我们报告了用于表征坏死性凋亡中由MLKL介导的质膜破裂的方法,包括常规和共聚焦活细胞显微成像、扫描电子显微镜以及基于核磁共振的脂质结合分析。
方法文章
* These authors contributed equally
我们报告了用于表征坏死性凋亡中由MLKL介导的质膜破裂的方法,包括常规和共聚焦活细胞显微成像、扫描电子显微镜以及基于核磁共振的脂质结合分析。
坏死性凋亡是一种程序性细胞死亡通路,由受体相互作用蛋白激酶3(RIPK3)的激活所触发。RIPK3可磷酸化并激活混合谱系激酶样结构域假激酶MLKL,导致细胞膜破裂或通透化。坏死性凋亡是一种与多种病理过程相关的炎症性通路,包括自身免疫、感染性疾病、心血管疾病、中风、神经退行性疾病以及癌症。本文描述了可用于鉴定MLKL在坏死性凋亡中作为细胞膜破裂执行者的实验方案。我们利用常规荧光和共聚焦荧光活细胞成像技术,对细胞中坏死性凋亡的过程进行可视化观察。 坏死性凋亡,MLKL,RIPK3,活细胞成像,细胞膜破裂,程序性细胞死亡,假激酶,磷酸化 显微镜以及利用电子显微镜观察固定细胞,共同揭示了MLKL在质膜形成大孔洞之前从细胞质溶胶向质膜的重新分布。我们呈现 体外 利用脂质进行核磁共振(NMR)分析以鉴定MLKL介导的坏死性凋亡的潜在调节因子。基于该方法,我们鉴定了MLKL对脂质的定量结合偏好,并发现磷脂酰肌醇磷酸盐(PIPs)是MLKL的关键结合分子,对坏死性凋亡过程中MLKL向质膜的靶向定位及膜通透化至关重要。
鉴定坏死性凋亡的遗传组分促进了利用动物模型来研究坏死性凋亡在生理和疾病中的作用1,2,3,4,5。在小鼠中敲除RIPK3或MLKL对发育和成体稳态影响甚微,提示坏死性凋亡对生命并非必需3,6。此外,某些物种本身缺乏RIPK3或MLKL基因,进一步支持坏死性凋亡在动物中非必需的观点7,8。另一方面,通过在实验室诱导多种病理状态来挑战这些基因敲除动物模型,已揭示坏死性凋亡在炎症、天然免疫和病毒感染中具有重要作用9,10,11,12。
坏死性凋亡可通过多种方式激活,这些方式涉及不同的天然免疫传感器信号通路,最终均导致RIPK3的活化1,13,14。活化的RIPK3继而磷酸化并激活MLKL3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18。其中研究最为深入且可能最为复杂的RIPK3激活途径涉及死亡受体的配体结合,该信号通路根据下游信号复合物的组成不同,可分别诱导凋亡或坏死性凋亡1。当信号通路倾向于通过RIPK1传导时,便会招募RIPK3,从而引发坏死性凋亡19,20。当胱天蛋白酶8(caspase 8)被药理学抑制或基因敲除时,该结果更容易发生;caspase 8是一种假定的坏死性凋亡内源性抑制因子,通常可抑制坏死性凋亡的发生。RIPK1通过结合并激活RIPK3发挥作用。另一种激活坏死性凋亡的途径是通过Toll样受体TLR3/TLR4信号通路,该通路通过含有TIR结构域的干扰素-β诱导适配蛋白(TRIF)招募并激活RIPK321。还有一种导致细胞发生坏死性凋亡的方式是通过激活DNA感受器DAI,后者可直接结合并激活RIPK322。
MLKL 是一种胞质蛋白,由 N 端螺旋束(NB)结构域和 C 端假激酶结构域(psKD)组成,二者通过一个调节性连接区(brace region)相连3。在正常细胞中,MLKL 存在于胞质中,被认为与 RIPK3 形成无活性的复合物14。坏死性凋亡的激活会触发 RIPK3 对 MLKL 假激酶结构域激活环的磷酸化,也可能磷酸化 NB 结构域和连接区的其他位点3,15,23。磷酸化诱导 MLKL 发生构象改变,导致其从 RIPK3 上解离14。目前尚不完全清楚的构象变化使连接区从 psKD 上释放出来24。该连接区包含两条螺旋,通过其 C 端螺旋介导 MLKL 寡聚化,形成假定的三聚体25。连接区的 N 端螺旋抑制 NB 结构域的活性,而 NB 结构域对细胞膜通透化至关重要24,26。单独存在的 NB 结构域足以诱导质膜通透化和坏死性凋亡16,24,27。NB 的促坏死性凋亡活性已在缺乏 MLKL 的小鼠胚胎成纤维细胞(mlkl-/- MEFs)中重建。NB 是一个脂质结合结构域,优先结合磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸(PIP2)。我们提出 MLKL 激活的逐步机制:连接区的寡聚化通过 NB 与 PIP2 极性头部基团的弱相互作用,促进 MLKL 向质膜募集24。在膜上,NB 结构域暴露出另一个高亲和力的 PIP2 结合位点,该位点在非活性 MLKL 中被连接区所遮蔽。总体而言,NB 与 PIP2 的多重相互作用破坏了质膜的稳定性,最终导致膜破裂,但这些事件的分子机制尚未阐明。
在此,我们展示用于表征MLKL作为坏死性凋亡执行者功能的具体方法24特别是,我们聚焦于MLKL最小的功能结构域——N端结构域与连接臂(NBB)。该结构域受连接臂介导的抑制调控,可通过强制性二聚化被激活,从而引发细胞膜破裂和坏死性凋亡。我们介绍了可诱导表达系统,并结合药物诱导的FKBP介导的强制性二聚化方法,用于经历坏死性凋亡的细胞的活细胞成像和电子显微镜观察。此外,我们还阐述了我们的 体外 NBB与磷脂酰肌醇(PIPs)相互作用的核磁共振分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 克隆与细胞系构建
2. MLKL介导的坏死性凋亡的活细胞显微成像
3. MLKL 介导的细胞膜转位与通透化的活细胞共聚焦显微镜成像
4. 电子显微镜
5. 通过核磁共振(NMR)光谱法检测MLKL的脂质结合
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
