本方案提供了在活细胞中诱导并监测 Stub1 介导的过氧化物酶体自噬的实验指导。
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本方案提供了在活细胞中诱导并监测 Stub1 介导的过氧化物酶体自噬的实验指导。
哺乳动物细胞可通过 Stub1 介导的过氧化物酶体自噬(pexophagy)来更新过氧化物酶体。该通路可能使细胞能够调控过氧化物酶体的数量与质量。在此过程中,热休克蛋白 70 和泛素 E3 连接酶 Stub1 会转位至将被降解的过氧化物酶体上,从而启动过氧化物酶体自噬。Stub1 的连接酶活性可促使泛素及其他自噬相关模块在靶向的过氧化物酶体上聚集。过氧化物酶体腔内活性氧(ROS)水平的升高可激活 Stub1 介导的过氧化物酶体自噬。因此,可利用染料辅助的 ROS 生成来触发并监测这一通路。本文概述了使用两类染料——荧光蛋白和合成荧光探针——在哺乳动物细胞培养中诱导过氧化物酶体自噬的操作步骤。这些基于染料辅助 ROS 生成的实验方案不仅可用于全局性地靶向细胞群体中的全部过氧化物酶体,还可实现对单个细胞内特定过氧化物酶体的操控。我们还描述了如何通过活细胞显微镜示踪 Stub1 介导的过氧化物酶体自噬过程。
过氧化物酶体是存在于大多数真核细胞中的单层膜细胞器。过氧化物酶体是一种重要的代谢区室,负责极长链脂肪酸的β-氧化、嘌呤降解以及醚磷脂和胆汁酸的合成1。过氧化物酶体来源的乙酰辅酶A通过调控代谢中的核心信号通路来维持脂质稳态2。因此,过氧化物酶体功能受损与多种疾病相关,包括神经退行性疾病、衰老、癌症、肥胖和糖尿病,这并不令人意外3,4,5。维持过氧化物酶体正常功能的一个关键过程是过氧化物酶体自噬(pexophagy)。过氧化物酶体自噬是一种通过自噬选择性降解过氧化物酶体的分解代谢过程。细胞利用过氧化物酶体自噬来调控过氧化物酶体的数量和质量,从而确保其正常功能。最近一项研究表明,由于PEX1和PEX6过氧化物酶体生物发生因子突变导致的过氧化物酶体丢失,是由于失控的过氧化物酶体自噬所致6。值得注意的是,在所有过氧化物酶体生物发生障碍(PBD)患者中,有65%存在哺乳动物细胞中由PEX1、PEX6和PEX26组成的过氧化物酶体AAA ATP酶复合物的缺陷7。
有多种方法可用于启动和研究过氧化物酶体自噬。在酵母中,当提供的营养物质从依赖过氧化物酶体的碳源转换为不依赖过氧化物酶体的碳源时(以降低细胞内过氧化物酶体数量),会触发过氧化物酶体自噬8。例如,将甲醇培养的Pichia pastoris细胞从甲醇培养基转移至葡萄糖培养基或乙醇培养基,可分别诱导微过氧化物酶体自噬和巨过氧化物酶体自噬8,9,10。微过氧化物酶体自噬通过重塑液泡形成杯状的液泡隔离膜和一种称为微过氧化物酶体自噬特异性膜结构(MIPA)的盖状结构,将成簇的过氧化物酶体隔离以进行降解。在巨过氧化物酶体自噬中,单个过氧化物酶体被双层膜结构(称为过氧化物酶体自噬体)包裹,随后与液泡融合以实现降解8,9,10。过氧化物酶体自噬受体(如Saccharomyces cerevisiae中的Atg36p和Pichia pastoris中的Atg30p)的磷酸化对于招募核心自噬机制以及促进过氧化物酶体靶向自噬体至关重要8,11。
在哺乳动物细胞中,过氧化物酶体自噬(pexophagy)可由泛素化诱导。在细胞质侧对过氧化物酶体膜蛋白 PMP34 或 PEX3 进行泛素标记,可诱导过氧化物酶体自噬12。PEX3 的过表达可诱导过氧化物酶体的泛素化,并通过溶酶体介导其降解13。此外,将 PEX5 与 C 末端 EGFP 融合会阻碍单泛素化 PEX5 的外排,从而导致过氧化物酶体自噬14。另一方面,过氧化物酶体自噬也可由 H2O2 处理触发。过氧化物酶体可产生活性氧(ROS);特别是过氧化物酶体酶 Acox1,在催化极长链脂肪酸(>22 个碳)β-氧化的初始步骤时,不仅生成乙酰辅酶 A(acetyl-CoA),还会产生过氧化物酶体来源的 ROS。在 H2O2 处理导致 ROS 水平升高时,哺乳动物细胞会激活过氧化物酶体自噬,以降低 ROS 的产生并缓解细胞应激。已有研究报道,H2O2 处理可驱动共济失调毛细血管扩张症突变蛋白(ataxia-telangiectasia mutated, ATM)向过氧化物酶体募集。ATM 随后磷酸化 PEX5,促进通过过氧化物酶体自噬实现过氧化物酶体的更新15。
由于过氧化物酶体是活性氧(ROS)的产生中心,因此也容易受到ROS的损伤。ROS引发的过氧化物酶体损伤会促使细胞启动过氧化物酶体自噬(pexophagy),以启动过氧化物酶体质量控制通路(通过自噬清除受损的过氧化物酶体)。本文概述了一种按需触发ROS诱导的过氧化物酶体损伤的方法。该方案利用了细胞器内光激活产生ROS的技术16,17,18,19,20(图1)。通过照射标记有染料的过氧化物酶体,可在其腔内产生ROS,从而特异性地触发过氧化物酶体损伤。利用该方案可证明,受ROS应激的过氧化物酶体通过依赖泛素的降解途径被清除。受ROS应激的过氧化物酶体会招募泛素E3连接酶Stub1,使其被包裹进自噬体中,进而通过过氧化物酶体自噬实现单个清除16。研究者可利用此方法通过延时显微镜在同一细胞内比较受损与健康过氧化物酶体的命运。该方法还可用于在培养皿中全局性地损伤所有细胞中的全部过氧化物酶体,从而便于对过氧化物酶体自噬通路进行生物化学分析。
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1. 准备表达二聚化KillerRed或过氧化物酶体腔内自标记蛋白(SLPs)的细胞
2. 使用染料标记的 SLP 配体对过氧化物酶体进行染色(用于光激活 ROS 产生)
3. 在激光扫描共聚焦显微镜上对过氧化物酶体进行活性氧应激处理
4. 通过延时成像在活细胞中监测过氧化物酶体自噬
5. 在培养皿中全局性破坏所有细胞中的过氧化物酶体
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本文所示的 Stub1 介导的过氧化物酶体自噬诱导方案利用了过氧化物酶体腔内染料辅助的活性氧(ROS)生成。该操作仅需极低的光照强度,因此含有荧光蛋白或染料的过氧化物酶体可使用标准的激光扫描共聚焦显微镜进行照射。局部照射可在单个过氧化物酶体内瞬时且特异性地产生 ROS,如荧光报告分子 roGFP2-VKSKL 所示(图9)。在进行 roGFP2-VKSKL 检测时,我们未对 diKillerRed-VKSKL 进行成像,以避免成像过程中产生额外的 ROS。位于 图9 右下角的 diKillerRed-VKSKL 图像是在完成所有 roGFP2-VKSKL 检测后采集的,以清晰标示受损过氧化物酶体的位置13。实验数据还显示,未受照射的过氧化物酶体未受到影响,表明该方法具有高度精确性。ROS 会导致少量过氧化物酶体驻留分子发生氧化,从而引起过氧化物酶体功能障碍。这种急性操作可有效用于深入研究多种过氧化物酶体质量控制通路。
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本方案详细描述了如何通过光照升高过氧化物酶体内的活性氧(ROS)水平,从而在细胞培养物中诱导Stub1介导的过氧化物酶体自噬(pexophagy)。由于该方案依赖于染料辅助的ROS生成,因此需要确保目标细胞中充分表达diKillerRed-VKSKL或染料标记的SLP配体。鉴于不同细胞类型或不同遗传背景的细胞其过氧化物酶体可能具有略微不同的特性,可能需要调整具体的光照条件以确保有效诱导过氧化物酶体自噬。检测Stub1介导的过氧化物酶体自噬是否被成功激活的一个可靠指标是观察EGFP-Ub是否在光照后转位至受照的过氧化物酶体上(光照后1小时)13。在健康细胞中,EGFP-Ub信号通常均匀分布于细胞质中,因此其向受照过氧化物酶体的转位易于观察。为优化光照条件,可调整光照强度或光照时间。在试图损伤过氧化物酶体时,应尽量避免对染料过度照射,因为某些染料可能发生光化学反应,干扰后续成像。例如,已有研究表明,KillerRed过度照射后会呈现微弱的绿色荧光。过度照射会在光照结束后立即在受照的过氧化物酶体上产生微弱的绿色信号23(这与基于EGFP的报告蛋白的...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
本工作部分得到了中国台湾国家科学与技术委员会资助项目MOST 111-2311-B-001-019-MY3的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 直径20 mm玻璃微孔的35 mm培养皿 | MatTek | P35G-1.5-20-C | 20 mm 玻璃底 |
| 3-氨基-1,2,4-三唑(3-AT) | Sigma Aldrich | A8056 | |
| 牛血清 | 赛默飞世尔科技 | 16170060 | |
| 细胞培养箱 | Nuaire | NU-4750 | |
| diKillerRed-PTS1 | 中国台湾中央研究院 | 通过将 KillerRed 串联二聚体与 PTS1(VKSKL)融合而成 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | 赛默飞世尔科技 | 11965092 | |
| Dulbecco改良型Eagle培养基/营养混合物F-12(DMEM/F-12) | 赛默飞世尔科技 | 11330032 | |
| EGFP-C1 | Clontech | pEGFP-C1 | EGFP-C1 载体骨架用于克隆 EGFP-Stub1、EGFP-Hsp70、EGFP-p62 |
| EGFP-Hsp70 | 中国台湾中央研究院 | Hsp70 基因(HSPA1A)从 HeLa cDNA 中通过 PCR 扩增,并克隆至 EGFP-C1 载体 | |
| EGFP-LC3B | Addgene | 11546 | |
| EGFP-p62 | 中国台湾中央研究院 | 通过将人 SQSTM1 基因(经 PCR 扩增自 HeLa 细胞 cDNA)插入 EGFP-C1 载体构建而成 | |
| EGFP-Stub1 | 中国台湾中央研究院 | 通过将小鼠 Stub1 基因(经 PCR 扩增自小鼠肾总 cDNA)插入 EGFP-C1 载体构建而成 | |
| EGFP-Ub | Addgene | 11928 | |
| 胎牛血清 | 赛默飞世尔科技 | 10437028 | |
| HaloTag TMR 配体 | Promega | G8252 | |
| HaloTag-PTS1 | 中国台湾中央研究院 | 将PTS1添加并克隆至EGFP-C1载体骨架中 | |
| HEPES | 赛默飞世尔科技 | 15630080 | |
| 倒置共聚焦显微镜 | Olympus | FV3000RS | 405 nm 激发,488 nm 激发,561 nm 激发 配备TOKAI HIT腔室培养箱和UNIV2-D35培养皿支架的显微镜 |
| Janelia Fluor 646 HaloTag 配体 | Promega | GA1120 | |
| LED | VitaStar | PAR64 | 80 W,555-570 nm |
| lipofectamine 2000 | 赛默飞世尔科技 | 11668 | 转染试剂 |
| NIH3T3 细胞 | ATCC | CRL-1658 | 贴壁的 |
| Opti-MEM | 赛默飞世尔科技 | 319850 | 低血清培养基 |
| 青霉素/链霉素 | 赛默飞世尔科技 | 15140 | |
| PMP34-TagBFP | 中国台湾中央研究院 | 从HeLa cDNA中PCR扩增PMP34并克隆至TagBFP-C(Evrogen FP171) | |
| roGFP2-PTS1 | 中国台湾中央研究院 | 通过将 eroGFP(源自 Addgene 质粒 20131)的 C 末端添加氨基酸序列 VKSKL,并克隆至 EGFP-C1 载体中构建而成 | |
| SHSY5Y 细胞 | ATCC | CRL-2266 | 贴壁的 |
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