A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
يظهر هنا بروتوكول يستخدم promastigotes الليشمانيا الرئيسية لتحديد الارتباط ، والسمية الخلوية ، والإشارات التي تسببها السموم المكونة للمسام. يتم توفير إثبات المفهوم مع ستربتوليسين O. يمكن أيضا استخدام السموم الأخرى للاستفادة من الطفرات الجينية المتاحة في L. major لتحديد آليات جديدة لمقاومة السموم.
يعد فهم وظيفة وآلية السموم المكونة للمسام (PFTs) أمرا صعبا لأن الخلايا تقاوم تلف الغشاء الناجم عن PFTs. في حين أن النهج الفيزيائية الحيوية تساعد على فهم تكوين المسام ، فإنها غالبا ما تعتمد على الأساليب الاختزالية التي تفتقر إلى المجموعة الكاملة من الدهون الغشائية والبروتينات. توفر الخلايا البشرية المستزرعة نظاما بديلا ، لكن تعقيدها وتكرارها في آليات الإصلاح يجعل تحديد آليات معينة أمرا صعبا. في المقابل ، فإن العامل الممرض البشري الأولي المسؤول عن داء الليشمانيات الجلدي ، الليشمانيا الكبرى ، يوفر توازنا مثاليا بين التعقيد والأهمية الفسيولوجية. L. major قابل للتتبع وراثيا ويمكن استزراعه بكثافة عالية في المختبر ، ويمكن قياس أي تأثير للاضطرابات على العدوى في نماذج الفئران الراسخة. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم L. major بتوليف الدهون المتميزة عن نظيراتها في الثدييات ، والتي يمكن أن تغير ديناميكيات الغشاء. يمكن التحقيق في هذه التغييرات في ديناميكيات الغشاء باستخدام PFTs من عائلة السموم الأفضل تميزا ، وهي السيتوليسينات المعتمدة على الكوليسترول (CDCs). ترتبط CDCs بالإرغوستيرول في غشاء الليشمانيا ويمكن أن تقتل L. promastigotes الرئيسية ، مما يشير إلى أن L. major هو نظام نموذجي مناسب لتحديد الآليات الخلوية والجزيئية لوظيفة PFT. يصف هذا العمل طرق اختبار وظيفة PFT في L. promastigotes الرئيسية ، بما في ذلك زراعة الطفيليات ، والأدوات الوراثية لتقييم حساسية الدهون ، ومقايسات ربط الغشاء ، ومقايسات موت الخلايا. ستمكن هذه المقايسات من الاستخدام السريع ل L. major كنظام نموذجي قوي لفهم وظيفة PFT عبر مجموعة من الكائنات الحية المتنوعة تطوريا والقواسم المشتركة في تنظيم الدهون.
السموم المكونة للمسام (PFTs) هي أكبر عائلة من السموم البكتيرية1 ، ولكن الآليات التي تثقب بها الخلايا وتدمرها غير مفهومة بشكل جيد. أفضل عائلة من السموم المكونة للمسام التي تمت دراستها هي عائلة السيتوليسين المعتمدة على الكوليسترول (CDCs). يتم تصنيع CDCs في المقام الأول عن طريق البكتيريا إيجابية الجرام ، بما في ذلك العامل المسبب لالتهاب اللفافة الناخر ، العقدية المقيحة2. تفرز S. pyogenes CDC streptolysin O (SLO) ، الذي يرتبط بالستيرول في غشاء البلازما للخلايا المضيفة كمونومرات ، oligomerizes ، ويدخل ~ 20-30 نانومتر المسام في الغشاء1. لا يزال الدور الذي تلعبه الليبيدات في هذه العملية غير محدد بشكل جيد.
