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
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Christian Berens1,2, Stephanie Bisle3, Leonie Klingenbeck3, Anja Lührmann3
1Department Biologie,Friedrich-Alexander-Universität, 2Institut für Molekulare Pathogenese,Friedrich-Loeffler-Institut, 3Mikrobiologisches Institut - Klinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene,Universitätsklinikum Erlangen
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Opisana tutaj metoda jest używana do indukowania kaskady sygnalizacji apoptotycznej na określonych etapach w celu zbadania aktywności antyapoptotycznego bakteryjnego białka efektorowego. Metoda ta może być również stosowana do indukowalnej ekspresji białek proapoptotycznych lub toksycznych lub do analizowania interferencji z innymi szlakami sygnałowymi.
Przedstawiona tutaj technika pozwala przeanalizować, na którym etapie docelowe białko, lub alternatywnie mała cząsteczka, oddziałuje ze składnikami szlaku sygnałowego. Metoda opiera się z jednej strony na indukowalnej ekspresji określonego białka w celu zainicjowania zdarzenia sygnalizacyjnego na określonym i z góry określonym kroku w wybranej kaskadzie sygnałowej. Z drugiej strony, jednoczesna ekspresja genu będącego przedmiotem zainteresowania pozwala badaczowi ocenić, czy aktywność wyrażonego białka docelowego znajduje się przed czy za zainicjowanym zdarzeniem sygnalizacyjnym, w zależności od odczytu uzyskanego szlaku sygnałowego. W tym przypadku kaskada apoptotyczna została wybrana jako zdefiniowana ścieżka sygnałowa w celu zademonstrowania funkcjonalności protokołu. Bakterie chorobotwórcze, takie jak Coxiella burnetii, przemieszczają białka efektorowe, które zakłócają indukcję śmierci komórki gospodarza w komórce gospodarza, aby zapewnić przetrwanie bakterii w komórce i sprzyjać ich rozprzestrzenianiu się w organizmie. Białko efektorowe CaeB C. burnetii skutecznie hamuje śmierć komórek gospodarza po indukcji apoptozy światłem UV lub staurosporyną. Aby zawęzić, na którym etapie CaeB zakłóca propagację sygnału apoptotycznego, wybrane białka o dobrze scharakteryzowanej aktywności proapoptotycznej uległy ekspresji przejściowej w sposób indukowany doksycykliną. Jeśli CaeB działa przed tymi białkami, apoptoza będzie przebiegać bez przeszkód. Jeśli CaeB działa w dół, śmierć komórki zostanie zahamowana. Wybrano białka testowe: Bax, który działa na poziomie mitochondriów, oraz kaspazę 3, która jest główną proteazą egzekucyjną. CaeB zakłóca śmierć komórki indukowaną przez ekspresję Bax, ale nie przez ekspresję kaspazy 3. W ten sposób CaeB oddziałuje z kaskadą apoptotyczną między tymi dwoma białkami.
Zjadliwość wielu patogenów bakteryjnych Gram-ujemnych zależy od wyspecjalizowanych systemów wydzielania, które przejmują kontrolę nad eukariotycznymi komórkami gospodarza. Bakterie wykorzystują te systemy wydzielania do wstrzykiwania bakteryjnych białek wirulencji (efektorów) do komórki gospodarza w celu modulowania różnych aktywności komórkowych i biochemicznych. Badania nad białkami efektorowymi dostarczyły nie tylko niezwykłego wglądu w fundamentalne aspekty interakcji gospodarz/patogen, ale także w podstawową biologię komórek eukariotycznych1. Wykazano, że modulacja apoptozy komórek gospodarza jest ważnym mechanizmem wirulencji dla wielu patogenów wewnątrzkomórkowych, a szereg białek efektorowych modulujących apoptozę zidentyfikowano2-9. Jednak w wielu przypadkach ich dokładne molekularne mechanizmy działania pozostają nieuchwytne.
