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Research Article
Christian Berens1,2, Stephanie Bisle3, Leonie Klingenbeck3, Anja Lührmann3
1Department Biologie,Friedrich-Alexander-Universität, 2Institut für Molekulare Pathogenese,Friedrich-Loeffler-Institut, 3Mikrobiologisches Institut - Klinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene,Universitätsklinikum Erlangen
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Die hier beschriebene Methode wird verwendet, um die apoptotische Signalkaskade in definierten Schritten zu induzieren, um die Aktivität eines anti-apoptotischen bakteriellen Effektorproteins zu entschlüsseln. Diese Methode kann auch zur induzierbaren Expression von pro-apoptotischen oder toxischen Proteinen oder zur Störung von Interferenzen mit anderen Signalwegen verwendet werden.
Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt es, zu analysieren, zu dem Schritt für ein Zielprotein, oder alternativ ein kleines Molekül, interagiert mit den Komponenten eines Signalwegs. Das Verfahren basiert auf der einen Seite, auf der die induzierbare Expression eines spezifischen Proteins mit einem Signalisierungsereignis zu einem definierten und vorgegebenen Schritt in der gewählten Signalkaskade initiieren. Gleichzeitige Überexpression, andererseits aus dem Gen von Interesse ermöglicht dann der Prüfer zu beurteilen, ob die Aktivität des exprimierten Zielprotein stromaufwärts oder stromabwärts von dem eingeleiteten Signalereignisses, abhängig von der Ablesung der Signalweg, der gewonnen wird. Hier wurde die Apoptosekaskade als definierte Signalweg zum Protokollfunktionalität zu demonstrieren ausgewählt. Pathogene Bakterien, wie Coxiella burnetii, translozieren Effektorproteinen, die mit dem Host-Zelltod-Induktion in der Wirtszelle eingreifen, um Überleben der Bakterien in der Zelle zu gewährleisten und zur Förderung ihrerVerbreitung im Organismus. C. burnetii Effektorprotein CAEB wirksam inhibiert Wirtszelle Tod nach Induktion der Apoptose mit UV-Licht oder mit Staurosporin. Zu verengen, bei der Schritt CAEB stört die Ausbreitung des apoptotischen Signals wurden ausgewählte Proteine mit gut charakterisierte pro-apoptotische Aktivität vorübergehend in einer Doxycyclin-induzierbaren Weise exprimiert. Wenn CAEB wirkt stromauf dieser Proteine wird Apoptose ungehindert ablaufen. Wenn CAEB wirkt stromabwärts wird Zelltod gehemmt werden. Die Testproteine wurden ausgewählt Bax, die auf der Ebene der Mitochondrien und Caspase 3, die die Hauptscharf Protease wirkt. CAEB stört Zelltod durch Bax-Expression induziert, aber nicht von Caspase-3-Expression. CAEB somit in Wechselwirkung mit der apoptotischen Kaskade zwischen diesen beiden Proteinen.
Die Virulenz von vielen Gram-negative bakterielle Erreger hängt von spezialisierten Sekretionssysteme zu eukaryotischen Wirtszellen zu entführen. Bakterien nutzen diese Sekretionssysteme bakterieller Virulenzproteine (Effektoren) in die Wirtszelle injiziert werden, um eine Vielzahl von zellulären und biochemischen Aktivitäten modulieren. Das Studium der Effektorproteine nicht nur bemerkenswerten Einblick versehen, in grundlegende Aspekte der Wirt / Pathogen-Interaktionen als auch in die grundlegende Biologie von eukaryotischen Zellen 1. Modulation der Wirtszelle Apoptose wurde gezeigt, dass ein wichtiger Mechanismus für die Virulenz viele intrazelluläre Pathogene zu sein, und eine Anzahl von Effektor-Proteine modulieren Apoptose identifiziert wurden 2-9. , Ihren genauen molekularen Mechanismen der Tätigkeit bleiben jedoch schwer in vielen Fällen.
