LC3免疫ブロット法は、オートファジーをモニタリングするために広く用いられている手法ですが、慎重な最適化が必要です。本プロトコルでは、KPC由来の膵癌細胞におけるLC3-IIの検出と定量を目的とした堅牢なアプローチについて、主要な技術的検討事項およびFijiを用いた密度解析の標準化されたワークフローを含めて説明します。
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方法論記事
LC3免疫ブロット法は、オートファジーをモニタリングするために広く用いられている手法ですが、慎重な最適化が必要です。本プロトコルでは、KPC由来の膵癌細胞におけるLC3-IIの検出と定量を目的とした堅牢なアプローチについて、主要な技術的検討事項およびFijiを用いた密度解析の標準化されたワークフローを含めて説明します。
オートファジーは膵管腺癌(PDAC)において複雑な役割を担っており、腫瘍の進展、ストレス適応、および治療耐性に寄与しています。したがって、オートファゴソームのダイナミクスを正確に評価することは、癌生物学の研究において不可欠です。利用可能な手法の中で、微小管結合タンパク質軽鎖3(LC3)の免疫ブロット法は、細胞質形態(LC3-I)と脂質化されオートファゴソームに結合した形態(LC3-II)を区別することで、オートファゴソームのダイナミクスをモニタリングする方法として広く用いられています。しかし、LC3の分子量が低いことと、これら2つのアイソフォーム間の電気泳動移動度の差がわずかであることは、慎重な最適化を必要とする技術的な課題となります。本稿では、KPC由来のマウス膵癌細胞におけるLC3-IIレベルの半定量的なウェスタンブロット解析のための再現性のあるプロトコルを提示します。本手法では、LC3アイソフォームの確実な分離と検出を保証するために、細胞溶解、電気泳動、タンパク質転写、および抗体による検出の最適化された条件を組み込んでいます。さらに、Fiji (ImageJ) を用いたLC3-IIバンドのデンシトメトリー解析のための標準化されたワークフローを提供します。本手法の感度は、オートファジー誘導条件下(ゲムシタビン処理)およびオートファジーフラックス阻害条件下(VMP1ノックダウン)におけるLC3-IIレベルの上昇の検出を通じて実証されています。また、溶解バッファーの組成や抗体の特異性など、データの解釈に影響を与える重要な技術的パラメータとともに、一般的な実験上の落とし穴についても検討します。LC3の免疫ブロット単独ではオートファジーフラックスを完全に定義するには不十分ですが、補完的なアッセイと組み合わせることで、オートファジー活性をモニタリングするための堅牢で簡便なアプローチとなります。本プロトコルは他の実験的コンテキストにも適応可能であり、癌モデルにおけるオートファジーのメカニズム研究を促進します。
マクロオートファジー(以下、オートファジーと呼ぶ)は、タンパク質や機能不全に陥ったオルガネラを含む細胞質物質を分解する、制御された分解経路である。オートファジーの特徴は、オートファゴソームとして知られる二重膜構造の形成であり、これにより細胞内の貨物が隔離され、その後、分解のためにリソソームへと運ばれる1,2,3。正常な細胞において、オートファジーはタンパク質やオルガネラの制御されたターンオーバーに寄与し、それによって酸化ストレスを制限し、腫瘍発生のリスクを低減させている。しかし、がん細胞において、このプロセスは高い代謝需要、栄養飢餓、および低酸素状態の下で生存を維持するために利用されることがある。過酷な微小環境への適応を促進することで、オートファジーは、治療によって誘発される細胞損傷を軽減することなどを通じて、化学療法耐性にも寄与している4,5。
膵臓がんは、米国におけるがん関連死亡原因の第3位にランクされています。膵臓がんの約90%は、膵管腺がん(PDAC)に分類されます。早期発見や治療法の進歩により患者の生存率が向上している他の多くのがんとは異なり、PDACは80%以上の症例で進行した段階で診断されます。この診断の遅れに、攻撃的な腫瘍生物学および顕著な治療抵抗性が加わることで、5年生存率は約11%6という結果になっています。
KPCマウスモデルは、膵臓特異的なオンコジェニックKrasの活性化と、CreリコンビナーゼによるTrp53の条件付き欠損に基づいた、膵管腺癌において最も広く利用されている遺伝子改変モデルの一つである。これらのマウスでは、膵上皮内腫瘍新生(PanIN)から浸潤癌へと進行し、ヒトの疾患に酷似した腫瘍が自然発症する。重要なことに、このモデルは密な脱プラスティック間質や免疫抑制的な腫瘍微小環境など、膵癌の主要な特徴を再現している。KPCマウスから単離された腫瘍細胞(KPC由来細胞)は、元の腫瘍の遺伝的および表現型的な特徴の多くを保持した相補的なin vitroシステムを提供し、機序研究や治療反応の制御された評価を可能にする7,8.
