$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Ten artykuł dostarcza wiarygodnego testu do raportowania względnej ekspresji powierzchni komórek białek błonowych, takich jak kanały jonowe, wyrażanych w rekombinowanych komórkach przy użyciu istniejącej technologii cytometrii przepływowej. Kanały jonowe to tworzące pory białka błonowe, które są odpowiedzialne za kontrolowanie sygnałów elektrycznych poprzez bramkowanie przepływu jonów przez błonę komórkową. Są one klasyfikowane ze względu na mechanizm aktywacji, charakter i selektywność form jonów przechodzących przez pory, w których są zlokalizowane. Na poziomie komórkowym i tkankowym makroskopowe strumienie jonów przez kanały jonowe są produktem właściwości biofizycznych (bramkowanie i przenikanie), biochemicznych (fosforylacja) i biogenezy (synteza, glikozylacja, transport i degradacja)1. Każdy z tych procesów jest unikalny dla każdego typu kanałów jonowych i jest zoptymalizowany pod kątem spełniania fizjologicznej roli kanału jonowego. W związku z tym zmiany w którymkolwiek z tych precyzyjnie dostrojonych procesów poprzez dziedziczną lub genetyczną modyfikację, często określane jako "kanałopatia", mogą być szkodliwe dla homeostazy komórki. Ważne jest, aby podkreślić, że dostarczenie "odpowiedniej" ilości kanałów jonowych na powierzchni komórki ma kluczowe znaczenie dla homeostazy komórki. Nawet niewielkie wzrosty (wzmocnienie funkcji) i niewielkie spadki (utrata funkcji) aktywności kanałów jonowych mogą potencjalnie spowodować poważną patologię w ciągu całego życia. Defekty w dostarczaniu dojrzałych kanałów jonowych na powierzchnię komórki są ważnym czynnikiem determinującym w licznych kanałopatiach, takich jak mukowiscydoza (kanał jonowy CFTR)2 i zaburzenia rytmu serca w postaci zespołu wydłużonego odstępu QT (sercowe kanały potasowe)3.
Channelopatie są związane z nagłą śmiercią serca4. Uważa się, że obecna na całym świecie częstość występowania wszystkich kanałopatii sercowych wynosi co najmniej 1:2 000-1:3 000 na osobę5 i jest odpowiedzialna za około połowę przypadków nagłej arytmicznej śmierci sercowej6. Wiadomo, że dysfunkcja kanałów jonowych selektywnych sodowo, potasowo i wapniowo-selektywnych w sercu, odgrywa kluczową rolę w tym procesie. Kanał wapniowy bramkowany napięciem CaV1,2 typu L jest wymagany do zainicjowania zsynchronizowanego skurczu mięśnia sercowego. Sercowy kanał CaV1,2 typu L jest wielopodjednostkowym kompleksem białkowym złożonym z głównej podjednostki CaVα1 tworzącej pory oraz podjednostek pomocniczych CaVß i CaVα2δ17-12. Należy zauważyć, że pełny zestaw podjednostek pomocniczych jest wymagany do wytworzenia funkcjonalnych kanałów CaV1.2 na błonie plazmatycznej, a dynamiczne interakcje między tymi podjednostkami są niezbędne do wspierania normalnej funkcji elektrycznej serca13. CaVß promuje ekspresję na powierzchni komórki kanałów CaV1.2 poprzez niekowalencyjną nanomolową interakcję hydrofobową14. Koekspresja podjednostki CaVα2δ1z CaV α1 związanym z ß CaVα1 stymuluje ekspresję prądu szczytowego (od 5 do 10 razy) i sprzyja aktywacji kanału przy bardziej ujemnych napięciach. Mutacje związane ze wzmocnieniem funkcji podjednostki tworzącej pory CaV1.2 są związane z postacią komorowych zaburzeń rytmu serca zwaną zespołem wydłużonego odstępuQT 15, podczas gdy u osób cierpiących na zaburzenia rytmu w postaci krótkiego odstępu QT zidentyfikowano szereg mutacji punktowych w trzech głównych podjednostkach tworzących kanał CaV1.2 typuL16,17. Kanały jonowe to białka błonowe, które można badać z perspektywy biochemicznej (chemia białek) lub za pomocą narzędzi elektrofizjologicznych (maszyny generujące prąd) i często przy użyciu tych uzupełniających się podejść. Elektrofizjologia, a w szczególności zaciskanie plam w całych komórkach, jest odpowiednim podejściem do wyjaśnienia funkcji kanałów jonowych15, ale nie jest w stanie rozwiązać problemów związanych z modyfikacjami białek wynikającymi ze zmian ich właściwości biofizycznych. Chemia białek ma jednak często ograniczone zastosowanie ze względu na stosunkowo niską ekspresję dużych białek błonowych w porównaniu z mniejszymi białkami rozpuszczalnymi. Konieczne jest opracowanie solidnych, wysokoprzepustowych metod wykorzystujących odczyt fluorescencji, aby zająć się defektami w biogenezie białek powodującymi zmiany w ekspresji kanałów jonowych na powierzchni komórki.
