Wszystkie żywe komórki przetwarzają informacje poprzez transport ładunku, takiego jak ligandy zewnątrzkomórkowe, mikroorganizmy, składniki odżywcze, białka transbłonowe i lipidy z błony komórkowej do pęcherzyków endocytarnych (np. endocytoza). Odwrotny proces zwany recyklingiem równoważy endocytozę i zwraca większość zinternalizowanej błony i ładunku na powierzchnię komórki. Równowaga między endocytozą a recyklingiem kontroluje skład błony plazmatycznej i dostarcza komórkom informacji, które zostały rozwiązane w czasie i przestrzeni. Endocytoza i recykling są głównymi regulatorami różnych funkcji komórkowych, takich jak pobieranie składników odżywczych i metabolizm, rozwój, proliferacja, różnicowanie i polarność, przeprogramowywanie, migracja, adhezja i migracja komórek, cytokineza i neuroprzekaźnictwo1-3. Szlaki endocytarne i recyklingowe są bardzo dynamiczne i wysoce skoordynowane oraz pozwalają komórkom obracać równowartość całej błony plazmatycznej 1-5 razy na godzinę.
Testy ochrony L-glutationu oparte na komórkach są przydatne do badania endocytozy i recyklingu białek transbłonowych, w tym receptorów, kanałów, transporterów i cząsteczek adhezyjnych w komórkach nabłonkowych i nienabłonkowych4-8. Wcześniej badaliśmy endocytozę i recykling przezbłonowego regulatora przewodnictwa mukowiscydozy (CFTR) w ludzkich komórkach nabłonka dróg oddechowych i komórkach HEK2939-15. Testy oparte na biotynylacji opisane w manuskrypcie są zoptymalizowane pod kątem badania endocytozy i recyklingu w komórkach nabłonka hodowanych w warunkach polaryzacyjnych na półprzepuszczalnych podporach wzrostu. Protokoły te można modyfikować w celu zbadania endocytozy i recyklingu białek w komórkach nabłonkowych hodowanych w plastikowych szalkach do hodowli tkanek lub w komórkach nienabłonkowych. Ryciny 1 i 2 zawierają przykłady testów endocytarnych i recyklingowych w komórkach nabłonkowych i nienabłonkowych.
Testy endocytarne są wykonywane zgodnie z wcześniejszym opisem9-15. Komórki są hodowane na półprzepuszczalnych podporach wzrostupokrytych kolagenem 11,14. Alternatywnie, komórki można hodować w pokrytych kolagenem plastikowych naczyniach do hodowli tkanek10,15. Komórki są szybko schładzane do temperatury 4 ºC, aby zatrzymać transport błonowy, a białka błony plazmatycznej są znakowane w temperaturze 4 °C nieprzepuszczalną dla błony komórkowej biotyną. Biotyna reaguje z ε-amina reszt lizyny, a wiązanie dwusiarczkowe jest tiolowo-łupliwe. Po biotynylacji komórki inkubuje się w temperaturze 37 °C w celu indukowania transportu białek i ładowania pęcherzyków endocytarnych przez 2,5, 5,0, 7,5 lub 10 minut. Następnie komórki są schładzane do temperatury 4 °C, a wiązanie dwusiarczkowe w biotynie kowalencyjnie przyłączonej do białek błony plazmatycznej jest redukowane za pomocą L-glutationu (GSH). Na tym etapie protokołu tylko białka, które zostały endocytozowane z błony komórkowej, są chronione przed GSH, a tym samym pozostają biotynylowane. Komórki pozostające w temperaturze 4 °C po biotynylacji bez inkubacji w temperaturze 37 °C lub poddaniu działaniu GSH posłużyłyby do określenia ilości biotynylowanej CFTR w czasie zero. Komórki pozostające w temperaturze 4 °C po biotynylacji bez inkubacji w temperaturze 37 °C, ale z obróbką GSH, posłużyłyby do określenia skuteczności redukcji wiązań dwusiarczkowych. Po wyżej opisanych zabiegach komórki są poddawane lizie, biotynylowane białka są izolowane przez agarozę streptawidyny, eluowane do buforu próbki SDS i rozdzielane przez SDS-PAGE. Białko będące przedmiotem zainteresowania jest wykrywane w biotynylowanych próbkach za pomocą western blot. Za 100% uważa się ilość biotynylowanego białka w temperaturze 4 ºC w czasie zero (bez ocieplenia o 37 ºC). Ilość białka pozostałego biotynylowanego po podaniu działaniu GSH w temperaturze 4 ºC uznaje się za tło i odejmuje się od ilości białka pozostałego biotynylowanego po podgrzaniu do 37 ºC w różnych punktach czasowych. Endocytozę białkową oblicza się po odjęciu tła i wyraża się ją jako procent biotynylowanego białka w każdym punkcie czasowym po podgrzaniu do 37 ºC w porównaniu z ilością biotynylowanego białka obecnego w czasie zero.
Testy recyklingu są wykonywane zgodnie z wcześniejszym opisem11,16. Komórki są hodowane na półprzepuszczalnych podporach wzrostu pokrytych kolagenem11. Alternatywnie, komórki można hodować na pokrytych kolagenem plastikowych naczyniach do hodowli tkanek13. Po biotynylacji komórki są ogrzewane do 37 °C w celu obciążenia pęcherzyków endocytarnych biotynylowanymi białkami. Czas pierwszej inkubacji w temperaturze 37 °C określa się na podstawie czasu, w którym endocytoza białka będącego przedmiotem zainteresowania osiąga maksimum podczas liniowego wzrostu sygnału endocytarnego. Czas ten jest zależny od białka i może zależeć od typu komórki i warunków hodowli komórkowej. Z naszego doświadczenia wynika, że endocytoza CFTR osiąga maksimum po 5,0 lub 7,5 min13,14 (ryc. 1 i 2). Następnie komórki są natychmiast schładzane do temperatury 4 °C, a wiązanie dwusiarczkowe w biotynie przyłączonej do białek błony plazmatycznej jest redukowane za pomocą GSH. Następnie komórki są poddawane lizie w celu określenia ilości interesującego nas białka endocytozowego lub ponownie podgrzewane do 37 °C przez różne okresy czasu, aby umożliwić endocytozowanemu biotynylowanemu białku będącemu przedmiotem zainteresowania recykling do błony komórkowej. Komórki są następnie ponownie schładzane do temperatury 4 °C, a wiązanie dwusiarczkowe na biotynie przyłączone do białek zawracanych do błon plazmatycznych jest redukowane za pomocą GSH. Recykling białka będącego przedmiotem zainteresowania określa się na podstawie różnicy między ilością biotynylowanego białka po pierwszym i drugim podaniu działaniu GSH.
Wykonalność testów endocytarnych i recyklingowych zależy od kilku czynników. Po pierwsze, tworzenie monowarstw komórkowych jest warunkiem wstępnym, a komórki, które nie tworzą monowarstwy lub nie rosną jako wielowarstwowe, nie nadają się do testów opisanych w tym manuskrypcie. Po drugie, krytyczna jest obfitość interesującego białka na powierzchni komórki i obecność przeciwciała wykrywającego białko za pomocą western blotting. Zalecamy, aby obfitość białka w stanie stacjonarnym została najpierw określona w lizatach całych komórek (WCL). Po trzecie, należy przetestować zdolność do biotynylacji specyficznego białka powierzchniowego komórki. Biotyna przyłącza się do reszt lizyny. Tak więc skuteczność biotynylacji zależy częściowo od liczby reszt lizyny w domenie zewnątrzkomórkowej białka. W związku z tym zalecamy badanie przesiewowe sekwencji białka w celu ustalenia, czy reszty lizyny są obecne w domenie (domenach) zewnątrzkomórkowej. Nie wszystkie reszty lizyny w domenie zewnątrzkomórkowej mogą być jednakowo dostępne dla biotyny ze względu na fałdowanie białek. W związku z tym należy przeprowadzić biotynylację białek w stanie stacjonarnym, a następnie western blotting, nie tylko w celu określenia obfitości białka w stanie stacjonarnym na powierzchni komórki, ale także w celu zbadania wykonalności testów opartych na biotynylacji dla białka będącego przedmiotem zainteresowania.
Ten protokół jest zoptymalizowany do badania endocytozy i recyklingu dzikiego typu CFTR w ludzkich komórkach nabłonka dróg oddechowych CFBE41o- hodowany na 24 mm półprzepuszczalnych podporach wzrostu na granicy powietrze-ciecz9,10,13-15. CFTR polaryzuje się do domeny błony wierzchołkowej; W związku z tym protokół opisuje biotynylację domeny błony wierzchołkowej. Biotynylacja domeny błony podstawno-bocznej będzie wymagana do badania endocytozy i recyklingu białek polaryzujących się z błoną podstawno-boczną. Protokół testu endocytarnego opisany w tym manuskrypcie ma 6 warunków: tylko biotynylacja (BT = czas zero; próbka a); kontrola GSH (GSH; próbka b); oraz endocytarne punkty czasowe 2,5, 5,0, 7,5 lub 10 minut (próbki c; Tabela 1). Liczba i/lub długość endocytarnych punktów czasowych w protokole może być modyfikowana w razie potrzeby.
Test recyklingu jest wykonywany po określeniu punktu czasowego, w którym endocytoza interesującego nas białka osiąga maksimum podczas liniowego wzrostu sygnału endocytarnego. Ten punkt czasowy zostanie wykorzystany do załadowania pęcherzyków endocytarnych białkiem będącym przedmiotem zainteresowania przed wywołaniem recyklingu. Czas ten jest zależny od białka i może się różnić w zależności od typu komórki i warunków hodowli15. Wcześniej ustaliliśmy, że endocytoza CFTR osiągnęła plateau w punkcie czasowym 7,5 minuty w ludzkich komórkach nabłonka dróg oddechowych CFBE41o- stabilnie eksprymując CFTR15. Natomiast endocytoza CFTR osiągnęła plateau w punkcie czasowym 5,0 min w komórkach HEK293 stabilnie eksprymujących CFTR13. Protokół testu recyklingu opisany w tym manuskrypcie ma 5 warunków: tylko biotynylacja (BT = czas zero; próbka a); kontrola GSH (GSH; próbka b); 5,0 min endocytoza (Endo; próbka c), 5,0 min endocytoza, a następnie 2,5 lub 5,0 min punkty czasowe recyklingu (Rec; próbki d; Tabela 2). Liczba i/lub długość punktów czasowych recyklingu w protokole może być modyfikowana w zależności od potrzeb.