Apoptoza, forma zaprogramowanej śmierci komórki, odgrywa ważną rolę w odpowiedziach immunologicznych na infekcję10. Zidentyfikowano dwie główne ścieżki prowadzące do apoptozy: celowanie w mitochondria (apoptoza wewnętrzna) lub bezpośrednia transdukcja sygnału przez receptory śmierci komórki na błonie komórkowej (apoptoza zewnętrzna). Wewnętrzny lub zależny od mitochondriów szlak śmierci komórki jest wyzwalany przez sygnały wewnątrzkomórkowe i obejmuje aktywację Bax i Bak, dwóch proapoptotycznych członków rodziny Bcl-2. Rodzina ta składa się z pro- i antyapoptotycznych białek regulatorowych, które kontrolują śmierć komórki11-14. Aktywacja apoptozy prowadzi do oligomeryzacji Bax i Bak, a następnie do permeabilizacji zewnętrznej błony mitochondrialnej, co powoduje uwolnienie cytochromu C do cytoplazmy. Uwalnianie cytochromu C inicjuje aktywację kaspaz efektorowych 3 i 7 poprzez aktywację kaspazy 9 w apoptosomie15. Prowadzi to do proteolizy wybranych substratów, która między innymi powoduje ekspozycję fosfatydyloseryny na powierzchniękomórki16 i uwalnia dedykowaną DNazę, która fragmentuje chromatynę17,18.
W celu określenia, gdzie w kaskadzie apoptozy interferuje pojedyncze białko efektorowe, zastosowano indukowalny system ekspresji19. Systemy regulacyjne do warunkowej ekspresji transgenów są nieocenionym narzędziem w analizie funkcji białka w komórce lub jego znaczenia dla rozwoju tkanek, narządów i organizmów, a także podczas inicjacji, progresji i utrzymywania choroby20-23. Zazwyczaj indukowane systemy sterowania, takie jak zastosowany tutaj system Tet24, tworzą sztuczną jednostkę transkrypcyjną (patrz rysunek 1). Jednym ze składników jest sztucznie zmodyfikowany czynnik transkrypcyjny zwany tTA (aktywator transkrypcji zależny od tetracykliny), utworzony przez fuzję bakteryjnego represora transkrypcji TetR25 z domeną białka ssaków, która pośredniczy w aktywacji transkrypcji lub wyciszaniu 24,26. Drugi składnik to promotor hybrydowy, określany jako TRE (element reagujący na tetracyklinę), składający się z eukariotycznego minimalnego promotora, zawierającego co najmniej pudełko TATA i miejsce inicjacji transkrypcji, połączone z wieloma powtórzeniami pokrewnego miejsca wiązania DNA dla TetR, tetO24,25. Trzecim składnikiem jest naturalny ligand TetR, tetracyklina lub jedna z jej pochodnych, taka jak anhydrotetracyklina lub doksycyklina25. Po dodaniu liganda do pożywki hodowlanej, TetR traci swoje powinowactwo do tetO i dysocjuje od TRE. W rezultacie transkrypcja genu docelowego zostaje zniesiona. Ekspresja transgenu może być zatem ściśle kontrolowana w sposób zależny od czasu i dawki, zarówno w hodowli komórkowej, jak i u zwierząt20,23,24. W przypadku tTA ekspresja transgenu zachodzi konstytutywnie, z wyjątkiem obecności tetracykliny. Może to być niekorzystne w badaniach białek cytotoksycznych lub onkogennych, ponieważ tetracyklina musi najpierw zostać usunięta z systemu, zanim nastąpi ekspresja transgenu i będzie można monitorować wpływ białka docelowego na komórkę. Może to być czasochłonne i nie zawsze jest kompletne, zwłaszcza u zwierząt transgenicznych27. Aby rozwiązać to ograniczenie, mutant TetR z odwrotną reakcją na obecność doksycykliny został wykorzystany do wygenerowania nowego czynnika transkrypcyjnego, rtTA (reverse tTA)28. Wiąże się tylko z TRE i jednocześnie aktywuje transkrypcję w obecności doksycykliny. Szczątkowa nieszczelność systemu, tj. ekspresja transgenu przy braku czynnika transkrypcyjnego związanego z TRE, pochodząca albo (i) z efektów położenia w miejscu integracji genomowej, (ii) z samego TRE29, albo (iii) z niespecyficznego wiązania tTA/rtTA28, została rozwiązana poprzez wprowadzenie dodatkowego tłumika transkrypcyjnego, określanego jako tTS (tłumik transkrypcyjny zależny od tetracykliny)30 do systemu. Tworzy on podwójną sieć regulatorów wraz z rtTA (patrz rysunek 1). W przypadku braku doksycykliny, tTS wiąże się z TRE i aktywnie wyłącza pozostałą transkrypcję. W obecności doksycykliny tTS dysocjuje od TRE i rtTA wiąże się jednocześnie, indukując ekspresję docelowego genu. Ta dodatkowa warstwa surowości jest często niezbędna do ekspresji wysoce aktywnych białek cytotoksycznych31-34.
