Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Immunology and Infection

表面プラズモン共鳴によるホストのサイトゾルへ毒素の転座の検出

doi: 10.3791/3686 Published: January 3, 2012

Summary

このレポートでは、我々は表面プラズモン共鳴は、ホストサイトゾルへ毒素のエントリを検出するために使用される方法について説明します。この高感度の方法は、細胞質毒素の量で定量的なデータを提供することができます、そしてそれは毒素の範囲に適用することができます。

Abstract

ABの毒素は、酵素サブユニットと細胞結合Bサブユニット1で構成されています。これらの毒素は、細胞外環境に分泌されますが、真核生物の細胞質ゾル内のターゲットに作用している。いくつかのAB毒素の細胞表面から細胞質ゾル2-4を入力する前に、小胞体(ER)への小胞のキャリアで旅行。 ERで、毒素や動きの残りの部分から蛋白質導電性チャネルを介して触媒鎖の解離は、その細胞質ターゲット5に到達する。ほとんどの内部化毒素を分解するリソソームにルーティングされるので、表面に結合した毒素のほんの一部はゴルジ装置や小胞体6に達する:ERへの毒素の人身売買は非常に非効率的なプロセスであるため、転、細胞質ゾルのチェーンは検出が困難です。 -12。

ERからの培養細胞の細胞質ゾルへの毒素の移行を監視するには、我々はhighlと細胞下分画のプロトコルを組み合わせて表面プラズモン共鳴(SPR)13から15のy感度な検出方法。毒素処理細胞の形質膜を選択的に続いて抗毒素鎖抗体をコーティングしたSPRセンサー上灌流サイトゾル画分の収集を可能にする、ジギトニン透過化されています。抗体でコーティングされたセンサーは、細胞質毒素のpg / mLの量をキャプチャし、検出することができます。このプロトコルで、それは細胞質ゾルへの毒素のエントリの動態を追跡すると、転座のイベントの抑制効果を評価することも可能です。細胞質毒素の濃度は、センサを介して灌流されているチェーンの規格の既知の量で生成された標準曲線から計算することができます。私たちの方法は、放射性標識またはターゲットの毒素に他の変更を必要としない迅速、高感度、および定量的な検出システムを表します。

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1。ジギトニンの準備

  1. マイクロ遠心チューブに100%エタノールを500μLを追加し、80℃で10分間に設定されているヒートブロックに配置します。
  2. ジギトニンの1%のストック溶液を生成するために加熱されたエタノールを250μLにジギトニンの2.5 mgを溶解する。
  3. 0.04%ジギトニンの実用的なソリューションを生成するには、HCN緩衝液(50mMのHepes pH7.5の、150mMのNaCl、2mMのCaCl 2を 、10mMのN -エチルマレイミド、およびプロテアーゼ阻害剤の960μLにジギトニンストック溶液40μLを追加するカクテル)。

2。セルの中毒と透過

私たちの相互転座試験、毒素や細胞株の範囲に適用することができます。以下に、我々は、コレラ毒素(CT)を検出するための詳細なプロトコルを提供しています。手順の概要を図1に提供されています。

  1. HeLa細胞を10%ウシ胎児血清と抗生物質 - 抗真菌剤を添加した1mlのDMEMを含む6ウェルプレートに播種されています37 /ウェルで一晩インキュベーション後1 × 10 6細胞℃を達成するために十分な再現性の検出のための細胞質毒素を生成するには、3つのウェルは、各条件のために必要とされています。
  2. 一晩インキュベートした後、1 mLのDMEMがガングリオシドGM1の100 ng / mLを含有する培地を交換してください。 CTのGM1受容体はGM1の解決に曝露した細胞の形質膜へのインターカレートされるので、これは、CTの結合部位の数が増えます。
  3. 37℃1時間のインキュベーション後° C、GM1含有培地を除去し、DMEMで細胞を2回洗浄する。その後、4℃で細胞を配置· CTの1μg/ mLを含む1 mLのDMEMで30分間を。
  4. 37、毒素含有培地を除去DMEMで細胞を2回洗浄し、1 mLのDMEMで細胞をインキュベートします希望の時間間隔(秒)のためのC。
  5. 各追跡期間の終了時に、PBSで細胞を洗浄し、PBS中の0.5 mMのEDTA 250μLを各ウェルをインキュベートする。細胞は10分間放置室温で分してから、P1000 pipetmanで積極的な粉砕によって6 - ウェルプレートからそれらを削除します。細胞の1つのウェルが収集された後は、よく同じ状態から2番目と3番目とそれを組み合わせる。セルスクレーパーはまた、細胞を収集するために使用することができます。
  6. 単一のマイクロ遠心チューブに3つの繰り返し井戸(750μL、総容積)から結合細胞懸濁液を置き、5,000 x gで5分間卓上型マイクロでそれを回転させるほぼ同等の大きさの細胞ペレットを、すべての条件のために取得する必要があります。
  7. 上清を捨て、ジギトニンの0.04%ワーキング溶液100μLで細胞ペレットを再懸濁します。氷上で10分間細胞懸濁液を置きます。
  8. 卓上微量遠心機で10分間、16,000 xgでジギトニン透過性細胞をスピン。新鮮なマイクロ遠心チューブに細胞質を含む​​上清画分を転送し、細胞小器官を含むペレット画分を保持する。
タイトル"> 3。サンプルの準備

  1. 細胞質ゾルを含む上清画分を1mLの最終容量にHCN緩衝液で希釈されています。少なくとも1 mLのサンプル容量は、空気を注入する前に500μLのサンプルループからパージされることを保証するために必要です。
  2. オルガネラ含有ペレット画分を1%トリトンX - 100を含むHCN緩衝液1 mLに再懸濁する。界面活性剤の添加は、膜の箱に入った毒素のプールを解放するために必要です。
  3. 100の濃度は、10、1、0.1 ng / mLので毒素の基準は、HCNのバッファーで調製される。
  4. 細胞質やオルガネラ分画のパラレルセットは、分画操作の忠実度を確認するために、対照実験のために準備されています。第2節で説明したように生成された画分を4倍速サンプル緩衝液(サイトゾル画分)または1xサンプルバッファー(オルガネラ分画)120μLの20μLに再懸濁する。各画分の相当するボリュームは、ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により分離し、bをプローブしている上清画分の細胞質タンパク質とペレット画分16から19に可溶、常駐ERタンパク質のパーティショニングを実証するためにyをウェスタンブロット分析。

4。 SPRのスライドの準備

  1. ライヘルトSR7000 SPR屈折計は、SPRの実験のために使用されます。
  2. SPR測定器で自己組織化単分子膜と金メッキのガラススライドを設定します。 41μL/ minの流速で10分間、スライド上に0.4 M EDCおよび0.1MのNHSのソリューション:センサのスライドを有効にするには、1:1(V V)を灌流。後続のすべてのperfusionsは同じ流速を使用します。
  3. EDC削除するには:NHS活性化バッファを、PBS、0.05%ツイーン20(PBST)を含むと5分間プレートを洗浄する。 NHS溶液:プレートはEDCによってuncappingに起因する反応性アミドテザーが含まれています。
  4. 15分間20mMの酢酸ナトリウム(pH 5.5)で1:20,000の希釈で活性化さセンサーのスライドを介して抗CTA抗体を灌流。の屈折率の初期ドロップDEXユニット(RIU)はpH変化により発生されます。抗体がセンサーのスライド上でアミド反応性テザーによって捕捉されるため、これはRIUの増加が続きます。
  5. 5分のPBST洗浄とセンサーのスライドから未結合の抗体を取り外します。捕捉抗体によって生成RIUの信号は、高原と安定化は、新しい基準信号を提供します。
  6. 5分間センサースライド上の灌流1 Mエタノールアミン(pH 8.5)で。このキャップとセンサのスライド上に残っている未結合のテザーを不活性化する。

5。サンプルのSPR分析

  1. ベースライン値、5分間抗体でコーティングされたセンサーで散らすPBSTを確立する。
  2. 300秒のためのセンサーで実験サンプルや毒素の標準を灌流。別の200秒のためのセンサー上でバッファと浸み込ませるのPBSTから配位子を削除します。
  3. 各灌流に続いて、結合した毒素は、pH5.0でPBSTで100秒の洗浄で、センサから削除されます。これは、信号を返します。その初期のベースライン値に、このように別のサンプルが同じセンサーで処理することができます。
  4. 新しいサンプルをロードする前に、前のサンプルからの残留流体を排出するためのサンプルループを介して少量の空気を押してください。 5.2から5.4に概説した手順を使用して、我々は、ベースラインの信号を実質的に失うことなく、あるスライドで12サンプルまでに実行した。
  5. データ分析は、スクラバー2ソフトウェアで実行され、イゴールのソフトウェアは、図の準備のために使用されます。

6。代表的な結果

百日咳毒素(PT)は、そのチェーンの前に細胞表面からERに移動するAB毒素である(PTS1)細胞質ゾル3、12を入力します。図2に示すように、私たちのSPRベースの相互転座試験では、酔ってCHO細胞の細胞質ゾルでPTS1を検出することができた。シグナルは抗PTS1抗体は、宿主の細胞質ゾルの成分と交差反応しなかったが確認unintoxicated細胞、の細胞質から生成されませんでした。市販ブレフェルジンA(BFA)の存在下で酔って細胞からのサイトゾル画分にも肯定的な信号を生み出すことができなかった。 BFAは、ERの転座部位6-8、12、20から25と、このように、細胞質ゾルへのチェーンの配信に毒素の輸送を防ぐことができます。各実行の最後に、結合した毒素は、センサーのスライドから除去されます。この許可された複数のサンプルは、1つのセンサーのスライド上でスクリーニングし、それによって、異なる実験条件で得られた結果との間の直接比較を提供する。

CTは、別のAB型、ER -転位毒素4です。図3Aに、CTA1はCT処理したHeLa細胞から細胞質画分に検出された。これは私たちの方法論が複数の細胞型で動作すると抗鎖抗体が利用できる任意の毒素にも適用できることを強調した。細胞はこのようにそのCTA1を示す、抗CTB抗体(図3B)でコーティングしたSPRセンサー上灌流したときにサイトゾル画分CT -治療からの信号は検出されなかったサブユニットは、セル結合CTB量体は、細胞質ゾルに入るではない。図3Cは、細胞小器官の分画からの信号がサイトゾル画分からの弱い信号に比べてオフスケールであることを示しています。これは、順番に細胞質に達することができる毒素の量を制限するER転座のサイト6、7、へCT輸送の既知の非効率性と一致していた。さらに、細胞小器官の分画はCTのholotoxinだけでなく、小胞体に局在CTA1が含まれているので、オルガネラ分画のための結果のSPR信号がholotoxin関連CTB量体の付加質量だけ膨らみます。従って、それは同じセンサーグラムで細胞小器官と細胞質分画からのデータをプロットするのは実用的ではありません。

私たちのアッセイは、転、細胞質毒素(図4)の時間依存蓄積を監視することができます。細胞を4でCTに暴露した° C、形質膜への毒素の結合が可能ですが、セルに関連した毒素の内在化を防止する温度。サンレモ後に非結合毒素のvalは、細胞を37℃に加温したERへの毒素の輸送および細胞質ゾルへのチェーンの転座の両方が、この温度で​​発生する可能性があります。いいえ毒素は、温暖化後の37℃に細胞質ゾル、15分で検出されなかったこれは、ERから(i)holotoxinの人身売買に必要な遅延時間を反映して、ERで(II)/ Bサブユニットの解離、および細胞質ゾルへの(iii)のチェーンの輸出。細胞質毒素のマイナーなプールは、Cは37℃で30分後に検出された、および細胞質毒素の漸進的に数量が多い場合は、45〜60分の追跡間隔の後に検出された。細胞質毒素の一層のレベルは、このように宿主の細胞質に細胞関連毒素の継続的、長期的な配信を実証、5時間追跡間隔の17日以降に検出された。

私たちのアッセイはまた、細胞質ゾルへの毒素の移行の阻害(図5)を検出することができます。 10%のジメチルスルホキシド(DMSO)、熱disordを防ぐ化学シャペロンによる治療を受けた細胞孤立CTA1サブユニット(T. BanerjeeさんとK. Teter、未発表の観察)のering、未処理の対照細胞と比較して細胞質CTA1の低いレベルを示した。毒素の展開のチェーンは、細胞質ゾル16から18へ移行するための前提条件である、CTA1のDMSO誘発性安定化がそれに応じて小胞体からサ ​​イトゾルへの動きを妨げるので。

SPRの実験から計算された会合速度定数(k a)は灌流バッファ14、15、26のリガンドの濃度に正比例する。従って、それは毒素の濃度の関数としての毒素の基準値kのプロットそのグラフから細胞質毒素の濃度を決定することが可能である。この手順は、図5に示した毒素の転座のDMSO誘発性ブロックを定量化するために使用されていました:毒素の既知濃度から作成した標準曲線は、細胞質CTA1 concentratを計算するために使用された未処理細胞とDMSO処理細胞(図6)は0.1 ng / mLの0.3 ng / mLのイオン。 DMSOによるアンフォールディングCTA1の阻害は、このようにCTA1のERから細胞質に転座の3倍の減少を生成する。

図1
図1。プロトコルの概要。 (A)、細胞を4℃AB毒素° C、細胞表面に毒素が結合できるようですが毒素のエンドサイトーシスを防止する温度でインキュベートする。毒素のAとBサブユニットはそれぞれ、赤と青の円で表されます。 (B)非結合毒素を培地から除去し、細胞を℃にERにholotoxinのエンドサイトーシスと逆行輸送を促進するために37に加温している。 Holotoxin解離、分離された鎖はER膜内のタンパク質伝導チャネル(S)を通過させることによって細胞質ゾルを入力できるようにERで発生します。 (C)細胞は選択的にプラズマを透過するために、ジギトニンで処理されています膜。 (D)遠心分離は、細胞別の細胞質やオルガネラ画分に分割するために使用されます。細胞質ゾルはジギトニンで生成された孔を通って細胞外に絞られており、上清に位置しています。そのまま、膜結合小器官は、ペレット画分に見出される。 (E)宿主細胞質内毒素チェーンの転プールを検出するために、上清画分を抗鎖抗体をコーティングしたSPRセンサー上灌流される。

図2
図2ホストの細胞質ゾルへのPTS1転座の検出。 CHO細胞はパルスラベル4℃PTの1μg/ mLの30分間でした。次に、細胞を37℃で3時間に追われたも追加(酔って)または5μgのBFA / mLを(+ BFA酔って)含まない° Cで毒素を含まない培地。ジギトニンと形質膜の透過性は、別々のオルガネラや細胞質fractiにパーティションのセルの抽出に使用されていましたアドオン。抗PTS1抗体で被覆したSPRセンサーは、未処理またはBFA処理細胞からPTS1の細胞質プールを検出するために使用されていました。 unintoxicated細胞からのサイトゾル画分をネガティブコントロールとして、センサのスライドを介して灌流しながらPTS1基準は、ポジティブコントロールとして、センサを介して灌流した。各実行の最後に、バインドされたサンプルは、センサーのスライドから除去されました。

図3
図3。宿主の細胞質ゾルへのCTA1転座の検出。 HeLa細胞のパルスラベルされた4℃の1μg/ CTのmLのCは37℃で2時間に追われたも追加(酔って)または5μgのBFA / mLを(+ BFA酔って)含まない° Cで毒素を含まない培地。ジギトニンと形質膜の透過性は、別々のオルガネラと細胞質分画にパーティションのセルの抽出に使用されていました。 (A)細胞質ゾル画分を抗- CTA抗体で被覆したSPRセンサー上灌流した。知られてunintoxicated細胞から細胞質ゾルをネガティブコントロールとして使用されていた間にCTAの量は、陽性対照として使用した。 (B)BFAの存在下で酔って、細胞から細胞質画分を抗CTB抗体で被覆したSPRセンサー上灌流した。精製したCTB量体は、ポジティブコントロールとしてスライド上に灌流した。 (C)オルガネラの分画を抗- CTA抗体で被覆したSPRセンサーで灌流する前に、1%トリトンX - 100で可溶化した。比較のため、同一の細胞抽出物およびCTAの標準からのサイトゾル画分(1mlの最終容量)もセンサの上に灌流した。すべてのパネルの場合は、バインドされたサンプルは、各実行の終了時に、センサから除去した。

図4
図4。細胞質ゾルへのCTA1エントリの速度論。毒素のない視野に入っにおけるHeLa細胞パルス標識4℃CTの1​​μg/ mlのCが15、30、45、または37℃で60分間追われた° CM.毒素の転プールを検出するために、ジギトニン透過性の細胞から細胞質画分を抗- CTA抗体で被覆したSPRセンサー上灌流した。 CTAの基準は、同様にセンサーを介して灌流した。各実行の最後に、バインドされたサンプルは、センサーのスライドから除去されました。

