Методическая статья

Анализ на основе микроскопии для изучения и анализа эндосом рециркуляции с использованием snARE Trafficking

DOI:

10.3791/63087

⸱

12 февраля 2022 г.

 , 
1Department of Microbiology and Cell Biology, Indian Institute of Science, Bangalore KA 560012, India

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Рециркулирующие эндосомы являются частью эндосомальной трубчатой сети. Здесь мы представляем метод количественной оценки динамики рециркуляции эндосом с использованием GFP-STX13 в качестве маркера органелл.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Рециркулирующие эндосомы (ПВ) представляют собой трубчато-везикулярные органеллы, образующиеся из ранних/сортирующих эндосом во всех типах клеток. Эти органеллы играют ключевую роль в биогенезе меланосом, органелл, связанных с лизосомами, продуцируемых меланоцитами. РЭ доставляют меланоцит-специфический груз к преждевременным меланосомам во время их формирования. Закупорка в генерации РЭ, наблюдаемая у нескольких мутантов синдрома Германского-Пудлака, приводит к гипопигментации кожи, волос и глаз. Поэтому изучение динамики (см. количество и длину) РЭ полезно для понимания функции этих органелл в нормальных и болезненных условиях. В этом исследовании мы стремимся измерить динамику RE с помощью резидентного SNARE STX13.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Биосинтез пигментов меланина происходит в меланосомах, меланоцит-специфических лизосомных органеллах (LRO), которые сосуществуют с обычными лизосомами. Эндоцитарная система играет ключевую роль в биогенезе меланосом, необходимых для окрашивания кожи и фотозащиты от ионизирующего излучения1,2,3. Во время этого процесса ферменты, синтезирующие меланин, сортируются на ранних/сортирующих эндосомах, а затем транспортируются в преждевременные меланосомы через трубчатые или везикулярные эндосомы, называемые рециркулирующими эндосомами (ES)4,5,6,7,8,9,10. Нацеливание и слияние этих органелл регулируют созревание полнофункциональных пигментированных меланосом7,11,12,13,14. Дефекты образования этих органелл или сортировки груза к этим органеллам вызывают глазокожный альбинизм и другие клинические фенотипы, наблюдаемые при синдроме Германского-Пудлака15,16.

Здесь мы описываем простую технику на основе микроскопии для изучения и анализа РН. В этом методе мы использовали трансмембранный белок Qa-SNARE Syntaxin (STX)13, который находится на рециркуляции эндосом17 и циклах между сортировкой эндосом и меланосом в меланоцитах12,18. Кроме того, удаление N-концевого неструктурированного регуляторного домена (а именно SynN или STX13Δ129) позволяет SNARE застревать в меланосомах, что измеряет путь прямого трафика к меланосоме12. Мы использовали известный эндосомальный маркер переработки Rab GTPase (Rab)11 в наших исследованиях14,19. Флуоресцентная визуализация белков GFP-STX13WT, GFP-STX13Δ129, mCherry-Rab11 и TYRP1 в меланоцитах дикого типа с последующей количественной оценкой их относительной локализации обеспечит характер и динамику РН в дополнение к их нацеливанию на меланосомы. Таким образом, это простая методика, которую можно использовать для визуализации и измерения динамики ПВ в меланоцитах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Протокол включает в себя посев меланоцитов с последующей трансфекцией плазмид. Дальнейшие шаги включают фиксацию, иммуноокрашивание, визуализацию и анализ клеток для измерения длины и количества ПВ. Подробное описание протокола приведено ниже.

