このプロトコールでは、皮膚由来の一次ヒト線維芽細胞において、ハイスループットの免疫蛍光ベースのフェリチノファジー評価を実施するための詳細な手順を提供します。
このプロトコールでは、皮膚由来の一次ヒト線維芽細胞において、ハイスループットの免疫蛍光ベースのフェリチノファジー評価を実施するための詳細な手順を提供します。
オートファジー遺伝子 WDR45/WIPI4 の変異は、患者の脳内に鉄沈着物が存在することから脳鉄蓄積を伴う神経変性(NBIA)として知られるヒト疾患の亜型であるβプロペラ関連神経変性(BPAN)の原因となります。細胞内の鉄レベルは、フェリチノファジーの重要なメカニズムを含む多くの細胞メカニズムによって厳密に制御されています。この論文では、フェリチノファジーを皮膚由来の一次ヒト線維芽細胞でどのように評価できるかについて説明します。このプロトコルでは、細胞レベルでフェリチノファジーを誘導または阻害するための鉄調節条件を使用します。例えば、リソソーム機能を阻害するためのバフィロマイシンA1の投与や、鉄を過負荷または枯渇させるためのクエン酸第二鉄アンモニウム(FAC)またはデフェラシオックス(DFX)治療などです。このような処理された線維芽細胞は、その後、内因性フェリチンおよびオートファゴソーム/リソソームマーカー(ここではLAMP2)のハイスループットイメージングおよびCellProfilerベースの定量的局在分析にかけられます。オートファゴソーム/リソソームフェリチンのレベルに基づいて、フェリチノファジーのレベルに関して結論を導き出すことができます。このプロトコルは、BPAN患者由来の初代線維芽細胞または他のタイプの哺乳動物細胞におけるフェリチノファジーの評価に使用できます。
WIPI(WD-repeat interacting with phosphoinositides)タンパク質は、オートファジー1において異なる役割を果たす進化的に保存されたPI3Pエフェクターです。4つのヒトWIPIタンパク質(WIPI1からWIPI4)は、7枚羽根のβプロペラに折り畳まれ、進化的に保存された2つの領域があり、相同アミノ酸と不変アミノ酸がプロペラの反対側の部位に集まっています。1つの部位は、プロペラブレード5とブレード6のホスホイノシチド結合領域と整列しています。もう一方の部位は、WIPIがオートファジー機構またはオートファジー調節因子の異なるメンバーと会合するタンパク質間相互作用領域に整列しています2。
WIPI4は、エネルギー駆動型オートファジー制御の制御と、成長する新生オートファゴソーム3のサイズの制御レベルで機能します。WDR45と呼ばれるWIPI4遺伝子の変異は、ベータプロペラ関連神経変性(BPAN)の原因であり、これはヒト患者の脳鉄蓄積(NBIA)サブタイプを伴う神経変性であり、黒質および淡白球4の低信号鉄ハローを特徴とする。BPAN患者に異常な鉄沈着物が存在すると、脳症、全体的な発達遅延、発作、そして最終的にはパーキンソニズム、認知症、痙縮につながるニューロンの損傷を引き起こします5。
鉄の恒常性は、複数の細胞メカニズムによって厳密に制御されており、細胞質の鉄の濃度は、鉄キャリア、鉄トランスポーター、および鉄貯蔵タンパク質の発現レベルと機能によって制御されています6 。次に、細胞質の鉄の濃度は、フェリチノファジー7 や酸化フェリチン8 のプロテアソームクリアランスなどの分解経路が関与しているかどうかを決定します。
フェリチノファジー中、フェリチンはカーゴ受容体NCOA4によってオートファゴソームに選択的に動員され、細胞内の鉄レベルが低いことに応答してリソソーム分解を標的とします7。オートファゴソーム膜3のサイズを調節するWIPI4の役割を考えると、この特定の機能の喪失がオートファゴソーム中のフェリチンの選択的隔離、ひいてはフェリチノファジーに影響を与える可能性があると予測するのは合理的です。鉄代謝におけるこの重要なステップを研究することで、BPAN患者の治療選択肢への扉が開かれるかもしれません。しかし、ヒト細胞のフェリチノファジーを研究するために一般的に使用されるプロトコルは、現在開発されているばかりです。
この論文では、ヒト細胞のフェリチノファジーを評価するためのハイスループットの蛍光ベースの方法について説明します。このアッセイを患者由来のBPAN細胞に適用することで、フェリチノファジーが健康なヒト細胞とどのように異なるかについての貴重な洞察を得ることができ、この希少なヒト疾患の根底にある分子メカニズムを理解するためのベンチマークとして役立つ可能性があります。
1. 初代細胞の培養と播種
2. 治療
3. 固定・染色
4. 共焦点レーザー走査型顕微鏡による自動イメージング
5. ハイスループットな画像解析
6. データ分析
健康なドナー(図 1A)に由来するヒト皮膚由来の初代線維芽細胞(F-CO-60)を、バフロマイシン A1 処理とそれに続く内因性フェリチンおよび LAMP2 の免疫染色、自動画像解析、および CellProfiler ベースの解析(図 1B)を用いたフェリチノファジー評価用に調製しました。
内因性フェリチンとLAMP2の共局在は、バフィロマイシンA1の添加によりフェリチンのリソソーム分解が阻害された後に増加し、これはリソソームV-ATPase酵素を阻害し、したがってフェリチノファジーを阻害する能力と一致しています7(図2)。さらに、ソフトウェアベースの細胞認識、フェリチン認識、LAMP2認識を例として示します(図2)。
この点で、ここで概説したCellProfilerパイプラインは非常に汎用性が高く、機能的なシングルセルマーカーシステムのコンテキストで、特定のBPAN変異が細胞増殖、ミトコンドリア、またはその他のオルガネラに及ぼす影響を評価するなど、追加のおよび/または代替の読み出しに適応できることに注意する必要があります。

図1:実験の概要。 (A)フェリチノファジーのプロセス、および(B)このプロトコルに記載されているように、初代皮膚由来ヒト線維芽細胞のフェリチノファジーを評価するための実験ワークフローのグラフ表現。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:代表的な画像。 (A)バフィロマイシンA1の不存在下または(B)存在下で、対照培地(供給条件)中の初代皮膚由来ヒト線維芽細胞を、抗フェリチン抗体および抗LAMP2抗体を用いた間接免疫蛍光分析を行い、細胞核をDAPIで染色した。共焦点レーザー走査型顕微鏡法の自動化により取得された例示的な蛍光画像を示します(スケールバー:10μm)。フェリチンとLAMP2の存在量と共局在の変化は、バフィロマイシンA1投与によるリソソーム阻害で観察できました。.CellProfilerベースの解析も表示され、細胞認識(紫)、核(青)、フェリチン(緑)、LAMP2(赤)、共局在フェリチン/LAMP2(黄)プンクタのソフトウェア由来の画像オーバーレイが表示されます。(C)拡大画像切片(スケールバー=10μm)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:この研究で使用した共焦点レーザー走査型顕微鏡の設定。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表2:この研究で使用したCellProfilerの数値設定。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:この研究で使用したCellProfilerパイプライン。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 2: CellProfiler パイプライン (補足ファイル 1 を参照) と、連続した順序で撮影されたスクリーンショット (表 2 を参照) の表示。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
この方法は、自動蛍光顕微鏡法とオープンアクセスのCellProfilerベースの画像解析9を組み合わせて、主要なフェリチノファジー因子の細胞内局在を評価するもので、選択的オートファジー(フェリチノファジー7)によるリソソームフェリチンクリアランスの有効性に関する貴重な情報を提供するように設計されています.このプロトコルにより、複数の細胞株と処理を同時に行う大きなサンプルセットの取り扱いが可能になり、フェリチンプンクタ数やフェリチンプンクタ数などの必要な読み出しの評価が可能になります。これは、フェリチノファジーフラックスを評価するための典型的なリソソームマーカーであるLAMP2と共局在しています。ただし、ここで強調しておきたいのは、正確な自動画像解析は画質に依存し、画像品質は抗体の特異性と最適なイメージングに依存するということです。したがって、ソフトウェアベースの画像解析は、高品質の画像でのみ実行する必要があります。
細胞内の鉄レベルの調節は、疾患の状況下で鉄の恒常性を調節するために活性化されるメカニズムに関する貴重な情報を提供することができます。この論文では、鉄負荷剤および鉄キレート剤で処理した患者由来細胞のBPAN疾患を研究する方法について説明します。Deferasiox(DFX)は、フィールドで広く使用されている既知の鉄キレート剤です10。適用すると、細胞質内の遊離鉄をトラップし、鉄飢餓に対する細胞応答を引き起こします。本研究の目的はフェリチノファジーを評価することであったため、細胞から鉄を奪うことは、細胞の鉄プールを補充するための補償メカニズムとして、オートファジー を介して フェリチン分解を促進する直接的な方法でした。それとは対照的に、クエン酸第二鉄アンモニウム(FAC)は、セルに鉄をロードするために使用されます。細胞は、過剰な、したがって有毒な細胞質の鉄濃度に対する応答としてフェリチン合成を活性化します11。したがって、クエン酸第二鉄アンモニウムは、フェリチン合成とフェリチンヘテロポリマー内の鉄の捕捉を促進し、フェリチンファジーを活性化することができます。
フェリチンファジーフラックスを研究するために、このプロトコルでは、プロセスの主要なプレーヤーであるフェリチンとリソソーム(ここではLAMP2でマーク)を選択的に染色し、それらの共局在を評価します。共局在するpunctaの割合が高いことは、フェリチンの効果的なリソソーム分解を示しています。このような実験から得られる情報を最大化するために、追加の色素またはマーカー抗体を使用することができます。
注目すべきは、この方法に固有の技術的な課題があることです。異なるヒトドナーに由来する一次線維芽細胞は、 in vitroで異なる増殖および増殖を遂げる可能性があります。したがって、同等の結果を得るには、異なる細胞を同じ継代で播種する必要があります。したがって、このプロトコルに進む前にテスト実験を行い、使用する細胞または細胞株の倍加時間を調べることをお勧めします。