Korzystając z tego ściśle kontrolowanego systemu podwójnego regulatora, kaskada apoptozy może być zainicjowana w określonym kroku, co pozwala na analizę, czy dane białko efektorowe może zakłócać indukcję apoptozy. Metoda ta może być stosowana nie tylko do badania aktywności antyapoptotycznej bakteryjnych białek efektorowych, ale także do indukowalnej ekspresji białek proapoptotycznych lub toksycznych lub do analizowania interferencji z innymi szlakami sygnałowymi.
1. Generowanie stabilnych linii komórkowych wyrażających interesujące białko
2. Analiza stabilnych linii komórkowych za pomocą analizy immunoblot
3. Analizuj komórki za pomocą cytometru przepływowego.
4. Transfekcja stabilnej linii komórkowej za pomocą indukowalnego systemu wektorów ekspresyjnych
5. Indukcja apoptozy
6. Analiza apoptozy komórek gospodarza za pomocą analizy immunoblot
Po pierwsze, ustanowiono linie komórkowe HEK293 stabilnie wyrażające interesujące białko (CaeB) jako białko fuzyjne GFP. Jako kontrolę wygenerowano również linie komórkowe HEK293 stabilnie eksprymujące GFP. Ekspresję GFP i GFP-CaeB zweryfikowano za pomocą analizy immunoblot. Reprezentatywny immunoblot (ryc. 4A) wykazuje stabilną i wyraźnie wykrywalną ekspresję GFP i GFP-CaeB. Jednak ten test nie może określić, czy wszystkie komórki wyrażają GFP czy GFP-CaeB. W związku z tym stabilnie transfekowane linie komórkowe HEK293 analizowano również za pomocą cytometrii przepływowej. Jak pokazano na rysunku 4B, ponad 90% komórek w obu liniach komórkowych wyrażało GFP. W ten sposób te stabilne linie komórkowe mogą być wykorzystane do dalszej analizy funkcji CaeB. W kolejnym kroku aktywność antyapoptotyczną CaeB oznaczono za pomocą analizy immunoblot przy użyciu przeciwciała przeciwko rozszczepionemu PARP. Proteolityczne rozszczepienie jądrowego PARP dezaktywuje aktywność naprawczą DNA i jest typowym markerem końcowych etapów apoptozy. Rozszczepienie PARP nie jest wykrywane w komórkach HEK293-GFP lub HEK293-GFP-CaeB, co pokazuje, że ani ekspresja GFP, ani GFP-CaeB nie jest toksyczna dla komórek. Jednakże, gdy komórki były traktowane staurosporyną, silnym induktorem wewnętrznej apoptozy, wykryto rozszczepienie PARP (ryc. 5). Co ważne, komórki HEK293-GFP-CaeB wykazują zmniejszone rozszczepienie PARP, co wskazuje na aktywność antyapoptotyczną białka efektorowego układu wydzielania Coxiella burnetii typu IV CaeB7.
