Komórki wykorzystują wiele mechanizmów reagowania na stres. Niektóre reakcje zachodzą na poziomie potranskrypcyjnym i obejmują regulację translacji mRNA i/lub stabilności1,2. Modulowane stresem zatrzymanie i degradacja translacji mRNA są związane z tworzeniem specyficznych niebłoniastych ognisk komórkowych, z których najlepiej scharakteryzowane są granulki stresu (SG)3. SG to ogniska cytoplazmatyczne, które koncentrują nietranslujące mRNP w komórkach zatrzymanych translacyjnie reagujących na stres (np. utlenianie, szok cieplny, głód składników odżywczych i infekcja wirusowa)4. Oprócz nietranslujących mRNA, SG zawierają czynniki inicjacji translacji, białka wiążące RNA i różne białka sygnałowe5. SG są biomarkerami zahamowanej translacji białek i zmienionego metabolizmu RNA i zostały powiązane z przeżywalnością i apoptozą komórek, szlakami sygnałowymi i procesami jądrowymi5.
SG są dynamicznymi jednostkami, a ich powstawanie jest ściśle związane ze statusem translacji komórkowej6. Pomimo pozornie solidnego wyglądu, większość składników białka SG szybko przemieszcza się do i na zewnątrz, z czasem przebywania wynoszącym sekundy. Podczas gdy SG utrzymują się przez kilka minut do godzin, większość ich składników ulega szybkim zmianom. Hamowanie inicjacji translacji i wynikający z tego demontaż translujących polisosomów sprzyja tworzeniu się SG; w związku z tym SG są w równowadze z translującymi polisomami. Ta równowaga polisom/SG jest kluczem do odróżnienia SG w dobrej wierze od innych foci6,7.
Zatrzymanie inicjacji translacji pociąga za sobą konwersję kompleksów pre-inicjacyjnych kompetentnych do translacji, które zawierają mRNA, czynniki inicjacji translacji (eIF) i podjednostki rybosomalne 40S (tak zwane kompleksy 48S) w kompleksy zatrzymane translacyjnie (tzw. kompleksy 48S*), które mogą łączyć się w SGs4,6. SG są promowane przez zatrzymanie translacji na dwóch różnych etapach przed powstaniem kompleksu 48S: interferencja z funkcjami kompleksu eIF4F wiążącego czapeczkę (np. Celowanie w jego podjednostkę eIF4A) lub fosforylacja podjednostki α czynnika inicjującego translację eIF2, w której pośredniczy jedna lub więcej z czterech kinaz eIF2. Obecność zatrzymanych kompleksów 48S (tj. podjednostek rybosomalnych 40S i wybranych czynników inicjacji translacji) jest cechą charakterystyczną SGs8,9.
SGs zostały powiązane z różnymi stanami patologicznymi, takimi jak infekcje wirusowe, neurodegeneracja, autoimmunizacja i rak3,10,11,12,13. Zmutowane formy kilku składników SG są związane z chorobami neurodegeneracyjnymi (np. stwardnieniem zanikowym bocznym), w których neurony wykazują wewnątrzkomórkowe patologiczne inkluzje, które mogą odgrywać aktywną rolę w śmierci neuronów13. Niektóre wirusy przejmują kontrolę nad komponentami SG, aby zahamować tworzenie SG i zwiększyć replikację wirusa14. Ostatnie badania łączą również SG z rakiem15 oraz z przeżywalnością komórek rakowych w przypadku chemioterapii i radioterapii10,16,17,18,19,20. Chociaż takie odkrycia pobudziły duże zainteresowanie biologią SG, w wielu opublikowanych raportach brakuje ważnych kontroli, które pozwoliłyby odróżnić powstawanie SG w dobrej wierze od innych ognisk wywołanych stresem.
SGs były początkowo opisywane jako niebłoniaste ogniska cytoplazmatyczne złożone z wybranych białek wiążących mRNA (RBP), w tym antygenu ntrakomórkowego 1 komórek T (TIA-1) i białka wiążącego poli-A (PABP); czynniki inicjacji translacji; poliadenylowane mRNA; i małe podjednostki rybosomalne4,6,21,22. Tradycyjnie, ich skład został określony za pomocą technik takich jak barwienie immunologiczne i ektopowa ekspresja fluorescencyjnie znakowanych białek23,24. Ze względu na ich wysoce dynamiczną naturę, immunolokalizacja białek SG i/lub mRNA pozostaje metodologią definiującą wykrywanie SGs23,24. Do tej pory wiele RBP i innych białek (ponad 120 różnych białek) jest opisanych jako składniki SG11. Ponieważ wiele białek zlokalizowanych w SG zmienia swoją lokalizację zarówno w sposób zależny od stresu, jak i niezależny i może gromadzić się w innych wewnątrzkomórkowych przedziałach i ogniskach, ważne jest, aby wybrać prawidłowe markery SG i zastosować kryteria funkcjonalne w celu odróżnienia SG od innych typów ognisk wywołanych stresem. prawdziwy SG zawierają mRNA, czynniki inicjacji translacji i małe podjednostki rybosomalne i są w dynamicznej równowadze z translacją.
