Das Protokoll zeigt eine auf Durchflusszytometrie basierende Methode, die Chemie verwendet, um den Energiestoffwechsel in Zellen zu untersuchen.
Methodenartikel
Das Protokoll zeigt eine auf Durchflusszytometrie basierende Methode, die Chemie verwendet, um den Energiestoffwechsel in Zellen zu untersuchen.
Nach der Antigenstimulation durchlaufen naive T-Zellen eine schnelle Proliferation und Expansion zu Effektor-T-Zellen. Der Stoffwechsel spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Biomasse, die für diese schnell vermehrenden Zellen benötigt wird, und bei der Erzeugung von Molekülen, die für die Differenzierung und Funktion von Effektor-T-Zellen benötigt werden und das Ergebnis der adaptiven Immunantwort bei Infektionen oder Krebserkrankungen beeinflussen. Naive T-Zellen programmieren ihren Stoffwechsel nach antigener Stimulation um, um die Produktion von ATP zu erhöhen, das zur Unterstützung ihres Wachstums, ihrer Biosynthese und ihrer Effektorfunktionen erforderlich ist. ATP kann in einer Zelle entweder über den Weg der mitochondrial-oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) oder über den glykolytischen Weg erzeugt werden. Da der größte Teil des in einer sich teilenden, wachsenden Zelle erzeugten ATP für die Synthese von Proteinen verbraucht wird, wurde die Proteinsynthese als Surrogat für den ATP-Spiegel verwendet. Die Proteinsynthese kann durch den Einbau von Puromycin gemessen werden, das das 3'-Adenosin einer tRNA nachahmt, die mit einem modifizierten Tyrosin geladen ist, und zu einer spontanen Beendigung der Proteintranslation führt. Metabolische Inhibitoren wie 2-Desoxyglucose (2DG), das den glykolytischen Signalweg blockiert, und Oligomycin (O), das den Komplex 5 der Elektronentransportkette (ETC) blockiert, können verwendet werden, um die Abhängigkeiten der zellulären ATP-Bildung von diesen beiden Signalwegen in Verbindung mit der Bewertung der Proteinsynthese in einer Methode namens SCENITH zu untersuchen. Wir beschreiben hier eine Variation dieser Methode, die den Einbau von Puromycin mittels Durchflusszytometrie mittels Chemie nachweist. Diese Methode zur Untersuchung des Stoffwechsels ist relativ einfach und kann zur Bewertung seltener Zellpopulationen sowie von Patientenproben mittels Durchflusszytometrie verwendet werden.
In den letzten Jahren wurde die wichtige Rolle des Stoffwechsels bei der Regulation von T-Zellen zunehmend anerkannt. Der zelluläre Stoffwechsel reguliert viele kritische Funktionen in Lymphozyten, einschließlich der klonalen Expansion von pathogenspezifischen T-Zellen und ihrer Differenzierung in Effektorzell-Untergruppen, die eine Vielzahl von Effektormolekülen synthetisieren, einschließlich inflammatorischer Zytokine und zytolytischer Granzyme, die zur Abtötung von Krankheitserregern erforderlich sind1. Die Untersuchung des T-Zell-Stoffwechsels ist daher sowohl für die Bewertung der normalen T-Zell-Funktion als auch für die Entwicklung potenzieller Therapeutika wichtig.
Naive T-Zellen sind metabolisch ruhig und für ihren Energiebedarf auf den katabolen Stoffwechsel und die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) angewiesen 1,2. Nach der Aktivierung des T-Zell-Rezeptors (TCR) durchlaufen T-Zellen eine schnelle metabolische Reprogrammierung, die zum Teil durch die Hochregulierung von Nährstofftransportern auf der Zelloberfläche angetrieben wird, die die Aufnahme von Glukose und mehreren Aminosäuren, einschließlich Glutamin, aus der Umwelt erhöhen. Diese Nährstoffbausteine werden dann in anabolen Wegen verwendet, um Makromoleküle herzustellen, die zum Zellwachstum beitragen und den erhöhten Energiebedarf unterstützen, der mit einem erhöhten Zellwachstum und einer erhöhten Zellteilung verbunden ist 1,2,3. Die metabolische Reprogrammierung in aktivierten T-Zellen macht die Zellen für ihren Energiebedarf abhängiger von aerober Glykolyse und Glutaminolyse 1,2,3. Bei der TCR-Stimulation spielt die Aufnahme von Nährstoffen auch eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung nachgeschalteter molekularer Signalwege3. Zum Beispiel aktivieren die Aufnahme von Aminosäuren und eine erhöhte lokale Aminosäurekonzentration die mTORC1-Signalgebung4. Umgekehrt verringert sich durch die Verringerung der Verfügbarkeit intrazellulärer Aminosäuren der mTORC1-Signalweg 2,3,5,6,7. So sind Stoffwechsel und zelluläre Funktion in einer Effektor-T-Zelle eng miteinander verknüpft.