Aby przeanalizować, na którym etapie CaeB zakłóca szlak apoptozy, zastosowano system Tet-On. Szczegółowo, komórki HEK293-GFP lub HEK293-GFP-CaeB transfekowano plazmidem regulatorowym konstytutywnie wyrażającym konstytutywnie kontrolowaną przez doksycyklinę konfigurację podwójnego represora / aktywatora (Figura 2) i plazmidem odpowiedzi pTRE kodującym albo ludzki Bax na pełnej długości, albo aktywowaną formę ludzkiej kaspazy 3, zwaną revCasp 3 (Figura 3). System ten jest ściśle regulowany, o czym świadczy brak rozszczepienia PARP w warunkach nieindukujących (ryc. 6). Dodanie doksycykliny do transfekowanych komórek spowodowało ekspresję Bax lub revCasp 3. Jeśli CaeB zakłóca szlak apoptotyczny za Bax, wówczas sygnał apoptotyczny generowany przez ekspresję i późniejszą aktywację Bax powinien być zablokowany przez ekspresję CaeB. Rzeczywiście, komórki HEK293 stabilnie eksprymujące GFP-CaeB głęboko hamują indukcję apoptozy przez kontrolowaną przez doksycyklinę ekspresję Bax, podczas gdy komórki HEK293-GFP wykazywały oczywiste rozszczepienie PARP. Wynik ten wskazuje, że CaeB blokuje indukcję apoptozy po aktywacji Bax. Następnie przeanalizowano, czy CaeB może zakłócać aktywację kaspazy 3 – późne zdarzenie w szlaku apoptozy. Komórki HEK293-GFP, a także komórki HEK293-GFP-CaeB, wykazują rozszczepienie PARP (ryc. 6), co wskazuje, że po aktywacji kaspazy efektorowej 3 CaeB nie może zapobiec wystąpieniu apoptozy. Podsumowując, dane te pokazują, że CaeB działa między aktywacją Bax i kaspazy 3.

Rysunek 1. Schematyczny przegląd systemu regulacyjnego tetracykliny. System Tet-On składa się z dwóch różnych plazmidów, plazmidów regulatorowych i odpowiedziowych. Plazmid regulatorowy koduje transtłumik reagujący na Tet (tTS; wypełniony okrąg) i reagujący na Tet transaktywator wsteczny (rtTA, otwarty okrąg). Oba białka ulegają konstytutywnej ekspresji pod kontrolą silnego, konstytutywnego czynnika wydłużenia-1 promotora alfa (PEF-1a). TTS i rtTA są chimerycznymi czynnikami transkrypcyjnymi składającymi się z eukariotycznej transkrypcyjnej domeny regulacyjnej (odpowiednio tłumika lub aktywatora) i bakteryjnego represora tetracykliny (TetR). TetR pośredniczy w wiązaniu DNA z siedmioma sekwencjami operatora tet (tetO) na plazmidzie odpowiedzi. TetO znajduje się przed indukowalnym minimalnym promotorem wirusa cytomegalii (PCMV), razem tworząc element reagujący na Tet (TRE). W warunkach nieindukujących tTS jest związany z TRE zapobiegającym ekspresji. Po dodaniu doksycykliny (Dox; diament wypełniony), rtTA oddziałuje z Dox, prowadząc do zmian konformacyjnych i aktywacji. Aktywowany rtTA zastępuje tTS na plazmidzie odpowiedzi, umożliwiając transkrypcję odpowiednich genów docelowych Bax i kaspazy 3, prowadząc w ten sposób do indukcji apoptozy i śmierci komórki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Schematyczny przegląd plazmidu regulatorowego pWHE125. Wyświetlane są elementy niezbędne do namnażania się w bakteriach, w tym pochodzenie replikacji (ori pBR) i kaseta oporności na antybiotyki przeciwko ampicylinie (AmpR) oraz do ekspresji transregulatorów Tet, takich jak silny, konstytutywny natychmiastowy wczesny promotor/wzmacniacz ludzkiego wirusa cytomegalii (P/EhCMV), wewnętrzne miejsce wiązania rybosomów wirusa polio (PV-IRES) i miejsce poliA wirusa Simian 40 (SV40 polyA). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Schematyczny przegląd plazmidu odpowiedzi. Pierwiastki niezbędne do namnażania się w bakteriach, w tym pochodzenie replikacji (ori pBR) i kasety oporności na antybiotyki (AmpR), oraz do indukowanej ekspresji u eukariontów, takie jak kaseta ekspresji transgenu z zależnym od Tet minimalnym promotorem TREtight (PTREtight), gen będący przedmiotem zainteresowania człowieka Bax (hBax) i miejsce poliA wirusa małpiego 40 (SV40 polyA). Kaseta ekspresji transgenu jest otoczona tandemowymi bezpośrednimi powtórzeniami dwóch kopii sekwencji rdzenia izolatora HS4 kurczaka (rdzeń HS4). Dodatkowo występuje kaseta oporności na G418 składająca się z promotora mysiej kinazy fosfoglicerynianowej 1 (PmPGK), genu oporności na neomycynę (G418R) i miejsca poliA ludzkiej kinazy tymidynowej (TK polyA). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. HEK293-GFP i HEK293-GFP-CaeB stabilnie eksprymują białka zielonej fluorescencji. (A) Lizaty całokomórkowe komórek HEK293-GFP i HEK293-GFP-CaeB poddano immunobloblowizacji pod kątem GFP, aby wykazywały stabilną ekspresję. (B) Wykazano, że analiza reprezentatywnej cytometrii przepływowej (FACS) komórek HEK293-GFP i HEK293-GFP-CaeB wykazuje intensywność ekspresji GFP. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 5. Wpływ ekspresji GFP-CaeB na apoptozę wywołaną przez staurosporynę. Komórki HEK293-GFP i HEK293-GFP-CaeB traktowano staurosporyną 4 μM przez 6 godzin w celu wywołania wewnętrznej apoptozy. Apoptozę analizowano za pomocą rozszczepionej analizy immunoplam PARP. Rozszczepienie PARP było zmniejszone w komórkach HEK293-GFP-CaeB w porównaniu z komórkami HEK293-GFP. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Wykorzystanie systemu TetOn w celu zawężenia punktu działania CaeB. (A) Apoptoza została wywołana przez ekspresję Bax w komórkach HEK293-GFP i HEK293-GFP-CaeB. Apoptozę analizowano za pomocą rozszczepionej analizy immunoplam PARP. Rozszczepienie PARP było zmniejszone w komórkach HEK293-GFP-CaeB w porównaniu z komórkami HEK293-GFP. (B) Apoptoza została wywołana przez ekspresję revCasp 3 w komórkach HEK293-GFP i HEK293-GFP-CaeB. Apoptozę analizowano za pomocą rozszczepionej analizy immunoplam PARP. Rozszczepienie PARP było porównywalne w komórkach HEK293-GFP-CaeB i HEK293-GFP. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Opisana tutaj metoda jest używana do indukowania kaskady sygnalizacji apoptotycznej na określonych etapach w celu zbadania aktywności antyapoptotycznego bakteryjnego białka efektorowego. Metoda ta może być również stosowana do indukowalnej ekspresji białek proapoptotycznych lub toksycznych lub do analizowania interferencji z innymi szlakami sygnałowymi.
Ta praca była wspierana przez Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) poprzez Collaborative Research Initiative 796 (SFB796) do A.L. i C.B., oraz poprzez ERA-NET PathoGenoMics 3rd call to A.L.
| Technologie życia | DMEM | 31966-021 | |
| FCS | Biochrom | S0115 | |
| Technologie życia | pióra/paciorkowca | 15140-122 | |
| Technologie życia | OptiMEM | 51985 | |
| X-tremeGENE 9 | Roche | 6365752001 | |
| Geneticin | Roth | CP11.3 | |
| Polietyleniny | Polyscienes | 23966 | |
| Doksycyklina | Sigma Aldrich | D9891 | |
| Mini-PROTEAN Tetra Cell | Bio-Rad | 165-8000EDU | |
| Trans-Blot SD Półsucha komórka transferowa | Bio-Rad | 170-3940 | |
| PageRuler Prestained Protein Ladder | Thermo Scientific | 26616 | |
| Membrana | PVDFMillipore | IPVH00010 | |
| anty-GFP | life technologies | A6455 | |
| przeciw rozszczepieniu PARP | BD Bioscience | 611038 | |
| antyaktyna | Sigma Aldrich | A2066 | |
| Mysia IgG (H+L)-HRPO | Dianova | 111-035-062 | |
| IgG królika (H+L)-HRPO | Dianova | 111-035-045 | |
| Podłoże do blottingu ECL | Western Thermo Scientific | 32106 | |
| Bufor do usuwania Western Blot Restore Plus | Thermo Scientific | 46428 |