Cytometria przepływowa to biofizyczna technologia stosowana w liczeniu komórek, sortowaniu, wykrywaniu biomarkerów i inżynierii białkowej18. Gdy roztwór próbki żywych komórek lub cząstek jest wstrzykiwany do cytometru przepływowego, komórki są porządkowane w pojedynczy strumień, który może być badany przez system wykrywania maszyny (rysunek 1). Pierwszy cytometr przepływowy wyprodukowany w 1956 roku19 wykrył tylko jeden parametr, ale nowoczesne cytometry przepływowe mają wiele laserów i detektorów fluorescencyjnych, które pozwalają na wykrycie ponad 30 parametrów fluorescencyjnych20,21. Filtry i lustra (optyka emisyjna) kierują światło rozproszone lub fluorescencyjne komórek do sieci elektronicznej (fotodiody i detektorów), która przekształca światło proporcjonalnie do jego natężenia. Dane cyfrowe są analizowane za pomocą specjalistycznego oprogramowania, a pierwotne dane wyjściowe są wyświetlane jako wykres punktowy21.

Rysunek 1: Biofizyczne zasady sortowania metodą cytometrii przepływowej. Pojedyncze komórki są przepychane przez dyszę pod wysokim ciśnieniem w strumieniu płynu osłonowego, który przesuwa je przez jeden lub więcej punktów badania laserowego. Wiązka światła jest odchylana przez przechodzące komórki, a światło zebrane w kierunku do przodu (Forward Scatter, FCS) jest wysyłane do fotodiody, która przekształca światło w sygnał proporcjonalny do wielkości ogniwa. Światło jest również zbierane pod kątem 90° do ścieżki lasera i wysyłane do detektorów (zwanych również fotopowielaczami (PMT)). Światło to jest kierowane przez lustra dichroiczne, które umożliwiają wykrycie sygnału rozpraszania bocznego (SSC), który odzwierciedla ziarnistość w komórkach, oraz emisje fluorescencyjne, jeśli w komórce obecne są wzbudzone fluorochromy. Trzy detektory (zielony, żółty i czerwony) są reprezentowane przez filtry pasmowoprzepustowe o różnej długości fali, co pozwala na jednoczesne wykrywanie różnych fluorochromów. Różne sygnały są digitalizowane przez zewnętrzny komputer i przekształcane w dane, które będą analizowane w celu ilościowego określenia charakterystyki komórek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Wysoka przepustowość cytometrów przepływowych została wykorzystana do ilościowego określenia względnej ekspresji błonowej rekombinowanych kanałów CaV 1.2typu dzikiego i z niedoborem ruchu, bramkowanych napięciem typu L i powiązanych podjednostek w żywych komórkach. Konstrukty cDNA kodujące białka zostały podwójnie oznaczone, aby jednocześnie przenosić zewnątrzkomórkowy niefluorescencyjny epitop, który może być wykryty przez nieprzepuszczalne fluorescencyjne sprzężone przeciwciało i wewnątrzkomórkowy fluorofor który jest konstytutywnie fluorescencyjny. Zarówno epitop zewnątrzkomórkowy, umieszczony w pętli zewnątrzkomórkowej białka, jak i fluorofor wewnątrzkomórkowy, wstawiony za C-końcem, ulegają translacji z białkiem. W tej serii eksperymentów białko CaVα2δ1 zostało zmodyfikowane w celu ekspresji zewnątrzkomórkowego epitopu hemaglutyniny (HA) (YPYDVPDYA) wykrytego przez nieprzepuszczalny anty-HA i mCherry sprzężony z FITC (izotiocyjanianem fluoresceiny) jako wewnętrzny wewnątrzkomórkowy fluorofor. Aby określić względny poziom ekspresji na powierzchni komórki białka znakowanego HA mCherry-CaVα2δ1, rekombinowane