VMP1は、Beclin-1との相互作用およびPI3KC3複合体のリクルートを通じてオートファジーを開始させる不可欠なオートファジー関連タンパク質である9,10。開始段階に留まらず、VMP1はオートファゴソームの形成10、閉鎖11、およびミトコンドリアファジー12やジモファジー13などの選択的プロセスを含む、オートファジーの複数の段階に関与している。VMP1はオートファジーフラックス全体にわたって関与し続け、ホスホリパーゼスクランブラーとしてさらなる機能を果たす可能性がある14。膵臓において、VMP1の発現は通常低いが、膵炎や腫瘍形成などのストレス条件下では強力に誘導され、そこでは変異型KRASシグナルの下流でオートファジーを促進する15,16。VMP1は膵癌において過剰発現しており17、マウスの実験モデルにおいて、VMP1依存的なオートファジーがKRASと協調して腫瘍の開始およびPanIN形成を促進することが示されている18。さらに、ゲムシタビン19などの薬剤によるVMP1の上方制御がオートファジーを刺激し19、腫瘍細胞の生存を支持するため17、VMP1は化学療法耐性に寄与しており、その親腫瘍的な役割を浮き彫りにしている15。
オートファゴソームは、オートファジー関連タンパク質であるmicrotubule-associated protein light chain 3 (LC3)20の存在によって特徴付けられます。基底状態において、LC3は主に可溶性形態(LC3-I)として細胞質および核に分布しています。オートファジーが活性化されると、LC3はホスファチジルエタノールアミンとの抱合により脂質化され、膜結合型であるLC3-IIが生成されます1,21。この修飾により、LC3-IIはLC3-Iよりも分子量が高くなりますが、疎水性の増加により、SDS-PAGEではより速く移動します。したがって、LC3-IからLC3-IIへの変換は、タンパク質分解による処理ではなく脂質化を反映しており、通常、LC3-Iは約16 kDa、LC3-IIは約14 kDaで検出されます。LC3-IIのレベルはオートファゴソームの数と相関するため、LC3のイムノブロッティングはオートファジー活性をモニターする方法として広く利用されています22。それゆえ、オートファジーに関連する実験結果を解釈するには、LC3のダイナミクスを正確に評価することが不可欠です。
本研究では、KPC由来の膵がん細胞株における古典的なLC3免疫ブロットプロトコルの標準化および技術的最適化について詳細に述べる。LC3は低分子量タンパク質であり、LC3-I型とLC3-II型の電気泳動移動度の差がわずか~2 kDaであること、またLC3-IIが脂質修飾された種であることから、最適化は特に重要である21,22。その結果、手順のわずかな変動がLC3の検出を損ない、不十分な結果を招く可能性がある。加えて、最適な免疫反応性を得るためには、サンプルの種起源が重要な検討事項となる。最適化されたプロトコルは、化学療法剤であるgemcitabineによる処理後、およびVMP1ノックダウン後(それぞれオートファジーを刺激し、オートファジーfluxを阻害することが知られている条件)におけるLC3-IIレベルの上昇を検出するのに十分な感度を有している。最後に、データ品質と結果の解釈に与える影響を示すため、2つの潜在的な技術的ピットフォールを強調して示す。この実験ワークフローの概要を図1に示す。

図1: KPC由来細胞におけるLC3免疫ブロットプロトコルの概略図。免疫ブロット法を用いてLC3-IIレベルを検出および定量するために使用されるプロトコルの概略的な概要。KPC由来の膵癌細胞を培養して実験的処置を施した後、細胞溶解、タンパク質定量、SDS-PAGE、膜への転写、抗体によるLC3の検出、化学発光シグナルの取得、およびローディングコントロールで標準化したLC3-IIバンドのデンシトメトリー解析を行う。このワークフローは、LC3ダイナミクスの信頼性の高い評価に必要な主要な手順上のステップと重要な段階を示している。BioRender.comを用いて作成。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
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動物を用いるすべての手順は、機関のガイドラインに従って実施され、マサチューセッツ総合病院の機関動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によってプロトコル#2019N000111に基づき承認されました。本研究で使用したKPC由来の膵がん細胞株は、この承認済みプロトコルの下で、以前にMostoslavsky研究室において樹立されたものです。試薬、化学物質、および機器の情報の一覧は、材料表に記載されています。
1. 細胞の調製
2. 20 µM ゲムシタビンによる処理
3. 細胞溶解物