تتمثل إحدى طرق دراسة تفاعلات الدهون و CDC في استخدام الجسيمات الشحمية المحددة كيميائيا. في حين أن الجسيمات الشحمية المحددة توفر معلومات عن العتبات الضرورية للدهون للحفاظ على ربط السموم وتكوين المسام 3,4 ، إلا أنها لا تلخص الوظائف الخلوية بالكامل. على سبيل المثال ، تفتقر الجسيمات الشحمية المعاد تشكيلها إلى عدم تناسق الدهون في مضيفات الثدييات وتعديلات الدهون استجابة للسموم5. أحد بدائل الجسيمات الشحمية هو استخدام خطوط خلايا الثدييات. في حين أن خطوط الخلايا هذه أكثر صلة من الناحية الفسيولوجية ، إلا أن هناك درجة كبيرة من التكرار في آليات استشعار السموم والمقاومة2. نتيجة لذلك ، لا تزال مسارات الإصلاح المستخدمة لمقاومة CDCs غير محددة بشكل جيد. والجدير بالذكر أن تدفق Ca2+ هو المنشط الأساسي لإصلاح الغشاء1. في اتجاه مجرى تدفق Ca2+ ، يتم تشغيل مسارات متعددة ، بما في ذلك الإصلاح المعتمد على السيراميد 6,7 ومسار الإصلاح المعتمد على MEK6. تتفاعل هذه المسارات مع مستجيبات البروتين الأخرى ، بما في ذلك مجمع الفرز الاندوسومي المطلوب للنقل (ESCRT)8 ، والمرفقات6،9،10. يمثل تشريح هذه المسارات في خلايا الثدييات تحديا بسبب التكرار ، مما يؤدي إلى تشويش تفسير البيانات.
تتمثل إحدى طرق تحقيق التوازن بين التعقيد والبساطة لتشريح مسارات الإصلاح في استخدام كائنات أبسط ، مثل مسببات الأمراض الأولية في جنس الليشمانيا. الليشمانيا sp. تسبب داء الليشمانيات في البشر والحيوانات الأخرى. يتراوح داء الليشمانيات من داء الليشمانيات الجلدي (آفات جلدية محدودة ذاتيا) إلى داء الليشمانيات الحشوي المميت (تضخم الكبد والطحال) ، اعتمادا على الأنواع وعوامل أخرى11. ينتقل الليشمانيا الكبرى ، العامل المسبب لداء الليشمانيات الجلدي ، إلى البشر عبر ناقل ذبابة الرمل ويستخدم لفهم وظيفة الليشمانيا والعدوى12. بالإضافة إلى ذلك ، الليشمانيا sp. هي digenic12. وهي موجودة كطفيليات بلاعم داخل الخلايا تسمى amastigotes وكبرومستيغوت سوطية حرة السباحة في ذبابة الرمل12. يمكن استزراع L. promastigotes الرئيسية في وسائط مكملة بالمصل مثل M199 إلى كثافة عالية13. Promastigotes هي أيضا قابلة للتتبع وراثيا. توجد العديد من الضربات القاضية الجينية ، بما في ذلك تلك التي تستهدف مسارات التخليق الحيوي للدهون13. يمكن تقييم هذه الضربات القاضية للنمو والاختلافات في العدوى وتطور الآفة عن طريق إصابة الفئران Balb / c13.
بالإضافة إلى السهولة النسبية لثقافة الليشمانيا ومجموعة الضربات القاضية للتخليق الحيوي للدهون ، فإن الطفيلي لديه جينوم أبسط من الثدييات. أفضل أنواع الليشمانيا تميزا هي L. Major ، التي تحتوي على العديد من الأدوات الوراثية الموجودة ، مثل الطفرات ذات التمثيل الغذائي الدهني المعيب14. والجدير بالذكر أن العديد من بروتينات الإصلاح غائبة. لا يوجد لدى L. major أي متجانسات تم تحديدها حتى الآن لبروتينات إصلاح الثدييات الرئيسية مثل المرفقات. وهذا يتيح توصيف مسارات الإصلاح المحفوظة تطوريا دون تعقيد أنظمة الثدييات. ومع ذلك ، لم يتم وصف مسارات الإصلاح في الليشمانيا حتى الآن. في الوقت نفسه ، يتم حفظ مسارات الإشارات الرئيسية المشاركة في الإصلاح ، مثل مسار MEK6 ، في Leishmania sp.15,16 ، على الرغم من الحاجة إلى التحقق من صحة المتماثلات. تمت دراسة مسار بروتين كيناز المنشط بالميتوجين (MAPK) جيدا في L. mexicana ، حيث يساهم في البقاء داخل الخلايا والاستقرار الحراري في خلايا الثدييات ويتحكم في تكوين الميتاسيكسيكوجينيسيس16. في Leishmania sp. ، تم وصف 10 من 15 MAPKs17. من المتوقع أن يكون LmMAPK9 و LmMAPK13 الأكثر تشابها مع ERK1 / 2 للثدييات بناء على الهوية في تسلسل شفة الفسفرة المحفوظ. تسلسل شفة الفسفرة هو TEY لكل من الثدييات ERK1 / 2 و LmMAPK9 و LmMAPK13. ومع ذلك ، فإن ثمانية من خرائط الليشمانيا لها شكل فسفرة TDY15. تم تحديد اثنين على الأقل من متجانسات مجاهدي خلق في الليشمانيا sp. ، LmxMKK18 و MEKK ذات الصلة كيناز (MRK1) 19. هذا يشير إلى أن الأفكار المحددة في الليشمانيا يمكن أن تترجم إلى أنظمة الثدييات. وحيثما لا تترجم إلى نظم الثدييات، فإنها تمثل أهدافا علاجية لعلاج داء الليشمانيات.
من أجل استخدام L. promastigotes الرئيسية لدراسة إصلاح الغشاء والتفاعلات مع السموم ، هناك حاجة إلى تقنيات متوسطة الإنتاجية. في حين أن التصوير بالخلايا الحية عالي الدقة يتيح تصور البروتينات والأغشية المصنفة في الوقت الفعلي ، إلا أنه منخفض الإنتاجية وقد لا يقيس البقاء الخلوي. تشمل فحوصات قابلية الإنتاجية المتوسطة امتصاص الصبغة المقاس بقياس التدفق الخلوي ، أو قياس نشاط الميتوكوندريا ، أو إطلاق البروتينات الخلوية مثل نازعة هيدروجين اللاكتات (LDH). في خلايا الثدييات ، لا تقيس فحوصات LDH كميا موت الخلايا20. علاوة على ذلك ، فإن المقايسات القائمة على السكان مثل إطلاق LDH أو نشاط الميتوكوندريا لا تسمح بتحليل قوي أحادي الخلية أو متعدد المعلمات20. في المقابل ، تتيح المقايسات القائمة على قياس التدفق الخلوي تحليل خلية واحدة متعددة المعلمات20. ومع ذلك ، لم يتم تطبيق هذه المقايسات لفهم بيولوجيا السموم أو الاستجابات للسموم في L. promastigotes الرئيسية.
في هذه الدراسة ، تم استخدام SLO كأداة لفهم اضطراب غشاء البلازما للمتحولة الخالية من sphingolipid ل L. major في اثنين من المخازن المؤقتة المختلفة - وسائط M199 المستخدمة بشكل روتيني لاستزراع L. promastigotes الرئيسية وأبسط Tyrode's buffer. يتم وصف مقايسة قياس التدفق الخلوي متوسط الإنتاجية واستخدامها لتوليد منحنيات الاستجابة للجرعة السمية. يتم نمذجة البيانات من مقايسة قياس التدفق الخلوي إلى منحنى لوجستي لتحديد قيم LC50. باستخدام هذه المعلومات ، يمكن تحديد جرعة فرعية من SLO بحيث يمكن التحقق من صحة الأجسام المضادة MAPK باستخدام النشاف الغربي.
