RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ko_KR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
지질 하이드로퍼옥사이드 함량은 페롭토틱 세포 사멸의 가장 일반적으로 사용되는 지표를 나타냅니다. 이 기사는 페롭토시스 유도 시 세포의 지질 하이드로퍼옥사이드 함량에 대한 단계별 유세포 분석을 보여줍니다.
철과 산소의 상호 작용은 지구상의 생명 발달에 필수적인 부분입니다. 그럼에도 불구하고 이 독특한 화학 물질은 계속해서 매혹적이고 당혹스러워하며 새로운 생물학적 모험으로 이어지고 있습니다. 2012년, 컬럼비아 대학의 한 연구팀은 이러한 상호작용을 "페롭토시스(ferroptosis)"라는 새로운 유형의 조절 세포 사멸로 이끄는 중심 사건으로 인식했습니다. 페롭토시스의 주요 특징은 (1) 항산화 방어 기능 장애 및/또는 (2) 압도적인 산화 스트레스로 인한 지질 하이드로퍼옥사이드의 축적이며, 이는 세포 내 유리 불안정한 철 함량 증가와 가장 빈번하게 일치합니다. 이는 일반적으로 시스틴 수송체 xCT, 글루타티온(GSH) 및 GSH 퍼옥시다제 4(GPx4)로 구성된 표준 항페롭토틱 축에 의해 방지됩니다. 페롭토시스(ferroptosis)는 프로그래밍된 유형의 세포 사멸이 아니기 때문에 세포사멸(apoptosis)의 특징적인 신호 전달 경로를 포함하지 않습니다. 이러한 유형의 세포 사멸을 증명하는 가장 일반적인 방법은 친유성 항산화제(비타민 E, 페로스타틴-1 등)를 사용하여 예방하는 것입니다. 이 분자는 원형질막의 산화 손상에 접근하여 해독할 수 있습니다. 페롭토틱 표현형을 밝히는 또 다른 중요한 측면은 특정 염료 BODIPY C11이 사용되는 지질 하이드로퍼옥사이드의 선행 축적을 검출하는 것입니다. 본 논문은 야생형 수모세포종 세포에서 에라스틴(erastin), RSL3, 철 공여체(iron-donor) 등 다양한 유도 인자를 사용하여 페롭토시스(ferroptosis)를 유도하는 방법을 보여줍니다. 마찬가지로, NAC가 있는 곳에서 성장하고 NAC가 제거된 후 페롭토시스(ferroptosis)를 겪는 xCT-KO 세포가 사용됩니다. 특징적인 "버블링(bubbling)" 표현형은 페롭토시스(ferroptosis)가 촉발되는 순간으로부터 12-16시간 이내에 광학 현미경으로 볼 수 있습니다. 또한 BODIPY C11 염색 후 FACS 분석을 통해 PI 염색법을 사용하여 지질 하이드로퍼옥사이드의 축적과 그에 따른 세포 사멸을 보여줍니다. 세포 사멸의 페롭토시스 특성을 입증하기 위해 페로스타틴-1은 특정 페롭토시스 예방제로 사용될 것입니다.
페롭토시스(Ferroptosis)는 새롭게 맥락화된 활성산소종(ROS) 의존적 유형의 세포 사멸이다1. ROS 외에도 철은 이러한 유형의 세포 사멸에서 중요한 역할을 하므로2라는 이름이 붙었습니다. 페롭토시스(ferroptosis)의 마지막 단계는 원형질막에서 지질의 산화적 손상이 철 촉매로 축적되는 것으로, 이는 결국 막의 무결성 손상과 선택적 투과성, 그리고 마지막으로 기포에 의한 세포 사멸로 이어집니다. 지질 하이드로퍼옥시드 현상은 자연적으로 발생하는 현상입니다. 그러나 세포막을 통한 증식은 세포의 항산화 방어에 의해 방지됩니다. 이러한 맥락에서 주요 역할을 하는 것은 Se-protein glutathione peroxidase 4 (GPx4)로, 막에 접근하여 지질 하이드로퍼옥사이드를 독성이 덜한 알코올 유도체로 전환할 수 있습니다3. GPx4의 환원력은 주로 비필수 아미노산인 글리신, 글루타메이트, 시스테인으로 구성된 트리펩타이드인 글루타치온(GSH)에 의해 제공되지만 배타적이지는 않습니다. GSH의 생합성을 위한 속도 제한 아미노산은 시스테인4입니다. 시스테인은 비필수 아미노산으로 분류되지만, 그 요구량은 증식성이 높은 세포(예: 암세포)에서 내부 생성을 쉽게 초과할 수 있습니다. 따라서 그것은 semi-essential 아미노산 그룹으로 재분류되었습니다. 