Protokół pokazuje metodę opartą na cytometrii przepływowej, wykorzystującą chemię do badania metabolizmu energetycznego w komórkach.
Artykuł metodologiczny
Protokół pokazuje metodę opartą na cytometrii przepływowej, wykorzystującą chemię do badania metabolizmu energetycznego w komórkach.
Po stymulacji antygenowej, naiwne limfocyty T ulegają szybkiej proliferacji i ekspansji do efektorowych limfocytów T. Metabolizm odgrywa ważną rolę w wytwarzaniu biomasy potrzebnej dla tych szybko proliferujących komórek oraz do wytwarzania cząsteczek niezbędnych do różnicowania i funkcjonowania efektorowych limfocytów T, które wpływają na wynik adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej w zakażeniu lub nowotworach. Naiwne limfocyty T przeprogramowują swój metabolizm po stymulacji antygenowej, aby zwiększyć wytwarzanie ATP, które jest wymagane do wspierania ich wzrostu, biosyntezy i funkcji efektorowych. ATP może być wytwarzane w komórce albo przez szlak fosforylacji mitochondrialno-oksydacyjnej (OXPHOS), albo przez szlak glikolitycznego. Ponieważ większość ATP wytwarzanego w dzielącej się, rosnącej komórce jest zużywana do syntezy białek, synteza białek została wykorzystana jako substytut poziomów ATP. Syntezę białek można zmierzyć poprzez włączenie puromycyny, która naśladuje 3′ adenozynę tRNA naładowanego zmodyfikowaną tyrozyną i prowadzi do spontanicznego zakończenia translacji białek. Inhibitory metaboliczne, takie jak 2-deoksyglukoza (2DG), która blokuje szlak glikolityczny, i oligomycyna (O), która blokuje kompleks 5 łańcucha transportu elektronów (ETC), mogą być wykorzystywane do badania zależności komórkowego wytwarzania ATP od tych dwóch szlaków w połączeniu z oceną syntezy białek w metodzie zwanej SCENITH. Opisujemy tutaj odmianę tej metody, która wykrywa inkorporację puromycyny za pomocą cytometrii przepływowej przy użyciu chemii. Ta metoda badania metabolizmu jest stosunkowo łatwa i może być stosowana do oceny rzadkich populacji komórek, a także próbek pobranych od pacjentów, za pomocą cytometrii przepływowej.
W ostatnich latach coraz bardziej docenia się ważną rolę metabolizmu w regulacji limfocytów T. Metabolizm komórkowy reguluje wiele krytycznych funkcji limfocytów, w tym klonalną ekspansję limfocytów T specyficznych dla patogenu i ich różnicowanie w podzbiory komórek efektorowych, które syntetyzują różne cząsteczki efektorowe, w tym cytokiny zapalne i cytolityczne granzymy wymagane do zabijania patogenów1. Badanie metabolizmu limfocytów T jest zatem ważne zarówno dla oceny prawidłowej funkcji limfocytów T, jak i dla opracowania potencjalnych środków terapeutycznych.
Naiwne limfocyty T są metabolicznie spokojne i polegają na metabolizmie katabolicznym i fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS) dla swojego zapotrzebowania na energię1,2. Po aktywacji receptora limfocytów T (TCR) limfocyty T przechodzą szybkie przeprogramowanie metaboliczne napędzane częściowo przez regulację w górę transporterów składników odżywczych na powierzchni komórek, które zwiększają wychwyt glukozy i wielu aminokwasów, w tym glutaminy, ze środowiska. Te składniki odżywcze są następnie wykorzystywane w szlakach anabolicznych do wytwarzania makrocząsteczek, które przyczyniają się do wzrostu komórek i wspierają zwiększone zapotrzebowanie na energię związane ze zwiększonym wzrostem i podziałem komórek1,2,3. Przeprogramowanie metaboliczne w aktywowanych limfocytach T sprawia, że komórki są bardziej zależne od tlenowej glikolizy i glutaminolizy w zakresie ich potrzeb energetycznych1,2,3. Po stymulacji TCR, wychwyt składników odżywczych odgrywa również kluczową rolę w aktywacji dalszych szlaków molekularnych3. Na przykład wychwyt aminokwasów i zwiększone lokalne stężenie aminokwasów aktywują sygnalizację mTORC14. I odwrotnie, zmniejszenie dostępności aminokwasów wewnątrzkomórkowych zmniejsza szlak sygnałowy mTORC12,3,5,6,7. Tak więc metabolizm i funkcja komórkowa są ściśle powiązane w efektorowej limfocytach T.
Duży wzrost biomasy wymagany do szybko dzielących się limfocytów T wymaga regulacji syntezy białek/translacji8. Syntezę białek można określić ilościowo w komórce, badając włączenie puromycin9, naśladowcy tyrozylo-tRNA, który blokuje translację poprzez włączanie, oznaczanie i uwalnianie wydłużających się łańcuchów polipeptydowych z translujących rybosomów9. Translacja białek jest procesem zależnym od wysokiej energii; w rzeczywistości większość ATP wytwarzanego w dzielących się, rosnących komórkach jest wykorzystywana do syntezy białek. W związku z tym synteza białek została wykorzystana jako zastępczy pomiar dla komórkowego ATP10. Aby wytworzyć ATP, komórki często polegają na glikolizie i/lub mitochondrialnym szlaku OXPHOS11. Glikoliza generuje dwie cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy. Szlak OXPHOS generuje 36 ATP na glukozę12,13, ale glikoliza może generować ATP szybciej14. Tak więc szybko dzielące się aktywowane limfocyty T, takie jak komórki rakowe, w dużym stopniu polegają na szlaku glikolitycznym do wytwarzania ATP.
Zależność komórki od każdego szlaku metabolicznego może być badana za pomocą specyficznych inhibitorów. Inhibitor szlaku glikolitycznego 2-Deoksyglukoza (2-DG), który jest analogiem glukozy, działa jako inhibitor kompetycyjny dla enzymu glikolitycznego heksokinazy15. 2-DG jest fosforylowany do 2DG-fosforanu (2DG-P) przez heksokinazę. 2DG-P nie może być dalej metabolizowany przez izomerazę fosfoheksozy, która normalnie przekształca glukozo-6-fosforan (G-6-P) w fruktozo-6-fosforan16. 2DG-P jest zatem uwięziony i gromadzi się w komórkach, prowadząc do zahamowania glikolizy i wyczerpania komórkowego ATP, blokując w ten sposób syntezę białek17. W podobny sposób zależność komórek od mitochondrialnego szlaku OXPHOS można badać za pomocą oligomycyny, która wiąże się z kanałem protonowym syntazy ATP łańcucha transportu elektronów (ETC)18, blokując w ten sposób mitochondrialną syntezę ATP (Rysunek 1). Zastosowanie tych inhibitorów w połączeniu z oceną syntezy białek może dostarczyć obrazu stanu metabolicznego komórek i zostało wykorzystane w potężnej metodzie jednokomórkowej znanej jako SCENITH, która ocenia włączenie puromycyny za pomocą cytometrii przepływowej10. Jednak dostępność odczynników SCENITH może być ograniczona. Inne powszechnie stosowane techniki oceny glikolizy i OXPHOS obejmują analizy strumienia zewnątrzkomórkowego Seahorse, które wymagają większej liczby komórek, co może nie być eksperymentalnie wykonalne. W tym artykule opisujemy alternatywną metodę oceny włączenia puromycyny przy użyciu dostępnego na rynku odczynnika chemicznego Click-it. Łatwość stosowania tej metody pozwala na szybką ocenę stanu metabolicznego limfocytów, w tym rzadkich populacji komórek i próbek pobranych od pacjentów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Hodowla zwierząt i eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z zatwierdzonym protokołem G98-3 przez Komitet ds. Użytkowania i Opieki nad Zwierzętami National Human Genome Research Institute, NIH, oraz zatwierdzonym protokołem LISB 22E przez National Institute of Allergy and Infectious Diseases Animal Care and Use Committee, NIH. Do niniejszego badania wykorzystano samce myszy C57Bl/6J w wieku 6-12 tygodni, wyhodowane i trzymane w określonych warunkach wolnych od patogenów (SPF). Podobne wyniki uzyskano u samic myszy. Ludzka krew pełna została uzyskana z Banku Krwi NIH w ramach zatwierdzonego przez IRB protokołu IRB Centrum Klinicznego NIH 99-CC-0168 Pobieranie i dystrybucja składników krwi od zdrowych dawców do badań in vitro. Uzyskano pisemną świadomą zgodę od wszystkich uczestników zgodnie z Deklaracją Helsińską.
1. Pierwotna izolacja i hodowla mysich limfocytów T CD4+
2. Izolacja i kultura ludzkich PBMC
3. Test metaboliczny
UWAGA: Ważne jest, aby wszystkie komórki, inhibitory [oligomycyna (O), 2-deoksyglukoza (2-DG), DMSO (Co)] i odczynnik O-propargyl-puromycyny (OPP) były jak najbardziej zbliżone do 37 °C. Komórki, inhibitory i odczynnik OPP należy rozdzielić na 96 płytkach z dnem U i pozostawić płytki w inkubatorze o temperaturze 37 °C tak bardzo, jak to możliwe. Podwielokrotne inhibitory 2-DG i O w mniejszych ilościach, aby uniknąć wielokrotnego zamrażania i rozmrażania.
4. Analiza testu metabolicznego
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Naiwne limfocyty T CD4+ wyizolowano ze śledziony i węzłów chłonnych myszy, a następnie różnicowano w kierunku linii Th0 lub niepolaryzowanych (NP) przez 72 h. Komórki zbierano po 0 h, 48 h i 72 h hodowli, a wbudowywanie OPP mierzono, analizując MFI dla OPP. Naiwne limfocyty T CD4+ wykazywały niższą aktywność syntetyczną niż aktywowane limfocyty T, co potwierdziły wartości MFI dla OPP (Rysunek 3). Naiwne komórki były częściowo zależne od glikolizy, ale w większym stopniu...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W artykule przedstawiono metodę badania metabolizmu w komórkach limfoidalnych za pomocą cytometrii przepływowej, opartej na technologii SCENITH, ale z wykorzystaniem chemicznego znakowania wbudowanej puromycyny. Chociaż skupiliśmy się na limfocytach, protokół ten można dostosować do badania metabolizmu w dowolnym typie komórki. Metoda ta jest również korzystna do badania metabolizmu w rzadkich populacjach komórek i próbkach pacjentów, gdzie inne techniki, takie jak Seahorse, wymagają większej liczby komórek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Dziękujemy Dr. Qin Xu i Dr. Avik Dutta za dostarczenie próbek PBMC i cennych sugestii eksperymentalnych. Badania te były częściowo wspierane przez Wydział Badań Wewnętrznych NIAID, NIH.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2-merkaptoetanol | Thermo Fisher | 21985-023 | |
| Alexa Fluor 488 przeciwciało anty-Puromycyny | Biolegend | 381506 | Zastosowane rozcieńczenie: 1/100 |
| Alexa Fluor 647 anty-ludzkie przeciwciało CD4 | Biolegend | 357422 | Zastosowane rozcieńczenie: 1/50 |
| BD Horizon BUV737 Rat Anti-Mouse CD4 | BD Biosciences | 612761 | Zastosowane rozcieńczenie: 1/200 |
| Click-iT Plus OPP Alexa Fluor 488 Zestaw do oznaczania syntezy białek | Thermo Fisher | C10456 | |
| HEPES (1 M) | Thermo Fisher | 15630080 | |
| Ludzka surowica | Millipore Sigma | H4522 | |
| IMDM, Suplement GlutaMAX, 500 ml | Thermo Fisher | 31980030 | |
| InVivoMAb anty-mysz CD28, Klon: 37.51 | BioXcell | BE0015-1 | |
| InVivoMAb anty-mysie CD3ε, Klon: 145-2C11 | BioXcell | BE0001-1 | |
| InVivoMAb anty-mysie IFNγ, Klon: XMG1.2 | BioXcell | BE0055 | |
| InVivoMAb anty-mysz IL-12 p40, Klon: C17.8 | BioXcell | BE0051 | |
| InVivoMAb anty-mysi IL-4, klon: 11B11 | BioXcell | BE0045 | |
| L-Glutamina (200 mM) | Thermo Fisher | 25030081 | |
| LIVE/DEAD Zestaw do utrwalania Aqua Dead Cell Stain Kit, do wzbudzenia 405 nm | Thermo Fisher | L34966 | Zastosowane rozcieńczenie: |
| Pożywka do separacji limfocytów | MP Biomedicals | 50494X | |
| MEM Roztwór aminokwasów endogennych (100X) | Thermo Fisher | 11140050 | |
| Mitomycyna C ze Streptomyces caespitosus | Sigma | M0503-10X2MG | |
| Naiwny zestaw izolacyjny CD4, mysz | Miltenyi Biotec | 130-104-453 | |
| Paraformaldehyd 16% roztwór wodny | Mikroskopia elektronowa | 15710 | |
| PBS (1X), pH 7,4, 500 ml | Wysokiej jakości produkty biologiczne | 114-058-101 | |
| Penicylina-Streptomycyna (10 000 U/ml). 100 ml | Thermo Fisher | 15140122 | |
| Fitohemaglutynina L (PHA-L) | Millipore Sigma | 11249738001 | |
| Premium Grade Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Avantor | 97068-085 | |
| RPMI 1640 Medium, bez glutaminy | Thermo Fisher | 21870076 | |
| Saponin | Thermo Fisher | A18820.22 | |
| Pirogronian sodu (100 mM) | Thermo Fisher | 11360070 |
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