تم استخدام جميع الإرشادات المناسبة والممارسات الميكروبيولوجية والسلامة وزراعة الخلايا القياسية لاستخدام ومعالجة الحمض النووي الرئيسي والمأشوب RG2 Leishmania . تم إجراء جميع التجارب مع L. major الحية في خزانة السلامة البيولوجية في مختبر معتمد من BSL-2. وأشرفت على العمل لجنة السلامة الأحيائية المؤسسية بجامعة تكساس للتكنولوجيا.
ملاحظة: من منظور السلامة ، فإن L. promastigotes الرئيسية الحية هي مسببات الأمراض من مجموعة المخاطر 2 . التعامل مع استخدام الاحتواء المناسب والاحتياطات والإشراف من اللجنة المؤسسية للسلامة الأحيائية (IBC). التعامل مع المواد السامة والمواد الكيميائية وفقا للإجراءات المؤسسية للمواد السامة. إذا تم استخدام السموم المؤتلفة ، فقد تكون هناك حاجة إلى موافقة IBC والإشراف عليها لعمل الحمض النووي المؤتلف.
1. زراعة وإعداد L. promastigotes الرئيسية
2. مقايسة السمية الخلوية
3. تحليل البروتين من L. promastigotes الرئيسية التي تتحدى السم
زيادة حساسية promastigote ل SLO في المخزن المؤقت ل Tyrode مقارنة ب M199
تمت مقارنة حساسية SLO ل L. promastigotes الرئيسية بين مخازن الفحص المختلفة. تم تحدي promastigotes من النوع البري و spt2- / + SPT2 مع SLO في M199 الخالي من المصل أو المخزن المؤقت ل Tyrode المكمل ب 2 mM CaCl2 لمدة 30 دقيقة قبل ...
في هذه الدراسة ، تم وصف طرق دراسة الآليات الجزيئية ووظائف PFTs ، باستخدام الممرض البشري الليشمانيا الكبرى كنظام نموذجي. تم تطوير مقايسة السمية الخلوية القائمة على قياس التدفق المتوسط لقياس صلاحية الخلية الواحدة. الجدوى كمية على مستوى السكان لأنه يمكن حساب قيم LC50 من منحنى الجرعة ?...
تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية التابع للمعاهد الوطنية للصحة ، حيث منح R21AI156225 إلى PAK و KZ (co-I) و R01AI139198 إلى KZ (co-I). تود CH أن تعرب عن تقديرها لقسم العلوم البيولوجية للمساعدة في التدريس المقدمة خلال فترة هذه الدراسة.
ولم يكن لوكالات التمويل أي دور في تصميم الدراسة؛ في جمع البيانات أو تحليلها أو تفسيرها؛ في كتابة المخطوطة ؛ ولا في قرار نشر النتائج. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين وحدهم ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية لوكالات التمويل. يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم تضارب في المصالح المتنافسة.