시스테인의 필요한 수입은 주로 Xc- 시스템을 통해 발생하며, 이는 글루타메이트 수출을 희생하면서 산화된(우성) 형태의 시스테인(일명 시스틴)을 수입할 수 있게 해준다5. Xc- 시스템은 xCT로 알려진 Na+-독립, Cl--종속 수송 소단위와 CD98로 알려진 샤페론 소단위로 구성됩니다. 최근까지 xCT-GSH-GPx4 축의 반-페롭토틱 특성은 독특하고 복제할 수 없는 것으로 여겨져 왔다6. 그러나 2019년에는 유비퀴놀(코엔자임 Q10)과 그 재생 효소인 페롭토시스 억제 단백질 1(FSP1)로 구성된 대체 항페롭토틱 경로가 설명되었습니다 7,8. 그 직후, GTP 사이클로하이드로라제-1/테트라하이드로바이오프테린(GCH1/BH4)과 관련된 또 다른 지질 하이드로퍼옥사이드 해독 시스템이 보고되었다9. 그럼에도 불구하고 페롭토시스 예방에서 xCT-GSH-GPx4 축의 중심적인 역할은 도전받지 않는 것으로 보입니다.
지난 10년 동안 페롭토시스는 다양한 종양 유형에서 광범위하게 연구되어 항암 전략으로서 큰 잠재력을 보여주었습니다(Lei et al.10 검토). 또한, 기존의 화학요법제에 대한 저항성이 높거나 전이 성향을 보이는 암세포는 GPx4 11,12,13 억제제와 같은 페롭토시스 유도제에 놀라울 정도로 민감하다는 보고가 있었습니다. 그러나 뇌종양의 맥락에서 페롭토시스 유도제의 잠재력은 대체로 연구가 부족한 상태로 남아 있습니다. 이러한 유형의 세포 사멸은 대뇌 허혈-재관류 손상(cerebral ischemia-refusion injury)14및 신경퇴행성 질환(neurodegenerativediseases)15과 밀접한 관련이 있지만, 뇌종양의 맥락에서 그 잠재력은 주로 가장 흔한 악성 두개뇌 종양인 교모세포종(glioblastoma)에 국한되어 있다(Zhuo et al.16에 의해 검토됨). 한편, 가장 흔한 악성 소아 뇌종양이자 소아 사망률의 주요 원인인 수모세포종(medulloblastoma)이 페롭토시스 유발인자에 대한 민감성은 대부분 연구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 우리가 아는 한, 페롭토시스와 수모세포종을 연결하는 동료 심사 문헌은 거의 없습니다. 그럼에도 불구하고 일부 연구에서는 철분이 수모세포종과 교모세포종 암 줄기 세포(CSC)의 생존, 증식 및 종양 생성 가능성에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다.17,18 이로 인해 페롭토시스 유도에 더 취약해질 수 있습니다. 이는 수모세포종(medulloblastoma)이 종양 화학저항성, 전파 및 재발의 주요 원인이 되는 것으로 보이는 CSC(tumor-initiating/propagating cells)의 하위 집단으로 악명이 높기 때문에 특히 중요하다19.
페롭토시스 유도에 대한 민감도는 일반적으로 세포 사멸로 이어질 수 있거나 그렇지 않을 수 있는 지질 하이드로퍼옥사이드 함량/축적을 측정하여 조사합니다. 가장 일반적으로 사용되는 페롭토시스 유도제는 (1) xCT 수송체20의 억제제인 에라스틴, (2) GPx4 효소2의 억제제인 RSL3 및/또는 (3) 구연산제철암모늄(FAC)21과 같은 철 공여체입니다. 지질 하이드로퍼옥사이드 함량은 선택적 프로브 BODIPY 581/591 C1122를 사용하여 평가하며, 이 프로브는 감소된 상태에서 581/591nm에서 여기 및 방출 최대값을 갖습니다. 지질 하이드로퍼옥사이드와의 상호 작용 및 산화에 의해 산화되면 프로브는 여기 및 방출 최대값을 488/510nm로 이동합니다. 전형적으로, 지질 하이드로퍼옥사이드 함량의 현저한 증가는 페롭토틱 세포 사멸에 선행합니다. 페롭토시스는 프로그래밍된 세포 사멸이 아니기 때문에 페롭토시스 실행으로 이어지는 분자 신호 전달 캐스케이드가 없습니다. 따라서 이를 확인할 수 있는 유일한 방법은 지질 하이드로퍼옥사이드 함량을 모니터링하고 이러한 유형의 세포 사멸에 대해 페로스타틴 123과 같은 특정 억제제를 사용하는 것입니다. 페로스타틴 1은 세포의 지질 구획에 침투하여 지질 하이드로퍼옥사이드를 해독하여 페롭토시스 사건을 예방할 수 있는 친유성 항산화제입니다.
본 연구는 8% FBS가 보충된 DMEM 배지에서 5% CO2 로 37°C에서 배양한 DAOY 야생형(WT) 수모세포종 세포주를 사용하여 수행되었습니다. xCT 결실 세포주는 1mM N-아세틸시스테인(NAC)이 보충된 배지에서 실험을 수행하여 동일한 조건에서 유지되었습니다. 세포는 상업적으로 이용 가능한 마이코플라스마 검출 키트( 재료 표 참조)를 사용하여 마이코플라스마에 대해 정기적으로 스크리닝하고 10번째 통로까지 배양했습니다.
1. 세포 수확 및 파종
알림: 모든 단계는 조직 배양 층류 후드에서 멸균 무균 기술을 사용하여 수행됩니다. DAOY 수모세포종 세포는 부착성이 있어 부착되지 않은 모든 세포는 Ca2+ 및 Mg2+ 없이 인산염 완충 식염수(PBS)로 세척하여 폐기할 수 있습니다.
2. 세포의 처리
알림: 제어 및 치료는 세 번에 걸쳐 수행됩니다. 그룹은 다음과 같습니다 : 대조군 (DMSO), 에라스틴 1 μM, RSL3 0.3 μM, FAC 250 μM, 페로 스타틴 1 2 μM, 에라스틴 1 1 μM 1 μM 1 μM 0.3 μM RSL3 + 페로 스타틴 1 2 μM, FAC 250 μM + 페로 스타틴 2 μM 1. 표 1)에 표시된 것처럼 실험에는 4개의 6웰 플레이트가 필요합니다. 필요한 모든 시약의 상업적 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.
3. BODIPY 581/591 C11 프로브를 사용한 처리된 세포의 지질 하이드로퍼옥사이드 염색
참고: 지질 하이드로퍼옥사이드 특이적 프로브의 원액은 1mM 농도로 DMSO에서 제조됩니다. 원액의 부분 표본은 -20 °C에서 불투명 튜브에 보관됩니다. 염색을 위해 8% FBS가 보충된 DMEM 매체에 프로브의 2μM 작업 용액을 준비합니다.
4. 처리된 세포의 지질 하이드로퍼옥사이드 함량에 대한 유세포 분석
알림: 다음 단계는 모두 어두운 곳에서 수행됩니다(층류 후드에 조명 없음).
5. 처리 시 죽은 세포의 프로피듐 요오드화물(PI) 염색
참고: 실험 설계는 지질 하이드로퍼옥사이드 측정과 정확히 동일합니다(1단계 및 2단계 참조).
6. 처리 후 24시간 동안 죽은 세포의 유세포 분석
알림: FACS 기계 설정 및 보정은 이전에 표시된 대로 수행됩니다(4단계 참조).
7. DAOY xCT-/- 세포의 지질 하이드로퍼옥사이드 함량에 대한 유세포 분석
참고: xCT-/- 셀은 앞서 설명한 대로 생성되었습니다24.
8. 유세포 분석기 결과 분석
수모세포종 세포주 DAOY는 약 60%의 밀도에 도달할 때까지 8% FBS가 보충된 표준 DMEM 배지에서 배양되었습니다. 실험 당일, 세포를 수확하고, 웰 당 1,00,000 개의 세포를 표 1에 따라 6-웰 플레이트에 도말하였다. 다음 날, 세포(삼중)를 1μM의 에라스틴, 0.3μM의 RSL3 또는 250μM의 FAC로 처리했습니다. 그런 다음 플레이트를 37°C 및 5%CO2의 인큐베이터에 넣었습니다. 6시간 후, 그림 1의 화살표로 표시된 것처럼 기포 세포를 감지하기 위해 현미경으로 세포를 관찰했습니다. 이는 세포가 지질 하이드로퍼옥사이드 염색 및 후속 FACS 분석을 위해 준비되기 전에 약물이 페롭토시스를 유도하는 데 효과적이라는 지표로 작용했습니다.
지질 하이드로퍼옥사이드 함량을 검출하기 위해 특정 염료 BODIPY 581/591 C11을 최종 농도 2μM에서 30분 동안 사용했습니다. 이 염료는 산화 환원에 민감하기 때문에 세포에서 모든 처리물을 제거하고 미리 예열된 PBS로 세척해야 했습니다. 30분 염색 후, PBS로 세포를 2회 세척하고, 세포 분리 용액을 사용하여 분리하고, FACS 분석을 위해 준비했습니다. 이 단계에서 얻은 데이터는 세 가지 약물로 처리된 샘플에서 염료의 녹색 형광이 증가했음을 보여주었습니다(그림 2). 그러나 가장 강력한 효과는 0.3μM의 RSL3(그림 2B)로 관찰된 반면, 1μM의 에라스틴(그림 2A) 및 250μM의 FAC(그림 2C)는 6시간의 처리 후 다소 적은 효과를 보였습니다.
검출된 지질 하이드로퍼옥사이드 축적이 세포 사멸, 특히 페롭토시스(ferroptosis)로 이어진다는 것을 확립하기 위해, 표 1 에 요약된 동일한 처리를 24시간 동안 적용하였다. 유세포 분석을 통한 죽은 세포 분석을 위해 세포와 상층액을 모두 채취했습니다. 살아있는 세포와 죽은 세포를 원심분리에 의해 펠릿화한 다음 후속 유세포 분석을 위해 FACS 완충액에 재현탁시켰습니다. 그림 3 에 제시된 데이터는 세 가지 치료 모두 대량 세포 사멸을 유발한다는 것을 보여주었으며, 이는 페롭토시스 특이적 억제제인 페로스타틴-1을 사용하여 완전히 예방되었습니다. 이는 수모세포종 세포에서 xCT 억제, GPx4 억제 또는 철 과부하 시 철강 세포 사멸이 발생한다는 것을 명확하게 뒷받침합니다.
세 가지 약물이 효능의 차이로 인해 지질 하이드로퍼옥사이드 축적에 다소 다른 효과를 보였다는 점을 감안할 때, 페롭토틱 유도제의 전체 효능을 조사하기 위해 유전적 접근 방식이 사용되었습니다. 이전에 얻은 DAOY xCT-/- 세포(보충 그림 1A)는 WT 세포와 동일한 배지에서 배양했지만 NAC 보충을 사용했습니다. 이 positive selection은 xCT-/- 세포가 배양에서 성장할 수 있도록 했습니다. 그러나 배양 배지에서 NAC를 제거한 지 6시간이 지나자 세포는 RSL3로 처리한 WT 세포와 동일한 수준으로 지질 하이드로옥사이드를 축적하기 시작했습니다(그림 4). 약리학적 억제와 유사하게, 배지에서 NAC를 제거하면 6시간 후 xCT-/- 세포의 특징적인 버블링이 유도되었습니다(보충 그림 1B).

그림 1: 수모세포종 세포의 페롭토틱 표현형. 2μM 페롭토시스 억제제 페로스타틴-1(Ferro-1)의 존재 여부와 관계없이 1μM의 에라스틴(ERA), 0.3μM의 RSL3 또는 250μM의 구연산페로암모늄(FAC)으로 6시간 동안 처리된(또는 투여되지 않은) DAOY WT 세포의 대표적인 현미경 사진. 흰색 화살표는 둥글고 "버블링" 세포를 나타내며, 광학 현미경으로 볼 수 있는 페롭토틱 표현형을 나타냅니다. 배율 : 20 배, 인서트 : 40 배. 스케일 바: 50 μm, 인셋: 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 수모세포종 세포에서 페롭토시스(ferroptosis)의 핵심 마커인 지질 하이드로퍼옥사이드(Lipid hydroperoxide). 2μM 페롭토시스 억제제 페로스타틴-1(Ferro-1)의 존재 여부와 관계없이 (A,B) 1μM의 에라스틴(ERA), (C,D) 0.3μM의 RSL3 또는 (E,F) 250μM의 시트르산페로암모늄(FAC)으로 6시간 동안 처리된 세포에서 유세포 분석에 의한 지질 하이드로퍼옥사이드 염색의 대표 데이터. (A,C,E) 기록된 이벤트의 점도표; (금, D, 층) 지질 하이드로퍼옥사이드 함량의 히스토그램 표현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 약리학적 접근법에 의한 페롭토틱 세포 사멸 유도. 2μM 페롭토시스 억제제 페로스타틴-1(Ferro-1)의 존재 여부와 관계없이 1μM의 에라스틴(ERA), 0.3μM의 RSL3 또는 250μM의 시트르산페로암모늄(FAC)으로 6시간 처리한 후 프로피듐 요오드화물 염색 세포의 대표적인 유세포 분석 점도표. 게이팅은 세포의 살아있는(Q4) 및 죽은 (Q3) 집단을 분리합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 유전적 접근법에 의한 페롭토시스 유도. 2μM 페롭토시스 억제제인 페로스타틴-1(Ferro-1)의 존재 여부와 관계없이 6시간 후 DAOY WT 및 xCT-/- 세포에서 유세포 분석에 의한 지질 하이드로퍼옥사이드 염색의 대표 데이터. 왼쪽은 지질 하이드로퍼옥사이드 함량의 히스토그램 표현입니다. 오른쪽에는 기록된 이벤트의 점 그림이 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 플레이트 I | CTL 나 | CTL II | CTL 3세 |