Apoptose, eine Form des programmierten Zelltods, spielt eine wichtige Rolle bei der Immunantwort auf eine Infektion 10. Zwei Hauptwege, die zu Apoptose habenidentifiziert: zur Förderung der Mitochondrien (intrinsische Apoptose) oder direkte Weiterleitung des Signals über den Zelltod-Rezeptoren an der Plasmamembran (extrinsische Apoptose). Die intrinsische oder Mitochondrien vermittelte Zelltod wird durch intrazelluläre Signale ausgelöst und beinhaltet die Aktivierung von Bax und Bak, zwei proapoptotischen Mitglieder der Bcl-2-Familie. Diese Familie wird von pro- und anti-apoptotischen Regulatorproteine, die den Zelltod 11-14 steuern zusammen. Die Aktivierung der Apoptose führt zu Oligomerisierung von Bax und Bak, gefolgt von nachfolgenden Permeabilisierung der mitochondrialen Außenmembran, was zu einer Freisetzung von Cytochrom c in das Zytoplasma. Freisetzung von Cytochrom c initiiert Aktivierung der Effektor-Caspasen 3 und 7 durch die Aktivierung von Caspase-9 in der apoptosome 15. Dies führt zu einer Proteolyse von ausgewählten Substraten, die unter anderem führt die Exposition von Phosphatidylserin an der Zelloberfläche 16 und befreit einen dedizierten DNase, die CH-Fragmentenromatin 17,18.
Um zu bestimmen, wo innerhalb der Apoptosekaskade eine individuelle Effektorprotein stört, wurde ein induzierbares Expressionssystem 19 eingesetzt wird. Regulierungssysteme für die bedingte Expression von Transgenen wurden ein wertvolles Werkzeug in der Funktion eines Proteins innerhalb der Zelle oder ihrer Bedeutung für Gewebe, Organ und Entwicklung des Organismus, als auch während der Initiation, Progression und Wartung der Krankheit 20-23 analysiert. Typischerweise induzierbare Kontrollsysteme, wie das Tet-System 24 hier verwendet wird, bilden einen künstlichen Transkriptionseinheit (siehe Abbildung 1). Eine Komponente ist eine künstlich konstruierte Transkriptionsfaktor genannt tTA (Tetracyclin-abhängige Transkriptionsaktivator), durch Fusion des bakteriellen Transkriptionsrepressor TetR 25 an einen Säugetier-Protein-Domäne, die die transkriptionale Aktivierung vermittelt oder Schalldämpfer 24,26 gebildet. Die zweite Komponente ist ein HybridPromotor bezeichnet TRE (tetracycline-responsive element), bestehend aus einem eukaryontischen minimalen Promotor, mindestens eine TATA-Box und eine Transkriptionsinitiationsstelle enthält, verbunden mit mehrfachen Wiederholungen der passenden DNA-Bindungsstelle für TetR, tetO 24,25. Die dritte Komponente ist der natürliche Ligand von TetR, Tetracyclin oder eines seiner Derivate, wie Anhydrotetracyclin und Doxycyclin 25. Bei Ligandenzugabe zum Kulturmedium verliert TetR seine Affinität für tetO und distanziert von der TRE. Als Ergebnis wird die Transkription des Zielgens aufgelöst. Transgen-Expression kann somit fest in einer zeit- und dosisabhängigen Art und Weise sowohl in der Zellkultur und in Tier 20,23,24 gesteuert werden. Mit tTA tritt Transgen-Expression konstitutiv, außer in Gegenwart von Tetracyclin. Dies kann ein Nachteil in der Studie von cytotoxischen oder onkogene Proteine sein, weil Tetracyclin zunächst vom System entfernt werden, bevor Transgen expression erfolgt und Wirkungen des Zielproteins auf der Zelle überwacht werden. Dies kann zeitaufwendig sein und ist nicht immer vollständig, insbesondere in transgenen Tieren 27. Um diese Einschränkung zu beheben, wurde ein TetR-Mutante mit einer umgekehrten Reaktion auf die Anwesenheit von Doxycyclin verwendet, um einen neuen Transkriptionsfaktor zu erzeugen, rtTA (reverse tTA) 28. Es bindet nur an dem TRE und damit einhergehend die Transkription in Gegenwart von Doxycyclin. Restundichtheit des Systems, dh., Transgen-Expression in Abwesenheit von TRE-gebundenen Transkriptionsfaktor Ursprung entweder (i) von Positionseffekten in einer genomischen Integrationsstelle, (ii) von der TRE selbst 29 oder (iii) aus nicht -spezifische Bindung von tTA / rtTA 28 wurde durch Einführung eines zusätzlichen transkriptionalen Schalldämpfer gerichtet, sogenannte TTS (Tetracyclin-abhängige Transkriptions Schalldämpfer) 30 an das System. Es bildet sich ein Zweiregler Netzwerk zusammen mit rtTA (siehe Abbildung 1).In Abwesenheit von Doxycyclin, bindet TTS TRE und schaltet alle verbleibenden Transkription aktiv. In Gegenwart von Doxycyclin, distanziert tTS von TRE und rtTA bindet gleichzeitig Induktion der Expression des Zielgens. Diese zusätzliche Schicht aus Stringenz ist oft notwendig, hochaktive zytotoxische Proteine 31-34 exprimieren.
Mit diesen streng kontrollierten Doppelregler-System kann die Apoptosekaskade bei einer definierten Schritt kann Analysen, ob die gegebene Effektorprotein mit Apoptose stören initiiert werden. Dieses Verfahren kann nicht nur verwendet werden, um die anti-apoptotische Aktivität von bakteriellen Effektorproteine studieren, sondern auch für die induzierbare Expression von pro-apoptotischen oder toxische Proteine oder zum Präparieren Interferenzen mit anderen Signalwegen.
1. Erzeugung von stabilen Zelllinien, die das Protein von Interesse
2. Analyse der stabilen Zelllinien durch Immunoblot-Analyse
3. Analysieren Sie die Zellen mit einem Durchflusszytometer.
4. Transfektion der stabilen Zelllinie mit dem induzierbaren Expressionsvektorsystem
5. Induktion der Apoptose
6. Analyse der Wirtszell-Apoptose, die durch Immunblot-Analyse
Zunächst wurden HEK293-Zelllinien, stabil das Protein von Interesse (CAEB) Exprimieren als GFP-Fusionsprotein hergestellt. Als Kontrolle wurden HEK293-Zelllinien, die stabil GFP generiert. Expression von GFP und GFP-CAEB wurde durch Immunoblot-Analyse verifiziert. Der Vertreter Immunoblot (4A) zeigt stabile und klar nachweisbare Expression von GFP und GFP-CAEB. Jedoch kann dieser Assay nicht bestimmen, ob alle Zellen exprimieren GFP oder GFP-CAEB. Daher wurden die stabil transfizierten HEK293-Zelllinien auch durch Durchflusszytometrie analysiert. Wie in 4B gezeigt ist, mehr als 90% der Zellen in beiden Zelllinien exprimiert GFP. Somit können diese stabile Zelllinien verwendet werden, um eine weitere Analyse der Funktion CAEB werden. Im nächsten Schritt wurde die anti-apoptotische Aktivität von CAEB durch Immunoblot-Analyse unter Verwendung eines Antikörpers gegen gespalten PARP untersucht. Proteolytische Spaltung von Kern PARP inaktiviert DNA-Reparatur-Aktivität und ist eine typische Marker des terminal Stadien der Apoptose. Spaltung von PARP ist in HEK293-GFP oder HEK293-GFP-CAEB Zellen nachgewiesen, was zeigt, daß weder die Expression von GFP, noch von GFP-CAEB ist toxisch für die Zellen. Wenn jedoch die Zellen mit Staurosporin behandelt ein potenter Induktor von intrinsischen Apoptose Spaltung von PARP wurde nachgewiesen (5). Wichtig ist, dass HEK293-GFP-CAEB Zellen eine verringerte Spaltung von PARP, was die anti-apoptotische Aktivität des Coxiella burnetii Typ IV-Sekretionssystem Effektorprotein CAEB 7.
Um zu analysieren, zu dem Schritt CAEB stört den apoptotischen Weg wurde das Tet-On-System eingesetzt. Im Einzelnen wurden HEK293-GFP oder HEK293-GFP-CAEB Zellen mit einem Regler Plasmid konstitutiv eine Doxycyclin gesteuerten Dual-Repressor / Aktivator-Setup (Abbildung 2) und eine pTRE Antwort Plasmid, das entweder in voller Länge Menschen Bax oder die aktivierte Form des transfizierten menschlichen Caspase 3, bezeichnet revCasp 3 (Abbildung 3). Dieses System ist streng reguliert, wie durch das Fehlen von PARP-Spaltung unter nicht-induzierenden Bedingungen (Figur 6) gezeigt. Zugabe von Doxycyclin zu den transfizierten Zellen resultierte in der Expression von Bax oder revCasp 3. Wenn CAEB stört den apoptotischen Weg stromabwärts von Bax, dann wird die durch die Expression und nachfolgende Aktivierung von Bax erzeugt apoptotischen Signals sollte durch CAEB Expression blockiert werden. In der Tat, HEK293 Zellen, die stabil, die GFP-CAEB zutiefst Apoptose hemmen durch Doxycyclin gesteuerten Bax Ausdruck, während HEK293-GFP-Zellen angezeigt offensichtlich PARP-Spaltung. Dieses Ergebnis zeigt, dass CAEB Blöcke Apoptose stromabwärts von Bax-Aktivierung. Als nächstes wurde untersucht, ob CAEB mit Caspase-3-Aktivierung stören - ein spätes Ereignis in der apoptotischen Weg. HEK293-GFP-Zellen, sowie HEK293-GFP-CAEB Zellen weisen PARP-Spaltung (Figur 6), was anzeigt, dass, sobald die Effektorcaspase 3 ist aktivATED, CAEB kann nicht verhindern, dass das Auftreten von Apoptose. Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass CAEB wirkt zwischen Bax und Caspase-3-Aktivierung.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Tetracyclin-Regulierungssystem. Die Tet-On-System besteht aus zwei verschiedenen Plasmiden, die regulatorischen und Antwort Plasmide bestehen. Die regulatorischen Plasmid kodiert das Tet-responsive transsilencer (TTS; gefüllter Kreis) und der Tet-responsive Rückwärts Transaktivator (rtTA, offener Kreis). Beide Proteine werden konstitutiv unter der Kontrolle des starken, konstitutiven Elongationsfaktor-1-alpha-Promotor (P EF-1a) ausgedrückt. TTS und rtTA chimäre Transkriptionsfaktoren, die aus einer eukaryotischen Transkriptionsregulationsdomäne (Schalldämpfer oder Aktivator, respectively) und ein bakterieller Tetracyclin-Repressor (TetR). TetR vermittelt DNA-Bindung an sieben tet (tetO) -Sequenzen über die Antwort-Plasmid. TetO stromauf des induzierbaren minimalen Cytomegalovirus-Promotor (P CMV) befindet, welche zusammen das Tet-responsiven Element (TRE). Unter nicht-induzierenden Bedingungen, ist TTS TRE gebunden Ausdruck zu verhindern. Nach Zugabe von Doxycyclin (Dox; gefüllt Diamant), interagiert rtTA mit Dox zu Konformationsänderungen und Aktivierung führt. Aktiviert rtTA ersetzt tTS auf die Reaktion Plasmid, so dass die Transkription des entsprechenden Zielgene Bax und Caspase 3, was zu Apoptose und Zelltod führen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Schematische Darstellung der regulatorischen Plasmid pWHE125. Elements wesentlich zur Vermehrung in bacrien, einschließlich eines Replikationsursprungs (ori pBR) und ein Antibiotikum-Resistenz-Kassette gegen Ampicillin (Amp R) und zur Expression des tet-transregulators, wie die starke, konstitutive immediate early Promotor / Enhancer des humanen Cytomegalovirus (P / E hCMV), eine interne Ribosomen-Bindungsstelle von Poliovirus (PV-IRES) und ein polyA-site von Simian Virus 40 (SV40 polyA) werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3 Schematische Darstellung des Antwort Plasmid. Elemente, die für Vermehrung in Bakterien, einschließlich eines Replikationsursprungs (ori pBR) und ein Antibiotikum-Resistenz-Kassette (Amp R) und für die induzierbare Expression in Eukaryonten, wie beispielsweise die Trans expressiauf der Kassette mit dem Tet-abhängige Minimal-Promotor TREtight (P TREtight), dem Gen von Interesse menschlichen Bax (hBax) und ein polyA-Stelle von Simian Virus 40 (SV40-polyA), dargestellt. Die Transgen-Expressionskassette wird durch Tandem direkte Wiederholungen von zwei Kopien des Huhns HS4 Isolatorkernsequenz (HS4 Kern) flankiert. Zusätzlich ist eine G418-Resistenz-Kassette, bestehend aus einem Maus-Phosphoglyceratkinase-1-Promotor (P mPGK), ein Neomycin-Resistenzgen (G418 R) und eine menschliche Thymidin-Kinase-polyA-Stelle (TK polyA) vorhanden ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen diese Zahl.

