Le protocole montre une méthode basée sur la cytométrie en flux utilisant la chimie pour étudier le métabolisme énergétique dans les cellules.
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Article de méthode
Le protocole montre une méthode basée sur la cytométrie en flux utilisant la chimie pour étudier le métabolisme énergétique dans les cellules.
Lors de la stimulation de l’antigène, les lymphocytes T naïfs subissent une prolifération et une expansion rapides jusqu’aux lymphocytes T effecteurs. Le métabolisme joue un rôle important dans la génération de la biomasse nécessaire à la prolifération rapide de ces cellules et à la génération de molécules nécessaires à la différenciation et à la fonction des lymphocytes T effecteurs, qui influencent le résultat de la réponse immunitaire adaptative dans les infections ou les cancers. Les lymphocytes T naïfs reprogramment leur métabolisme lors d’une stimulation antigénique pour augmenter la génération d’ATP, qui est nécessaire pour soutenir leur croissance, leur biosynthèse et leurs fonctions effectrices. L’ATP peut être généré dans une cellule soit par la voie de phosphorylation mitochondriale-oxydative (OXPHOS), soit par la voie glycolytique. Étant donné que la majeure partie de l’ATP générée dans une cellule en division et en croissance est utilisée pour la synthèse des protéines, la synthèse des protéines a été utilisée comme substitut des niveaux d’ATP. La synthèse des protéines peut être mesurée par l’incorporation de puromycine, qui imite l’adénosine 3' d’un ARNt chargé d’une tyrosine modifiée et conduit à la terminaison spontanée de la traduction des protéines. Des inhibiteurs métaboliques tels que le 2-désoxyglucose (2DG), qui bloque la voie glycolytique, et l’oligomycine (O), qui bloque le complexe 5 de la chaîne de transport d’électrons (ETC), peuvent être utilisés pour étudier les dépendances de la génération d’ATP cellulaire sur ces deux voies en conjonction avec l’évaluation de la synthèse des protéines dans une méthode appelée SCENITH. Nous décrivons ici une variante de cette méthode qui détecte l’incorporation de puromycine par cytométrie en flux par chimie. Cette méthode d’étude du métabolisme est relativement simple et peut être utilisée pour évaluer des populations de cellules rares, ainsi que des échantillons de patients, par cytométrie en flux.
Au cours des dernières années, on a constaté une prise de conscience croissante du rôle important du métabolisme dans la régulation des lymphocytes T. Le métabolisme cellulaire régule de nombreuses fonctions critiques dans les lymphocytes, y compris l’expansion clonale des lymphocytes T spécifiques aux agents pathogènes et leur différenciation en sous-ensembles de cellules effectrices, qui synthétisent une variété de molécules effectrices, y compris les cytokines inflammatoires et les granzymes cytolytiques nécessaires pour tuer les agents pathogènes1. L’étude du métabolisme des lymphocytes T est donc importante à la fois pour évaluer le fonctionnement normal des lymphocytes T et pour le développement de thérapies potentielles.
Les lymphocytes T naïfs sont métaboliquement quiescents et dépendent du métabolisme catabolique et de la phosphorylation oxydative (OXPHOS) pour leurs besoins énergétiques 1,2. Lors de l’activation du récepteur des lymphocytes T (TCR), les lymphocytes T subissent une reprogrammation métabolique rapide en partie due à la régulation positive des transporteurs de nutriments à la surface des cellules, ce qui augmente l’absorption du glucose et de plusieurs acides aminés, y compris la glutamine, de l’environnement. Ces éléments nutritifs sont ensuite utilisés dans les voies anaboliques pour fabriquer des macromolécules qui contribuent à la croissance cellulaire et soutiennent les demandes énergétiques accrues associées à l’augmentation de la croissance cellulaire et de la division 1,2,3. La reprogrammation métabolique dans les lymphocytes T activés rend les cellules plus dépendantes de la glycolyse aérobie et de la glutaminolyse pour leurs besoins énergétiques 1,2,3. Lors de la stimulation TCR, l’absorption des nutriments joue également un rôle essentiel dans l’activation des voies moléculaires en aval3. Par exemple, l’absorption d’acides aminés et l’augmentation de la concentration locale d’acides aminés activent la signalisation mTORC14. À l’inverse, la réduction de la disponibilité des acides aminés intracellulaires diminue la voie de signalisation mTORC1 2,3,5,6,7. Ainsi, le métabolisme et la fonction cellulaire sont étroitement liés dans une cellule T effectrice.
La forte augmentation de la biomasse nécessaire à la division rapide des lymphocytes T nécessite la régulation positive de la synthèse/traduction des protéines8. La synthèse des protéines peut être quantifiée dans une cellule en étudiant l’incorporation de la puromycine9, un mimique de l’ARNt tyrosyle qui bloque la traduction en incorporant, marquant et libérant des chaînes polypeptidiques allongées à partir des ribosomes9 en translation. La traduction des protéines est un processus fortement dépendant de l’énergie. en effet, la majeure partie de l’ATP généré dans les cellules en division et en croissance est utilisée pour la synthèse des protéines. Ainsi, la synthèse des protéines a été utilisée comme mesure de substitution pour l’ATP10 cellulaire. Pour générer de l’ATP, les cellules s’appuient généralement sur la glycolyse et/ou la voie mitochondriale OXPHOS11. La glycolyse génère deux molécules d’ATP par molécule de glucose. La voie OXPHOS génère 36 ATP par glucose12,13, mais la glycolyse peut générer de l’ATP14 plus rapidement. Ainsi, les lymphocytes T activés qui se divisent rapidement, comme les cellules cancéreuses, dépendent fortement de la voie glycolytique pour la génération d’ATP.
La dépendance d’une cellule à chaque voie métabolique peut être étudiée par l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques. L’inhibiteur de la voie glycolytique 2-désoxyglucose (2-DG), qui est un analogue du glucose, agit comme un inhibiteur compétitif de l’enzyme glycolytique hexokinase15. La 2-DG est phosphorylée en 2DG-phosphate (2DG-P) par l’hexokinase. La 2DG-P ne peut pas être métabolisée par la phosphohexose isomérase, qui convertit normalement le glucose-6-phosphate (G-6-P) en fructose-6-phosphate16. La 2DG-P est donc piégée et s’accumule dans les cellules, entraînant l’inhibition de la glycolyse et l’épuisement de l’ATP cellulaire, bloquant ainsi la synthèse des protéines17. De la même manière, la dépendance des cellules à l’égard de la voie mitochondriale OXPHOS peut être étudiée à l’aide de l’oligomycine, qui se lie au canal proton de l’ATP synthase de la chaîne de transport d’électrons (ETC)18, bloquant ainsi la synthèse mitochondriale de l’ATP (Figure 1). L’utilisation de ces inhibiteurs en conjonction avec une évaluation de la synthèse des protéines peut fournir une image de l’état métabolique des cellules et a été utilisée dans une puissante méthode unicellulaire connue sous le nom de SCENITH qui évalue l’incorporation de la puromycine à l’aide de la cytométrie en flux10. Cependant, la disponibilité des réactifs SCENITH peut être limitante. D’autres techniques couramment utilisées pour évaluer la glycolyse et l’OXPHOS comprennent les analyses de flux extracellulaires Seahorse, qui nécessitent un plus grand nombre de cellules, ce qui peut ne pas être réalisable expérimentalement. Dans cet article, nous décrivons une méthode alternative pour évaluer l’incorporation de la puromycine à l’aide d’un réactif chimique Click-it disponible dans le commerce. La facilité de cette méthode permet une évaluation rapide de l’état métabolique des lymphocytes, y compris des populations de cellules rares et des échantillons de patients.
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L’élevage et les expériences ont été effectués conformément au protocole approuvé G98-3 par le Comité d’utilisation et de soins aux animaux de l’Institut national de recherche sur le génome humain, NIH, et au protocole approuvé LISB 22E par le Comité de soins et d’utilisation des animaux de l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses, NIH. Des souris C57Bl/6J mâles âgées de 6 à 12 semaines, élevées et hébergées dans des conditions spécifiques exemptes d’agents pathogènes (FPS), ont été utilisées pour la présente étude. Des résultats similaires ont été obtenus avec des souris femelles. Le sang total humain a été obtenu de la banque de sang des NIH selon le protocole 99-CC-0168 approuvé par l’IRB du NIH Clinical Center, Collecte et distribution de composants sanguins provenant de donneurs sains pour une utilisation dans la recherche in vitro. Le consentement éclairé écrit a été obtenu de tous les sujets, conformément à la Déclaration d’Helsinki.
1. Isolement et culture de lymphocytes T CD4+ naïfs de souris
2. Isolement et culture des PBMC humains
3. Dosage métabolique
REMARQUE : Il est important de maintenir toutes les cellules, les inhibiteurs [oligomycine (O), 2-désoxyglucose (2-DG), DMSO (Co)] et le réactif O-propargyl-puromycine (OPP) aussi près que possible de 37 °C. Disposez les cellules, les inhibiteurs et le réactif OPP sur des plaques à fond en U 96 et laissez les plaques dans un incubateur à 37 °C autant que possible. Les inhibiteurs de l’aliquote 2-DG et O en plus petits volumes pour éviter les gels-dégels multiples.
