本文介绍了通过免疫印迹法简洁评估细胞外囊泡(EVs)中自噬体标志物LC3-II水平的方法。对EVs中LC3-II水平、自噬溶酶体形成以及omegasome形成的分析表明,当自噬体与溶酶体融合受阻时,STX6在释放LC3-II阳性EVs中具有新的作用。
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本文介绍了通过免疫印迹法简洁评估细胞外囊泡(EVs)中自噬体标志物LC3-II水平的方法。对EVs中LC3-II水平、自噬溶酶体形成以及omegasome形成的分析表明,当自噬体与溶酶体融合受阻时,STX6在释放LC3-II阳性EVs中具有新的作用。
(大)自噬是一种基本的细胞降解途径。在此过程中,称为自噬体的双层膜囊泡包裹细胞质内容物,随后与溶酶体融合以实现降解。除了经典的降解功能外,自噬相关基因还调控一种分泌途径,涉及炎性分子、组织修复因子和细胞外囊泡(EVs)的释放。值得注意的是,在影响脑和脊髓的神经退行性疾病中,致病性蛋白在细胞间传播的过程凸显了理解这一现象的重要性。最近的研究表明,肌萎缩侧索硬化症和额颞叶变性中的关键蛋白——43 kDa反式激活反应DNA结合蛋白(TDP-43),可通过富含自噬体标志物微管相关蛋白1A/1B轻链3B-II(LC3-II)的细胞外囊泡以自噬依赖的方式释放,尤其是在自噬体与溶酶体融合受阻时更为显著。
为了阐明LC3-II阳性细胞外囊泡(EV)形成与释放的潜在机制,必须建立一种简便且可重复的方法,用于评估细胞内和细胞外的LC3-II阳性囊泡。本研究提供了一种详细的实验方案,通过差速离心法分离细胞和EV组分,并利用免疫印迹法检测其中的LC3-II水平。巴佛洛霉素A1(Baf)作为一种抑制自噬体-溶酶体融合的试剂,被用作阳性对照,以提高细胞内和细胞外LC3-II阳性囊泡的水平。肿瘤易感基因101(TSG101)则作为多泡体的标志物。应用该方案发现,在Baf处理的细胞中,通过siRNA介导的突触融合蛋白6(STX6)基因敲低——该基因是散发性克雅氏病的遗传风险因素——可显著增加EV组分中的LC3-II水平,但对TSG101水平无明显影响。这些结果表明,STX6可能在自噬体-溶酶体融合受损的条件下,负向调控LC3-II通过EV的细胞外释放。结合已有的自噬评估方法,该方案为研究特定分子在LC3-II阳性EV形成与释放过程中的作用提供了重要依据。
TAR DNA结合蛋白43(TDP-43)是一种广泛表达的异质性核核糖核蛋白,参与调控外显子剪接、基因转录和mRNA稳定性,这些功能对细胞存活至关重要1,2。在肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶变性(FTLD)等神经退行性疾病中,原本位于细胞核内的TDP-43蛋白异常积聚于细胞质中。这种定位改变导致TDP-43在细胞核中功能丧失,同时在细胞质中产生毒性获得性功能。TDP-43的病理性积聚始于脑和脊髓的特定区域,并以类似朊病毒的方式在这些区域间扩散,该过程与疾病进展密切相关3。然而,TDP-43病理在脑和脊髓中扩散的确切机制仍不清楚。
TDP-43 通过细胞外囊泡(EVs)分泌,且在肌萎缩侧索硬化症(ALS)和TDP-43蛋白病相关的额颞叶变性(FTLD-TDP)患者的血浆及脑脊液(CSF)中检测到升高的TDP-43水平4,5,6。来自确诊为ALS和FTLD患者的脑脊液可诱导人胶质瘤细胞内源性TDP-43的细胞内错误定位和聚集7。因此,通过EVs释放到细胞外的TDP-43可能介导了TDP-43病理在细胞间的传播。
自噬是一种高度保守的细胞降解机制,其过程涉及将不需要的物质包裹在双层膜囊泡(即自噬体)中,自噬体以LC3为标志。这些自噬体与溶酶体相关膜蛋白1(LAMP1)阳性的溶酶体融合,形成自噬溶酶体(LC3+/LAMP1+),从而导致其内容物的降解8。组织学分析表明,在散发性肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者神经元中,包裹包涵体的自噬体出现积聚9。一些家族性ALS和额颞叶变性伴TDP-43蛋白病(FTLD-TDP)的致病基因与自噬调控相关10,11,12。这些发现提示,ALS和FTLD-TDP患者的自噬功能受到抑制。
先前的研究表明,当自噬体-溶酶体融合受到抑制时,TDP-43 会通过携带自噬体标志物 LC3-II 的细胞外囊泡(EVs)分泌13。自噬-溶酶体通路的失调不仅可能导致 TDP-43 在细胞内积聚,还可能促进 TDP-43 通过 EVs 向细胞外释放14。然而,目前尚不清楚携带 LC3-II 的 EVs 是如何被释放的,以及这一过程在 TDP-43 病理扩散中的重要性如何。
EVs 分为大 EVs(直径为 100 至 1000 nm),由细胞表面出芽产生;以及小 EVs(直径为 50 至 150 nm),由晚期内体膜向内出芽(即外泌体)和高尔基体产生。为了分别收集大 EVs 和小 EVs,我们进行连续离心,分别在 20,000 × g 和 110,000 × g 条件下离心收集沉淀。P1 EV 组分(20,000 × g 沉淀)用于收集大 EVs,P2 EV 组分(110,000 × g 沉淀)用于收集小 EVs15。通过免疫印迹检测连续离心获得的大 EVs 和小 EVs 中 LC3-II 水平的方法稳定且可重复16。除了分析 EVs 中的 LC3-II 水平外,分析自噬溶酶体和 omegasome 的形成有助于理解自噬失调如何导致 LC3-II 阳性 EVs 的释放。本文研究表明,当自噬体-溶酶体融合受阻时,SNARE 蛋白 syntaxin 6(STX6)在 LC3-II 阳性 EVs 释放过程中发挥抑制作用,而 STX6 通常促进转运囊泡向靶膜移动17。