Ten prosty przepływ pracy ma na celu określenie, czy ogniska wywołane stresem są prawdziwymi SG. Ten przepływ pracy obejmuje kilka podejść eksperymentalnych z wykorzystaniem komórek U2OS, komórek powszechnie używanych do badania SG. Komórki te są idealne, ponieważ mają dużą cytoplazmę, są stosunkowo płaskie i silnie przyczepiają się do szklanych szkiełek nakrywkowych. Inne typy komórek mogą być wykorzystywane do badania SG, ale ważne jest, aby mieć świadomość, że różnice w czasie, stężeniu leku i obfitości białek zarodkujących SG mogą zmieniać kinetykę i skład. Dodatkowo, niektóre komórki reagują na wiązanie paraformaldehydu, tworząc pęcherzyki na powierzchni komórki, nadając im potargany wygląd, który powoduje punktową lokalizację niektórych markerów SG; bez dokładnej analizy mogą one zostać błędnie sklasyfikowane jako SG. Podkreśla to konieczność oceny wszystkich kryteriów wymaganych do zidentyfikowania ognisk wywołanych stresem jako SG w dobrej wierze. Winorelbina (VRB), lek przeciwnowotworowy, który promuje SGs20, a także arsenit sodu (SA), solidny i dobrze scharakteryzowany induktor SG, są używane jako naprężenia w eksperymentach w tym protokole.
Canonical SGs zawierają wiele markerów SG (zarówno białek, jak i mRNA), które kolokalizują się w ogniskach cytoplazmatycznych. Protokół ten wykorzystuje zarówno immunofluorescencję, jak i fluorescencyjną hybrydyzację in situ (FISH) do wykrywania lokalizacji markerów białkowych i poliadenylowanych mRNA22, odpowiednio. Krótko mówiąc, immunofluorescencja pośrednia wykorzystuje przeciwciała (tj. przeciwciała pierwotne) specyficzne dla danego białka w celu wykrycia go w komórce. Następnie przeciwciała drugorzędowe (zwykle specyficzne dla gatunku) przyłączone do fluorochromów rozpoznają przeciwciało pierwszorzędowe i ujawniają lokalizację białka docelowego. Mikroskopia fluorescencyjna służy do wykrywania zlokalizowanego sygnału w komórce. Użycie przeciwciał wytwarzanych u różnych gatunków i wykrywanie ich za pomocą różnokolorowych przeciwciał drugorzędowych pozwala na wykrycie kolokalizacji wielu przeciwciał, co wskazuje, że ich cele białkowe znajdują się w tym samym miejscu23. Ważne jest, aby wybrać markery, które zostały zweryfikowane pod kątem kolokalizacji w SG w dobrej wierze.
FISH używa oznaczonej sondy, która łączy zasady z określoną sekwencją RNA lub DNA25. Do wykrywania mRNA protokół ten wykorzystuje biotynylowaną sondę oligo(dT)40, która hybrydyzuje (lub pary zasad) z ogonem poliA mRNA (tj. poliA FISH). Biotynylowana sonda jest następnie wykrywana za pomocą fluorescencyjnie sprzężonej streptawidyny, ponieważ streptawidyna ma wysokie powinowactwo do biotyny. Podczas oceny SG ważne jest, aby połączyć poliA FISH z immunofluorescencją wykrywającą marker SG, ponieważ w dobrej wierze SG te dwa sygnały powinny się kolokalizować.
Korzystając z tego protokołu, kolokalizacja jest oceniana na wiele sposobów. W obrazie wielokanałowym (tj. RGB: czerwonym, zielonym i niebieskim) kolokalizacja zmieni kolor nakładającego się sygnału (np. kolokalizowany czerwony i zielony wydają się żółte)23. Dodatkowo kolokalizacja jest określana graficznie za pomocą analizy skanowania linii, gdzie intensywność każdego koloru jest mierzona w poprzek danej linii8,20. Ten protokół opisuje dwie procedury analizy skanowania liniowego przy użyciu klasy ImageJ26. Jedna procedura jest ręczna i przechodzi przez cały proces, podczas gdy druga wykorzystuje makro lub prosty program, który automatyzuje ręczne kroki. Ważne jest, aby przejść przez program ręczny, aby zrozumieć procedurę makra.
SGs tworzą się w komórkach, w których translacja jest tłumiona; dlatego komórki z SG powinny wykazywać obniżony poziom globalnej translacji w porównaniu do komórek nieleczonych. Eksperymentalnie stosuje się rybopuromycylację. Puromycyna i emetyna są dodawane do komórek na krótki czas przed utrwaleniem, co pozwala puromycynie na włączenie się do aktywnie tworzących się polipeptydów, powodując terminację27,28. Leczenie emetyną jest konieczne, aby zapobiec ponownemu zainicjowaniu29. Puromycyna może być następnie wykryta za pomocą przeciwciała anty-puromycyny, co daje obraz aktywnej translacji. Ta metoda jest stosowana, ponieważ jest szybka, nie wymaga wstępnego głodzenia pożywką pozbawioną określonego aminokwasu (i potencjalnie napinania komórek) i ujawnia subkomórkową lokalizację translacji białek. Inne metody, w szczególności wykorzystujące zmodyfikowane analogi aminokwasów, takie jak analog metioniny L-azydohomoalaina (AHA), w połączeniu z chemią "click-it" chemistry30, zostały wykorzystane do wykazania, że komórki zawierające SG wykazują znacznie niższą translację niż sąsiednie komórki31. Jednak ta technika wymaga głodzenia metioniny, a następnie znakowania impulsowego przez 15-30 minut. Głód metioniny stanowi dodatkowy stres, podczas gdy długi czas znakowania (tj. 15-30 minut) skutkuje pomiarem kumulatywnej, a nie ciągłej translacji, a także umożliwia nowo zsyntetyzowanym białkom przemieszczanie się z miejsca syntezy do miejsca docelowego w komórce. W przeciwieństwie do tego, rybopuromycylacja jest znacznie szybsza i jest kompatybilna z dowolnym podłożem, takim jak pożywka wolna od glukozy stosowana do indukowania SG poprzez głód glukozy.
Kanoniczne SG są w dynamicznej równowadze z aktywnie translującymi polisomami. Można to ocenić eksperymentalnie, traktując próbki lekami, które stabilizują lub destabilizują polisomy, przechylając w ten sposób równowagę między SG a polisomami23. Cykloheksymid (lub emetyna, która zachowuje się podobnie) blokuje wydłużenie poprzez "zamrażanie" rybosomów na mRNA, zmniejszając w ten sposób pulę dostępnych niepolisomalnych mRNP zdolnych do tworzenia SG. Eksperymentalnie można to wykorzystać na dwa sposoby: dodając cykloheksymid (lub emetynę) przed stresem, aby zapobiec tworzeniu się SG lub dodając cykloheksymid (lub emetynę) po utworzeniu SG, nawet bez usunięcia czynnika naprężającego, powodując demontaż SG, ponieważ zablokowane kompleksy preinicjacyjne są powoli wprowadzane do frakcji polisomowej. W przeciwieństwie do tego, puromycyna powoduje przedwczesne zakończenie i sprzyja rozkładowi polisomów, zwiększając pulę inicjujących mRNA zdolnych do łączenia się w SG. Eksperymentalnie, leczenie puromycyną zwiększa liczbę SG lub obniża próg, przy którym tworzą się w odpowiedzi na stopniowany stres lub dawkę leku. Oceniając działanie puromycyny, ważne jest, aby użyć submaksymalnego poziomu leku będącego przedmiotem zainteresowania, ponieważ oczekuje się, że puromycyna wzmocni działanie leku i zwiększy odsetek komórek wykazujących SG – nie może to nastąpić, jeśli lek/stres powoduje SG w 100% komórek początkowo. Kontrastuje to z leczeniem cykloheksymidem, które rozkłada SG i działa najlepiej, gdy ~95% komórek początkowo wykazuje SG, aby można było zaobserwować jak największy spadek i dokładnie określić ilościowo.
Ten protokół dostarcza ram do badania SG w komórkach ssaków. Metody obejmują: (1) barwienie immunofluorescencyjne i analizę ImageJ w celu oceny kolokalizacji klasycznych markerów związanych z SG eIF4G, eIF3b i białka wiążącego białko aktywujące GTPazę Ras 1 (G3BP1) w przypuszczalnych SG; (2) oligo(dT) fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (polyA FISH) w celu wykrycia poliadenylowanego mRNA; (3) leczenie cykloheksymidem i puromycyną w celu określenia, czy ogniska wywołane stresem są w dynamicznej równowadze z polisomami; oraz (4) rybopuromycylacja w celu oceny statusu translacyjnego komórek zawierających przypuszczalne SG. Razem testy te mogą określić, czy ogniska wywołane stresem można sklasyfikować jako SG w dobrej wierze.