تصور تشكيل غشاء الكشكشة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح
Summary
Macropinocytosis هي عملية داخل الخلايا محفوظة للغاية تبدأ من خلال تشكيل إسقاطات غشائية غنية بالصفائح F-actin ، والمعروفة أيضا باسم كشكشة الغشاء. وقد تورط معدل زيادة الاستيعاب المذاب macropinocytotic في مختلف الظروف المرضية. يقدم هذا البروتوكول طريقة لقياس تكوين كشكشة الغشاء في المختبر باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح.
Abstract
كشكشة الغشاء هي تكوين نتوءات غشاء البلازما المتحركة التي تحتوي على شبكة من خيوط الأكتين المبلمرة حديثا. قد تتشكل الكشكشة الغشائية تلقائيا أو استجابة لعوامل النمو والسيتوكينات الالتهابية واسترات الفوربول. قد يعاد تنظيم بعض نتوءات الغشاء في كشكشة غشائية دائرية تندمج في هوامشها البعيدة وتشكل أكوابا تغلق وتنفصل في السيتوبلازم على شكل فجوات كبيرة غير متجانسة تسمى macropinosomes. أثناء هذه العملية ، تحبس الكشكشة السائل خارج الخلية والمذابات التي تستوعب داخل macropinosomes. المجهر الإلكتروني الماسح عالي الدقة (SEM) هو تقنية تصوير شائعة الاستخدام لتصور وقياس تكوين كشكشة الغشاء ، والنتوءات الدائرية ، وأكواب المحببات الكبيرة المغلقة على سطح الخلية. يصف البروتوكول التالي ظروف زراعة الخلايا ، وتحفيز تكوين كشكشة الغشاء في المختبر ، وكيفية إصلاح الخلايا وتجفيفها وإعدادها للتصوير باستخدام SEM. كما يتم وصف القياس الكمي لكشكش الغشاء ، وتطبيع البيانات ، والمحفزات والمثبطات لتشكيل كشكشة الغشاء. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية حول دور ندرة الخلايا الكبيرة في العمليات الفسيولوجية والمرضية ، والتحقيق في الأهداف الجديدة التي تنظم تكوين كشكشة الغشاء ، وتحديد المحفزات الفسيولوجية غير المميزة حتى الآن بالإضافة إلى مثبطات دوائية جديدة ل macropinocytosis.
Introduction
Macropinocytosis هي عملية endocytic مسؤولة عن استيعاب كمية كبيرة من السائل خارج الخلية ومحتواه عن طريق تشكيل نتوءات غشاء البلازما الديناميكية والمدفوعة بالأكتين والتي تسمى كشكشة الغشاء1. تشكل العديد من هذه الكشكشة الغشائية أكوابا تغلق وتندمج مرة أخرى على الخلية وتنفصل عن غشاء البلازما كإيدوسومات كبيرة غير متجانسة داخل الخلايا تعرف أيضا باسم macropinosomes1. على الرغم من أن ندرة الخلايا الكبيرة تسببها عوامل النمو مثل عامل تحفيز مستعمرة البلاعم (M-CSF) وعامل نمو البشرة (EGF) في مجموعة واسعة من أنواع الخلايا ، فقد لوحظت أيضا عملية إضافية فريدة تعتمد على الكالسيوم تعرف باسم macropinocytosis التأسيسي في الخلايا المناعية الفطرية2،3،4،5،6،7،8.