4. SDS–PAGEおよびウェスタンブロッティング
5. 化学発光検出
6. Fijiを用いたデンシトメトリー分析
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このプロトコルでは、異なる実験条件下におけるKPC由来膵がん細胞株のLC3ダイナミクスをモニタリングするためのウェスタンブロッティングについて説明します。このプロトコルにより、LC3およびローディングコントロールの化学発光イメージを生成します。本研究では、ローディングコントロールとしてactinを使用しました。
本プロトコルの2つの代表的な応用例を示す。まず、対照群のKPC細胞とゲムシタビン処理したKPC細胞を比較した。ゲムシタビンは、膵がん細胞においてオートファジーを誘導することが previously reported されている化学療法剤である19。図2Aに、ローディングコントロールとしてアクチンを用いたLC3免疫ブロットの代表例を示す。Fijiによる密度解析から得られた定量結果を図2Bに示す。LC3-IIレベルはアクチンで標準化した。ゲムシタビン処理細胞においてLC3-IIレベルが59%有意に増加しており、こ...
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本記事では、KPC由来の膵癌細胞における古典的なLC3免疫ブロット法プロトコルの技術的最適化および標準化について説明します。膵癌の発症および進行におけるオートファジーおよびオートファジー関連タンパク質の役割がますます認識されていることを踏まえ23、この標準化されたワークフローは、LC3ダイナミクスをモニタリングするための信頼性の高いアプローチを提供します。本プロトコルは、化学療法、酸化ストレス、低酸素、小胞体ストレス、および遺伝子過剰発現、ノックダウン、ノックアウト、変異などの遺伝子操作を含む、さまざまな実験条件下でオートファゴソームプールを評価するために適用できます。また、LC3ダイナミクスの評価に加えて、本プロトコルを適応させることで、LC3と目的タンパク質との直接的または間接的な相互作用を調査することも可能です。例えば、本ワークフローを用いて、標的タンパク質の免疫共沈降後、溶出液中のLC3検出を行うことができます。さらに、LC3免疫ブロット法は、膵管腺癌において重要性が高まっている新興分野である分泌オートファジーの文脈における細胞外小胞の解析にも適用できます
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著者は、利益相反がないことを宣言します。
本研究は、国立科学技術研究会議(CONICET)[PIP 2021–2023 GI-11220200101549CO]、国家研究推進・技術開発・革新庁(Agencia I+D+i)[PICT-2021-I-A-00328]、ブエノスアイレス大学(Universidad de Buenos Aires)[UBACyT 2023–2025, 20020220300232BA]、およびブエノスアイレス市ノルベルト・キルノ財団(Fundación Norberto Quirno, Ciudad de Buenos Aires)からの助成金によって支援された。
著者らは、『ディスアース・モデルズ&メカニズムズ』誌が授与するトラベリング・フェローシップを通じて、バイオロジスト社から提供された財政的支援に対して深く感謝する。この支援は、資金提供された訪問から生じた研究に貢献した。この慈善団体に関するさらなる情報は、https://www.biologists.com/ で利用可能である。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| C-DiGit Blot Scanner | LI-COR BioScience | 3600 | ステップ5.6の化学発光検出に使用 |
| 10x リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | Corning | 46-013-CM | ステップ1.1の細胞継代前の洗浄用1x PBSの調製に使用 |
| 2-メルカプトエタノール (β-メルカプトエタノール) | Sigma-Aldrich (Merck) | M3148 | ステップ3.8のSDS-PAGEサンプル調製用4× Laemmliサンプルバッファーの調製に使用 |
| 3Dシェーカー | DLAB | SK-D1807-E | ブロッキング、一次抗体、二次抗体溶液でのメンブレンのインキュベーションおよび洗浄ステップ(ステップ4.6、4.8、4.9、4.11、4.12、4.13)に使用 |
| 6ウェル細胞培養プレート | SORFA | SCP-11-006 | ステップ1.1の細胞播種に使用 |
| アクリルアミド | Sigma-Aldrich (Merck) | A8887 | ステップ4.2–4.5に必要な15% SDS-PAGEゲルの調製に使用 |
