1. Przygotowanie roztworów stokowych
- Przygotować bufor wolny od wapnia (140 mM NaCl, 5 mM KCl, 1 mM MgCl2, 0,5 mM EGTA, 10 mM glukozy w 10 mM HEPES-KOH, (pH 7,35)).
- Rozpuścić FURA-2 AM w DMSO, aby uzyskać 1 mM roztwór stokowy. Mieszać za pomocą wortexa, aż roztwór stanie się jednorodnie jasnożółty. Chronić probówkę przed światłem. Rozcieńczyć roztwór stokowy FURA-2 AM w 1 ml zmodyfikowanej pożywki Eagle'a Dulbecco (DMEM) zawierającej 10% płodowej surowicy bydlęcej (FBS) i 1% penicyliny/streptomycyny do stężenia końcowego 4 μM w celu obciążenia komórek HeLa.
- Przygotować 12,5 mM roztwór stokowy puromycyny w wodzie destylowanej (pH 7,0). Alikwoty przechowywać w temperaturze -20°C. Rozcieńczyć 12,5 mM roztwór stokowy puromycyny w buforze wolnym od wapnia do stężenia końcowego 500 μM puromycyny.
- Rozpuścić tapsygarginę w DMSO, aby uzyskać 1 mM roztwór stokowy.
- Rozpuścić 1 mg ophioboliny A w 20 μl chloroformu, a następnie zmieszać z 25 μl DMSO. Probówkę do mikrocentryfugi pozostawić otwartą do czasu odparowania chloroformu. W ten sposób końcowe stężenie ophioboliny A wynosi 100 mM. Alikwoty przechowywać w temperaturze -20 °C. Przed użyciem rozcieńczyć roztwory stokowe w buforze wolnym od wapnia do stężenia końcowego 100 μM. Dzięki temu końcowe stężenie DMSO podczas obrazowania żywych komórek nie przekracza 0,1%.
- Rozpuścić trifluoperazynę w DMSO do stężenia 10 mM i przechowywać alikwoty w temperaturze -20 °C. Przed użyciem rozcieńczyć roztwory stokowe w buforze wolnym od wapnia do stężenia końcowego 10 μM. Dzięki temu końcowe stężenie DMSO podczas obrazowania żywych komórek, podobnie jak w przypadku ophioboliny A, nie przekracza 0,1%.
- Rozpuścić siRNA (SEC61A1 siRNA, SEC61A1-UTR siRNA oraz kontrolne siRNA) w wodzie wolnej od RNazy, aby przygotować 20 μM roztwór stokowy. Mieszać za pomocą wortexa i kontrolować rozpuszczanie wizualnie. Alikwoty o objętości 50 μl przechowywać w temperaturze -20 °C.
2. Wyciszanie genów w komórkach HeLa
W celu zbadania udziału konkretnego białka w odpływie Ca2+ z ER, odpowiedni gen musi zostać efektywnie wyciszony za pomocą dwóch różnych siRNA (Rys. 1). Dodatkowo efekt wyciszenia musi zostać zniesiony poprzez ekspresję odpowiedniego genu typu dzikiego. Zazwyczaj stosujemy siRNA skierowane odpowiednio przeciwko regionowi kodującemu i niekodującemu (UTR) badanego genu. Zastosowanie siRNA skierowanego przeciwko UTR stanowi dogodną metodę komplementacji.
- Wysiać 5,2 x 105 komórek HeLa (ATCC nr CCL-2) w 6-centymetrowej szalce hodowlanej z 25-milimetrowym szkiełkiem nakrywkowym (wstępnie potraktowanym 200 μl poli-L-lizyny (1 mg/ml) przez 1 h) w pożywce DMEM (Dulbecco's modified eagle medium) zawierającej 10% płodowej surowicy bydlęcej (FBS) i 1% penicyliny/streptomycyny, a następnie inkubować w 37°C w warunkach zwiększonej wilgotności z 5% CO2 (objętość końcowa 3,9 ml).
