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Research Article
Esam S.B. Salem*1,2, Kazutoshi Murakami*2, Toshimasa Takahashi2, Elise Bernhard2, Vishnupriya Borra2, Mridula Bethi2, Takahisa Nakamura2,3,4
1Department of Pharmacology and Systems Physiology, College of Medicine,University of Cincinnati, 2Division of Endocrinology,Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 3Division of Developmental Biology,Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 4Department of Pediatrics, College of Medicine,University of Cincinnati
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Qui, presentiamo un protocollo per l'isolamento degli epatociti primari del topo sano e funzionale. Istruzioni per la rilevazione sintesi epatica delle proteine nascenti dal substrato di etichettatura non radioattivo erano fornite per aiutarvi a comprendere i meccanismi alla base della sintesi proteica nel contesto dell'omeostasi del metabolismo energetico nel fegato.
Gli epatociti sono cellule parenchimatiche del fegato e coinvolgere più funzioni metaboliche, tra cui la sintesi e la secrezione di proteine essenziali per l'omeostasi energetica sistemica. Epatociti primari isolati dal fegato murino costituiscono un prezioso strumento biologico per comprendere le proprietà funzionali o le alterazioni che si verificano nel fegato. Qui descriviamo un metodo per l'isolamento e la coltura di epatociti primari del topo eseguendo una tecnica di perfusione in due fasi della collagenosi ed discutere la loro utilizzazione per indagare il metabolismo delle proteine. Il fegato di un topo adulto in sequenza è irrorato con acido tetraacetico di glicole etilenico-bis (EGTA) e la collagenosi, seguita dall'isolamento degli epatociti con il buffer di gradienti di densità. Questi epatociti isolati sono vitali su piastre di coltura e mantengono la maggior parte delle caratteristiche dotate degli epatociti. Questi epatociti possono essere utilizzati per le valutazioni del metabolismo delle proteine tra cui sintesi proteica nascente con reagenti non radioattivo. Indichiamo che gli epatociti isolati sono facilmente controllati e comprendono una maggiore stabilità di qualità e volume di sintesi delle proteine legata al metabolismo energetico utilizzando la reazione di legatura chemo-selettive con una proteina di tetrametilrodamina (TAMRA) Metodo di rilevazione e analisi macchiantesi occidentali. Pertanto, questo metodo è prezioso per lo studio di sintesi epatica della proteina nascente collegata all'omeostasi energetica. Il seguente protocollo descrive i metodi per il rilevamento della sintesi proteica nascente e l'isolamento degli epatociti primari del topo di alta qualità e materiali.
La proteina è un elemento nutritivo importante e circa il 50% del peso secco del corpo umano è composto di proteine che hanno diversi tratti biologici e funzioni1. Di conseguenza, la sintesi delle proteine è uno della maggior parte degli eventi che richiede energia e un'alterazione nel metabolismo delle proteine altamente è associata con lo sviluppo di malattie, tra cui malattie metaboliche2,3,4. Nel fegato, biosintesi della proteina rappresenta circa 20 – 30% del consumo totale di energia5,6. Inoltre, la funzione di proteine come non solo passivo o blocchi del fegato, ma attivi anche fattori che mediano segnale intracellulare o extracellularly a regolare il metabolismo sistemico7. Per esempio, la riduzione dei livelli di albumina di siero, che viene sintetizzata e secreta dal fegato e la proteina più abbondante nel plasma8, aumenta il rischio di tipo 2 diabete sviluppo9,10, 11, mentre una maggiore concentrazione di albumina è protettiva contro lo sviluppo di sindrome metabolica12. Inoltre, disturbi o interruzioni delle proteine epatiche secretive o membrana-limita, che modulano l'omeostasi del colesterolo, incluse le lipoproteine e LDLR LRP1, possono portare allo sviluppo di insulino-resistenza, iperlipidemia o aterosclerosi 13. Pertanto, l'identificazione dei meccanismi molecolari patofisiologici che sono coinvolti nella dispersione del metabolismo della proteina nel fegato e delle complicanze metaboliche associate potrebbe essere utile per scoprire romanzo farmacologico si avvicina per ritardare l'insorgenza o trattare malattie metaboliche come l'insulino-resistenza, diabete e steatosi epatica non alcolica.
Sintesi proteica è strettamente legata allo stato di energia cellulare (ad es., la formazione di un legame peptidico durante la fase di allungamento della sintesi proteica richiede di legami fosfodiesterei 414) ed è regolata da meccanismi molecolari che senso Inter - e intra - cellulari disponibilità nutriente15,16. Chinasi proteica AMP-attivata (AMPK) è uno dei sensori di energia intracellulare che mantengono l'omeostasi di energia17. Una volta AMPK attivata quando i livelli energetici cellulari diventano più bassi, AMPK e suoi substrati mirate funzionano per stimolare le vie cataboliche e inibire i processi anabolici compreso proteina sintesi18,19. La regolazione della sintesi proteica è mediata dalla fosforilazione di molteplici fattori di traduzione e proteine ribosomiali20. Di nota, l'obiettivo mammifero della rapamicina complesso 1 (mTORC1), delle principali cause della sintesi proteica, è uno degli obiettivi principali di AMPK21. Attivazione del pathway di mTORC1 migliora la crescita delle cellule e la proliferazione di stimolante proteina traduzione e autofagia20,21. Pertanto, è logico che l'attivazione di AMPK può inibire la sintesi di mTORC1-mediato della proteina22. Infatti, l'attivazione di AMPK contrasta e fosforila direttamente mTORC1 il residuo di treonina 2446 (Thr2446) che conduce alla sua inattivazione23 e la soppressione della proteina biosintesi24. Inoltre, AMPK indirettamente può inibire la funzione di mTORC1 di fosforilazione e l'attivazione della sclerosi tuberosa complessa 2 (TSC2)25 che è il regolatore a Monte della cascata di segnalazione di mTORC1. In breve, disregolazione di queste vie nel fegato è spesso legata allo sviluppo di malattie metaboliche e di conseguenza c'è una necessità critica di stabilire efficaci strumenti sperimentali per studiare il ruolo di queste vie nella regolazione dell'energia e metabolismo delle proteine negli epatociti.
C'è una forte somiglianza tra le proprietà funzionali di epatociti primari isolati e in vivo gli epatociti rispetto con in vitro fegato-derivato delle cellule linee26,27,28. È stato dimostrato che epatociti umani primari condividano 77% somiglianza con quello delle biopsie del fegato, mentre le cellule HepG2, che sono cellule cancerose epatiche ben differenziate e ampiamente utilizzati per indagare le funzioni epatiche, visualizzare inferiore al 48% nel contesto della 29di profili di espressione genica. Pertanto, l'utilizzo di epatociti primari, piuttosto che le cellule immortalizzate cultura, è di vitale importanza nella ricerca di fisiologia e funzione epatica, e diversi protocolli sono disponibili per l'isolamento e la coltura di epatociti primari soprattutto da ratti30,31. Mentre gli epatociti di ratto sono utili con un rendimento relativamente più elevato di cellule, epatociti del topo hanno un potenziale maggiore in molti aspetti scientifici grazie alla vasta disponibilità di topi geneticamente modulati. Tuttavia, ci sono diverse sfide tecniche in isolamento sani e abbondanti epatociti primari dai topi per cellulare e molecolare-valutazioni basate su: in primo luogo, inserimento della cannula per irrorare il fegato con i reagenti buffer è molto difficile da gestire a causa del mouse piccolo e sottile vena portale o la vena cava inferiore; in secondo luogo, un tempo più lungo di manipolazione delle cellule durante l'isolamento può causare riduzione nella cella quantità e qualità; metodi di separazione meccanica in terzo luogo, non-enzimatica possono causare seri danni e produrre un rendimento basso di epatociti primari isolato vitali32,33. Nel 1980, tecnica di aspersione della collagenosi è stato introdotto per isolare gli epatociti dal fegato di animali34. Questo metodo si basa sulla perfusione collagenosi del fegato35,36,37, infusione del fegato con calcio chelante soluzione38,39, digestione enzimatica e dissociazione meccanica del parenchima epatico35. Nel primo passaggio, un fegato di topo è irrorato con un buffer liberi di calcio [Ca2 +] contenente un chelatore [Ca2 +] (etilenediammina acido etilendiamminotetraacetico, EDTA). Nel secondo passaggio, il fegato di topo è irrorato con un buffer contenente collagenasi per idrolizzare le interazioni cellulari-matrice extracellulare. A differenza di buffer utilizzato nella prima fase, la presenza di ioni [Ca2 +] nel buffer del secondo passaggio è necessaria per l'attività della collagenosi efficace, dopo di che il fegato digerito deve essere ulteriormente delicatamente e meccanicamente separati utilizzando forcipe tra il capsula epatica e tessuti parenchimatosi. Infine, tessuto connettivo viene rimosso dal filtro e successiva centrifugazione separa epatociti vitali dalle cellule non parenchimali sia e non-viventi epatociti con l'uso di densità gradiente buffer40,41 ,42. Nello studio presente, vi mostriamo una tecnica di aspersione di collagenasi modificate in due fasi per isolare epatociti primari da un fegato di topo per l'analisi della sintesi proteica.
La radiomarcatura di proteine è ampiamente usato per quantificare i livelli di espressione, tassi di fatturato e determinare la distribuzione biologica delle proteine43 grazie all'elevata sensibilità di rilevazione di radioattività44. Tuttavia, l'uso di isotopi radioattivi richiede circostanze e delle procedure di ricerca altamente controllata45. Metodi alternativi non radioattivo sono stati sviluppati e sempre più hanno guadagnato in popolarità. La reazione di legatura chemo-selettive con un metodo di rilevazione della proteina tetrametilrodamina (TAMRA) è uno di loro e si basa sulla reazione tra un'azide e alchino gruppi46, che può essere utilizzata per analizzare gli eventi cellulari come chemo-selettive rilevamento di sintesi proteica nascente e sottoclassi delle glicoproteine per volta con un gruppo di azide. Per la sintesi proteica nascente, L-Azidohomoalanine (L-AHA, un amminoacido per volta azide) può essere incorporato nelle proteine metabolicamente e rilevato utilizzando il TAMRA proteina rilevamento metodo47. Usando questo test in epatociti primari del topo, indichiamo che il tasso di sintesi proteica nascente è strettamente legato alla disponibilità di ATP da mitocondriale e l'attivazione di AMPK (Figura 1).
In sintesi, l'utilizzo di epatociti primari del topo è fondamentale per indagare il metabolismo proteico ed energetico e quantificare la sintesi proteica nascente è prezioso per ottenere approfondimenti il ruolo fisiologico delle vie rilevanti per lo sviluppo e cura delle malattie relative dell'epatocita.
Questo protocollo contiene l'uso di topi di laboratorio. Cura degli animali e procedure sperimentali sono state eseguite secondo procedure approvate dai comitati di cura degli animali di Cincinnati Children Hospital Medical Center.
1. isolamento degli epatociti primari del topo
2. analisi di reazione a legatura chemo-selettive per la rilevazione della sintesi proteica nascente
Isolamento di epatociti primari del topo si traduce in una resa di circa 20 x 106 totale cellule/mouse. Istologicamente, epatociti primari collegati e dal vivo appaiono poligonali o tipico esagonale in forma con chiaramente delineato membranosa contorno dopo 24 ore di incubazione (Figura 2).
Per verificare se cellule isolate sono epatociti primari, abbiamo confrontato i livelli di espressione della proteina albumina in epatociti isolati e primari del topo (PMHs), fibroblasti embrionali del mouse (MEFs), una linea cellulare del tumore epatico del topo (Hepa 1-6) e fegati del topo. L'espressione della proteina albumina è stato rilevato in epatociti primari del topo e fegati del topo ma non era rilevabile in MEFs o Hepa 1-6 celle (Figura 3).
Per determinare se gli effetti di rotenone sull'attivazione di chinasi (AMPK) epatica proteica AMP-attivata è cellula-autonoma, abbiamo confrontato la risposta dipendente dal tempo di epatociti primari isolato da un fegato di selvaggio-tipo mouse. Epatociti primari sono stati trattati senza o con 10 rotenone μM per 0, 4 o 6 h. In queste cellule, trattamento di rotenone indotto robustamente attivazione di AMPK, come rilevato da livelli aumentata fosforilazione di AMPK-T172 simili a quelli visti in vivo48 (Figura 4).