| 抗Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase抗体、マウスモノクローナル、クローン 6C5 | Merck Millipore | MAB374 | RRID:AB_2107445 反応性: ヒト、ネコ、ブタ、マウス、ウサギ、魚、イヌ、ラット。ノックダウン効率を評価するためのローディングコントロールとして使用(図2Cおよび2D) |
| 抗マウスIgG抗体、HRP標識 | Cell Signaling Technology | 7076 | RRID: AB_330924。ステップ4.10の二次抗体溶液の調製に使用 |
| 抗ウサギIgG抗体、HRP標識 | Cell Signaling Technology | 7074 | RRID: AB_2099233。ステップ4.10の二次抗体溶液の調製に使用 |
| 抗β-Actin (ACTB)抗体、マウスモノクローナル、AC-15 | Sigma-Aldrich (Merck) | A1978 | RRID:AB_476744 反応性: ヒツジ、コイ、ネコ、ニワトリ、ラット、マウス、ヒル (Hirudo medicinalis)、ウサギ、イヌ、ブタ、ヒト、ウシ、モルモット。図2A、2B、2E、2F、2G、2Hのローディングコントロールとして使用 |
| ブロモフェノールブルー | Sigma-Aldrich (Merck) | B0126 | ステップ3.8のSDS-PAGEサンプル調製用4× Laemmliサンプルバッファーの調製に使用 |
| エチレンジアミン四酢酸 (EDTA) | Sigma-Aldrich (Merck) | E9884 | 低界面活性剤溶解バッファーの調製に使用(図2Gおよび2H) |
| ウシ胎児血清 | NATOCOR | Lintc-634 | 細胞培養用完全培地の調製に使用(ステップ1および2) |
| Fiji | オープンソースソフトウェア | N/A | 画像解析ソフトウェア |
| グリセロール | Sigma-Aldrich (Merck) | G5516 | ステップ3.8のSDS-PAGEサンプル調製用4× Laemmliサンプルバッファーの調製に使用 |
| グリシン | Sigma-Aldrich (Merck) | G7126 | ステップ4.5の転写バッファーの調製に使用 |
| Immun-Blot PVDFメンブレン、ロール、0.2 µm、26 cm x 3.3 m | Bio-Rad | 1620177 | ステップ4.5の転写に使用 |
| Intercept (TBS) ブロッキングバッファー | LI-COR BioScience | 927-60001 | ステップ4.6のブロッキング、およびステップ4.7と4.10の一次および二次抗体溶液の調製に使用 |
| LC3 A/B (D3U4C) ウサギモノクローナル抗体 | Cell Signaling Technology | 12741 | RRID: AB_2617131 反応性: ヒト、マウス、ウサギ。ステップ4.7の一次抗体溶液の調製に使用 |
| LC3B (D11) ウサギモノクローナル抗体 | Cell Signaling Technology | 3868S | RRID: AB_2137707 反応性: ヒト。図2HのLC3一次抗体として使用 |
| メタノール | Anedra | 6197 | PVDFメンブレンの活性化およびステップ4.5の転写バッファーの調製に使用 |
| Millex-HV シリンジフィルターユニット、0.45 μm PVDF | Merck Millipore | SLHV033RS | レンチウイルス含有培地のろ過に使用(ステップ1.1) |
| ミニデジタルドライバス | Labnet International, Inc. | D 5060075 | ステップ4.1のサンプル加熱に使用 |
| Mini-PROTEAN Tetra 電気泳動システム | Bio-Rad | 1658025FC | ステップ4.2、4.3、および4.5のSDS-PAGEおよび転写に使用 |
| マウスVmp1標的MISSION shRNA (TRCN0000279038) | Sigma-Aldrich (Merck) | SHCLND-NM_029478 | 安定VMP1ノックダウン細胞株の作製に使用(ステップ1.1) |
| N,N'-メチレンビスアクリルアミド (Bis-acrylamide) | Sigma-Aldrich (Merck) | M7279 | ステップ4.2–4.5に必要な15% SDS-PAGEゲルの調製に使用 |
| Nabigem 1g ゲムシタビン | Microsules Argentina | M3060584-3 | ステップ2のゲムシタビン処理に使用 |