| 1μM 에라스틴 I | 1μM 에라스틴 II | 1μM 에라스틴 III | |
| 플레이트 II | 0.3μM RSL3 나 | 0.3 μM RSL3 II | 0.3 μM RSL3 세 |
| 250μM FAC I | 250μM FAC II | 250 마이크로미터 팩사 III | |
| 플레이트 III | 2 μM 페로-1 I | 2 μM 페로-1 II | 2 μM 페로-1 III |
| 1 M 에라스틴 + 2 M 페로-1 I | 1 M 에라스틴 + 2 M 페로-1 II | 1 M 에라스틴 + 2 M 페로-1 III | |
| 플레이트 IV | 0.3 M RSL3 + 2 M 페로-1 I | 0.3 M RSL3 + 2 M 페로-1 II | 0.3 M RSL3 + 2 M 페로-1 III |
| 250M FAC + 2M 페로-1 I | 250m FAC + 2m 페로-1 II | 250 M FAC + 2 M 페로-1 III |
표 1: 대조 세포와 실험 세포의 처리 세부 정보.
보충 그림 1: DAOY xCT-/- 세포의 페롭토틱 세포 사멸. (A) 2μM의 페로스타틴-1이 보충되거나 보충되지 않은 DMEM 배지의 DAOY WT 및 xCT-/- 세포의 xCT 수준에 대한 웨스턴 블롯 분석. (B) 6시간 동안 1mM N-아세틸시스테인의 존재(왼쪽) 및 부재(오른쪽)에서 DAOY xCT-/- 세포의 대표적인 현미경 사진. 흰색 화살표는 둥글고 "버블링" 세포를 나타내며, 광학 현미경으로 볼 수 있는 페롭토틱 표현형을 나타냅니다. 배율 : 40x. 스케일 바: 10 μm. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
우리는 여기에 제시된 연구에 대한 이해 상충이 없음을 선언합니다.
지질 하이드로퍼옥사이드 함량은 페롭토틱 세포 사멸의 가장 일반적으로 사용되는 지표를 나타냅니다. 이 기사는 페롭토시스 유도 시 세포의 지질 하이드로퍼옥사이드 함량에 대한 단계별 유세포 분석을 보여줍니다.
이 작업은 모나코 공국 정부, 'Le Groupement des Entreprises Monégasques dans la Lutte contre le cancer'(GEMLUC) 및 BD FACS Melody 구매 수단을 제공한 Flavien Foundation의 지원을 받았습니다.
| BODIPY 581/591 C11 | Thermo Fisher | D3861 | |
| 셀 카운터 | Beckman | Coulter Z1 | |
| DMEM 중간 | Gibco | 10569010 | |
| Erastin | Sigma-Aldrich | E7781-5MG | |
| Ferroamminium citrate | Acros Organics | 211842500 | |
| Ferrostatin-1 | Sigma-Aldrich | SML0583-25MG | |
| Fetal bovin serum (FBS) | Dominique Dutcher | 500105N1N | |
| 유세포 분석기 | BD Biosciences | FACS Melody | |
| Gibco StemPro Accutase 세포 해리 시약 | Thermo Fisher | 11599686 | |
| N-acetylcysteine | Sigma-Aldrich | A7250 | |
| PlasmoTest 마이코플라즈마 검출 키트 | InvivoGen | rep-pt1 | |
| 프로피듐 요오드화물 | Invitrogen | P3566 | |
| RSL3 | Sigma-Aldrich | SML2234-25MG | |
| 트립신 - EDTA 10X - 100 mL | Dominique Dutcher | X0930-100 |