1. Посев меланоцитов мышей на предварительно обработанные покровы

  1. Покрыть стеклянные крышки в чашке Петри (т.е. 4 - 5 в чашке 35 мм) матричной средой базальной мембраны (1:20 в полной среде RPMI: RPMI + 10% инактивированной теплом FBS + 1x глутаминовой + 1x антибиотической смесью) и высушить ее в тканевой культуральной вытяжке в течение 15 мин. Вымойте крышки один раз с 1x PBS перед использованием.
  2. Поддерживайте меланоциты мышей дикого типа (melan-Ink4a-Arf-1 от C57BL/6J, a/a, Ink4a-Arf-/- мышей, описанных в 20 и доступных в The Welcome Trust Functional Genomics Cell Bank) в чашке Петри (т.е. 35 или 60 мм чашке), дополненной полной средой RPMI.
    1. Дважды промыть клетки 1x PBS и добавить 0,5 или 1 мл раствора Trypsin-EDTA (0,25%) для трипсинизации клеток. Инкубируют клетки при 37 °C в течение 2 - 5 мин для отделения от чашки Петри.
    2. Добавьте 1 - 2 мл полной среды RPMI, суспендируйте, а затем переложите ячейки в центрифужную трубку.
  3. Центрифугируют клеточную суспензию при 4 °C, 376 х г в течение 5 мин, а затем повторно суспендируют гранулу в 1x PBS.
  4. Повторите стадию центрифугирования и повторно суспендируйте ячейки в 1 мл полной среды RPMI.
  5. Засевайте клетки на основную мембрану со средним покрытием покровных пластинок при 50-60% слиянии (приблизительно 6 х 105 клеток на чашке для культивирования клеток толщиной 35 мм, содержащей 4 - 5 обложек). Всегда добавляйте 200 нМ PMA (добавьте 5 мкл рабочего материала 40 мкМ форбола 12-миристата 13-ацетата) к покрытой клеточной суспензии в полной среде RPMI.
  6. После посева инкубируют пластину при 37 °С в течение 12-24 ч.

2. Трансфекция клеток плазмидами STX13

  1. Используйте следующие реагенты: pEGFP-C1-STX13WT и pEGFP-C1-STX13Δ129 (описано в 12). mCherry-Rab11, был добрым подарком от Граса Рапосо, Институт Кюри, Париж (описано в ссылке19). Анти-TYRP1 антитело от ATCC (TA99).
  2. После 12 - 24 ч посева трансфектируют клетки плазмидами с помощью трансфекционного реагента на основе липидов. Для чашки диаметром 35 мм возьмите 5 мкл трансфекционного реагента в 250 мкл среды OPTI-MEM в микроцентрифужной трубке и возьмите примерно 200 нг каждой плазмиды в 250 мкл OPTI-MEM.
  3. Инкубируют пробирки, содержащие ДНК и трансфекционный реагент, в течение 5 мин. Перемешать без повторного пипетирования (общий объем составит около 500 мкл). Инкубировать в течение 30 мин при комнатной температуре. Выполняйте ручное постукивание по трубке каждые 10 мин в течение 30 мин на RT.
  4. Во время инкубации промывайте клетки дважды 1x PBS, один раз OPTI-MEM, а затем добавляйте 1 мл OPTI-MEM в клетки.
  5. После 30 мин инкубации добавьте смесь трансфекционного реагента и ДНК к клеткам по каплям, накрыв блюдо.
  6. Инкубируют клетки при 37 °C в течение 6 ч. Аспирировать среду OPTI-MEM трансфекционным реагентом и добавить полную среду RPMI, дополненную 200 нМ PMA.
  7. Инкубируют клетки при 37 °C в течение 48 ч.

3. Фиксация клеток

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующая процедура выполняется вне вытяжки культуры тканей.

  1. После 48 ч трансфекции дважды промыть клетки 1x PBS, а затем зафиксировать клетки 3% формальдегидом (свежеприготовленным в 1x PBS) в течение 30 мин.
  2. После фиксации дважды промыть ячейки 1x PBS и хранить крышки в 1x PBS до дальнейшего использования. Альтернативно, ячейки могут быть установлены на стеклянных слайдах (см. Ниже) или храниться при 4 °C.

4. Иммуноокрашивание клеток

  1. Подготовьте влажную камеру: поместите нарезанный кусок парафиновой пленки на влажную фильтровальную бумагу в чашку Петри, покрытую алюминиевой фольгой.
  2. Готовят 25 мкл раствора первичных антител (0,2% сапонина в 1x PBS, 0,1% BSA в 1x PBS и 0,02% азида натрия в 1x PBS). Добавляют антитела в разведении 1:200. Добавьте этот раствор в виде капли на парафиновую пленку во влажную камеру.
  3. Осторожно приподнимите крышку щипцами, переверните ее на этой капле раствора для окрашивания первичных антител и затем накройте крышку влажной камеры. Инкубировать при комнатной температуре в течение 30 мин.
  4. Аналогично готовят раствор вторичного антитела в разведении 1:500 и помещают его на парафиновую пленку рядом с крышкой во влажной камере. Для окрашивания ядра добавьте в раствор DAPI (от 1:20 000 до 1:30 000).
  5. Используя щипцы, осторожно подберите крышку из раствора первичного антитела и трижды окуните его в 1x PBS (в стеклянный стакан).
  6. Коснитесь крышки на папиросной бумаге, чтобы удалить лишний PBS на обложке. Поместите его на раствор для окрашивания вторичных антител во влажной камере и не подвергайте его воздействию света из-за наличия флуоресцентно помеченных антител в растворе.
  7. Снова высиживать крышку в течение 30 мин при комнатной температуре. Пожалуйста, всегда держите за заметку сторону крышки, которая имеет ячейки на протяжении всех этих шагов.
  8. После инкубации осторожно подберите крышку из раствора вторичного антитела, а затем трижды окуните ее в 1x PBS. Кроме того, нажмите на крышку на папиросной бумаге, чтобы удалить избыток PBS на крышке.
  9. Поместите 12 мкл монтажного реагента Fluoromount-G на стеклянную горку и аккуратно поместите витражную крышку (обращенную к стеклу) на монтажный реагент. Переверните стеклянный слайд на папиросной бумаге, а затем аккуратно надавите.

5. Флуоресцентная микроскопия клеток

  1. Визуализируйте окрашенные ячейки под фильтрами Bright-field (BF) и флуоресцентными (IF) с помощью инвертированного флуоресцентного микроскопа, оснащенного ПЗС-камерой с использованием 60-кратного (масляного) апохроматического объектива или любого другого микроскопа с аналогичной конфигурацией.

6. Количественная оценка перекрытия между локализованными белками RE и меланосомами:

ПРИМЕЧАНИЕ: Для количественной оценки коэффициента перекрытия Мандера между белками с помощью программного обеспечения Фиджи (свободно загружаемого по ссылке: https://imagej.net/software/fiji/). Используйте изображение TIFF с несколькими каналами.

  1. Откройте необработанное изображение. Перейдите к параметру «Изображение», выберите «Цветной | Разделите каналы и используйте два канала для анализа.
  2. Откройте плагин JACoP в опции Плагин.
  3. Установите пороговое значение для обоих каналов таким образом, чтобы все яркие пятна были выбраны, а фон был удален.
  4. Перейдите в опцию Анализ, выберите коэффициенты M1 и M2 для получения коэффициента перекрытия Мандера.
  5. Нажмите кнопку Анализ в подключаемом модуле JACoP и увидите результат, отображающий коэффициент перекрытия Мандера.

7. Количественная оценка трубчатого количества и длины эндосом рециркуляции:

ПРИМЕЧАНИЕ: Для количественной оценки количества и длины канальцев с использованием программного обеспечения Фиджи выполняются следующие шаги.

  1. Откройте необработанное изображение Перейдите к параметру «Изображение», выберите «Цветной | Разделите каналы и используйте нужный канал для анализа.
  2. Снова перейдите к изображению , выберите Тип | Преобразование в 8-битное изображение.
  3. Затем перейдите в раздел Плагины, выберите Анализировать | Трубчатость. Установите значение сигмы равным 0,1075. Нажмите Ok.
  4. Снова перейдите к изображению , выберите Введите | Преобразование в 8-битное изображение.
  5. Перейти к | изображений Отрегулируйте | Threshold (Используйте одинаковые пороговые значения для всех изображений. Изображения должны иметь примерно одинаковую интенсивность).
  6. Перейти к процессуальной | Двоичные | Преобразовать в маску.
  7. Перейдите в раздел Обработка, выберите Двоичный файл , а затем выберите Скелетонизировать.
  8. Перейдите в раздел Анализ, выберите Скелет и выберите Анализ скелета. В | результата и вывода выберите (а) Рассчитать наибольший кратчайший путь | (б) показать подробную информацию | (в) отобразить помеченный скелет. Нажмите Ok.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Результат откроется в табличном формате. Столбец Средняя длина ветви показывает длину всех различных канальцев в выбранной ячейке (задайте шкалу для получения значений в микрометрах).
  9. Для получения количества канальцев в ячейке перейдите в раздел Анализ и выберите опцию Анализировать частицы . Нажмите Ok.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В полученных результатах столбец счетчика показывает количество канальцев в этой конкретной ячейке.
  10. Сохраняйте данные и анализируйте.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Количественная оценка мутантной локализации STX13Δ129 в меланосомах
Иммунофлуоресцентная микроскопия STX13 в меланоцитах мышиного дикого типа показала, что GFP-STX13WT локализован как везикулярные и трубчатые структуры, а GFP-STX13Δ129 локализован как кольцеобразные структуры в дополнение к поверхности клетки (рисунок 1A). Кроме того, внутриклеточный кольцеобразный GFP-STX13Δ129 показал колокализацию с мел...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Рециркулирующие эндосомы представляют собой когорту эндоцитарных органелл, и они опосредуют рециркуляцию груза на клеточную поверхность во всех типах клеток21,22,23,24,25. В специализированных типах клеток, таких как меланоциты, эти органеллы частично перенаправляют свой путь трафика к меланосомам для их биогенеза3,16,26.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана Департаментом биотехнологии (BT/PR32489/BRB/10/1786/2019 для SRGS); Совет по научным и инженерным исследованиям (CRG/2019/000281 SRGS); DBT-NBACD (BT/HRD-NBA-NWB/38/2019-20 to SRGS) и партнерская программа IISc-DBT (для SRGS). Инфраструктура в департаменте поддерживалась DST-FIST, DBT и UGC. AMB поддерживался DBT-JRF (DBT/2015/IISc/NJ-02).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
антитело к TYRP1 (TA99)ATCCHB-8704
Fluoromount-GSouthern Biotech0100-01
Липофектамин 2000ThermoFisher Scientific11668-500
Матрикс MatrigelBD Biosciences356231
OPTI-MEMThermoFisher Scientific022600-050
Phorbol 12- миристат 13-ацетатSigma-AldrichP8139
RPMI Medium 1640ThermoFisher Scientific31800-022

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dell'Angelica, E. C. The building BLOC(k)s of lysosomes and related organelles. Current Opinion in Cell Biology. 16 (4), 458-464 (2004).
  2. Raposo, G., Marks, M. S. Melanosomes--dark organelles enlighten endosomal membrane transport. Nature Reviews in Molecular Cell Biology. 8 (10), 786-797 (2007).
  3. Ohbayashi, N., Fukuda, M. Recent advances in understanding the molecular basis of melanogenesis in melanocytes. F1000Research. 9, F1000 Faculty Rev-608 (2020).
  4. Theos, A. C., et al. Functions of adaptor protein (AP)-3 and AP-1 in tyrosinase sorting from endosomes to melanosomes. Molecular Biology of the Cell. 16 (11), 5356-5372 (2005).
  5. Di Pietro, S. M., et al. BLOC-1 interacts with BLOC-2 and the AP-3 complex to facilitate protein trafficking on endosomes. Molecular Biology of the Cell. 17 (9), 4027-4038 (2006).
  6. Setty, S. R., et al. BLOC-1 is required for cargo-specific sorting from vacuolar early endosomes toward lysosome-related organelles. Molecular Biology of the Cell. 18 (3), 768-780 (2007).
  7. Delevoye, C., et al. AP-1 and KIF13A coordinate endosomal sorting and positioning during melanosome biogenesis. Journal of Cell Biology. 187 (2), 247-264 (2009).
  8. Bultema, J. J., Ambrosio, A. L., Burek, C. L., Di Pietro, S. M. BLOC-2, AP-3, and AP-1 proteins function in concert with Rab38 and Rab32 proteins to mediate protein trafficking to lysosome-related organelles. Journal of Biological Chemistry. 287 (23), 19550-19563 (2012).
  9. Sitaram, A., et al. Differential recognition of a dileucine-based sorting signal by AP-1 and AP-3 reveals a requirement for both BLOC-1 and AP-3 in delivery of OCA2 to melanosomes. Molecular Biology of the Cell. 23 (16), 3178-3192 (2012).
  10. Nag, S., et al. Rab4A organizes endosomal domains for sorting cargo to lysosome-related organelles. Journal of Cell Science. 131 (18), (2018).
  11. Dennis, M. K., et al. BLOC-2 targets recycling endosomal tubules to melanosomes for cargo delivery. Journal of Cell Biology. 209 (4), 563-577 (2015).
  12. Jani, R. A., Purushothaman, L. K., Rani, S., Bergam, P., Setty, S. R. STX13 regulates cargo delivery from recycling endosomes during melanosome biogenesis. Journal Cell Science. 128 (17), 3263-3276 (2015).
  13. Shakya, S., et al. Rab22A recruits BLOC-1 and BLOC-2 to promote the biogenesis of recycling endosomes. EMBO Reports. 19 (12), 45918(2018).
  14. Bowman, S. L., et al. A BLOC-1-AP-3 super-complex sorts a cis-SNARE complex into endosome-derived tubular transport carriers. Journal of Cell Biology. 220 (7), 202005173(2021).
  15. Wei, M. L. Hermansky-Pudlak syndrome: a disease of protein trafficking and organelle function. Pigment Cell Research. 19 (1), 19-42 (2006).
  16. Bowman, S. L., Bi-Karchin, J., Le, L., Marks, M. S. The road to lysosome-related organelles: Insights from Hermansky-Pudlak syndrome and other rare diseases. Traffic. 20 (6), 404-435 (2019).
  17. Prekeris, R., Klumperman, J., Chen, Y. A., Scheller, R. H. Syntaxin 13 mediates cycling of plasma membrane proteins via tubulovesicular recycling endosomes. Journal of Cell Biology. 143 (4), 957-971 (1998).
  18. Mahanty, S., et al. Rab9A is required for delivery of cargo from recycling endosomes to melanosomes. Pigment Cell Melanoma Research. 29 (1), 43-59 (2016).
  19. Delevoye, C., et al. Recycling endosome tubule morphogenesis from sorting endosomes requires the kinesin motor KIF13A. Cell Reports. 6 (3), 445-454 (2014).
  20. Ha, L., et al. ARF functions as a melanoma tumor suppressor by inducing p53-independent senescence. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 104 (26), 10968-10973 (2007).
  21. Soldati, T., Schliwa, M. Powering membrane traffic in endocytosis and recycling. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 7 (12), 897-908 (2006).
  22. Grant, B. D., Donaldson, J. G. Pathways and mechanisms of endocytic recycling. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 10 (9), 597-608 (2009).
  23. Hsu, V. W., Prekeris, R. Transport at the recycling endosome. Current Opinion in Cell Biology. 22 (4), 528-534 (2010).
  24. Taguchi, T. Emerging roles of recycling endosomes. Journal of Biochemistry. 153 (6), 505-510 (2013).
  25. Goldenring, J. R. Recycling endosomes. Current Opinion in Cell Biology. 35, 117-122 (2015).
  26. Delevoye, C., Marks, M. S., Raposo, G. Lysosome-related organelles as functional adaptations of the endolysosomal system. Current Opinion in Cell Biology. 59, 147-158 (2019).
  27. Hsu, V. W., Bai, M., Li, J. Getting active: protein sorting in endocytic recycling. Nature Reviews in Molecular Cell Biology. 13 (5), 323-328 (2012).
  28. Desfougeres, Y., D'Agostino, M., Mayer, A. A modular tethering complex for endosomal recycling. Nature Cell Biology. 17 (5), 540-541 (2015).
  29. Le, L., Sires-Campos, J., Raposo, G., Delevoye, C., Marks, M. S. Melanosome biogenesis in the pigmentation of mammalian skin. Integrated Computational Biology. 61 (4), 1517-1545 (2021).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

13Rab11ImageJ

Похожие статьи