図5
図5。DMSOによるCTA1転座を阻害する。 HeLa細胞のパルスラベルされた4℃の1μg/ CTのmLのCは37℃で2時間に追われたも追加(酔って)または10%DMSOを(+ DMSO酔って)含まない° Cで毒素を含まない培地。毒素の転プールを検出するために、ジギトニン透過性の細胞から細胞質画分を抗- CTA抗体で被覆したSPRセンサー上灌流した。 CTAの基準は(100、10、1、0.1 ng / mL)を陽性対照として、センサを介して灌流した。わずか1〜0.1 ng / mLの標準は、スケーリングの目的のために示されている。 unintoxicateから細胞質ゾルD細胞は、陰性対照として使用した。各実行の最後に、バインドされたサンプルは、センサーのスライドから除去されました。

図6
図6。細胞質CTA1の計算は、図5からCTAの基準値k個の毒素の濃度の関数としてプロットした。結果として得られる標準曲線 、k図5に、未処理とDMSO処理細胞における細胞質CTA1の濃度から実験試料の値に基づいて、決定するために使用されていました。未処理細胞質ゾルは、オープンの正方形として表示されます;毒素の基準が満たされた円として提示され、DMSO処理細胞質ゾルは白丸として表示されます。平均± 2つの独立した実験の範囲が示されています。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

既存の手法との比較

私たちのSPRベースの相互転座試験では、ホストの細胞質ゾル中に毒素の配信を検出するための迅速、高感度、および定量的なメソッドを表します。手法は、毒素に放射性標識または他の変更を必要としない、それは抗毒素鎖抗体が利用できる任意の毒素に適用することができます。細胞質ゾルへの毒素の通過を監視するために既存の方法はまた別の細胞質ゾルと膜画11、23、27、28に分割する細胞抽出物の細胞下分画のプロトコルに依存しています。これらのメソッドは、毒素の細胞質プールを検出するためにウエスタンブロットあるいは放射性標識を使用してください。前者のアプローチは、最高の状態で半定量的であり、相対的に貧しい感受性に苦しんでいる。であっても放射標識プロトコルはにより細胞質に到達する毒素の低レベルに、結果を生成するために数週間かかることがあります。放射性標識毒素との定量分析は、相対的な割合を決定することができますが細胞質ゾルに入る細胞関連毒素が、このアプローチは、直接細胞質毒素分子の正確な数を判断することはできません。放射性標識毒素の検出にSPRの毒素検出の感度を比較すると、細胞質毒素の量は、SPRではなく、放射性標識によって計算することができるよう、そのため問題がある。

他の転座アッセイは、上流の毒素の人身売買のステップをバイパスし、プラスミドベースの発現系またはin vitroでの転写/翻訳システム29から38のいずれかを使用してERにチェーンを直接毒素を提供します。どちらの方法では、アミノ末端シグナル配列は小胞体内腔への共同翻訳のインポートのためのチェーンを対象としています。 ERから合成されたチェーンの輸出は、その後、細胞下分画、分画遠心法、転毒素の細胞質ゾル、プロテアソームによる分解で毒素活性、および/または細胞質ゾル特有の毒素の変更によって検出されます。これらのアプローチのサブセットの単に座イベントでお客さまは、in vitroでの再構成実験に使用され、検出と共免疫沈降研究のために毒素の高いレベルを生成することができます。しかし、方法論は、細胞表面から細胞質ゾルへの毒素の配信の速度や効率性を判断することはできません。それは、転チェーンがholotoxin品チェーンと同じ構造状態のERを入力しないことも可能です。ホスト-毒素の作用の他の側面は、そのようなA / B解離のイベントとして、これらの手順から欠落しています。従って、小胞体内で直接合成される鎖が付いている監視転座の両方の長所と短所があります。

毒素の転座はしばしば中毒アッセイによって検出されます。外因的に適用される毒素によって生成される細胞毒性または細胞変性効果はチェーンがその細胞質目標を達している毒素を示しています。明らかに、これは毒素監視する転座の間接的な尺度です。細胞質ゾルではなく、細胞質毒素の物理的な存在でctivity。このように、テクニックはどちらも細胞質毒素のレベルを定量化することはできませんまた直接転毒素の変更処理を検出する。このような細胞応答時や毒素活性が飽和細胞応答を生成するを引き出すために細胞質毒素の閾値濃度の必要性はとして細胞質内毒素レベルと毒素活性の間に直接的な相関関係が存在しないようなシナリオは、もあります。それでも、中毒のアッセイは、直接転座のイベントを文書化アッセイするために機能的な相関関係を提供することができます。我々は以前チェーンの転座の阻害、細胞中毒17から19の阻害に対応を示すためにこの戦略を使用している。

要約すると、細胞質ゾルへの毒素の配信を検出する複数の方法があります。私たちのSPRベースのアプローチは、迅速、高感度、および定量的な結果を提供することの利点があります。 DATAはまた強力な結論を生成するために前述の古いのいずれかの戦略を用いた実験で補完することができます。

将来のアプリケーション

私たちのラベルフリー細胞質毒素の検出および定量するための方法は、中毒の細胞生物学に関する多くの優秀な質問に対処する柔軟性を持つ研究者を提供します。例えば、それは細胞質に到達する表面に結合した毒素の割合を計算することによって細胞質ゾルへのチェーンの配達の効率性を確立することが可能です。それは、細胞質毒素と、拡張子によ​​って、セルあたりの細胞質毒素分子の数の合計量を定量化することも可能です。それは、細胞質ジフテリア毒素の1分子の完全な細胞傷害性/細胞変性効果39を誘発するのに十分であると考えられている、このモデルは現在、私たちの転座アッセイと相関中毒のアッセイを使用して他の毒素でテストすることができます。従って、私たちのSPRベースのアッセイ笙自民連は生産的な中毒のために必要な数の分子細胞質毒素のかを判断することができます。私たちの技術はまた、細胞質毒素の永続性を追跡することができます。細胞質ゾルへのチェーンアクセスが最初の毒素の曝露後に制限されている場合は中毒の影響を含意する、これを制限し、場合によっては時間が経過すると、その細胞質濃度を減少させる転チェーンの大幅な劣化が逆転することができます。また、酔って、細胞から細胞外培地と膜ペレットは、それぞれ、細胞内膜系に常駐している分泌毒素または毒素の量を追跡するために使用することができます。細胞外、細胞内膜に局在する、および細胞質毒素の比較研究は、中毒の細胞生物学が異なるER -転位毒素のためにどのように変化するかを調べるために使用することができます。私たちのアッセイはまた、転座のイベント19の必要な毒素特有の細胞因子を解明するために使用することができます。それは、追跡するために私たちの方法論を適応することができるはずですこのような炭疽菌の致死因子やジフテリア毒素などの他のABの毒素のエンドソームから細胞質に移行。最後に、ホストの細胞質ゾルへのウイルスの侵入はおそらく同様の実験手順を使用して監視することができます。

制限事項

ERへの毒素の人身売買を抑制する条件でも細胞質ゾルへの毒素の配信を防止します。これは、BFA処理細胞における細胞質毒素の存在しない(図2、3A)により証明された。毒素の転座の潜在的なブロックを調べるためにこのメソッドを使用するときはこのように、追加の制御の実験が必要です。一部のAB毒素のため、テザーそのholotoxinの触媒サブユニットはER 6、40から43に発生しているジスルフィド結合の還元。チェーンの酸化還元状態は、それに応じてER 16、18〜毒素の輸送の手段として使用することができます。 N -結合型グリコシル化のためのコンセンサス配列、ERで開始される修正を含む組換え毒素は、またされているER 12、23、44から46への毒素のエントリを検出するために使用。最後に、上述したように、毒素の共同翻訳の挿入を含む代替プロトコルER内腔へのチェーンは、転座のイベント抑制効果を確認することができます。例えば、私たちのSPRベースの相互転座試験では、ER内腔19に直接CTA1を発現するプラスミドベースのシステムで確認されたCTA1転座のHsp90の機能的役割を示した。

ER -転位毒素の鎖は転毒素がユビキチン依存性プロテアソーム分解47から50を回避するための強力なアルギニンオーバーリジンアミノ酸の偏りを示す。しかし、細胞質毒素の分解が比較的遅く、ユビキチン非依存性プロテアソーム機構51,52によって発生します。プロテアソーム活性を増強する条件は、細胞質FRAで転毒素のプールを減らすことによって私達の相互転座試験の結果をこのように、スキュー可能性ction。プロテアソーム阻害に起因する細胞質毒素の増加は毒素が実際に細胞質ゾルに達する可能性を示しているだろうが、検出の前に分解した。プロテアソーム阻害剤に暴露された細胞は、この可能性を制御するために使用することができます。

それは、これらの考慮事項は、前述の代替アプローチのサブセットに適用されると私達の方法に固有のものではないことに注意する必要があります。前述したように、転座のイベントを特徴付けるための最善の戦略はよく制御の技術を組み合わせて使用​​することです。

重要な手順とトラブルシューティング

化学物質の調製は、分析のための重要なステップです。ジギトニンは容易に溶解しない、そしてそれはすべての実験のために新鮮な準備する必要があります。同様に、新鮮なPBSTはSPR分析のために使用する必要があります。 EDC:NHS活性化バッファーは使用直前に準備する必要があります。2つのソリューションを混合した後に保存されている場合には、活性を保持しません。 HoweveR、EDCとNHSの別々のアリコートを-80℃で保存し、一度使用前に解凍することができます。サンプルを含むすべてのソリューションは、、注射する前に解除ガス処刑されるべきである。これは、SPR信号の空気誘起スパイクを防ぐことができます。

このアッセイに使用される細胞型は、毒素の検出可能なプール細胞質に到達するためにチェーンできるように、十分な毒素受容体を発現している必要があります。このようなCTの挑戦の前にGM1とHeLa細胞の前処理などの場合は、追加の毒素の受容体は標的細胞の表面に添加することができます。細胞の種類にもジギトニンで細胞膜の選択透過性の影響を受けている必要があります。ここに記述されたプロトコルは、HeLa細胞及びCHO細胞を用いた効果的ですが、他の細胞型は、細胞小器官と細胞質分画の明確な分離を監視するためにウェスタンブロット分析を用いて最適化のステップが必要になります。我々は日常的にタンパク質ジスルフィドイソメラーゼの分布(可溶性小胞体タンパク質)とHsp90の(細胞質proteに従ってくださいこの目的の16から19までのため)であった。ペレット画分16から19へのタンパク質ジスルフィドイソメラーゼの排他的なパーティショニングはまた、膜ペレットに収集された細胞内小器官が完全な状態であることを保証します。細胞内小器官の意図破裂がサイトゾル画分に細胞内膜の制限された毒素を放出することによってシステムにエラーを導入するので、これは、私たちの手法の重要な側面です。 SPRベースの実験はまた、転座のイベントからではなく、細胞内小器官の溶解から毒素の結果のその細胞質プールを実証するために使用することができます。例えば、何毒素はわずか15分(図4)のために毒素にさらさBFA処理細胞(図2、3A)や細胞の細胞質に検出されなかった。同様に、CTのBサブユニットは、2時間の毒素の曝露(図3B)の後にサイトゾル画分に検出されなかった。我々のプロトコルは、内部の膜の透過性をもたらした、我々は前述の各毒素の細胞質プールが検出されたはずだった条件を述べた。原形質膜の再現性、選択的透過化のための適切なプロトコルを確立することはアッセイの実施のための律速段階を表現する可能性があります。原形質膜の透過性のための他のオプションが利用可能ですが、我々はジギトニン処理は、そのようなストレプトリジンOの治療など、他の方法よりも一貫性のある結果を提供することがわかった

抗体の品質はまた、毒素の標準の希釈系列を確立することができるアッセイの感度を、決定します。例えば、我々は、再現性PTS1またはCTA標準(図2-6)のいずれかのわずか0.1 ng / mLを検出することができます。抗鎖抗体は、毒素のBサブユニットを認識しないはず、とunintoxicated細胞は常に抗体が宿主細胞内のタンパク質とは交差しないようにコントロールとして使用する必要があります。これは、異なる可能性があるとして、予備実験では、抗体の結合毒素を除去するための条件を最適化する必要があります。別の抗毒素抗体の。

改変された細胞の条件下で毒素の移行を監視する場合、未処理対照細胞からの毒素の基準と細胞質画分を実験サンプルの条件に一致するように補完されるべきである。例えば、図5からCTAの基準と未処理細胞質画分をDMSOで処理した細胞から細胞質画分の最終薬物濃度と一致するように1%のDMSOを添加した。これは、集めた画分の化学組成の違いから生じる可能性があるSPR信号が異なる可能性がなくなります。この洗剤は、膜の箱に入ったSPR検出のための細胞小器官の分画からの毒素を解放するために使用される細胞質およびオルガネラ分画間の比較も同様に、トリトンX - 100細胞質画分と基準に、1%の加算が必要になります。予備実験では、細胞質ゾルの存在は、毒素の標準へのSPR応答を変更していませんが示されているそのため、unintoxicated細胞からのサイトゾルで毒素の基準を補足する必要はありません。

センサーのスライドに結合する抗体は、EDC場合は発生しません。NHS活性化ソリューションは、古いですかスライドを下に金の側面を測定器に挿入されている場合。 NHSの活性化と、そのため、抗体捕捉:製造工程を考えると、適切なEDCのを防ぐことができるいくつかのプレートからプレートのばらつきが存在します。スライドに結合する抗体が悪い場合は、のような弱い上昇RIUによって示される、目の注射は、プレート上の抗体の多くを被着することができる。 RIU一実験から抗毒素の抗体がセンサー上に堆積されるのかによって別のものに変化する任意の単位です。しかしながら、オンとオフ率が一定に維持されます。

一つのチャネルが実験サンプルに使用できると他のチャネルはバッファALOのために使用することができるとして、それは、デュアルチャネルの灌流チャンバーと屈折計を使用することが好ましいNE可能なベースラインのドリフトを補正するため。デュアルチャンバー装置を使用する場合は、抗毒素の抗体は、2つのチャネルだけの1つに追加されていることを確認してください。サンプルは、その後、両方のチャネルを介して実行されます。単一チャネルの計測器で、ベースラインドリフトの補償だけでは試料注入前に抗体でコーティングされたスライドからデータをバッファのコレクションが含まれます。

SPRの実験の開始前に、センサーのスライドは楽器でタイトな設定とすべての付属品が安全であるされていることを確認します。これらの問題に起因するリークは、収集されたデータ内の空気スパイクが生成されます。漏れも常に存在する必要が廃棄物の流れの有無、によって検出することができます。注入ループの音量を超えるサンプルの量は、同様に空気の急増を避けるため必要がある - 例えば、我々は、500μL注入ループを1 mLのサンプル容量を使用してください。プリズム上に液浸オイルの不適当な量は、ベースラインのSignaの安定化を防ぐことができますL. SPR測定器の操作に関連するその他の問題は、ユーザーガイドおよびライヘルトが提供するテクニカルニュースで扱われている。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

利害の衝突は宣言されません。

Acknowledgments

この作品は、K. TeterにNIHの助成R01 AI073783によって賄われていた。私たちは、原稿の重要な読書のための細胞下分画プロトコルとヘレンBurressの開発の支援のために博士シェーンマッシーに感謝。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Digitonin Sigma-Aldrich D141
Ethanol Acros Organics 61509-0010
DMEM Invitrogen 11995065
Fetal Bovine Serum Atlanta Biologicals S11550
Ganglioside GM1 Sigma-Aldrich G7641
CTA Sigma-Aldrich C2398
PTS1 List 182
NHS (N-Hydroxysuccinimide) Pierce, Thermo Scientific 24500
EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) Thermo Fisher Scientific, Inc. 22981
Ethanolamine Sigma-Aldrich E0135
PBST Medicago 09-8903-100
Anti-CTA antibody Santa Cruz Biotechnology, Inc. sc-80747
Anti-CTB antibody Calbiochem 227040
Anti-PTS1 antibody Santa Cruz Biotechnology, Inc. sc-57639
Refractometer Reichert SR7000, SR7000DC
SPR sensor slides Reichert 13206060
Syringe pump Cole-Parmer 780200C

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sandvig, K., van Deurs, B. Membrane traffic exploited by protein toxins. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 18, 1-24 (2002).
  2. Watson, P., Spooner, R. A. Toxin entry and trafficking in mammalian cells. Adv. Drug Deliv. Rev. 58, 1581-1596 (2006).
  3. Carbonetti, N. H. Pertussis toxin and adenylate cyclase toxin: key virulence factors of Bordetella pertussis and cell biology tools. Future Microbiol. 5, 455-469 (2010).
  4. Wernick, N. L. B., Chinnapen, D. J. -F., Cho, J. A., Lencer, W. I. Cholera toxin: an intracellular journey into the cytosol by way of the endoplasmic reticulum. Toxins. 2, 310-325 (2010).
  5. Lord, J. M., Roberts, L. M., Lencer, W. I. Entry of protein toxins into mammalian cells by crossing the endoplasmic reticulum membrane: co-opting basic mechanisms of endoplasmic reticulum-associated degradation. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 300, 149-168 (2005).
  6. Lencer, W. I. Entry of cholera toxin into polarized human intestinal epithelial cells. Identification of an early brefeldin A sensitive event required for A1-peptide generation. J. Clin. Invest. 92, 2941-2951 (1993).
  7. Orlandi, P. A., Curran, P. K., Fishman, P. H. Brefeldin A blocks the response of cultured cells to cholera toxin. Implications for intracellular trafficking in toxin action. J. Biol. Chem. 268, 12010-12016 (1993).
  8. Sandvig, K., Prydz, K., Hansen, S. H., van Deurs, B. Ricin transport in brefeldin A-treated cells: correlation between Golgi structure and toxic effect. J. Cell. Biol. 115, 971-981 (1991).
  9. Sandvig, K., Prydz, K., Ryd, M., van Deurs, B. Endocytosis and intracellular transport of the glycolipid-binding ligand Shiga toxin in polarized MDCK cells. J. Cell Biol. 113, 553-562 (1991).
  10. van Deurs, B. Estimation of the amount of internalized ricin that reaches the trans-Golgi network. J. Cell Biol. 106, 253-267 (1988).
  11. Tam, P. J., Lingwood, C. A. Membrane cytosolic translocation of verotoxin A1 subunit in target cells. Microbiology. 153, 2700-2710 (2007).
  12. Plaut, R. D., Carbonetti, N. H. Retrograde transport of pertussis toxin in the mammalian cell. Cell. Microbiol. 10, 1130-1139 (2008).
  13. Willander, M., Al-Hilli, S. Analysis of biomolecules using surface plasmons. Methods Mol. Biol. 544, 201-229 (2009).
  14. Homola, J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors. Anal. Bioanal. Chem. 377, 528-539 (2003).
  15. Medaglia, M. V., Fisher, R. J. Protein-Protein Interactions. Golemis, E. Cold Spring Harbor Laboratory Press. Cold Spring Harbor, New York. 255-272 (2002).
  16. Banerjee, T. Contribution of subdomain structure to the thermal stability of the cholera toxin A1 subunit. Biochemistry. 49, 8839-8846 (2010).
  17. Massey, S. Stabilization of the tertiary structure of the cholera toxin A1 subunit inhibits toxin dislocation and cellular intoxication. J. Mol. Biol. 393, 1083-1096 (2009).
  18. Taylor, M. A therapeutic chemical chaperone inhibits cholera intoxication and unfolding/translocation of the cholera toxin A1 subunit. PLoS ONE. 6, e18825-e18825 (2011).
  19. Taylor, M. Hsp90 is required for transfer of the cholera toxin A1 subunit from the endoplasmic reticulum to the cytosol. J. Biol. Chem. 285, 31261-31267 (2010).
  20. Donta, S. T., Beristain, S., Tomicic, T. K. Inhibition of heat-labile cholera and Escherichia coli enterotoxins by brefeldin A. Infect. Immun. 61, 3282-3286 (1993).
  21. Donta, S. T., Tomicic, T. K., Donohue-Rolfe, A. Inhibition of Shiga-like toxins by brefeldin. A. J. Infect. Dis. 171, 721-724 (1995).
  22. Nambiar, M. P., Oda, T., Chen, C., Kuwazuru, Y., Wu, H. C. Involvement of the Golgi region in the intracellular trafficking of cholera toxin. J. Cell. Physiol. 154, 222-228 (1993).
  23. Rapak, A., Falnes, P. O., Olsnes, S. Retrograde transport of mutant ricin to the endoplasmic reticulum with subsequent translocation to cytosol. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 94, 3783-3788 (1997).
  24. Xu, Y., Barbieri, J. T. Pertussis toxin-mediated ADP-ribosylation of target proteins in Chinese hamster ovary cells involves a vesicle trafficking mechanism. Infect. Immun. 63, 825-832 (1995).
  25. Yoshida, T., Chen, C. C., Zhang, M. S., Wu, H. C. Disruption of the Golgi apparatus by brefeldin A inhibits the cytotoxicity of ricin, modeccin, and Pseudomonas toxin. Exp. Cell Res. 192, 389-395 (1991).
  26. Godber, B. Direct quantification of analyte concentration by resonant acoustic profiling. Clin. Chem. 51, 1962-1972 (2005).
  27. Bernardi, K. M., Forster, M. L., Lencer, W. I., Tsai, B. Derlin-1 facilitates the retro-translocation of cholera toxin. Mol. Biol. Cell. 19, 877-884 (2008).
  28. Wernick, N. L., De Luca, H., Kam, W. R., Lencer, W. I. N-terminal Extension of the Cholera Toxin A1-chain Causes Rapid Degradation after Retrotranslocation from Endoplasmic Reticulum to Cytosol. J. Biol. Chem. 285, 6145-6152 (2010).
  29. Simpson, J. C. Ricin A chain utilises the endoplasmic reticulum-associated protein degradation pathway to enter the cytosol of yeast. FEBS. Lett. 459, 80-84 (1999).
  30. Veithen, A., Raze, D., Locht, C. Intracellular trafficking and membrane translocation of pertussis toxin into host cells. Int. J. Med. Microbiol. 290, 409-413 (2000).
  31. Castro, M. G., McNamara, U., Carbonetti, N. H. Expression, activity and cytotoxicity of pertussis toxin S1 subunit in transfected mammalian cells. Cell. Microbiol. 3, 45-54 (2001).
  32. Schmitz, A., Herrgen, H., Winkeler, A., Herzog, V. Cholera toxin is exported from microsomes by the Sec61p complex. J. Cell Biol. 148, 1203-1212 (2000).
  33. Teter, K., Allyn, R. L., Jobling, M. G., Holmes, R. K. Transfer of the cholera toxin A1 polypeptide from the endoplasmic reticulum to the cytosol is a rapid process facilitated by the endoplasmic reticulum-associated degradation pathway. Infect. Immun. 70, 6166-6171 (2002).
  34. Winkeler, A., Godderz, D., Herzog, V., Schmitz, A. BiP-dependent export of cholera toxin from endoplasmic reticulum-derived microsomes. FEBS Lett. 554, 439-442 (2003).
  35. Yu, M., Haslam, D. B. Shiga toxin is transported from the endoplasmic reticulum following interaction with the luminal chaperone HEDJ/ERdj3. Infect. Immun. 73, 2524-2532 (2005).
  36. LaPointe, P., Wei, X., Gariepy, J. A role for the protease-sensitive loop region of Shiga-like toxin 1 in the retrotranslocation of its A1 domain from the endoplasmic reticulum lumen. J. Biol. Chem. 280, 23310-23318 (2005).
  37. Teter, K., Jobling, M. G., Sentz, D., Holmes, R. K. The cholera toxin A13 subdomain is essential for interaction with ADP-ribosylation factor 6 and full toxic activity but is not required for translocation from the endoplasmic reticulum to the cytosol. Infect. Immun. 74, 2259-2267 (2006).
  38. Redmann, V. Dislocation of ricin toxin a chains in human cells utilizes selective cellular factors. J. Biol. Chem. 286, 21231-21238 (2011).
  39. Yamaizumi, M., Mekada, E., Uchida, T., Okada, Y. One molecule of diphtheria toxin fragment A introduced into a cell can kill the cell. Cell. 15, 245-250 (1978).
  40. Bellisola, G. Reductive activation of ricin and ricin A-chain immunotoxins by protein disulfide isomerase and thioredoxin reductase. Biochem. Pharmacol. 67, 1721-1731 (2004).
  41. McKee, M. L., FitzGerald, D. J. Reduction of furin-nicked Pseudomonas exotoxin A: an unfolding story. Biochemistry. 38, 16507-16513 (1999).
  42. Orlandi, P. A. Protein-disulfide isomerase-mediated reduction of the A subunit of cholera toxin in a human intestinal cell line. J. Biol. Chem. 272, 4591-4599 (1997).
  43. Spooner, R. A. Protein disulphide-isomerase reduces ricin to its A and B chains in the endoplasmic reticulum. Biochem. J. 383, 285-293 (2004).
  44. Fujinaga, Y. Gangliosides that associate with lipid rafts mediate transport of cholera and related toxins from the plasma membrane to endoplasmic reticulm. Mol. Biol. Cell. 14, 4783-4793 (2003).
  45. Guerra, L. Cellular internalization of cytolethal distending toxin: a new end to a known pathway. Cell. Microbiol. 7, 921-934 (2005).
  46. Johannes, L., Tenza, D., Antony, C., Goud, B. Retrograde transport of KDEL-bearing B-fragment of Shiga toxin. J. Biol. Chem. 272, 19554-19561 (1997).
  47. Deeks, E. D. The low lysine content of ricin A chain reduces the risk of proteolytic degradation after translocation from the endoplasmic reticulum to the cytosol. Biochemistry. 41, 3405-3413 (2002).
  48. Hazes, B., Read, R. J. Accumulating evidence suggests that several AB-toxins subvert the endoplasmic reticulum-associated protein degradation pathway to enter target cells. Biochemistry. 36, 11051-11054 (1997).
  49. Rodighiero, C., Tsai, B., Rapoport, T. A., Lencer, W. I. Role of ubiquitination in retro-translocation of cholera toxin and escape of cytosolic degradation. EMBO Rep. 3, 1222-1227 (2002).
  50. Worthington, Z. E., Carbonetti, N. H. Evading the proteasome: absence of lysine residues contributes to pertussis toxin activity by evasion of proteasome degradation. Infect. Immun. 75, 2946-2953 (2007).
  51. Pande, A. H., Moe, D., Jamnadas, M., Tatulian, S. A., Teter, K. The pertussis toxin S1 subunit is a thermally unstable protein susceptible to degradation by the 20S proteasome. Biochemistry. 45, 13734-13740 (2006).
  52. Pande, A. H. Conformational instability of the cholera toxin A1 polypeptide. J. Mol. Biol. 374, 1114-1128 (2007).
表面プラズモン共鳴によるホストのサイトゾルへ毒素の転座の検出
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Taylor, M., Banerjee, T., VanBennekom, N., Teter, K. Detection of Toxin Translocation into the Host Cytosol by Surface Plasmon Resonance. J. Vis. Exp. (59), e3686, doi:10.3791/3686 (2012).More

Taylor, M., Banerjee, T., VanBennekom, N., Teter, K. Detection of Toxin Translocation into the Host Cytosol by Surface Plasmon Resonance. J. Vis. Exp. (59), e3686, doi:10.3791/3686 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter