Tüm canlı hücreler, hücre dışı ligandlar, mikroorganizmalar, besinler, transmembran proteinler ve lipitler gibi kargoları plazma zarından endositik veziküllere (yani endositoz) aktararak bilgileri işler. Geri dönüşüm adı verilen karşılıklı bir süreç, endositozu dengeler ve içselleştirilmiş zarın ve yükün çoğunu hücre yüzeyine geri döndürür. Endositoz ve geri dönüşüm arasındaki denge, plazma zarı bileşimini kontrol eder ve hücrelere zaman ve mekanda çözülmüş bilgiler sağlar. Endositoz ve geri dönüşüm, besin alımı ve metabolizması, gelişim, proliferasyon, farklılaşma ve polarite, yeniden programlama, migrasyon, hücre yapışması ve migrasyonu, sitokinez ve nörotransmisyon1-3 gibi çeşitli hücresel fonksiyonların ana düzenleyicileridir. Endositik ve geri dönüşüm yolları çok dinamik ve oldukça koordinelidir ve hücrelerin tüm plazma zarının eşdeğerini saatte 1-5 kez çevirmesine izin verir.
Hücre bazlı L-glutahion koruma testleri, epitelyal ve epitel olmayan hücrelerde4-8 reseptörler, kanallar, taşıyıcılar ve adezyon molekülleri dahil olmak üzere transmembran proteinlerin endositozu ve geri dönüşümünü incelemek için yararlıdır. Daha önce insan hava yolu epitel hücrelerinde ve HEK293hücrelerinde 9-15 Kistik Fibrozis Transmembran İletkenlik Regülatörünün (CFTR) endositozu ve geri dönüşümü üzerinde çalışmıştık. Makalede açıklanan biyotinilasyon bazlı tahliller, yarı geçirgen büyüme destekleri üzerinde polarize koşullar altında kültürlenen epitel hücrelerinde endositoz ve geri dönüşümü incelemek için optimize edilmiştir. Bu protokoller, plastik doku kültürü kaplarında veya epitel olmayan hücrelerde kültürlenen epitel hücrelerinde endositoz ve proteinlerin geri dönüşümünü incelemek için değiştirilebilir. Şekil 1 ve 2, epitelyal ve epitel olmayan hücrelerde endositik ve geri dönüşüm testlerinin örneklerini içerir.
Endositik testler daha önce tarif edildiği gibigerçekleştirilir 9-15. Hücreler kollajen kaplı yarı geçirgen büyüme destekleri11,14 üzerinde kültürlenir. Alternatif olarak, hücreler kollajen kaplı plastik doku kültürü kaplarında10,15 kültürlenebilir. Membran trafiğini durdurmak için hücreler hızla 4 ºC'ye soğutulur ve plazma zarı proteinleri 4 °C'de hücre zarı geçirimsiz bir biotin ile etiketlenir. Biotin ile reaksiyona girer kalıntılarının >ε-amini ve disülfid bağı tiyol-bölünebilir. Biyotinilasyondan sonra hücreler, protein kaçakçılığını indüklemek ve endositik vezikülleri 2.5, 5.0, 7.5 veya 10 dakika boyunca yüklemek için 37 ° C'de inkübe edilir. Daha sonra hücreler 4 °C'ye soğutulur ve plazma zarı proteinlerine kovalent olarak bağlanan biyotin içindeki disülfid bağı L-glutatyon (GSH) ile indirgenir. Protokolün bu noktasında, sadece plazma zarından endositoz edilen proteinler GSH'den korunur ve böylece biyotinile kalır. 37 ºC'de inkübasyon veya GSH tedavisi olmadan biyotinilasyondan sonra 4 ° C'de kalan hücreler, sıfır zamanında biyotinile edilen CFTR miktarını belirlemeye hizmet edecektir. Biyotinilasyondan sonra 4 ° C'de kalan hücreler, 37 ºC'de inkübasyon olmadan, ancak GSH tedavisi ile, disülfid bağlarının azaltılmasının verimliliğini belirlemeye hizmet edecektir. Yukarıda tarif edilen tedavileri takiben, hücreler parçalanır, biyotinile proteinler streptavidin agaroz ile izole edilir, SDS numune tamponuna ayrıştırılır ve SDS-PAGE ile ayrılır. İlgilenilen protein, biyotinile edilmiş örneklerde western blotlama ile tespit edilir. Sıfır zamanında 4 ºC'de (37 ºC ısınma olmadan) biyotinile protein miktarı %100 olarak kabul edilir. 4 ºC'de GSH tedavisinden sonra biyotinile kalan protein miktarı arka plan olarak kabul edilir ve farklı zaman noktalarında 37 ºC'ye ısıtıldıktan sonra biyotinile kalan protein miktarından çıkarılır. Protein endositozu, arka plan çıkarıldıktan sonra hesaplanır ve sıfır zamanında mevcut olan biyotinillenmiş protein miktarına kıyasla 37 ºC'ye ısıtıldıktan sonra her zaman noktasında biyotinile proteinin yüzdesi olarak ifade edilir.
Geri dönüşüm tahlilleri daha önce açıklandığı gibigerçekleştirilir 11,16. Hücreler kollajen kaplı yarı geçirgen büyüme destekleri üzerine kültürlenir11. Alternatif olarak, hücreler kollajen kaplı plastik doku kültürü kapları13 üzerinde kültürlenebilir. Hücreler, endositik vezikülleri biyotinile proteinlerle yüklemek için biyotinilasyondan sonra 37 ° C'ye ısıtılır. 37 ºC'de ilk inkübasyon süresi, endositik sinyalin doğrusal artışı sırasında ilgilenilen proteinin endositozunun maksimuma ulaştığı zaman ile belirlenir. Süre proteine özgüdür ve hücre tipine ve hücre kültürü koşullarına bağlı olabilir. Deneyimlerimize göre, CFTR endositozu 5.0 veya 7.5 dakika13,14'te maksimuma ulaşmıştır (Şekil 1 ve 2). Daha sonra, hücreler hemen 4 °C'ye soğutulur ve plazma zarı proteinlerine bağlı biyotin içindeki disülfid bağı GSH ile azaltılır. Daha sonra, hücreler ya ilgilenilen endositozlu protein miktarını belirlemek için parçalanır ya da ilgilenilen endositozlu biyotinile proteinin plazma zarına geri dönmesine izin vermek için farklı süreler boyunca tekrar 37 ° C'ye ısıtılır. Hücreler daha sonra tekrar 4 °C'ye soğutulur ve plazma zarlarına geri dönüştürülen proteinlere bağlı biyotin üzerindeki disülfid bağı GSH ile azaltılır. İlgilenilen proteinin geri dönüşümü, birinci ve ikinci GSH işleminden sonra biyotinile protein miktarı arasındaki farktan belirlenir.
Endositik ve geri dönüşüm tahlillerinin fizibilitesi birkaç faktöre bağlıdır. İlk olarak, hücre tek tabakalarının oluşumu bir ön koşuldur ve tek tabaka oluşturmayan veya çok tabakalı olarak büyüyen hücreler bu yazıda açıklanan tahliller için uygun değildir. İkincisi, hücre yüzeyinde ilgilenilen proteinin bolluğu ve proteini western blotlama ile tespit etmek için bir antikorun varlığı kritiktir. Proteinin kararlı durum bolluğunun ilk olarak tüm hücre lizatlarında (WCL) belirlenmesini öneririz. Üçüncüsü, spesifik hücre yüzey proteinini biyotinile etme yeteneği test edilmelidir. Biyotin, lizin kalıntılarına bağlanır. Bu nedenle, biyotinilasyonun etkinliği kısmen proteinin hücre dışı alanındaki lizin kalıntılarının sayısına bağlıdır. Buna göre, hücre dışı alan(lar)da lizin kalıntılarının bulunup bulunmadığını belirlemek için protein dizisinin taranmasını öneririz. Tüm hücre dışı domain lizin kalıntıları, protein katlanması nedeniyle biyotin için eşit derecede erişilebilir olmayabilir. Bu nedenle, sadece hücre yüzeyindeki proteinin kararlı durum bolluğunu belirlemek için değil, aynı zamanda ilgilenilen protein için biyotinilasyon bazlı tahlillerin fizibilitesini incelemek için kararlı durumda protein biyotinilasyonu ve ardından western blotlama yapılmalıdır.
Bu protokol, hava-sıvı arayüzü9,10,13-15'te 24 mm yarı geçirgen büyüme destekleri üzerinde kültürlenmiş CFBE41o- insan hava yolu epitel hücrelerinde vahşi tip CFTR'nin endositozu ve geri dönüşümünün incelenmesi için optimize edilmiştir. CFTR, apikal membran alanına polarize olur; Bu nedenle, protokol apikal membran alanının biyotinilasyonunu tanımlar. Bazolateral membran alanının biyotinilasyonu, endositozu ve bazolateral membrana polarize olan proteinlerin geri dönüşümünü incelemek için gerekli olacaktır. Bu yazıda açıklanan endositik test protokolünün 6 koşulu vardır: Yalnızca biyotinillenmiş (BT = zaman sıfır; örnek a); GSH kontrolü (GSH; örnek b); ve 2.5, 5.0, 7.5 veya 10 dakikalık endositik zaman noktaları (örnekler C; Tablo 1). Protokoldeki endositik zaman noktalarının sayısı ve/veya uzunluğu gerektiği gibi değiştirilebilir.
Geri dönüşüm testi, endositik sinyalin doğrusal artışı sırasında ilgilenilen proteinin endositozunun maksimuma ulaştığı zaman noktasını belirledikten sonra gerçekleştirilir. Bu zaman noktası, geri dönüşümü indüklemeden önce endositik vezikülleri ilgilenilen protein ile yüklemek için kullanılacaktır. Zaman proteine bağlıdır ve hücre tipleri ile kültür koşulları arasında farklılık gösterebilir15. CFTR endositozunun, CFTR15'i stabil bir şekilde eksprese eden insan hava yolu epitel hücreleri CFBE41o'da 7.5 dakikalık zaman noktasında platoya ulaştığını daha önce tespit etmiştik. Buna karşılık, CFTR endositozu, CFTR13'ü stabil bir şekilde eksprese eden HEK293 hücrelerinde 5.0 dakikalık zaman noktasında platoya ulaştı. Bu yazıda açıklanan geri dönüşüm tahlil protokolünün 5 koşulu vardır: Yalnızca biyotinile edilmiş (BT = zaman sıfır; örnek a); GSH kontrolü (GSH; örnek b); 5.0 dk endositoz (Endo; numune c), 5.0 dk endositoz ve ardından 2.5 veya 5.0 dk geri dönüşüm zaman noktaları (Rec; örnekler d; Tablo 2). Protokoldeki geri dönüşüm zaman noktalarının sayısı ve/veya uzunluğu gerektiği gibi değiştirilebilir.