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Immunology and Infection

鉄制限性抗酸菌による細胞外小胞の単離と特徴付け

Published: October 31, 2019 doi: 10.3791/60359

Summary

結核菌は、低鉄条件に応答して細胞外小胞の産生および放出の増加を示す。本研究では、鉄欠乏症に反応して放出されるマイコバクテリア細胞外小胞の精製および特性評価のための低鉄条件および特性評価のための方法を生成するためのプロトコルを詳しく説明する。

Abstract

ヒト結核の原因物質である結核菌(Mtb)を含む抗酸菌は、免疫学的に活性な分子を含む細胞外小胞(EV)を自然放出する。小胞生体形成の分子機構、小胞の含有量、および病原体宿主界面におけるその機能に関する知識は非常に限られている。これらの質問に対処するには、EVの分離、精製、検証のための厳格な手順が必要です。以前は、結核が鉄制限にさらされたとき、小胞産生が増強され、宿主環境でMtbが遭遇した状態であることが判明した。ここでは、鉄欠乏性抗酸菌からEVを分離および精製するための完全で詳細なプロトコルです。定量的および定性的な方法が適用され、精製された EV が検証されます。

Introduction

マイコバクテリア細胞外小胞(MEV)は、膜結合ナノ粒子であり、60−300nmの大きさで、速く成長する抗酸菌1によって自然に放出される。病原性マイコバクテリアによって放出されるMEVは、免疫学的に活性なタンパク質、脂質、および糖脂質を介して宿主と相互作用するメカニズムを構成し、濃縮および保護された方法で分泌される2、3、4である。MEVを特徴付け、その生体発生と機能を理解するためには、小胞の浄化と検証の厳格かつ効率的な方法が不可欠です。これまで、MEVは鉄分が豊富培地1、5、6、7、8で増殖したマイコバクテリアの培養濾液から単離されてきた。

しかし、以前の研究は、鉄の制限がMtbの小胞放出を大きく刺激することを実証し、おそらくMEV9で分泌されるシデラクチを介して鉄を捕捉する。高鉄培地で培養したMtbからMEVを分離する手順は説明されているが、低鉄培養物からMEVを得るための効率的な方法論は報告されていない。したがって、この方法の目的は、低鉄培養物から得られたMEVを単離、精製、定量し、生化学的および機能的アッセイやマイコバクテリアにおける小胞産生の遺伝的決定要因の分析に使用することです。

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Protocol

1. 鉄枯渇定義媒体の調製

  1. KH2PO4の5g、L-アスパラギン5g、グリセロール20mL、脱イオン水2gをプラスチック容器に900mLで溶解して1Lの最小培地(MM)を調製する。鉄の汚染を防ぐためにガラスを避けてください。pHを5 N NaOHで6.8に調整し、体積を水で1Lに調整します。
  2. 50gの金属キレート樹脂(MCR)を加え、磁気攪拌バーを4°Cで24時間軽く攪拌します。プラスチック受信機で0.22μmフィルターユニットを通してろ過することにより、MCRを殺菌し、取り外します。ろ過を加速し、フィルターの詰まりを防ぐために、濾過前に約30分間樹脂堆積物を入れましょう。
    注:この培地は、原子吸光分析法により決定される2μM未満の残留鉄を含む。
  3. サプリメント MM の ZnCl2,MgSO4の 40 mg/L , MnSO4の 0.1 mg/L .別途、脱イオン水中の各金属サプリメントの濃縮株(1,000x)を調製し、MM補充前に濾過により殺菌する。鉄枯渇、金属補充MMは、ここで低鉄MM(LIMM)と呼ばれる。
  4. 10 mM HClに溶解したFeCl3の50 mMストックから、LIMMの1L(50μM最終濃度)に1mLを加えて、高鉄MM(HIMM)を調製します。

2. 鉄制限条件下での菌菌の増殖

  1. Mtbの凍結した15%グリセロールストックの50μLを解凍し、10%ADNエンリッチメント(5g/Lアルブミン、2g/Lデキストロース、および0.85 g/L塩化ナトリウム、0.2%グリセロールおよび0.05%Tween-80)10を補った寒天プレートをストリーク。コロニーが見えるまで37°Cでプレートをインキュベートします。
  2. ADN濃縮を補足したマイコバクテリアブロス培地(材料表)の2mL中のMtb10の単一コロニーを接種する。37°Cで攪拌を伴うインキュベート。
  3. Mtb培養物を後期対数期(OD540は~0.8)まで成長させる。これを確認するには、分光光度計を用いてOD540を測定する。
  4. 0.2%グリセロール、0.05%トゥイーン-80、およびADNを補充したマイコバクテリア寒天プレート(材料表)に後期対数培養物の200μLを広げます。少なくとも5枚のプレートを接種する。細菌の増殖がコンフルエント層として見えるまで、プレートを37°Cでインキュベートします。Mtbの場合、この処理には約 1 週間かかります。
  5. LIMMで無菌綿棒を濡らします。この綿棒を使用して寒天プレートから細菌を収集し、LIMMの100 mLを接種し、約1.0のOD540で濃縮細菌懸濁液を調製します。
  6. この懸濁液をLIMMで1Lに10回希釈し、2本の2L滅菌ペットボトルに分け、それぞれ500mLの培養物を含む。
  7. 2 mL の培養物を取り出し、5 mL 培養管に移します。10%vol/volタイロキサポリの10°Lを加えます。
  8. 培養物を37°Cで14日間培養する。

3. MEVのコレクション

  1. 採取時の2mL培養物のOD540を測定する。ADNと0.05%Tween-80で寒天プレート上の各希釈の培養およびプレート100°Lの1:10シリアル希釈を行います。
  2. 培養物を5本の225mL円錐円管に移し、遠心分離機を2,850 x gで20°Cで7分間移動します。
  3. 50 mLピペットで培養上清を収集し、0.22μmフィルターユニットを通して殺菌します。

4. MEVの分離

  1. 4°Cに入れた攪拌セル限外濾過システムに濾液を移し、100kDaカットオフ膜を通して<50 psiの濃縮物を〜50mLに濾過します。
  2. 濃縮培養物を15,000xgで4°Cで15分間遠心分離し、上清を回収する。
  3. ポリカーボネート超遠心分離管中の培養濾液を100,000 x gで4°Cで2時間分遠心分離する。
  4. 穏やかなピペットによって無菌リン酸緩衝生理食塩水(PBS)の合計1 mLで膜状ペレットを再スレド。
  5. ステップ4.4で得られたペレット懸濁液の0.5 mLを60%のジオオキサノール溶液の1.5 mLで混合し、最終的なイオジキサノール濃度45%重量/vol.を生み出し、この混合物を13mm x 51mmポリプロピレン薄壁の薄い層状の超セントリフュージチューブの底部に塗布する。
  6. MEV-iodixanol 45%懸濁液を1mL40%、35%、30%、25%、20%(PBSのvol/vol)と1mLのPBSを上部に重ね合えます。
  7. 4 °Cで18時間のための100,000 x gで遠心分離機。
  8. 1 mL ハミルトンシリンジを使用して、上から始まる 1 mL 密度勾配分を収集します。
  9. 収集した各画分をPBSで20mLに希釈し、遠心分離機を100,000 x gで4°Cで2時間希釈します。
  10. 上清を取り外し、0.5 mLのPBSでペレットをサスペンドします。このペレットは4°Cで保管してください。

5. MEVの定量化

  1. ブラッドフォードアッセイ(材料表)によって各画分のタンパク質濃度を測定します。
  2. 膜脂質分析を実行します。
    1. 蛍光膜プローブ1-(4-トリメチルアンモニウムフェニル)-6-フェニル-1,3,3,5-ヘキサトリエンp-トルエンスルホン酸塩(TMA-DPH)を用いて各勾画の10μLを96ウェルブラックのPBSの最終濃度1μg/mLでインキュベートするプレート。
    2. プレートを33°Cで20分間インキュベートします。
    3. 360 nm励起および430 nmの放出で蛍光を測定する。

6. MEVの定性分析

  1. タンパク質電気泳動を行う。
    1. 16 μLの MEV サンプルを 16 μL に混合し、5x サンプルローディング バッファー (10% w/v SDS、10 mM ジチオトライトール、20% v/v グリセロール 0.2 M Tris-HCl、pH 6.8 0.05% w/v ブロモフェノール ブルー) を 5 5 5 m でサンプルバッファーで加熱します。
    2. 10%トリス/グリシンSDS-ポリアクリルアミドゲル11にロードし、青色染料前面がゲルの底部に達するまで、ランニングバッファ(25 mMトリスベース、190 mMグリシン、0.1%SDS)で10V/cmで実行します。
    3. 超高感度タンパク質染色液でゲルを染色します (材料表)。
  2. ドットブロットを実行します。
    1. 約0.5μg/μLの濃度を持つMEVサスペンションの2μLをロードし、ニトロセルロース膜上に2倍のシリアル希釈をロードし、メーカーの指示に従ってドットブロットのプロセスを行います。
    2. 一次抗体として1:5,000の希釈でMEVの調製に対してマウスで上げられた抗血清を使用し、二次抗体として1:10,000希釈でホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRP)に結合したヤギ抗マウスを使用する。適切なHRP基板ブロッティング検出試薬とイメージングシステムを用いて抗原抗体複合体を検出します。
  3. 負の染色と電子顕微鏡を行います。
    1. 250 μLのMEVを0.1 Mカコダイレートで0.1 Mカコダイレートで2%のカコダイレートで2時間固定し、4%ホルムアルデヒド、1%グルタルアルデヒド、0.1%PBSで一晩インキュベートします。
    2. 固定サンプルを2%の四酸化オスミウムで90分間染色します。
    3. 試料をエタノールで連続的に脱水し、スパーのエポキシ樹脂に埋め込みます。
    4. 透過型電子顕微鏡でMEVを観察します。

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Representative Results

MEVは密度勾配の差動沈下により精製した(図1、図2)。記載された条件下で、MEVは主に勾配画分3(F3)で分離され、25%のジオオキサンに相当する。この結論は、タンパク質、膜脂質、無傷MEVの顕微鏡的可視化、ナノ粒子サイズ分布、および抗小胞抗血清による陽性反応性の検出に基づいている(図2、図3)。コロニー形成単位に正規化されたタンパク質および脂質濃度(CfUs)は、高鉄条件に対する低鉄におけるMEV収率の約8倍の増加を示した(図3)。1つの代表的な実験の結果が提示されますが、これはMEVの複数の(>10)分離に基づいて非常に再現可能な結果です。この方法により1Lの低鉄培養物から得られた純粋なMEV収率は約500μgのタンパク質であった。

Figure 1
図1:MEVの精製および定量に使用される方法論の図式表現寒天プレートで成長したマイコバクテリアは、鉄枯渇最小培地を接種し、EV分離のためにMtbを成長させるために使用されました。MEVは、無細胞培養濾液からの不連続密度勾配により精製した。膜脂質と小胞タンパク質の測定、顕微鏡検査、ナノ粒子分析の組み合わせを実施し、精製されたMEVを特徴付けた。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:精製されたMEVの特性評価(A)を示す、粗MEVの実際の密度勾配分離と、勾配画分3(F3)の超遠心分離によって収集された精製MEVのペレットの写真である。(B)種々の密度勾配画分のタンパク質プロファイルを示すSDSゲル染色。(C)F3に濃縮された小胞関連タンパク質を示すドットブロット分析。(D)陰性染色により観察されたF3中に存在するMEV。(E)ナノ粒子分析(NTA)によるMEVサイズ分布。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:低鉄培養・高鉄培養におけるMEV収率の比較分析(A)タンパク質および脂質定量および(B)精製MEVのドットブロット分析の代表的な結果は、鉄限定および鉄十分なMtb培養物から単離した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

真核細胞由来エキソソームを精製する複数の方法が開発された12.対照的に、細菌由来EV7を精製するための有効な方法に関する情報は限られています。Mtb由来のEVの効率的な分離は、この病原性マイコバクテリウムの成長における本質的な困難を考慮する必要があります。Mtbは長い分割時間(〜24時間)を有し、バイオセーフティレベル3(BSL-3)条件で扱われるべきである。したがって、MEV分離方法の効率を最適化することが重要である。マイコバクテリアは、粗MEV製剤を凝集して容易に汚染する糖脂質やその他の疎水性分子を培地に放出するので、生化学的および機能的研究を行う前にMEVを精製し、検証することが重要です。Mtbが鉄制限の条件下でMEVの放出を強化することを実証した以前の観測に基づいて、鉄制限された抗酸菌からのEV精製のためのプロトコルが確立されました。また、非毒性M.スメグマティスも低鉄条件に応答してEVの放出を増加させることも確認されている(データは示されていない)。したがって、BSL-2条件でこの細菌からEVを浄化するために同じプロトコルを使用することができます。

この手順の重要なステップは、低鉄媒体の調製である。この媒体は、鉄の汚染を防ぐために、ここで説明するように調製し、ガラスではなくプラスチック容器に保管する必要があります。細菌の増殖を刺激し、ウシ血清アルブミン、Tween-80、またはチロキサポルなどの特徴的なマイコバクテリアの塊を防ぐためにMtb成長培地で一般的に使用されるサプリメントは避ける必要があります。これらの添加剤は、小胞で凝縮し、小胞収率を低下させるリポタンパク質複合体アーティファクトにつながる。CFU測定のために、洗剤(Tween-80またはチロキサポール)を添加した培地中の小培養物を、洗剤を含まない大培養物と並行して設定することができる。培養濾液中のMEVは、数日間4°Cで安定である。従って、直ちに処理しなければ、培養濾液を冷蔵保存することができる。

1Lの培養物から精製されたMEVの総収量は約500μg/Lタンパク質であり、プロテオミクス、リピドミクス、機能アッセイなどの複数の解析を行うには十分です。アッセイの種類に応じて、十分なMEVを小さなボリューム(すなわち250 mL)から分離することができます。これにより、MEVリリースに影響を与える条件と因子の比較分析が容易になります。

これは MEV を精製する効果的な方法ですが、制限があります。これは、複数の超遠心分離ステップを持つ長い手順です。今後、この方法をゲル濾過クロマトグラフィーと比較し、MEVの分子マーカーが発見されるにつれて、アフィニティー捕捉法が実現する可能性があります。宿主環境は鉄分に限られているため、低鉄培地中のMtbが製造したMEVは、感染時に産生されるMEVとより密接に関連しており、結核発症におけるMEVの役割に関する関連する洞察を提供する可能性がある。

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Disclosures

著者は利害の対立を持っていない。

Acknowledgments

我々は、ナノ粒子追跡分析を行うための抗MEV抗セラとナヴニート・ドグラを共有してくれたラファエル・プラドス=ロサレスに感謝しています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Amicon stirred cell Model 108 EMD Milipore UFSC40001 Cell Ultrafiltration system
BD Polypropilene 225 mL conical tubes Fisher 05-538-61 Conical centrifuge tubes
Biomax 100 kDa cut-off ultrafiltration membrane EMD Milipore PBHK07610 Ultrafiltration membrane
Chelex-100 resin Bio-Rad 142-2842 Metal chelating resin
Middlebrook 7H10 Agar BD Difco 262710 Mycobacterial Agar plates
Middlebrook 7H9 Broth BD Difco 271310 Mycobacterial broth medium
Nitro cellulose blotting membrane GE Healthcare 10600001 Blotting Membrane
Optiprep Sigma D1556 Iodixanol
Polycarbonate ultra centrifugation tubes 25 mm x 89 mm Beckman Coulter 355618 Polycarbonate ultra centrifugation tubes 25 mm x 89 mm
Polypropylene thin walled centrifuge tube 13 mm x 15 mm Beckman Coulter 344059 Polypropylene thin walled centrifuge tube 13 mm x 15 mm
Protein Assay dye BioRad 5000006 Bradford Protein Staining
SYPRO Ruby Molecular Probes S12000 Ultrasensitive protein stain
TMA-DPH Molecular Probes T204 1-(4-Trimethylammoniumphenyl)-6-Phenyl-1,3,5-Hexatriene p-Toluenesulfonate
Vacuum filtration flasks CellPro V50022 Filter Unit

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References

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免疫学と感染 問題 152 マイコバクテリア 小胞 鉄欠乏症 分泌 病原性 単離
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Gupta, S., Marcela Rodriguez, G.More

Gupta, S., Marcela Rodriguez, G. Isolation and Characterization of Extracellular Vesicles Produced by Iron-limited Mycobacteria. J. Vis. Exp. (152), e60359, doi:10.3791/60359 (2019).

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