- Przeprowadzić transfekcję komórek siRNA przeciwko SEC61A1, siRNA przeciwko SEC61A1-UTR lub kontrolnym siRNA negatywnym, używając odczynnika HiPerFect zgodnie z instrukcją producenta (stężenie końcowe siRNA: 20 nM). W skrócie: przygotować świeże roztwory siRNA w oddzielnej probówce do mikrocentryfugi przed właściwą procedurą transfekcji: dodać 20 μl odczynnika do transfekcji HiPerFect do 4 μl każdego siRNA (20 μM) rozpuszczonego w 80 μl OptiMEM. Mieszaninę delikatnie wymieszać na wirówce typu vortex i inkubować w temperaturze pokojowej przez 10 min. Mieszaninę siRNA (104 μl) dodać kroplami do wysianych 5,2 x 105 komórek HeLa (3,9 ml).
- Po 24 h wymienić pożywkę (3,9 ml) i przeprowadzić drugą transfekcję komórek tą samą mieszaniną siRNA (104 μl).
- Ocenić wyciszenie za pomocą analizy Western blot. Powinno ono przekraczać 80%. Przemyć komórki z szalki hodowlanej w soli fizjologicznej z buforem fosforanowym (PBS) i zebrać je w pożywce DMEM. Policzyć komórki przy użyciu automatycznego licznika komórek Countess. Zlizować komórki w buforze do lizy komórek (10 mM NaCl, 10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 3 mM MgCl2, 0,5% NP40) uzupełnionym koktajlem inhibitorów proteaz (3 μg/ml Pepstatyny A, 3 μg/ml Leupeptyny, 3 μg/ml Antipainu, 3 μg/ml Chymastatyny) i zmieszać z buforem do próbek SDS (60 mM Tris-HCl, pH 6.8, 2% SDS, 10% glicerolu, 5% β-merkaptoetanolu, 0,01% błękitu bromofenolowego), aby uzyskać stężenie końcowe 10 000 komórek/μl. Próbki podgrzewać w 56 °C przez 15 min, a następnie dodać szklane kuleczki i mieszać na wirówce typu vortex przez 20 min w celu fragmentacji DNA. 20 μl każdej próbki rozdzielić za pomocą SDS-PAGE typu Laemmli (zazwyczaj 15% poliakryloamidu dla żelu rozdzielającego). Przenieść rozdzielone białka na membranę PVDF metodą elektrotransferu („wet-blot”) przy stałym natężeniu 400 mA przez 3 h lub przez noc w buforze do transferu (100 mM glicyny, 12,5 mM Tris-HCl). Następnie blokować 5% (w/v) odtłuszczonym mlekiem w proszku w PBS przez 30 min w temperaturze pokojowej, a potem inkubować membranę z przeciwciałem pierwszorzędowym przeciwko końcowi C-terminalnemu Sec61α z królika oraz przeciwciałem przeciwko β-aktynie z myszy. Przemyć membranę w roztworze PBS-TritonX-100 (0,05%) i dwukrotnie w PBS przez odpowiednio 5 min. Wizualizować przeciwciała pierwszorzędowe za pomocą koniugatu ECL Plex goat-anti-rabbit IgG-Cy5 lub ECL Plex goat-anti-mouse IgG-Cy3 oraz systemu obrazowania Typhoon-Trio w połączeniu z oprogramowaniem Image Quant TL 7.0. W przypadku genu SEC61A1 maksymalny efekt wyciszenia obserwuje się zazwyczaj 96 h po pierwszej transfekcji. Reprezentatywny eksperyment przedstawiono na Rys. 2.
3. Komplementacja komórek HeLa
Aby przywrócić fenotyp po wyciszeniu SEC61A1, cDNA SEC61A1 wprowadzono do miejsca wielokrotnego klonowania (MCS) wektora pCDNA3-internal ribosomal entry site (IRES)-GFP, który zawierał promotor cytomegalowirusa (CMV), MCS, IRES oraz sekwencję kodującą zielone białko fluorescencyjne (GFP).
- 48 h po pierwszej transfekcji siRNA, wymień medium (3.9 ml) po raz drugi i przekształć komórki za pomocą pustego wektora lub plazmidu ekspresyjnego SEC61A1 przy użyciu Fugene HD zgodnie z protokołem producenta (ostateczny stosunek wektora do Fugene HD wynosi 4 μg wektora na 16 μl Fugene HD). W skrócie, przed procedurą transformacji przygotuj świeżo plazmidy w oddzielnej probówce do mikrowirówki: dodaj 16 μl odczynnika do transformacji Fugene HD do 4 μg każdego plazmidu rozpuszczonego w 80 μl OptiMEM. Delikatnie wymieszaj tę mieszaninę w wirówce vortex i inkubuj w temperaturze pokojowej przez 10 min. Dodaj kroplami mieszaninę plazmidową (0.1 ml) do wysianych 5.2 x 105 komórek HeLa (3.9 ml).
- Po 48 h ekspresji plazmidu poddaj szalki hodowlane mikroskopii fluorescencyjnej przed obrazowaniem wapnia i zbiorami. W razie potrzeby zastąp DMEM roztworem PBS, aby uzyskać lepsze sygnały fluorescencyjne. Rejestruj obrazy fluorescencyjne za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego wyposażonego w chłodzoną kamerę CCD. Wydajność transformacji można określić, dzieląc liczbę komórek wykazujących fluorescencję GFP przez liczbę komórek policzonych w trybie jasnego pola; powinna ona wynosić powyżej 80%. Typowy wynik przedstawiono na Rys. 3.
4. Obrazowanie wapnia w żywych komórkach
- Przed pomiarem przenieś szkiełko podstawowe z transfektowanymi komórkami HeLa do oddzielnej szalki hodowlanej o średnicy 3,5 cm. Obciąż komórki 4 μM FURA-2 AM w 1 ml DMEM przez 45 min w temperaturze 25°C w ciemności11,12.
- Zamocuj szkiełko podstawowe o średnicy 25 mm w metalowej komorze iMIC, przemyj komórki dwukrotnie i inkubuj w buforze wolnym od wapnia (za każdym razem 300 μl).
- Rozpocznij zbieranie danych za pomocą mikroskopu iMIC z modułem polychrome V, stosując naprzemienne wzbudzanie przy 340 nm i 380 nm oraz mierząc emitowaną fluorescencję przy 510 nm (zestaw filtrów: dzielnik wiązki, 565 nm; emitter, 605/70 nm). Pobieraj obrazy próbek zawierające 20-50 komórek na klatkę co 3 s. Rejestruj sygnały FURA-2 jako stosunki F340/F380, gdzie F340 i F380 odpowiadają odpowiednio natężeniu fluorescencji po odjęciu tła przy 340 i 380 nm.
- Po 1 min potraktuj komórki puromycyną (500 μM) w buforze wolnym od wapnia lub samym buforem. Alternatywnie, potraktuj komórki inhibitorem małocząsteczkowym (takim jak 10 μM trifluoperazyny lub 100 μM ophiboliny A) lub buforem wolnym od wapnia.
- Po przeprowadzeniu pomiarów ratiometrycznych przez 2 lub 10 min dodaj tapsygarginę (1 μM) i kontynuuj pomiary.
- Ostatecznie, stężenie cytozolowe [Ca2+] szacuje się z pomiarów stosunków (ratio) za pomocą uznanej metody kalibracyjnej.2 Przeanalizuj dane za pomocą programów Excel 2007 i Origin 6.1.
5. Reprezentatywne wyniki:
Do tej pory analizowaliśmy kwestię tego, czy wyciszenie genu SEC61A1 wpływa na wyciek wapnia (Ca2+) z ER (Rys. 1). Gen SEC61A1 został wyciszony za pomocą dwóch różnych siRNA w komórkach HeLa przez 96 godzin. Podczas gdy wyciszenie niemal nie wpłynęło na wzrost i żywotność komórek, transport białek do ER w komórkach półprzepuszczalnych został niemal całkowicie zahamowany. Co więcej, komórki z wyciszonym genem SEC61A1 wykazały znaczne zaburzenia w zakresie wycieku Ca2+ z ER. Efekt wyciszenia genu został odwrócony poprzez ekspresję genu SEC61A1. Zatem kompleksy Sec61 obecne w błonie ER wszystkich komórek jądrzastych tworzą kanały wycieku Ca2+, które prawdopodobnie odgrywają kluczową rolę w homeostazie Ca2+. Jednakże obecność dużych, wypełnionych wodą porów o niekontrolowanej przepuszczalności jonowej, takich jak te tworzone przez kompleksy Sec61 w błonie ER, poważnie zakłócałaby regulowane uwalnianie Ca2+ z lumeny ER do cytosolu, co jest niezbędnym mechanizmem sygnalizacji wewnątrzkomórkowej. Zidentyfikowaliśmy motyw wiążący kalmodulinę (CaM) w cytozolowym N-końcu ssaczej Sec61α, który wiązał CaM, ale nie wolną od Ca2+ apokalmodulinę, z powinowactwem nanomolarnym i specyficznością sekwencyjną. Na poziomie komórkowym dwa różne antagoniści CaM stymulowały uwalnianie Ca2+ z ER w obecności, ale nie w przypadku braku kanałów Sec61 (Rys. 4 i 5). Zjawisko to nie zostało zaobserwowane w przypadku obecności kanałów Sec61 zawierających mutacje w motywie IQ białka Sec61α. Zatem kompleks Ca2+-CaM uczestniczy w ograniczaniu wycieku Ca2+ z ER (Rys. 6).