Die starke Zunahme der Biomasse, die für die schnelle Teilung von T-Zellen erforderlich ist, erfordert eine Hochregulierung der Proteinsynthese/-translation8. Die Proteinsynthese kann in einer Zelle quantifiziert werden, indem der Einbau von Puromycin9 untersucht wird, einer Tyrosyl-tRNA-Nachahmung, die die Translation blockiert, indem sie längliche Polypeptidketten von translatierenden Ribosomen9 einbaut, markiert und freisetzt. Die Proteintranslation ist ein hochenergieabhängiger Prozess; Tatsächlich wird der größte Teil des ATP, das bei sich teilenden, wachsenden Zellen erzeugt wird, für die Synthese von Proteinen verwendet. Daher wurde die Proteinsynthese als Surrogatmessung für zelluläres ATP10 verwendet. Um ATP zu erzeugen, verlassen sich Zellen üblicherweise auf die Glykolyse und/oder den mitochondrialen OXPHOS-Signalweg11. Bei der Glykolyse werden zwei ATP-Moleküle pro Glukosemolekül erzeugt. Der OXPHOS-Signalweg erzeugt 36 ATPs pro Glukose12,13, aber die Glykolyse kann ATP schneller erzeugen14. Daher sind sich schnell teilende aktivierte T-Zellen, wie Krebszellen, stark auf den glykolytischen Weg für die ATP-Bildung angewiesen.
Die Abhängigkeit einer Zelle von jedem Stoffwechselweg kann durch den Einsatz spezifischer Inhibitoren untersucht werden. Der Glykolytische Signalweg-Inhibitor 2-Desoxyglucose (2-DG), der ein Glukoseanalogon ist, wirkt als kompetitiver Inhibitor für das glykolytische Enzym Hexokinase15. 2-DG wird durch Hexokinase zu 2DG-Phosphat (2DG-P) phosphoryliert. 2DG-P kann nicht weiter durch Phosphohexose-Isomerase metabolisiert werden, die normalerweise Glucose-6-phosphat (G-6-P) in Fructose-6-phosphat16 umwandelt. 2DG-P wird daher eingeschlossen und reichert sich in den Zellen an, was zu einer Hemmung der Glykolyse und einer Erschöpfung des zellulären ATP führt, wodurch die Proteinsynthese blockiertwird 17. In ähnlicher Weise kann die Abhängigkeit von Zellen vom mitochondrialen OXPHOS-Signalweg mit Hilfe von Oligomycin untersucht werden, das an den Protonenkanal der ATP-Synthase der Elektronentransportkette (ETC)18 bindet und so die mitochondriale ATP-Synthese blockiert (Abbildung 1). Die Verwendung dieser Inhibitoren in Verbindung mit einer Bewertung der Proteinsynthese kann ein Bild des Stoffwechselzustands von Zellen liefern und wurde in einer leistungsstarken Einzelzellmethode namens SCENITH verwendet, die den Einbau von Puromycin mittels Durchflusszytometrie bewertet10. Die Verfügbarkeit von SCENITH-Reagenzien kann jedoch eingeschränkt sein. Andere häufig verwendete Techniken zur Bewertung von Glykolyse und OXPHOS sind extrazelluläre Flussanalysen von Seepferdchen, die eine größere Zellzahl erfordern, was experimentell möglicherweise nicht durchführbar ist. In diesem Artikel beschreiben wir eine alternative Methode zur Bewertung des Puromycin-Einbaus unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Click-it-Chemiereagenzes. Die Leichtigkeit dieser Methode ermöglicht eine schnelle Bewertung des Stoffwechselzustands von Lymphozyten, einschließlich seltener Zellpopulationen und Patientenproben.
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Die Tierhaltung und die Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit dem genehmigten Protokoll G98-3 des National Human Genome Research Institute's Animal Use and Care Committee, NIH, und dem vom National Institute of Allergy and Infectious Diseases Animal Care and Use Committee, NIH, genehmigten Protokoll LISB 22E durchgeführt. Für die vorliegende Studie wurden männliche C57Bl/6J-Mäuse im Alter von 6-12 Wochen verwendet, die unter spezifischen pathogenfreien (SPF) Bedingungen gezüchtet und gehalten wurden. Ähnliche Ergebnisse wurden mit weiblichen Mäusen erzielt. Menschliches Vollblut wurde aus der NIH-Blutbank im Rahmen des vom NIH Clinical Center IRB genehmigten Protokolls 99-CC-0168 "Collection and Distribution of Blood Components from Healthy Donors for In Vitro Research Use" gewonnen. Die schriftliche Einverständniserklärung wurde von allen Probanden in Übereinstimmung mit der Erklärung von Helsinki eingeholt.