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1. 从 HeLa 细胞培养基中制备细胞、P1 和 P2 EV 组分
2. 免疫印迹分析
3. 自噬体和自噬溶酶体数量的分析
4. 成泡沫体形成的分析
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如先前研究所示,Baf处理增加了EV富集组分中TSG101(P1:P < 0.01,P2:P = 0.012,通过EZR19中的双因素方差分析确定)和LC3-II(P1:P < 0.01,P2:P < 0.01,通过EZR19中的双因素方差分析确定)的水平。值得注意的是,Baf处理还增加了EV组分中STX6的水平(P1:P < 0.01,P2:P < 0.01,通过EZR19中的双因素方差分析确定)(图1A),提示STX6可能是EV的组分之一。在EV组分中未检测到增殖细胞核抗原(PCNA)。对细胞组分中STX6的免疫印迹分析显示,STX6的siRNA敲低使其水平降低了一半(图1B)。STX6敲低在对照和Baf处理条件下,均未影响细胞组分和EV组分中的TSG101水平(图1C
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免疫印迹研究揭示了细胞组分、富含微囊泡的P1细胞外囊泡(EV)组分以及富含外泌体的P2 EV组分中LC3-II和TSG101的水平。活细胞成像用于观察自噬体、自噬溶酶体和omegasomes,以探究STX6基因敲低是否影响自噬过程。这些综合结果表明,STX6基因敲低会影响LC3-II阳性EV的释放,可能与自噬通路的失调有关。该方法的一个关键优势在于能够区分来源于不同途径的大、小EV。利用针对微囊泡、外泌体或高尔基体的特异性标志物进行流式细胞术分析,可进一步阐明STX6基因敲低如何影响LC3-II阳性囊泡的释放。
然而,免疫印迹研究的一个局限性在于,尚不清楚在Baf处理条件下,STX6 敲低后EV组分中LC3-II水平的升高是由于释放的LC3-II阳性囊泡数量增加,还是每个EV中LC3-II水平升高所致。为了区分这两种可能性,可通过纳米颗粒追踪分析或流式细胞术分析对囊泡进行计数,以确定LC3-II阳性囊泡的数量是否增加,或每个囊泡中的LC3-II水平是否升高。
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作者声明,他们对本文内容不存在利益冲突。
本工作获得了日本科学技术振兴机构(JSPS)KAKENHI [资助号 23K06837](日本东京)和武田科学基金会(日本大阪)向 Y.T. 提供的资金支持。作者感谢英国剑桥大学医学研究所 David C. Rubinsztein 博士提供 HeLa 细胞。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.25 % 胰蛋白酶 EDTA | Fujifilm Wako | 201-16945 | |
| 10 cm 培养皿 | Thermo Fisher Scientific | 150464 | |
| 15 mL 离心管 | Thermo Fisher Scientific | 339650 | |
| 200 μL 移液枪头 | Nippon Genetics | FG-301 | 移液 |
| 2-巯基乙醇 | Nacalai Tesque | 21417-52 | 用于 样品缓冲液的试剂 |
| 3,3'-二氨基联苯胺四盐酸盐 | Nacalai Tesque | 11009-41 | 用于 DAB 溶液的试剂 |
| 3.5 cm 培养皿 | Thermo Fisher Scientific | 150460 | |
| 6 cm 培养皿 | TrueLine | TR4001 | |
| 铝块恒温浴(干式恒温仪) | EYELA | 273860 | |
| 抽滤器 | SANSYO | SAP-102 | 吸取溶液 |
| Avanti JXN-30 | Beckman Coulter | B34193 | |
| 巴佛洛霉素 A1 | Adipogen | BVT-0252 | |
| 生物素标记的山羊抗兔 IgG 抗体 | Vector Laboratories | BA-1000 | 免疫印迹二抗 |
| 生物素标记的马抗小鼠 IgG 抗体 | Vector Laboratories | BA-2000 | 免疫印迹二抗 |
| Blocking One | Nacalai Tesque | 03953-95 | 用于免疫印迹的封闭剂 |
| 溴酚蓝 | Nacalai Tesque | 05808-61 | 用于 样品缓冲液的试剂 |
| 小牛血清 | cytiva | SH30073.03 | |
| CanoScan LiDE 220 | Canon | CSLIDE220 | 扫描仪 |
| Centrifuge 5702 R | eppendolf | 5703000039 | |
| 双腔计数板 | Bio-Rad | 1450015J | 细胞计数 |
| Digital Sonifier 450 | BRANSON | ||
| 二甲基亚砜 | nacalai tasque | 09659-14 | 溶剂 |