يود المؤلفون أن يشكروا أعضاء مختبرات كيل وتشانغ على مراجعتهم النقدية للمخطوطة. يشكر المؤلفون المجهري لكلية الآداب والعلوم على استخدام المرافق.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.2 mL microtiter (Marsh) tubes | Fisher | 02-681-376 | Cytotoxicity assay |
1.5 mL microcentrifuge tube | Fisher | 05-408-129 | Toxin dilutions |
15 mL centrifuge tube | Avantor VWR (Radnor, PA) | 89039-666 | To hold cells and media |
1x Phosphate buffered saline (PBS) | Fisher | BP399 | For cell processing |
3% H2O2 | Walmart (Fayetteville, AR) | N/A | For ECL |
5x M199 | Cell-gro | 11150067 | Basal growth media for L. major promastigotes |
Biosafety cabinet | Baker | To culture cells in sterile conditions | |
Bovine serum albumin (BSA) | Fisher | BP1605-100 | Fraction V acceptable purity |
CaCl2 | Fisher | BP510-100 | Stock concentration 100 mM |
Centrifuge | Thermo Fisher | Heraeus Megafuge 40R | To pellet the cells from culture |
Cy5 Mono-reactive dye pack | Cytiva (Marlborough, MA) | PA25031 | Fluorophore label for toxins |
Digital dry bath | Benchmark | BSH1002 | To denature protein samples |
EGTA | Amresco | 0732-100G | Stock concentration 0.5 M |
Excel | Microsoft (Redmond, VA) | Data analysis software | |
Flow cytometer (4-laser Attune NxT) | Fisher | Cytometer for data acquisition | |
FlowJo | BD (Ashland, OR) | Software | |
Formaldehyde | Fisher | BP531-500 | Fixative for counting cells |
G418 | Fisher | BP673-1 | Selection agent for cells |
Hellmanex III | Sigma | Z805939 | Dilute 1:4 for cleaning cytometer |
Hemacytometer | Fisher | 0267151B | For counting cells |
Human red blood cells | Zen-bio (Durham, NC) | SER-10MLRBC | To validate toxin activity |
Ice bucket | |||
Light microscope | Nikon | Eclipse 55i | To visualize cells |
Nitrocellulose | Fisher | 88018 | For probing proteins via antibodies |
Pipettors and tips | Avantor VWR | To dispense reagents | |
Power supply | Bio-Rad | To run SDS-PAGE and transfers | |
Propidium iodide | Biotium | 40016 | Stock concentration 2 mg/mL in water |
Protein ladder | Bio-Rad | 161-0373 | To determine molecular weight of proteins |
SDS-PAGE Running Apparatus (Mini Protean III) | Bio-Rad | 165-3302 | To separate proteins based on their size |
Sealing tape | R&D | DY992 | To seal plates with cells |
Streptolysin O C530A plasmid insert | Cloned into pBAD-gIII vector (Reference: 7) | ||
Streptolysin O C530A toxin | Lab purified | Specific activity 4.34 x 105 HU/mg | |
Swinging bucket rotor | Thermo Fisher | 75003607 | To centrifuge cells |
V-bottom plate | Greiner Bio-one | 651206 | For cytotoxicity assay |
Vortex | Benchmark | BV1000 | To mix cells |
Western blot imaging system (Chemi-doc) | Bio-Rad | To visualize proteins by western blot | |
Western Blot Transfer Apparatus (Mini Protean III) | Bio-Rad | 170-3930 | Transfer proteins to nitrocellulose |
Whatman Filter paper | GE Healthcare Life Sciences | 3030-700 | Used in transfer of proteins to nitrocellulose |
Antibody | |||
Anti-ERK antibody | Cell Signaling Technologies | Cat# 9102S | Rabbit (1:1000 dilution) |
Anti-lipophosphoglycan (LPG) antibody | CreativeBioLabs | Cat# WIC79.3 | Mouse (1: 1000) |
Anti-MEK antibody | Cell Signaling Technologies | Cat# 9122L | Rabbit (1:1000) |
Anti-mouse IgG, HRP conjugate | Jackson Immunoresearch | Cat#715-035-151 | Donkey (1:10000) |
Anti-phosphoERK antibody | Cell Signaling Technologies | Cat# 9101S | Rabbit (1:1000) |
Anti-pMEK antibody | Cell Signaling Technologies | Cat# 9121S | Rabbit (1:1000) |
Anti-rabbit IgG, HRP conjugate | Jackson Immunoresearch | Cat#711-035-152 | Donkey (1:10000) |
Anti-tubulin antibody | Sigma | Cat# T5168 | Mouse (1: 2000) |
Leishmania major Genotypes | Reference: 13 | ||
Episomal addback (spt2-/+SPT2) | Δspt2::HYG/Δspt2:PAC/+pXG-SPT2 | ||
Serine palmitoyltransferase subunit 2 knockout (spt2-) | Δspt2::HYG/Δspt2::PAC | ||
Wild type (WT) | LV39 clone 5 (Rho/SU/59/P) |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved