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ATG9A ist ein Transmembranprotein, das mit mehreren intrazellulären Membrankompartimenten 8,17,22,23,24 assoziiert ist. Unter basalen Bedingungen ist ATG9A hauptsächlich im trans-Golgi-Netzwerk (TGN) lokalisiert, was durch die Immunfluoreszenz des endogenen Proteins und die Überlappungen mit GM130, einem cis-Golgi-Marker (Abbildung 1A), sowie in kleinen Vesikel, die sich teilweise mit dem endozytären Recyclingkompartiment (ERC) überlappen, angezeigt wird23. Die Lokalisation von ATG9A am Golgi kann mit verschiedenen Immunfluoreszenzprotokollen nachgewiesen werden. Die vesikuläre Fraktion von ATG9A sowie seine Lokalisationsänderung, insbesondere die Zunahme des vesikulären Pools, als Reaktion auf spezifische Stimuli wie Nährstoff- und Serummangel können jedoch in ihrer Intensität sehr unterschiedlich sein und mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren nur schwer sichtbar werden. Das Verhältnis zwischen ATG9A, das am Golgi lokalisiert ist, und ATG9A, das an einer vesikulären Fraktion lokalisiert ist, wird als ATG9A-Ausbreitungsrate bezeichnet. Um Veränderungen in der ATG9A-Ausbreitungsrate zu erkennen, z. B. nach einer EBSS-Behandlung, die zur Depletion von Serum- und Aminosäuren verwendet wird, sind ein Golgi-Marker wie GM130 oder TGN46 und ein Zytoskelettmarker wie Phalloidin, der die Zellkontur25 färbt, nützlich, um die ATG9A-Ausbreitung leicht zu quantifizieren (Abbildung 1B). Wichtig ist, dass die Analyse des mittleren Fluoreszenzverhältnisses nur als Vergleichsmaß zwischen den Bedingungen und nicht als feste Ausbreitungsrate interpretiert werden kann. Das Verhältnis zwischen den Kompartimenten hängt stark von biologischen und nicht-biologischen Faktoren ab, wie z. B. der verwendeten Zelllinie, der Färbequalität oder den angewandten Schwellenmethoden (Abbildung 1B). Aus diesem Grund muss der Forscher eine Pipeline einrichten, die in der Lage ist, die ATG9A-Golgi-Anreicherung unter ihren spezifischen experimentellen Bedingungen zu detektieren und dann die Analyse mit den gleichen Parametern auf alle zu analysierenden Bilder in der zu analysierenden Menge auszuweiten. Repräsentative binäre Bilder und Bereiche, die für die Analyse der mittleren Fluoreszenz von ATG9A ausgewählt wurden, sind in Abbildung 1B als Leitfaden dargestellt.
ATG9A beherbergt mehrere Transmembrandomänen, die von zwei relativ flexiblen und unstrukturierten N- und C-terminalen Domänen flankiert werden, von denen die C-terminale Sequenz fast die Hälfte des Proteins12 umfasst. Wichtig ist, dass das Lokalisierungsmuster von überexprimiertem ATG9A beeinflusst werden kann, indem das Proteinende markiert wird (Abbildung 2A). Insbesondere bei der Verwendung von transienten Expressionssystemen und der Markierung von ATG9A direkt an seinem N-Terminus mit einem fluoreszierenden Tag (z. B. eGFP, mRFP oder Derivaten) kann seine Golgi-Lokalisierung teilweise beeinträchtigt werden, wobei unter basalen (d. h. gefütterten) Bedingungen eine geringere Anreicherung zu beobachten ist, während die ATG9A-Vesikel immer noch gut sichtbar sind (Abbildung 2A). Die Markierung von ATG9A an seinem C-Terminus scheint leicht größere GFP-positive Cluster zu induzieren, die aggregiert werden könnten. Schließlich zeigt auch eine monomere Version von mRFP-ATG9A ähnliche fluoreszierende Vesikelcluster und eine geringe Golgi-Färbung in überexprimierenden Zellen (Abbildung 2A).
ATG9A faltet sich in der ER-Membran, bevor es zu den Golgi- und ATG9A-Vesikeln transportiert wird. Während seines Aufenthalts im ER wird ATG9A durch N-verknüpfte Glykane auf Asparagin 99 modifiziert und erwirbt dann beim Erreichen des Golgi komplexe, reife N-verknüpfte Glykane 1,14. Diese Modifikation durch Glykosylierung kann durch Western Blot durch das Auftreten einer Doppelbande14 nachgewiesen werden. In Übereinstimmung mit seiner intrazellulären Lokalisation beherbergt das endogenste ATG9A komplexe N-verknüpfte Glykane, und daher ist die höhermolekulare Bande vorherrschend, wobei auch eine schwache niedermolekulare Bande sichtbar ist (Abbildung 2B). Das Vorhandensein einer Doppelbande ist am ehesten bei der Verwendung von Trisacetat-Gelen zur Verbesserung der Auflösung von Proteinen mit höherem Molekulargewicht zu erkennen (Abbildung 2B, Kontrolle, t = 0). Wenn das endogene Protein einer PNGase F-Behandlung (Peptid:N-Glykosidase F) unterzogen wird, die den größten Teil der komplexen N-verknüpften Glykane entfernt, läuft das Protein als einzelne Bande (Abbildung 2B, PNGase F, t = 0). Daher kann der N-verknüpfte Glykosylierungsstatus von ATG9A als Proxy verwendet werden, um den Austritt von ATG9A aus dem ER in den Golgi zu überwachen, was sich im relativen Verhältnis zwischen den beiden Banden widerspiegelt.
Bei transienten Transfizierungen von mRFP-ATG9A-Konstrukten sammelt sich das überexprimierte Protein zunächst im ER an, möglicherweise weil die Transportmaschinerie nicht in der Lage ist, das gesamte ATG9A zu falten und zu transportieren, und die niedrigere Molekulargewichtsbande vorherrscht (Abbildung 2C, Kontrolle t = 0). Bemerkenswert ist, dass nach 24 Stunden der Expression von mRFP-ATG9A eine annähernd gleiche Verteilung zwischen dem oberen und dem unteren Band besteht, was darauf hindeutet, dass sich der mRFP-ATG9A-Pool in den Golgi bewegt (Abbildung 2C, Kontrolle, t = 24). Werden die Zellen mit Cycloheximid (CHX) behandelt, das die de novo Proteinsyntheseblockiert 26, kann die Faltung und der Austritt von ATG9A aus dem ER geklärt werden. Da das endogene Protein gefaltet, glykosyliert und im Golgi residiert ist, verändert die Behandlung mit CHX das Verhältnis der unteren und höheren Molekulargewichtsbanden nicht signifikant (Abbildung 2B, Kontrolle). Unter Verwendung der transienten Expression von mRFP-ATG9A fördert die CHX-Behandlung jedoch die Akkumulation der Bande mit höherem Molekulargewicht (Abbildung 2C, Kontrolle, CHX t = 24). Die überexprimierte mRFP-ATG9A-Bande mit höherem Molekulargewicht kollabiert nach der Behandlung mit PNGase F in die untere Bande (Abbildung 2C, PNGase F, t = 24). Diese Daten zeigen, dass das endogene Protein schnell reife Glykane erwirbt, was sich in der Dominanz der höhermolekularen Bande widerspiegelt, und die CHX-Jagd hat keinen Einfluss auf das Verhältnis der Doppelbanden (Abbildung 2B). Im Falle von vorübergehend überexprimiertem mRFP-ATG9A induziert die CHX-Behandlung die Akkumulation des oberen Bandes, was darauf hindeutet, dass reifere Glykane erworben werden, wenn sich der ER-Pool faltet und das ER in den Golgi verlässt (Abbildung 2C).
Die Hinzufügung eines Linkers zwischen der ATG9A-Sequenz und den fluoreszierenden Markierungen kann hilfreich sein, um eine physiologischere Lokalisierung und einen besseren Transport des Proteins zu fördern. Die Fusion einer 3x-FLAG-Sequenz (24 Aminosäuren) zwischen einem N-terminalen Fluorophor und ATG9A trägt dazu bei, dass sich das überexprimierte Protein ähnlich wie das endogene Protein verhält (Abbildung 3). In der Tat kolokalisiert überexprimiertes mCherry-3xFLAG-ATG9A mit dem Golgi-Marker GM130 unter fütterten Bedingungen (Abbildung 3A). Wichtig ist, dass diese Lokalisation und das vesikuläre Kompartiment von ATG9A über die Zeit erhalten bleiben, was eine raumzeitliche Untersuchung des Transports von ATG9A ermöglicht (Abbildung 3B).

Abbildung 1: Bildanalyse der endogenen ATG9A-Lokalisation. (A) Repräsentatives Immunfluoreszenzbild von endogenem ATG9A (rot), GM130 als Golgi-Marker (grün) und Phalloidin zur Visualisierung des Aktin-Zytoskeletts (Cyan). Maßstabsleiste = 10 μm. (B) Ablauf der Bildanalyse zur Bestimmung des Anteils an endogenem ATG9A, der im Golgi-Bereich lokalisiert ist. Maßstabsleiste = 10 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Analyse von fluoreszenzmarkierten ATG9A-Konstrukten durch Lokalisierung und Glykosylierung . (A) eGFP N-terminales ATG9A ist weniger am Golgi lokalisiert und befindet sich hauptsächlich in den Vesikel. eGFP C-terminaled taged ATG9A weist Aggregate innerhalb der Zelle auf (einige Exemplare sind durch weiße Pfeilspitzen gekennzeichnet; eGFP-ATG9A und ATG9A-eGFP sind grün). mRFP N-terminaled taged ATG9A ist weniger am Golgi lokalisiert und befindet sich hauptsächlich in den Vesikel. N gibt die ungefähre Position des Zellkerns an, und der mRFP-ATG9A ist rot. Maßstabsbalken = 5 μm. (B) Endogenes ATG9A erscheint in zwei Banden, wenn es mit Western Blot (Pfeilspitzen) analysiert wird: eine obere Bande (komplexe N-verknüpfte Glykane) und eine untere Bande (keine reifen N-verknüpften Glykane). Die Behandlung mit Cyclohexamid (CHX) hat keinen Einfluss auf das Verhältnis zwischen dem oberen und unteren Band. Die Behandlung mit PNGase F bewirkt das Verschwinden des oberen Bandes. (C) Nach transienter Transfektion von mRFP-markiertem ATG9A in HEK293A Zellen sind zwei prominente Banden auf dem Western Blot (Pfeilspitzen) sichtbar. Die Behandlung mit PNGase F bewirkt das Verschwinden des oberen Bandes. Die Behandlung mit CHX nach der Transfektion führt zu einer erhöhten Glykosylierung, da der Pool an transfiziertem ATG9A aus dem ER in den Golgi transportiert wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Analyse der Lokalisation von mCherry-3xFLAG-ATG9A mittels Immunfluoreszenz und Live-Imaging. (A) Immunfluoreszenzexperimente HEK293A Zellen, die mCherry-3xFLAG-ATG9A vorübergehend überexprimieren und mit dem Golgi-Marker GM130 färben. Maßstabsleiste = 10 μm. Der mCherry-3xFLAG-ATG9A ist rot und der GM130 Golgi Marker ist grün. (B) Montage aus Live-Imaging-Experimenten in HEK293A Zellen, die mCherry-3xFLAG-ATG9A vorübergehend überexprimieren. N bezeichnet die ungefähre Lage des Zellkerns. Zeitrahmen = 1 fps. Maßstabsleiste = 10 μm. Die mCherry-3xFLAG-ATG9A ist in Rot gehalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.