وقد ثبت أن قدرة الخلايا على استيعاب المواد خارج الخلية عن طريق زيادة عدد الخلايا الكبيرة تلعب دورا مهما في مجموعة متنوعة من العمليات الفسيولوجية التي تتراوح من امتصاص المغذيات إلى التقاط مسببات الأمراض وتقديم المستضد9،10،11. ومع ذلك ، نظرا لأن هذه العملية غير انتقائية وقابلة للحث ، فقد تورطت أيضا في عدد من الحالات المرضية. في الواقع ، أشارت الدراسات السابقة إلى أن ندرة الخلايا الكبيرة تلعب دورا مهما في مرض الزهايمر ومرض باركنسون والسرطان وتحصي الكلية وتصلب الشرايين12،13،14،15،16. علاوة على ذلك ، أظهرت بعض البكتيريا والفيروسات أنها تستخدم ندرة الخلايا الكبيرة للدخول إلى الخلايا المضيفة والحث على العدوى17,18. ومن المثير للاهتمام ، يمكن أيضا استغلال تحفيز ندرة الخلايا الكبيرة للتسليم المستهدف للعوامل العلاجية في مختلف الظروف المرضية19,20.
وقد استكشفت الدراسات السابقة ندرة الخلايا الكبيرة عن طريق تحديد علامات الطور السائل الداخلية الموسومة بالفلورسنت في غياب ووجود عوامل دوائية تمنع ندرة الخلايا الكبيرة باستخدام قياس التدفق الخلوي والتصوير البؤري21,22. تقتصر الأدوات الدوائية المتاحة حاليا التي تمنع ندرة الخلايا الكبيرة على 1) مثبطات بلمرة الأكتين (cytochalasin D و latrunculins) ، 2) حاصرات PI3K (LY-290042 و wortmannin) و 3) مثبطات مبادلات هيدروجين الصوديوم (NHE) (أميلوريد و EIPA) 5،14،15،23،24،25 . ومع ذلك ، نظرا لأن هذه المثبطات لها تأثيرات مستقلة على كثرة الخلايا الداخلية ، فمن الصعب تحديد مساهمة زيادة عدد الخلايا الكبيرة بشكل انتقائي في امتصاص المذاب والتسبب في المرض خاصة في الجسم الحي21.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) هو نوع من المجهر الإلكتروني الذي ينتج صورا فائقة الدقة للخلايا باستخدام حزمة مركزة من الإلكترونات26. في أبحاث زيادة الوجهين ، يعتبر تصوير SEM تقنية قياسية ذهبية لتصور الخصائص الطبوغرافية والمورفولوجية لغشاء البلازما ، وتحديد تكوين كشكشة الغشاء ، والتحقيق في تقدمها نحو استيعاب macropinosome. وعلاوة على ذلك، فإن المجهر الإلكتروني الماسح جنبا إلى جنب مع التحديد الكمي لامتصاص المذاب، في وجود وغياب حاصرات كثرة الخلايا الكبيرة، يوفر استراتيجية موثوقة لفحص الاستيعاب المذاب في المختبر. تقدم هذه الورقة بروتوكولا مفصلا حول كيفية تحضير الخلايا ل SEM ، وتصور سطح الخلية ، وتحديد تكوين الكشكشة ، وفحص تقدمها نحو إغلاق الكوب واستيعاب macropinosome.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر بروتوكول التصوير SEM الحالي أداة لتصور وقياس تكوين كشكشة الغشاء ، والنتوءات الدائرية ، والأكواب ذات الخلايا الكبيرة على سطح الخلية في المختبر. على الرغم من أن البروتوكول الحالي يركز على البلاعم ، فقد أظهرت الدراسات أن تكوين كشكشة الغشاء يحدث أيضا على أنواع مختلفة من الخلايا الأخ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفون ليبي بيري (جامعة أوغوستا) على مساعدتها في إعداد عينة SEM. تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة [R01HL139562 (G.C.) و K99HL146954 (B.S.)] وجمعية القلب الأمريكية [17POST33661254 (B.S.)].
Materials
| 0.5% Trypsin-EDTA | Gibco | 15400-054 | |
| 2% Glutaraldehyde | Electron Microscopy Sciences | 16320 | |
| 4% Paraformaldehyde | Santa Cruz Biotechnology | 281692 | |
| 5-(N-ethyl-N-isopropyl)-Amiloride | Sigma Life Science | A3085 | |
| Accuri C6 Flow Cytometer | |||
| Carbon Adhesive Tabs | Electron Microscopy Sciences | 77825-09 | |
| Dimethyl Sulfoxide | Corning | 25-950-CQC | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | Cytiva Life Sciences | SH30022.01 | |
| Falcon 24-well Clear Flat Bottom TC-treated Multiwell Cell Culture Plate | Falcon | 353047 | |
| Fetal Bovine Serum | Gemini Bio | 900-108 | |
| FitC-dextran | Thermo Fisher Scientific | D1823 | |
| FM 4-64 | Thermo Fisher Scientific | T13320 | |
| HERAcell 150i CO2 incubator | Thermo Fisher Scientific | 51026282 | |
| Hummer Model 6.2 Sputter Coater | Anatech USA | 58565 | |
| JSM-IT500HR scanning electron microscope | |||
| Microscope Cover Glass | Thermo Fisher Scientific | 12-545-82 | |
| Pen Strep | Gibco | 15140-122 | |
| phorbol 12-myristate 13-acetate | Millipore Sigma | 524400 | |
| RAW 264.7 macrophage | ATCC | ATCC TIB-71 | |
| Recombinant Human M-CSF | Peprotech | 300-25 | |
| Samdri-790 Critical Point Dryer | Tousimis Research Corporation | 8778B | |
| SEM Aluminum Specimen Mounts | Electron Microscopy Sciences | 75220 | |
| Sodium Cacodylate | Electron Microscopy Sciences | 12300 | |
| Texas red-dextra | Thermo Fisher Scientific | D1864 | |
| Trypan Blue Solution | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | |
| Zeiss LSM 780 confocal microscope | |||
References
- Bohdanowicz, M., Grinstein, S. Role of phospholipids in endocytosis, phagocytosis, and macropinocytosis. Physiological Reviews. 93 (1), 69-106 (2013).
- Canton, J. Macropinocytosis: New Insights Into Its Underappreciated Role in Innate Immune Cell Surveillance. Frontiers in Immunology. 9, 2286 (2018).
- Racoosin, E. L., Swanson, J. A. M-CSF-induced macropinocytosis increases solute endocytosis but not receptor-mediated endocytosis in mouse macrophages. Journal of Cell Science. 102, 867-880 (1992).
- Yoshida, S., et al. Differential signaling during macropinocytosis in response to M-CSF and PMA in macrophages. Frontiers in Physiology. 6, 8 (2015).
- Ghoshal, P., et al. Nox2-Mediated PI3K and Cofilin Activation Confers Alternate Redox Control of Macrophage Pinocytosis. Antioxidant and Redox Signal. 26 (16), 902-916 (2017).
- Bryant, D. M., et al. EGF induces macropinocytosis and SNX1-modulated recycling of E-cadherin. Journal of Cell Science. 120, 1818-1828 (2007).
- West, M. A., Bretscher, M. S., Watts, C. Distinct endocytotic pathways in epidermal growth factor-stimulated human carcinoma A431 cells. Journal of Cell Biology. 109 (6), 2731-2739 (1989).
- Hagiwara, M., Nakase, I. Epidermal growth factor induced macropinocytosis directs branch formation of lung epithelial cells. Biochemical and Biophysical Research Communications. 507 (1-4), 297-303 (2018).
- Commisso, C., et al. Macropinocytosis of protein is an amino acid supply route in Ras-transformed cells. Nature. 497 (7451), 633-637 (2013).
- Bosedasgupta, S., Pieters, J. Inflammatory stimuli reprogram macrophage phagocytosis to macropinocytosis for the rapid elimination of pathogens. PLoS Pathogens. 10 (1), 1003879 (2014).
- Liu, Z., Roche, P. A. Macropinocytosis in phagocytes: Regulation of MHC class-II-restricted antigen presentation in dendritic cells. Frontiers in Physiology. 6, 1 (2015).
- Zeineddine, R., Yerbury, J. J. The role of macropinocytosis in the propagation of protein aggregation associated with neurodegenerative diseases. Frontiers in Physiology. 6, 277 (2015).
- Yerbury, J. J. Protein aggregates stimulate macropinocytosis facilitating their propagation. Prion. 10 (2), 119-126 (2016).
- Jayashankar, V., Edinger, A. L. Macropinocytosis confers resistance to therapies targeting cancer anabolism. Nature Communication. 11 (1), 1121 (2020).
- Kanlaya, R., et al. Macropinocytosis is the major mechanism for endocytosis of calcium oxalate crystals into renal tubular cells. Cell Biochemistry and Biophysics. 67 (3), 1171-1179 (2013).
- Csanyi, G., et al. CD47 and Nox1 mediate dynamic fluid-phase macropinocytosis of native LDL. Antioxidants and Redox Signaling. 26 (16), 886-901 (2017).
- Francis, C. L., et al. Ruffles induced by Salmonella and other stimuli direct macropinocytosis of bacteria. Nature. 364 (6438), 639-642 (1993).
- Mercer, J., Helenius, A. Virus entry by macropinocytosis. Nature Cell Biology. 11 (5), 510-520 (2009).
- Liu, X., Ghosh, D. Intracellular nanoparticle delivery by oncogenic KRAS-mediated macropinocytosis. International Journal of Nanomedicine. 14, 6589-6600 (2019).
- Desai, A. S., Hunter, M. R., Kapustin, A. N. Using macropinocytosis for intracellular delivery of therapeutic nucleic acids to tumour cells. Philosophical Transactions of Royal Society of London B: Biological Sciences. 374 (1765), 20180156 (2019).
- Lin, H. P., et al. Identification of novel macropinocytosis inhibitors using a rational screen of Food and Drug Administration-approved drugs. British Journal of Pharmacology. 175 (18), 3640-3655 (2018).
- Singla, B., et al. PKCδ-Mediated Nox2 Activation Promotes Fluid-Phase Pinocytosis of Antigens by Immature Dendritic Cells. Frontiers in Immunology. 9, 537 (2018).
- Ivanov, A. I. Pharmacological inhibition of endocytic pathways: is it specific enough to be useful. Methods in Molecular Biology. 440, 15-33 (2008).
- Araki, N., et al. Effect of 3-methyladenine on the fusion process of macropinosomes in EGF-stimulated A431 cells. Cell Structure and Function. 31 (2), 145-157 (2006).
- Koivusalo, M., et al. Amiloride inhibits macropinocytosis by lowering submembranous pH and preventing Rac1 and Cdc42 signaling. Journal of Cell Biology. 188 (4), 547-563 (2010).
- Fischer, E. R., et al. Scanning electron microscopy. Current Protocols in Microbiology. , (2012).
- Yoshida, S., et al. Dorsal ruffles enhance activation of Akt by growth factors. Journal of Cell Science. 131 (22), (2018).
- Nakase, I., et al. Active macropinocytosis induction by stimulation of epidermal growth factor receptor and oncogenic Ras expression potentiates cellular uptake efficacy of exosomes. Science Reports. 5, 10300 (2015).
- Gold, S., et al. A clathrin independent macropinocytosis-like entry mechanism used by bluetongue virus-1 during infection of BHK cells. PLoS One. 5 (6), 11360 (2010).
- Mishra, R., Bhowmick, N. A. Visualization of Macropinocytosis in Prostate Fibroblasts. Bio- Protocols. 9 (10), (2019).
- Gordon, R. E. Electron microscopy: A brief history and review of current clinical application. Methods in Molecular Biology. 1180, 119-135 (2014).
- Mahankali, M., et al. The mechanism of cell membrane ruffling relies on a phospholipase D2 (PLD2), Grb2 and Rac2 association. Cell Signaling. 23 (8), 1291-1298 (2011).