| Pen-Strep溶液 | Sartorius | 03-031-1B | 細胞培養用完全培地の調製に使用(ステップ1および2) |
| Pierce BCAプロテインアッセイキット | Thermo Fisher Scientific | 23227 | タンパク質定量に使用(ステップ3.7) |
| Pierce プロテアーゼインヒビタータブレット | Thermo Fisher Scientific | A32953 | ステップ3.2の溶解バッファーの調製に使用 |
| Polyethylenimine HCl MAX, Linear (PEI MAX), MW 40,000 | Polysciences | 24765-1 | レンチウイルスプラスミドを用いたトランスフェクションに使用(ステップ1.1) |
| 塩化カリウム (KCl) | Sigma-Aldrich (Merck) | P9333 | ステップ3.1のPBS調製に使用 |
| リン酸一カリウム (KH2PO4) | Sigma-Aldrich (Merck) | P5655 | ステップ3.1のPBS調製に使用 |
| PowerPac Basic 電源装置 | Bio-Rad | 1645050 | ステップ4.2、4.3、および4.5のSDS-PAGEおよび転写に使用 |
| プレステインタンパク質ラダー | Genbiotech | PM201 | ステップ4.2 - 4.4のSDS-PAGEに使用 |
| ピューロマイシン (10 mg/mL溶液) | InvivoGen | ant-pr-1 | 安定導入細胞の選抜に使用(ステップ1.1) |
| RPMI 1640 | Genbiotech | MC2012L | 細胞培養用完全培地の調製に使用(ステップ1および2) |
| 塩化ナトリウム (NaCl) | Sigma-Aldrich (Merck) | S9888 | ステップ3.1のPBS、ステップ3.2の溶解バッファー、およびステップ4.9のTBSの調製に使用 |
| ドデシル硫酸ナトリウム (SDS) | Sigma-Aldrich (Merck) | L3771 | ステップ3.2の溶解バッファーおよびステップ4.2–4.5に必要な15% SDS-PAGEゲルの調製に使用 |
| フッ化ナトリウム (NaF) | Sigma-Aldrich (Merck) | S7920 | 低界面活性剤溶解バッファーの調製に使用(図2Gおよび2H) |
| リン酸二ナトリウム (Na2HPO4) | Sigma-Aldrich (Merck) | S9763 | ステップ3.1のPBS調製に使用 |
| Sorval ST 16R 遠心機 | Thermo Fisher Scientific | 75004380 | ステップ1.1の細胞およびステップ3.5の溶解物の遠心分離に使用 |
| 化学発光基質 SuperSignal West Pico PLUS | Thermo Fisher Scientific | 34577 | ステップ5.1の化学発光検出に使用 |
| Thermo Scientific 1300 Series A2 Class II, Type A2 バイオセーフティキャビネット | Thermo Fisher Scientific | 1386 | ステップ1.1、1.3、および2.1の無菌的な細胞培養操作に使用 |
| Thermo Scientific BB 150 CO2 インキュベーター | Thermo Fisher Scientific | BB150-2TCS-L | ステップ1.2および2.2の細胞培養に使用 |
| TMEM49/VMP1 (D1Y3E) ウサギモノクローナル抗体 | Cell Signaling Technology | 12929 | RRID: AB_2714018 反応性: ヒト、マウス、ラット。図2Cおよび2DのVMP1ノックダウン効率を検証するための一次抗体として使用 |
| Trisベース | Sigma-Aldrich (Merck) | T1503 | ステップ4.5の転写バッファーの調製に使用 |
| Tris塩酸塩 (Tris-HCl) | Sigma-Aldrich (Merck) | T3253 | ステップ3.2の溶解バッファー、ステップ3.8の4× Laemmliサンプルバッファー、ステップ4.2–4.5に必要な15% SDS-PAGEゲル、およびステップ4.9のTBSの調製に使用 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich (Merck) | T8787 | ステップ3.2の溶解バッファーの調製に使用 |
| Trypsin EDTA | Gibco | 11570626 | ステップ1.1の細胞継代に使用 |
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