komórki wyrażające białko fuzyjne zebrano po transfekcji i wybarwiono mysim monoklonalnym przeciwciałem znacznikowym anty-HA monoklonalnym anty-HA sprzężonym z FITC (Figura 2). FITC jest organicznym związkiem fluorescencyjnym, który jest znacznie mniejszy niż reportery enzymatyczne, a zatem nie jest tak prawdopodobne, że zakłóci funkcje biologiczne. mCherry-CaVα2δ1-HA ulega nadekspresji w komórkach tsA-201, powoduje znaczny wzrost fluorescencji FITC i fluorescencji mCherry o 3 log na dwuwymiarowych wykresach22. Biorąc pod uwagę, że epitop HA znajduje się w zewnątrzkomórkowej części białka, intensywność fluorescencji FITC uzyskana w obecności nienaruszonych komórek odzwierciedla względny wskaźnik ekspresji powierzchni komórki białka znakowanego HA. Dostępność epitopu HA w konstruktach jest systematycznie weryfikowana poprzez pomiar sygnału FITC po przepuszczalności komórki. Miara ta służy również do potwierdzenia znormalizowanej całkowitej ekspresji białka, ponieważ względne intensywności fluorescencji dla FITC oszacowane w komórkach przepuszczalnych są jakościowo porównywalne ze względnymi wartościami fluorescencji dla mCherry mierzonymi w warunkach przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych22,23. Ważne jest, aby zauważyć, że wewnętrzne widmo fluorescencji jest przesunięte w kierunku wyższych wartości po przepuszczalności, ale jedyną zgłaszaną wartością jest zmiana intensywności fluorescencji w porównaniu z konstruktem kontrolnym. Względne zmiany intensywności fluorescencji dla badanych konstruktów są szacowane przy użyciu wartości intensywności fluorescencji ΔMean (ΔMFI) dla każdego fluoroforu (mCherry lub FITC). Doświadczenia mają na celu pomiar intensywności fluorescencji badanego konstruktu w stosunku do intensywności fluorescencji konstruktu kontrolnego wyrażonej w tych samych warunkach, aby ograniczyć eksperymentalne zmiany w wewnętrznej fluorescencji przeciwciała sprzężonego z fluoroforem. Za pomocą tego testu z powodzeniem zbadano dwa białka błonowe: podjednostkę tworzącą pory bramkowanego napięciem kanału wapniowego typu L CaV1,214,22 oraz w innej serii eksperymentów zewnątrzkomórkową pomocniczą podjednostkę CaVα2δ122,23. Do określenia ekspresji powierzchniowej komórki podjednostki CaVα2δ1 kanału sercowego CaV 1,2typu L zastosowano następujący protokół w warunkach kontrolnych i po mutacjach wpływających na potranslacyjną modyfikację kanału jonowego. W standaryzowanych warunkach eksperymentalnych fluorescencja powierzchni komórki FITC wzrasta quasi-liniowo wraz z ekspresją cDNA kodującego białka mCherry-CaVα2δ1-HA (ryc. 5 z odnośnika22).

Rysunek 2: Schematyczne przedstawienie znakowania całkowitego i błonowego w protokole eksperymentalnym cytometrii przepływowej. Schemat przedstawia niektóre z głównych kroków niezbędnych do ilościowego określenia względnej całkowitej i powierzchniowej ekspresji rekombinowanych kanałów jonowych na powierzchni komórki za pomocą cytometrii przepływowej. Komórki są transfekowane podwójnie znakowaną konstrukcją mCherry-CaVα2δ1-HA w komórkach tsA-201 (1) i barwione przed lub po permeabilizacji (2). Dane wieloparametrowe są pozyskiwane w cytometrze przepływowym (3) do analizy wielowymiarowej (4). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.