通过可诱导表达一种最小截短的MLKL构建体NBB140-2xFV-Venus,现已能够在活细胞中可视化观察调控性坏死性凋亡(necroptosis)的执行过程。该构建体仍具有诱导质膜通透化的能力,并可通过二甲氧苯基哌嗪(Dim)诱导FKBP结构域(2xFV)的寡聚化而被激活。我们利用活细胞显微成像技术,通过动力学监测(每5分钟一次)一种细胞膜不可渗透的绿色荧光DNA结合染料的摄取情况,来观察并定量分析坏死性凋亡过程(图6A)。该可诱导系统非常稳健,在经多西环素(Dox)预孵育并表达NBB140-2xFV-Venus的细胞中,经Dim介导寡聚化后约1小时内即可观察到mlkl-/- MEFs细胞完全发生坏死性凋亡(图1A)。我们将此条件下的坏死性凋亡称为快速动力学坏死性凋亡。单独表达Venus蛋白±Dim,或...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
我们提供了多种技术的实验方案,这些技术联合使用可证明MLKL是介导细胞膜破裂的假定执行者24。除了用于解析调控MLKL介导的坏死性凋亡的调控网络外,这些技术也可独立应用于其他合适的生物系统的表征。从实际应用角度看,这些技术属于中低通量的发现工具。
我们常规使用NBB140-2xFV-Venus介导的坏死性凋亡的活细胞成像,以及由其他MLKL构建体诱导的坏死性凋亡,通过定点突变和小分子化学探针来系统解析MLKL在坏死性凋亡中的调控机制。特别是,我们及其他研究团队已证实,包含NBB最小区域的人源和鼠源MLKL构建体均能在人源和鼠源细胞系中介导坏死性凋亡。已有报道指出,MLKL介导的坏死性凋亡存在一个限制因素,即RIPK3与MLKL相互作用的物种特异性,这导致在TNF、smac模拟物和caspase抑制剂联合刺激的上游信号激活下,不同物种之间无法发生交叉反应25,35,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>克隆与细胞系构建 | |||
| pRetroX-TRE3G | Clontech | 631188 | |
| Tet-On 转录激活质粒 | Llambi 等, 2016 | ||
| 小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)mlkl-/- | Dillon 等, 2014 | ||
| 盐酸杀稻瘟菌素S | 赛默飞世尔科技 | BP2647100 CAS#3513-03-9 | |
| <强>细胞死亡定量与活细胞显微成像 | |||
| 多西环素 | Clontech | 631311 CAS# 24390-14-5 | |
| B/B 同源二聚化剂 AP20187 | Takara | 635059 CAS# 195514-80-8 | |
| SYTOX Green | 赛默飞世尔科技 | S7020 | |
| Syto16 | 赛默飞世尔科技 | S7578 | |
| <强>核磁共振(NMR) | |||
| 15 N 氯化铵 | 剑桥同位素实验室 | NLM-467-10 CAS# 12125-02-9 | |
| 氘代DTT | 剑桥同位素实验室 | DLM-2622-1 | |
| 重水 | Sigma Aldrich | 617385-1 CAS# 7789-20-0 | |
| 正十二烷基-β-D-麦芽糖吡喃糖苷 | Anatrace | D310 CAS# 69227-93-6 | |
| L-α磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(脑组织,猪)(铵盐) | Avanti Polar Lipids | 840046X CAS# 383907-42-4 | |
| 1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷脂酰肌醇(铵盐)(18:0 PI) | Avanti Polar Lipids | 850143 CAS# 849412-67-5 | |
| 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸-(1'-肌醇)(铵盐)(18:1) | Avanti Polar Lipids | 850149 CAS# 799268-53-4 | |
| <强>专用设备 | |||
| IncuCyte FLR 或 ZOOM | Essen BioScience, Inc. | 活细胞显微成像 | |
| Helios NanoLab 660 DualBeam | 赛默飞世尔科技 | 电子显微镜 | |
| <强>软件 | |||
| IncuCyte 2011A Rev2 v20111.3.4288 (FLR) | Essen BioScience, Inc. | http://www.essenbioscience.com | 成像分析 |
| FEI MAPS | 赛默飞世尔科技 | https://www.fei.com/software/maps/ | 透射电镜分析 |
| TopSpin v3.2 | Bruker BioSpin | http://www.bruker.com | 核磁共振数据采集 |
| CARA v1.9.1.7 | http://cara.nmr.ch/ | 核磁共振数据解析 | |
| Slidebook | 3i(Intelligent Imaging Innovations) | https://www.intelligent-imaging.com/slidebook | 共聚焦显微镜 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可