Rysunek 1. Schemat blokowy. Szczegóły znajdują się w tekście.

Rycina 2. Analiza danych dotyczących wydajności wyciszania. Wyciszanie oceniono za pomocą analizy Western-blot przy użyciu przeciwciał skierowanych przeciwko Sec61α oraz β-actin (kontrola załadunku). Przeciwciała pierwotne wizualizowano przy użyciu przeciwciał wtórnych ECL Plex oraz obrazowania fluorescencyjnego.

Rycina 3. Analiza danych dotyczących wydajności transfekcji. Obrazy zarejestrowano za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego wyposażonego w chłodzoną kamerę CCD. Wydajność transformacji można określić, dzieląc liczbę komórek wykazujących fluorescencję GFP przez liczbę komórek policzonych w trybie jasnego pola.

Rycina 4. Zrzuty ekranu z obrazowania wapnia w żywych komórkach HeLa w obecności kontrolnego siRNA lub siRNA przeciwko SEC61A1 oraz w obecności lub przy braku antagonisty CaM, ophioboliny A. Komórki HeLa były traktowane siRNA skierowanym przeciwko SEC61A1 (B) lub negatywnym kontrolnym siRNA (A) przez 96 h, zgodnie z oznaczeniem. Komórki te załadowano wskaźnikiem wapnia FURA-2 AM i inkubowano w buforze wolnym od Ca2+ zawierającym 0,5 mM EGTA, a następnie dodano bufor lub ophiobolinę A (Ophio A) w buforze i wznowiono inkubację. Po 10 min zainicjowano uwalnianie Ca2+ poprzez zastosowanie tapsygarginy (TG) w obecności braku zewnętrznego Ca2+ i kontynuowano inkubację. Zrzuty ekranu z ciągłego obrazowania wapnia wykonano we wskazanych odstępach czasu.

Rycina 5. Analiza danych dla eksperymentów obrazowania wapnia w żywych komórkach. (A) Analiza kinetyczna i ilościowa serii eksperymentów przedstawionych na Ryc. 4A. Cytosoliczne [Ca2+] oszacowano na podstawie pomiarów stosunku (ratio) przy użyciu uznanej metody kalibracji2. Efekt działania tapsygarginy przedstawiono na wykresie słupkowym. (B-D) Komórki traktowano kontrolnym siRNA lub wskazanym siRNA przeciwko SEC61A1 przez 48 h, a następnie transformowano wektorem kontrolnym (C), plazmidem ekspresyjnym SEC61A1 (C) lub zmutowanym plazmidem ekspresyjnym SEC61A1 (D), zgodnie z oznaczeniem. Po 48 h przeprowadzono eksperymenty obrazowania wapnia, analogicznie jak na Ryc. 4 i 5A. Przedstawiono analizę statystyczną zmian stężenia Ca2+ w cytozolu po dodaniu tapsygarginy w eksperymentach takich jak zaprezentowane w A. Wartości P < 0,001 uznano za istotne statystycznie w nieparzystym teście t i oznaczono trzema gwiazdkami (***); n.s. – brak istotności statystycznej. Podano liczbę analizowanych komórek. Przedstawiono wartości średnie, a słupki błędów reprezentują standardowe błędy średniej (s.e.m.). Zaznaczamy, że przykłady te zostały zaadaptowane z ref. 13.

Rycina 6. Dane te wskazują, że uwalnianie nowo powstających łańcuchów z kompleksu Sec61 rzeczywiście prowadzi do uwalniania wapnia z ER i powstania nanodomeny wapniowej wokół cytozolowego wylotu kompleksu Sec61. Wapń ten jest wiązany przez kalmodulinę, a kompleks wapń-kalmodulina zamyka kompleks Sec61.