Abbildung 4. HEK293-GFP und HEK293-GFP-CAEB stabil grün fluoreszierende Proteine zu exprimieren. (A) Whole-Zelllysaten von HEK293-GFP undHEK293-GFP-CAEB Zellen wurden GFP immungeblottet auf stabile Expression zeigen. (B) Repräsentative Durchflusszytometrie (FACS) Analyse der HEK293-GFP und HEK293-GFP-CAEB Zellen wird gezeigt, dass die Intensität der GFP-Expression zeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 5. Auswirkungen der Expression des GFP-CAEB auf Staurosporin-induzierter Apoptose. HEK293-GFP und HEK293-GFP-CAEB Zellen wurden mit 4 & mgr; M Staurosporin für 6 Stunden behandelt, um intrinsische Apoptose induzieren. Apoptose wurde durch gespalten PARP Immunoblot-Analyse analysiert. PARP-Spaltung wurde in HEK293-GFP-CAEB Zellen im Vergleich zu HEK293-GFP-Zellen reduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehenvon dieser Figur.

Abbildung 6. Verbrauch von der Teton-System, um gezieltere den Angriffspunkt der CAEB. (A) Die Apoptose wurde durch die Expression von Bax in HEK293-GFP und HEK293-GFP-CAEB Zellen induziert. Apoptose wurde durch gespalten PARP Immunoblot-Analyse analysiert. PARP-Spaltung wurde in HEK293-GFP-CAEB Zellen im Vergleich zu HEK293-GFP-Zellen reduziert. (B) Die Apoptose wurde durch Expression revCasp 3 in HEK293-GFP und HEK293-GFP-CAEB Zellen induziert. Apoptose wurde durch gespalten PARP Immunoblot-Analyse analysiert. PARP-Spaltung wurde in HEK293-GFP-CAEB und HEK293-GFP-Zellen vergleichbar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die hier beschriebene Methode wird verwendet, um die apoptotische Signalkaskade in definierten Schritten zu induzieren, um die Aktivität eines anti-apoptotischen bakteriellen Effektorproteins zu entschlüsseln. Diese Methode kann auch zur induzierbaren Expression von pro-apoptotischen oder toxischen Proteinen oder zur Störung von Interferenzen mit anderen Signalwegen verwendet werden.
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sonderforschungsinitiative 796 (SFB796) an A.L. und C.B. sowie durch den ERA-NET PathoGenoMics 3. Aufruf an A.L. unterstützt.
| DMEM | life technologies | 31966-021 | |
| FCS | Biochrom | S0115 | |
| /Strep | life technologies | 15140-122 | |
| OptiMEM | life technologies | 51985 | |
| X-tremeGENE 9 | Roche 6365752001 | ||
| Geneticin | Roth | CP11.3 | |
| Polyethylenimin | Polysciene | 23966 | |
| Doxycyclin | Sigma Aldrich | D9891 | |
| Mini-PROTEAN Tetra Cell | Bio-Rad | 165-8000EDU | |
| Trans-Blot SD Semi-Dry Transfer Cell | Bio-Rad | 170-3940 | |
| PageRuler Vorgefärbte Proteinleiter | Thermo Scientific | 26616 | |
| PVDF-Membran | Millipore | IPVH00010 | |
| Anti-GFP | life technologies | A6455 | |
| anti-gespaltenes PARP | BD Bioscience | 611038 | |
| Anti-Aktin | Sigma Aldrich | A2066 | |
| Maus IgG (H+L)-HRPO | Dianova | 111-035-062 | |
| Kaninchen IgG (H+L)-HRPO | Dianova | 111-035-045 | |
| ECL Western Blotting Substrat | Thermo Scientific | 32106 | |
| Restore Plus Western Blot Stripping Puffer | Thermo Scientific | 46428 |