Opisujemy tutaj prostą i szybką metodę izolacji fagosomów zawierających Salmonella typhimurium od makrofagów poprzez pokrycie bakterii biotyną i streptawidyną.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy tutaj prostą i szybką metodę izolacji fagosomów zawierających Salmonella typhimurium od makrofagów poprzez pokrycie bakterii biotyną i streptawidyną.
Salmonella typhimurium to fakultatywna bakteria wewnątrzkomórkowa, która powoduje zapalenie żołądka i jelit u ludzi. Po inwazji blaszki właściwej bakterie S. typhimurium są szybko wykrywane i fagocytowane przez makrofagi oraz umieszczane w pęcherzykach zwanych fagosomami w celu degradacji. Izolacja fagosomów zawierających S. typhimurium jest szeroko stosowana do badania, w jaki sposób zakażenie S. typhimurium zmienia proces dojrzewania fagosomu, aby zapobiec degradacji bakterii. Klasycznie izolację fagosomów zawierających bakterie przeprowadzono przez wirowanie w gradionym tempie sacharozy. Proces ten jest jednak czasochłonny i wymaga specjalistycznego sprzętu oraz pewnego stopnia zręczności. Opisana tutaj jest prosta i szybka metoda izolacji fagosomów zawierających S. typhimurium z makrofagów poprzez pokrycie bakterii kulkami magnetycznymi sprzężonymi z biotyną i streptawidyną. Fagosomy uzyskane tą metodą można zawiesić w dowolnym buforze, co pozwala na wykorzystanie izolowanych fagosomów do szerokiego zakresu testów, takich jak analiza białek, metabolitów i lipidów. Podsumowując, ta metoda izolacji fagosomów zawierających S. typhimurium jest specyficzna, wydajna, szybka, wymaga minimalnego sprzętu i jest bardziej wszechstronna niż klasyczna metoda izolacji przez ultrawirowanie w gradinie sacharozy.
Makrofagi krążą wyspecjalizowane komórki fagocytarne, które wykrywają, pochłaniają i degradują wszelkie obce cząsteczki obecne w tkankach obwodowych, począwszy od komórek apoptotycznych po atakujące mikroorganizmy, takie jak bakterie. Po rozpoznaniu za pośrednictwem receptora powierzchniowego markerów specyficznych dla patogenu powszechnie obecnych na powierzchni mikroorganizmów (znanych jako wzorce molekularne związane z patogenem lub PAMP), makrofagi inicjują złożoną reorganizację błony komórkowej w celu otoczenia i fagocytyzacji patogenu1.
Pochłonięty patogen jest następnie zatrzymywany przez makrofagi w wewnątrzkomórkowym pęcherzyku znanym jako fagosom. Poprzez serię zdarzeń fuzji i rozszczepienia z innymi pęcherzykami, takimi jak endosomy i lizosomy, fagosom zawierający patogen uzyskuje zestaw białek wymaganych do eliminacji zawartości fagosomalnej. Dlatego skład enzymatyczny fagosomu jest bardzo zmienny w trakcie tego procesu, znanego jako dojrzewanie fagosomu2.
Krótko po fagocytozie, multimeryczny kompleks wakuolarny ATPaza (v-ATPaza) jest włączany do błony fagosomu poprzez fuzję z endosomami3. Kompleks ten wykorzystuje ATP do pompowania protonów z cytozolu do światła fagosomu4. Zakwaszenie fagosomu jest niezbędne do fuzji z innymi pęcherzykami5 oraz do aktywacji dużej liczby enzymów degradacyjnych zależnych od pH6. Innym multimerycznym kompleksem enzymatycznym, który szybko gromadzi się na błonie fagosomu, jest kompleks oksydazy NADPH (NOX). Kompleks NOX utlenia NADPH w celu wytworzenia reaktywnych form tlenu (ROS), które są wydzielane do światła fagosomu i które znacząco przyczyniają się do zabijania pochłoniętych mikroorganizmów7.
Podczas początkowych etapów dojrzewania, fagosomy prezentują zazwyczaj takie markery, jak Rab5 i Rab7 odpowiednio wczesnych i późnych endosomów, wraz z podjednostką V0 klasy v-ATPase8. Fuzja fagosomów z lizosomami i późnymi endosomami powoduje ekspozycję fagocytyzowanego patogenu na szeroką gamę enzymów hydrolitycznych, takich jak proteazy katepsynowe, lipazy i β-galaktozydaza9. Zakwaszenie światła jest również wymagane do aktywacji tych enzymów. Na przykład rozszczepienie katepsyny D w celu wytworzenia aktywnej krótkiej formy jest zależne od pH10. Enzymy te degradują patogen i pośredniczą w wytwarzaniu krótkich peptydów pochodzących z patogenów, które są prezentowane przez cząsteczki głównego kompleksu zgodności tkankowej makrofagów (MHC) klasy II limfocytom T w celu wywołania adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej11.
Stąd dojrzewanie fagosomu jest kluczowe dla wrodzonej odpowiedzi immunologicznej i łączy wrodzone i adaptacyjne ramię układu odpornościowego. Nie jest niespodzianką, że patogeny wyewoluowały strategie przezwyciężania eliminacji przez makrofagi poprzez opisany powyżej proces dojrzewania fagosomów. Na przykład wewnątrzkomórkowe bakterie Mycobacterium tuberculosis i Legionella pneumophila zapobiegają dojrzewaniu fagosomów poprzez hamowanie składania v-ATPazy i w konsekwencji zakwaszenie światła12,13. Inne bakterie, takie jak Listeria monocytogenes lub Shigella flexneri, indukują tworzenie porów w błonie fagosomu, aby uciec do cytozolu14,15. Z drugiej strony, Salmonella enterica serowar typhimurium (S. typhimurium) jest w stanie modyfikować właściwości fagosomu w wakuoli, aby przekształcić go w odpowiednie miejsce do jego replikacji16. Ta zdolność sprawia, że S. typhimurium jest bardzo interesującym modelem do badania interferencji dojrzewania fagosomów za pośrednictwem patogenów.
S. typhimurium to fakultatywna bakteria wewnątrzkomórkowa, która powoduje zapalenie żołądka i jelit u ludzi. Po inwazji blaszki właściwej, bakterie S. Typhimurium są szybko wykrywane i fagocytowane przez makrofagi i zawarte w fagosomach17. Niektóre doniesienia opisywały wcześniej, że fagosomy zawierające S. typhimurium są twórcami zarówno endosomów, jak i lizosomów18, a inne badania wykazały, że fuzja fagosomu i lizosomu została zapobieżona po zakażeniu S. Typhimurium19.
Początkowo, dojrzewanie fagosomu po zakażeniu S. typhimurium było badane za pomocą mikroskopii immunofluorescencyjnej. Opracowanie technik izolacji fagosomów zawierających bakterie umożliwiło dokładniejsze badanie zawartości fagosomów pod kątem markerów endosomów i lizosomów. Do tej pory główną metodą stosowaną do izolacji fagosomów zawierających bakterie jest frakcjonowanie subkomórkowe na gradientach krokowych sacharozy18,20. Jednak metoda ta wymaga wielu etapów wirowania, które mogą powodować mechaniczne uszkodzenia fagosomów, mogą wpływać na stabilność składników fagosomalnych (białek i lipidów) i są czasochłonne. Co więcej, wymaga użycia ultrawirówki: specjalistycznego sprzętu, który nie jest dostępny dla każdego laboratorium.
Ostatnio zastosowano nowe podejście do izolacji fagosomów zawierających bakterie, w których patogeny bakteryjne są znakowane biotynylowanym lipopetydem (Lipobiotin), a następnie ekstrahowane za pomocą sprzężonych ze streptawidyną kulek magnetycznych21. Proponujemy alternatywną metodę uzupełniającą polegającą na znakowaniu powierzchniowych makrocząsteczek bakterii zawierających aminy za pomocą NHS-Biotyny, a następnie kulek magnetycznych sprzężonych ze streptawidyną. Fagosomy otrzymane tą metodą są wysoko wzbogacone w markery endosomów i lizosomów i mogą być stosowane w szerokim zakresie testów, od analizy białek po analizę omiczną. Dodatkowo nie wymaga specjalistycznego sprzętu takiego jak ultrawirówki. Co więcej, eliminując etapy wirowania, znacznie zmniejsza się zarówno mechaniczne uszkodzenia fagosomów, jak i ilość poświęconego czasu. Metodę tę można łatwo dostosować do izolacji fagosomów zawierających inne bakterie, takie jak Gram-dodatni Staphylococcus aureus, również uwzględniony w tym manuskrypcie. Podsumowując, ta metoda izolacji fagosomów zawierających S. typhimurium jest prosta, opłacalna i mniej czasochłonna niż klasyczna izolacja za pomocą ultrawirowania w gradinie sacharozy, co pozwala uzyskać wysoce wzbogacone fagosomy zawierające bakterie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie kroki związane z użyciem patogennego S. typhimurium muszą być przeprowadzone w obiekcie o poziomie bezpieczeństwa biologicznego BSL-2 lub wyższym. Posiew i powlekanie S. Typhimurium, a także zakażenie makrofagów pochodzących ze szpiku kostnego (BMDM) muszą być przeprowadzane pod kapturem z przepływem laminarnym, aby zapobiec zakażeniu. Izolację fagosomów zawierających S. typhimurium można przeprowadzić na dowolnym stanowisku laboratoryjnym BSL-2.
Ekstrakcja szpiku kostnego od myszy w celu jego rozróżnicowania na makrofagi została przeprowadzona zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi dotyczącymi dobrostanu zwierząt i zatwierdzona przez Krajową Agencję ds. Przyrody, Środowiska i Ochrony Konsumentów Nadrenii Północnej-Westfalii [Landesamt für Natur, Umwelt and Verbraucherschutz (LANUV) Nordrhein-Westfalen; Nr pliku: 84-02.05.40.14.082 i 84-02.04.2015.A443] oraz Uniwersytet w Kolonii.
1. Hodowla S. typhimurium
2. Powlekanie S. typhimurium koralikami magnetycznymi sprzężonymi z NHS-Biotyną/Streptawidyną
3. Zakażenie BDMD
4. Izolacja fagosomów zawierających S. typhimurium
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Izolacja fagosomów zawierających bakterie za pomocą tego protokołu wymaga biotynylacji bakterii jako pierwszego kroku. W związku z tym oceniliśmy skuteczność biotynylacji S. typhimurium za pomocą analizy mikroskopii konfokalnej BMDM zakażonych biotynylowanym mCherry-S. typhimurium znakowane Cy5-Streptawidyną. Krótko mówiąc, BMDM zostały zainfekowane mCherry-S, zgodnie z opisem w tym protokole. Typhimurium wcześniej biotynylowane, ale n...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nowa metoda izolacji fagosomów zawierających S. typhimurium poprzez powlekanie bakterii biotyną i kulkami magnetycznymi sprzężonymi ze streptawidyną opisano tutaj. Po delikatnym przerwaniu błony komórkowej fagosomy zawierające bakterie można łatwo wyekstrahować za pomocą stojaka magnetycznego. Pokazujemy, że znakowanie bakterii zachowuje zdolność patogenu do wywoływania stanu zapalnego i nie zmienia właściwości fagocytarnych komórki gospodarza. Co ważne, fagosomy uzyskane tą metodą są wzbogacone w bakte...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Badania w laboratorium Robinsona są wspierane przez fundusze z Cologne Excellence Cluster on Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases, University of Cologne, Germany (CECAD; finansowane przez DFG w ramach Inicjatywy Doskonałości niemieckiego rządu federalnego i krajów związkowych) oraz granty z Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 670), Köln Fortune i Fundacji Maria-Pesch Uniwersytetu w Kolonii, Niemcy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| EZ-Link NHS Biotyna | Thermo Fisher Scientific | 20217 | |
| FluidMag Streptawidyna | Chemicell | 4205 | |
| RURY | Carl Roth | 9156.2 | |
| MgCl2 | Carl Roth | A537.4 | |
| EGTA | Carl Roth | 3054.3 | |
| Sacharoza | Carl Roth | 4621.1 | |
| Mannitol | Carl Roth | 4175.1 | |
| DTT | Sigma | 43816 | |
| Koktajl inhibitorów proteazy i fosfataz Halt | Thermo Fisher Scientific | 1861280 | |
| Cytochalazyna B | Sigma | C6762 | |
| DYNAL lub DynaMag Magnes | Thermo Fisher Scientific | 12321D | |
| SmartSpec 3000 Spektrofotometr | Bio-Rad | 170-2501 | |
| Pętla bakteryjna (10µ l) | Sarstedt | 86.1562.010 | |
| Salmonella enterica serowar Typhimurium SL1344 | Instytut Leibniza DSMZ-Niemiecka kolekcja mikroorganizmów i kultur | ||
| RPMI | Biochrom | FG1415 | |
| PBS | Biochrom | L1825 | |
| Cy5-streptawidyna | Invitrogen | SA1011 | |
| przeciwciało anty-beta-aktyny | Santa Cruz Biotechnology | sc-47778 | |
| przeciwciało anty-mCherry | Thermo Fisher Scientific | PA5-34974 | |
| przeciwciało anty-Rab5 | Santa Cruz Biotechnology | sc-46692 | |
| przeciwciało anty-Rab7 | Santa Cruz Biotechnology | sc-10764 | |
| anty-v-ATPazy (V0) | Santa Cruz Biotechnology | sc-28801 | |
| przeciwciało anty-V-ATPazy (V1) | Santa Cruz Biotechnology | sc-20943 | |
| przeciwciało anty-katepsyny D | Santa Cruz Biotechnology | sc-6486 | |
| anty-Tomm20 | Santa Cruz Biotechnology | sc-17764 | |
| anty-kalneksyna | Santa Cruz Biotechnology | sc-46669 | |
| przeciwciało anty-GAPDH | Santa Cruz Biotechnology | SC-20357 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie