋白酶) | Gibco | 25200-056 | |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P2287 | 终浓度 0.01% |
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