Per misurare direttamente gli effetti del trattamento di rotenone sulla sintesi proteica nascente in epatociti primari, l'incorporazione di AHA non radioattivo in proteina oltre 5 h è stata valutata eseguendo l'analisi di reazione a legatura chemo-selettive. Trattamento con rotenone μM 10 per 5 h ha avuto profondi effetti inibitori sulla sintesi proteica nascente in epatociti primari trattati rispetto ai non trattati epatociti primari (Figura 5).

Figura 1: Un'illustrazione mostra i passaggi del mouse primario isolamento epatociti, analisi western blot e procedure di reazione di legatura chemo-selettive.

Figura 2: immagini morfologiche di epatociti primari del topo di contrasto di fase. Immagini rappresentative di epatociti primari isolati sono stati acquisiti a 2, 12, 24 e 72 h dopo il placcaggio. Scala bar = 100 μm.

Figura 3: analisi di Western blot per l'espressione della proteina albumina in epatociti primari del topo. L'analisi Western blot è stata condotta con il caricamento di 10 μg proteina/corsia da epatociti primari del topo (PMHs), fibroblasti embrionali del mouse (MEFs), Hepa 1-6 celle e fegati del topo. One-way ANOVA ha mostrato che un'espressione di proteina albumina significativo in PMHs rispetto al MEF o Hepa 1-6 celle. I valori sono mezzi ± SEM della dimensione del gruppo (n = 3). P, n.P < 0,001 vs. HEPA 1-6 o MEFs, rispettivamente. $ P < 0,001 vs. lisato di fegato.

Figura 4: induzione di fosforilazione di AMPK in epatociti primari rotenone-trattati del topo. Epatociti primari da un fegato di topo selvatico sono stati trattati con rotenone di 10 μM per 0, 4 o 6 h. livelli di fosforilazione di AMPK sono stati rilevati mediante western blotting e β-actina è stato usato come un controllo di carico (10 μg proteina era caricato/lane). Misurazioni ripetute 2-way ANOVA ha mostrato che il trattamento ha causato un aumento significativo nell'espressione della proteina di fosfo-AMPK rispetto ai non trattati epatociti primari. I valori sono mezzi ± SEM della dimensione del gruppo (n = 3). P < 0,001 vs. Epatociti non trattati.

Figura 5: riduzione dell'espressione epatica della proteina nascente dopo trattamento di rotenone. Epatociti primari da un fegato di topo selvatico sono stati trattati con 10 rotenone μM per 5 h, seguita da un'analisi di sintesi della proteina nascente, con metodo AHA non radioattivo. I livelli di sintesi della proteina sono stati valutati da un scanner laser per rilevazione della fluorescenza di TAMRA. Livelli di proteina totale carico per questo test sono stati rilevati il reagente colorante coomassie.
Gli autori indicano che non hanno conflitti di interesse.
Qui, presentiamo un protocollo per l'isolamento degli epatociti primari del topo sano e funzionale. Istruzioni per la rilevazione sintesi epatica delle proteine nascenti dal substrato di etichettatura non radioattivo erano fornite per aiutarvi a comprendere i meccanismi alla base della sintesi proteica nel contesto dell'omeostasi del metabolismo energetico nel fegato.
Ringraziamo la d. ssa Joonbae Seo e Vivian Hwa per il loro contributo scientifico e la discussione. Questo lavoro è stato supportato dal National Institute of Health (NIH) (R01DK107530). T.N. è stato sostenuto da PRESTO dalla Japan Science and Technology Agency. Una parte di questo studio è stata sostenuta da una sovvenzione dal NIH (P30DK078392) per il digestivo malattia Research Core Center di Cincinnati.