この方法は、フェリチノファジーの研究に限定されません。使用する治療法や抗体を変更するだけで、他のさまざまな選択的オートファジー経路の評価に再利用できます。例えば、ミトコンドリアストレス誘導剤としてCCCPを使用し、染色にはオプチニューリン、LC3、およびLAMP2抗体を用いることでマイトファジーを調べることができる12。
全体として、自動画像取得とCellProfiler解析の組み合わせは、単一ヒト線維芽細胞のハイスループット機能評価のための強力なツールを構成しています。これは、患者由来細胞と健康なドナー由来細胞の大規模なコホートの分析と比較が非常に興味深いヒト疾患の研究に特に関連します。
著者は、利益相反を宣言しません。
この研究は、Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) Project-ID 259130777 - SFB 1177 (project E03) の助成を受けて行われました。 図 1 は BioRender を使用して作成しました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 細胞株 | |||
| 初代皮膚由来ヒト線維芽細胞 | 皮膚生検、健康なヒトドナー、バイオバンク大学クリニックTübingen、倫理承認 389/2019BO2 | F-CO-60、継代 9 | |
| 細胞培養治療 | 最終濃度 (化合物) | ||
| 対照培地 | DMEM 10%FCS | (DMSOのみ) | |
| 対照培地 + バフィロマイシンA1 | DMEM 10%FCS | 100 nM バフィロマイシンA1 | |
| 対照培地 + deferasiox (DFX) | DMEM 10%FCS | 30 & マイクロ;M DFX | |
| コントロール培地 + DFX + バフィロマイシンA1 | DMEM 10%FCS | 30 &M DFX、100 nM バフィロマイシン A1 | |
| 対照培地 + クエン酸第二鉄アンモニウム (FAC) | DMEM 10%FCS | 0.05 mg/mL FAC | |
| 対照培地 + FAC + バフィロマイシンA1 | DMEM 10%FCS | 0.05 mg/mL FAC、100 nM バフィロマイシン A1 | |
| Material | |||
| Albumin [BSA] フラクション V | AppliChem | A1391 | |
| Alexa 488 ヤギ a-ウサギ | ライフテクノロジー | ズ A-11008 | |
| アレクサ 546 ヤギ a-マウス | ライフテクノロジー | ズ A-11003 | |
| バフィロマイシン A1 | シグマ アルドリッチ | 196000 | |
| BioLite 細胞培養 10cm皿 | サーモサイエンティフィック | 130182 | |
| DAPI | アプリケム | A4099 | |
| デフェラシオックス (ICL-670) | セレックケム | S1712 | |
| DMEM Glutamax | Gibco | 31966 | |
| DMSO | AppliChem | A3672 | |
| DPBS カルシウムもマグネシウムも使用しない | Gibco | 14190094 | |
| ウシ胎児血清 (FCS) | Gibco | 10437-028 | |
| クエン酸第二鉄アンモニウム (FAC) | メルク | F5879 | |
| 抗フェリチン (ヒト脾臓) | ロックランド | 200-401-090-0100 | |
| LAMP2 (H4B4) | Santa Cruz | Sc-18822 | |
| パラホルムアルデヒド(PFA) | Sigma-Aldrich | 441244 | |
| PBS 10x Dulbecco's | AppliChem | A0965 | |
| PenStrep (1,00U/mL ペニシリン、100 mg/mL ストレプトマイシン) | Life Technologies | 15140-122 | |
| Trypsin-EDTA (0.05%) with phenol red | Gibco | 25300 | |
| Tween20 | AppliChem | A4974 | |
| 96 well glass-bottom #0 plates | Cellvis | P96-0-N | |
| Solution | |||
| 3.7%パラホルムアルデヒド(PFA) | PBSに溶解したPFA、pH 7.5 | ||
| バフィロマイシンA1 100 mMストック | バフィロマイシンA1をDMSOで希釈 | ||
| エン酸第二鉄アンモニウム(FAC) 100 mg/mLストック | FACをオートクレーブ二重蒸留水で希釈 | ||
| PBS/T | PBS、10% Tween20 | ||
| PBS / T + BSA | PBS、10%Tween20、1%BSA | ||
| Software | |||
| CellProfiler 4.2.4 | https://cellprofiler.org/ | ||
| GraphPad Prism | Dotmatics | ||
| Microsoft Excel Version 16.50 | Microsoft Office Plus 365 |