| DMEM 高糖培养基 | Nacalai Tesque | 08458-45 | 培养基 |
| 无酚红 DMEM 培养基 | Nacalai Tesque | 08489-45 | 培养基 |
| EGTA | Dojindo | 348-01311 | 用于 A68 溶液的试剂 |
| Excel | Microsoft | version 16.16.27 | 统计分析 |
| EZR | Reference No. 24 | version 1.68 | 统计分析 |
| FBS | Sigma | 173012 | 培养基 |
| Fiji | NIH | 图像分析工具 | |
| 甘油 | Nacalai Tesque | 09886-05 | 用于 样品缓冲液的试剂 |
| Hoechst33342 | Dojindo | H342 | |
| 过氧化氢 | Fujifilm Wako | 080-0186 | 用于 DAB 溶液的试剂 |
| Kimwipe S-200 | NIPPON PAPER CRECIA | 62011 | 清洁擦拭纸 |
| 低吸附离心管 | Nippon Genetics | FG-MCT015CLB | siRNA 和 DNA 转染 |
| LSM780 共聚焦激光显微镜 | Carl Zeiss | ||
| 单克隆小鼠抗 LC3 抗体 | MBL | M186-3 | 免疫印迹一抗 |
| 氯化镍(II)六水合物 | Fujifilm Wako | 149-01041 | 用于 DAB 溶液的试剂 |
| N-月桂酰肌氨酸钠盐 | Nacalai Tesque | 20117-12 | |
| Optima XE-90 超速离心机 | Beckman Coulter | A94471 | |
| Opti-MEM I 减血清培养基 | Thermo Fisher Scientific | 31985-070 | siRNA 和 DNA 转染 |
| pEGFP-C1-hAtg13 | Addgene | 22875 | |
| 青霉素/链霉素 | Nacalai Tesque | 26253-84 | 培养基 |
| Pierce BCA 蛋白检测试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | 23225 | |
| 多克隆兔抗 PCNA 抗体 | BioAcademia | 70-080 | 免疫印迹一抗 |
| 多克隆兔抗 syntaxin 6 抗体 | ProteinTech | 10841-1-AP | 免疫印迹一抗 |
| 多克隆兔抗 TSG101 抗体 | ProteinTech | 28283-1-AP | 免疫印迹一抗 |
| 多克隆兔抗 ULK1 抗体 | ProteinTech | 20986-1-AP | 免疫印迹一抗 |
| 聚偏二氟乙烯膜 | Milliore | IPVH00010 | 用于免疫印迹的试剂 |
| R | R development core team | version 4.4.1 | 统计分析 |
| RNAiMAX | Thermo Fisher Scientific | 13778 | siRNA 转染试剂 |
| siRNA STX6 | Thermo Fisher Scientific | HSS115604 | 用于转染的 siRNA |
| 氯化钠 | Nacalai Tesque | 31320-05 | 用于 Tris 缓冲液和 A68 溶液的试剂 |
| 十二烷基硫酸钠 | Fujifilm Wako | 192-13981 | 用于 样品缓冲液的试剂 |
| SPARK 微孔板读板仪 | TECAN | ||
| Stealth RNAi 阴性对照双链体,Med GC | Thermo Fisher Scientific | 12935300 | siRNA 转染 |
| 蔗糖 | Fujifilm Wako | 193-00025 | 用于 A68 溶液的试剂 |
| TC20 自动细胞计数仪(带热敏打印机) | Bio-Rad | 1450109J1 | 细胞计数 |
| 恒温仪 | TOKYO RIKAKIKAI | MG-3100 | 孵育 |
| TransIT-293 | Mirus Bio | MIR 2700 | DNA 转染试剂 |
| TransIT-LT1 | Mirus Bio | MIR2300 | DNA 转染试剂 |
| 三羟甲基氨基甲烷 | Nacalai Tesque | 35406-75 | 用于 Tris 缓冲液、样品缓冲液和 A68 溶液的试剂 |
| 0.40% 台盼蓝染液 | Bio-Rad | 1450021 | 细胞计数 |
| 超透明开口离心管,16 x 96 mm | Beckman Coulter | 361706 | 用于收集 P1 EV 组分 |
| 超透明离心管,14 x 89 mm | Beckman Coulter | 344059 | 用于收集 P2 EV 组分 |
| Vectastain ABC 标准试剂盒 | Vector Laboratories | PK-4000 | 免疫印迹 |
| 洗瓶 | As One | 1-4640-02 | 洗涤膜 |
| μ-Slide 8 孔高壁板 | ibidi | 80806 |
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