| tampone HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
| D-glucosio | Fisher Scientific | D16-500 | |
| Glicole etilenico-bis(β-amminoetetere)-acido tetraacetico | AmericanBio | AB00505-00025 | |
| Antibiotico-Antimicotico (100x) | Gibco | 15240-062 | |
| HBSS (10x) no calcio, magnesio, fenolo rosso | Gibco | 14185-052 | |
| Cloruro di calcio diidrato (CaCl2.2H2O) | Fisher Scientific | C79-500 | |
| Tampone a gradiente di densità | GE Healthcare | 17-0891-02 | |
| DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) basso glucosio, piruvato | Gibco | 11885-084 | |
| Siero fetale bovino | Hyclone | SH30910.03 | |
| Soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) (1x) | Gibco | 1897141 | |
| Williams medium E, senza glutammina | Gibco | 12551-032 | |
| Integratore di dipeptide di L-alanil-L-glutammina | Gibco | 35050-061 | |
| Collagenasi Tipo X | Wako Pure Chemical Industries | 039-17864 | |
| Pompa di perfusione | Cole-Parmer | Masterflex L/S | Equipment |
| IV administration set | EXELINT | 29081 | |
| Attrezzatura Un bagno d'acqua | REVSCI | RS-PB-200 | |
| Attrezzatura Riscaldatore a tubo | Fisher Scientific | Isotemp | Equipment |
| Ethanol | Decon Lab, Inc | 0-39613 | |
| Isoflurano | PHOENIX | 10250 | |
| Autoclavato Punte in cotone | Fisherbrand | 23-400-124 | |
| Piastra di Petri da 100 mm | Connettore TPP | 93100 | |
| (anello Luer Lock maschio) | Strumento Cole-Parmer | EW-4551807 | |
| Cateteri da 24 G | TERUMO | Surflo 24Gx3/4'100 | |
| μ m Filtro (FILTRI CELLULARI) | VWR | 10199-658 | |
| Provette da centrifuga a fondo conico da 15 mL | VWR | 89039-666 | |
| Provette da centrifuga a fondo conico da 50 mL | VWR | 89039-658 | |
| Reazione di legatura chemioselettiva KIT DI RILEVAMENTO PER ANALISI PROTEICHE, TAMRA ALKYNE | Invitrogen | C33370 | |
| AHA (L-azidoomoalanina) | Invitrogen | C10102 | |
| DMEM (senza metionina) | Gibco | 21013024 | |
| L-Cistina Dicloridrato | SIGMA | C2526 | |
| Laemmli tampone campione | BioRad | 161-0737 | |
| Cocktail di inibitori della proteasi | SIGMA | P9599 | |
| Soluzione SDS (20%) | BioRad | 161-0418 | |
| Tris-HCL (1M) | Americano Bioanalitico | AB14044-01000 | |
| Cocktail di inibitori della fosfatasi SIGMA | P5726 | ||
| Kit di misurazione della concentrazione proteica (Bovin Serum Albumin-BSA) | BioRad | 500-0207 | |
| Piastra per coltura tissutale a 6 pozzetti | TPP | 92006 | |
| Digital Heatblock | VWR | 12621-092 | Attrezzatura |
| Multi-Rotator | Grant-bio | Attrezzatura PTR-60 | |
| Sonicatore ad ultrasuoni | Cole-Parmer | GE130PB | |
| Attrezzatura Miscelatore a vortice standard per impieghi gravosi | VWR | 97043-566 | |
| Attrezzatura Uno scanner laser a modalità variabile | GE Healthcare Life Science | FLA 9500 | |
| Attrezzatura Reagente Coomassie-dye | Thermo Scientific | 24594 | |
| Microscopio invertito | Attrezzatura Olympus | CKX53 | |
| Apparecchiatura Western Blotting | Apparecchiatura | 1658004 BioRad | |
| Centrifuga | Eppendorf | 5424R | |
| Apparecchiatura Contatore cellulare automatizzato Apparecchiatura | BioRad | TC20 | |
| FluorChem R system | proteinsimple-Equipment | ||
| p-Ampka (T172) anticorpo | Segnalazione cellulare | 2535 | |
| Anticorpo AMPK | totaleSegnalazione cellulare | 5832 | |
| Anticorpo albumina | Segnalazione cellulare | 4929 | |
| anticorpo beta actina | Santa Cruz | sc-130656 | |
| Forbici e pinze | fini |