4. Analyse du dosage métabolique
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Des lymphocytes T CD4+ naïfs ont été isolés de la rate et des ganglions lymphatiques de souris et différenciés en lignées Th0 ou non polarisées (NP) pendant 72 h. Les cellules ont été récoltées après 0 h, 48 h et 72 h de culture, et l’incorporation de l’OPP a été mesurée en examinant l’IMF de l’OPP. Les lymphocytes T CD4+ naïfs étaient moins synthétiques que les lymphocytes T activés, comme le montre l’IMF de l’OPP (Figure 3). Les cellules naïves étaient partiellement d...
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Cet article propose une méthode pour étudier le métabolisme dans les cellules lymphoïdes par cytométrie en flux, basée sur la technologie SCENITH, mais en utilisant le marquage chimique de la puromycine incorporée. Bien que nous nous soyons concentrés sur les lymphocytes, ce protocole peut être ajusté pour étudier le métabolisme dans n’importe quel type de cellule. Cette méthode est également avantageuse pour étudier le métabolisme dans de rares populations de cellules et d’échantillons ...
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Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Nous remercions le Dr Qin Xu et le Dr Avik Dutta d’avoir fourni des échantillons PBMC et de précieuses suggestions expérimentales. Cette recherche a été financée en partie par la Division de la recherche intra-muros du NIAID, NIH.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| 2-Mercaptoethanol | Thermo Fisher | 21985-023 | |
| Alexa Fluor 488 anti-Puromycine Anticorps | Biolegend | 381506 | Dilution utilisée : 1/100 |
| Alexa Fluor 647 Anti-human CD4 Antibody | Biolegend | 357422 | Dilution utilisée : ; 1/50 |
| BD Horizon BUV737 Rat Anti-Souris CD4 | BD Biosciences | 612761 | Dilution utilisée : ; 1/200 |
| Click-iT Plus OPP Alexa Fluor 488 Kit de dosage de synthèse des protéines | Thermo Fisher | C10456 | |
| HEPES (1 M) | Thermo Fisher | 15630080 | |
| Sérum Humain | Millipore Sigma | H4522 | |
| IMDM, Supplément GlutaMAX, 500 ml | Thermo Fisher | 31980030 | |
| InVivoMAb anti-souris CD28, Clone : ; 37.51 | BioXcell | BE0015-1 | |
| InVivoMAb anti-souris CD3&epsilon ;, Clone : ; 145-2C11 | BioXcell | BE0001-1 | |
| InVivoMAb anti-souris IFN&gamma ;, Clone : ; XMG1.2 | BioXcell | BE0055 | |
| InVivoMAb anti-souris IL-12 p40, Clone : ; C17.8 | BioXcell | BE0051 | |
| InVivoMAb anti-souris IL-4, Clone : ; 11B11 | BioXcell | BE0045 | |
| L-Glutamine (200 mM) | Thermo Fisher | 25030081 | |
| LIVE/DEAD Kit de coloration à cellules mortes Aqua fixable, pour excitation 405 nm | Thermo Fisher | L34966 | Dilution utilisée : ; 1/600 |
| LSM Milieu de séparation des lymphocytes | MP Biomedicals | 50494X | |
| MEM Solution d’acides aminés non essentiels (100X) | Thermo Fisher | 11140050 | |
| Mitomycine C de Streptomyces caespitosus | Sigma | M0503-10X2MG | |
| Naive CD4 Kit d’isolement, souris | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | |
| Paraformaldéhyde 16 % Solution aqueuse | Microscopie électronique de | Sciences 15710 | |
| PBS (1X), pH 7,4, 500 mL | Produits biologiques de qualité | 114-058-101 | |
| Pénicilline-Streptomycine (10 000 U/mL). 100 mL | Thermo Fisher | 15140122 | |
| Phytohémagglutinine-L (PHA-L) | Millipore Sigma | 11249738001 | |
| Sérum de veau fœtal de qualité supérieure (FBS) | Avantor | 97068-085 | |
| RPMI 1640 Moyen, sans glutamine | Thermo Fisher | 21870076 | |
| Saponin | Thermo Fisher | A18820.22 | |
| Pyruvate de sodium (100 mM) | Thermo Fisher | 11360070 |
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