1. Isolierung und Kultivierung von CD4+ T-Zellen an der Maus
2. Isolation und Kultur menschlicher PBMCs
3. Metabolischer Assay
HINWEIS: Es ist wichtig, alle Zellen, Inhibitoren [Oligomycin (O), 2-Desoxyglucose (2-DG), DMSO (Co)] und O-Propargyl-Puromycin (OPP)-Reagenz so nah wie möglich an 37 °C zu halten. Aliquotieren Sie die Zellen, Inhibitoren und das OPP-Reagenz auf 96-Platten mit U-Boden und belassen Sie die Platten so weit wie möglich in einem 37 °C-Inkubator. Aliquot die Inhibitoren 2-DG und O in kleinere Volumina, um mehrfaches Einfrieren und Auftauen zu vermeiden.
4. Analyse des metabolischen Assays
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Naive CD4+ T-Zellen wurden aus der Milz und den Lymphknoten von Mäusen isoliert und für 72 Stunden zu Th0 oder nicht-polarisierten (NP) Linien differenziert. Die Zellen wurden nach 0 h, 48 h und 72 h Kultur geerntet, und der OPP-Einbau wurde anhand des MFI des OPP gemessen. Naive CD4+ T-Zellen waren weniger synthetisch als die aktivierten T-Zellen, wie der MFI von OPP zeigt (Abbildung 3). Naive Zellen waren teilweise von der Glykolyse abhängig, aber mehr noch vom OXPHOS...
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Diese Arbeit stellt eine Methode zur Untersuchung des Stoffwechsels in lymphatischen Zellen mittels Durchflusszytometrie vor, die auf der SCENITH-Technologie basiert, jedoch unter Verwendung der chemischen Markierung von eingebautem Puromycin. Obwohl wir uns auf Lymphozyten konzentriert haben, kann dieses Protokoll angepasst werden, um den Stoffwechsel in jedem Zelltyp zu untersuchen. Diese Methode ist auch vorteilhaft, um den Stoffwechsel in seltenen Zellpopulationen und Patientenproben...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Wir danken Dr. Qin Xu und Dr. Avik Dutta für die Bereitstellung von PBMC-Proben und wertvollen experimentellen Vorschlägen. Diese Forschung wurde teilweise von der Abteilung für intramurale Forschung des NIAID, NIH, unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 2-Mercaptoethanol | Thermo Fisher | 21985-023 | |
| Alexa Fluor 488 Anti-Puromycin Antikörper | Biolegend | 381506 | Verwendete Verdünnung: 1/100 |
| Alexa Fluor 647 Anti-Human-CD4-Antikörper | Biolegend | 357422 | Verwendete Verdünnung: 1/50 |
| BD Horizon BUV737 Ratte Anti-Maus CD4 | BD Biosciences | 612761 | verwendete Verdünnung: 1/200 |
| Click-iT Plus OPP Alexa Fluor 488 Protein Synthesis Assay Kit | Thermo Fisher | C10456 | |
| HEPES (1 m) | Thermo Fisher | 15630080 | |
| Human Serum | Millipore Sigma | H4522 | |
| IMDM, GlutaMAX Supplement, 500 ml | Thermo Fisher | 31980030 | |
| InVivoMAb Anti-Maus CD28, Klon: 37.51 | BioXcell | BE0015-1 | |
| InVivoMAb Anti-Maus-CD3ε, Klon: 145-2C11 | BioXcell | BE0001-1 | |
| InVivoMAb Anti-Maus-IFNγ, Klon: XMG1.2 | BioXcell | BE0055 | |
| InVivoMAb Anti-Maus IL-12 p40, Klon: C17.8 | BioXcell | BE0051 | |
| InVivoMAb Anti-Maus IL-4, Klon: 11B11 | BioXcell | BE0045 | |
| L-Glutamin (200 mM) | Thermo Fisher | 25030081 | |
| LIVE/DEAD Fixable Aqua Dead Cell Stain Kit, für 405 nm Anregung | Thermo Fisher | L34966 | Verwendete Verdünnung: 1/600 |
| LSM Lymphozyten-Trennmedium | MP Biomedicals | 50494X | |
| MEM Lösung für nicht-essentielle Aminosäuren (100X) | Thermo Fisher | 11140050 | |
| Mitomycin C aus Streptomyces caespitosus | Sigma | M0503-10X2MG | |
| Naives CD4-Isolationskit, Maus | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | |
| Paraformaldehyd 16% wässrige Lösung EM | Grade Elektronenmikroskopie | Sciences 15710 | |
| PBS (1X), pH 7,4, 500 mL | Quality Biologicals | 114-058-101 | |
| Penicillin-Streptomycin (10.000 U/ml). 100 mL | Thermo Fisher | 15140122 | |
| Phytohämagglutinin-L (PHA-L) | Millipore Sigma | 11249738001 | |
| Premium Grade Fötales Rinderserum (FBS) | Avantor | 97068-085 | |
| RPMI 1640 Medium, kein Glutamin | Thermo Fisher | 21870076 | |
| Saponin | Thermo Fisher | A18820.22 | |
| Natriumpyruvat (100 mM) | Thermo Fisher | 11360070 |
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