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Method Article
在这里,我们提出了一种方案来量化活 HepG2 细胞中 Akt 激活和磷酸化的时空动力学。Förster 共振能量转移 (FRET) 成像是一种强大的工具,可为癌细胞中的胰岛素信号通路和代谢调节提供有价值的见解。
代谢调节的 Akt 激活是胰岛素信号转导级联反应的关键节点,为糖尿病与癌症之间的关系提供了有价值的见解。为了精确量化 HepG2 细胞中的 Akt 活性,我们开发了一种稳健、可重复的方案,利用 Förster 共振能量转移 (FRET) 和基因编码的 Akt 特异性生物传感器。该协议概述了细胞培养、成像培养皿制备和 HepG2 细胞转染以表达基于 FRET 的生物传感器的详细步骤,以及激光扫描共聚焦显微镜硬件和软件配置的具体指南。结果显示了 HepG2 细胞中胰岛素信号转导的独特模式,其表现出不可逆的转换,其特征是组成型 Akt 激活,具有明确的开启阈值,但没有关闭阈值。相比之下,肌管显示可逆开关。HepG2 细胞中持续的 Akt 激活表明肝细胞胰岛素抵抗和代谢失调的机制,对理解代谢紊乱和癌症的进展具有更广泛的意义。该协议为探索各种疾病背景下的 Akt 相关信号通路和细胞行为提供了一个有价值的框架。
糖尿病构成了一项重大的全球健康挑战,其特征是胰岛素抵抗和葡萄糖稳态受损1。全面了解胰岛素信号通路对于阐明这种疾病的病理生理学至关重要,因为胰岛素在葡萄糖代谢、细胞生长和存活中起着关键作用2。大量研究表明,胰岛素信号转导对各种癌症有显著影响,将胰岛素抵抗与肿瘤进展和不良患者预后联系起来 3,4,5,6。HepG2 细胞是一种常用的肝细胞癌细胞系,是研究胰岛素抵抗以及代谢失调与癌症发展之间相互作用的宝贵模型7。传统上,研究人员将胰岛素反应视为分级;然而,最近的研究表明,单个细胞可以表现出双稳态反应,在特定胰岛素浓度阈值下表现出无反应和完全反应之间的显着转变 8,9。
Förster 共振能量转移 (FRET) 成像是研究生物分子在活细胞中的时空分布的强大工具10。通过从分子动力学中提取信息,FRET 可以实时了解 Akt 激活等过程,使其成为研究活细胞的宝贵技术11,12。事实证明,这种成像方法在研究细胞动力学方面至关重要,尤其是在代谢疾病和癌症中,其中精确的分子相互作用至关重要13。FRET 还可以实时监测分子相互作用,阐明胰岛素抵抗和肿瘤进展等机制14,15。FRET 生物传感器在癌症研究中对于研究肿瘤微环境、耐药性和代谢紊乱至关重要16。FRET检测方法,如敏化发射(SE)、受体漂白(AB)、荧光寿命成像显微镜(FLIM)和光谱学,在量化分子相互作用方面都具有明显的优势17。SE 测量供体荧光团和受体荧光团之间的能量转移,导致发射光谱发生可测量的变化,这与相互作用的生物分子的接近程度相关18。AB 使用受体荧光团的选择性光漂白并跟踪供体荧光的变化,这使研究人员能够评估相互作用动力学和距离19。FLIM 评估供体荧光团的荧光衰减率,直接受 FRET 效率的影响,以提供分子相互作用的精确纳米级测量20。
使用 FRET 技术,我们最近证明了 C2C12 衍生的肌管中的双稳态胰岛素反应 8,9,21,22,23,24。正如我们发现的那样,Akt 激活的不同开启和关闭阈值表明,分级的全身胰岛素剂量反应掩盖了从胰岛素刺激开始的亚细胞信号级联的复杂性,最终导致单细胞水平的全有或无反应 21,22,23,24.为了测试其他细胞类型中双稳态的存在,我们用胰岛素刺激 HepG2 细胞,并使用单细胞 FRET 成像记录它们的反应。我们用不同的胰岛素浓度刺激 HepG2 细胞,并使用 Akt 生物传感器在单细胞水平监测 Akt 活性。Akt 生物传感器包括作为供体荧光团的增强型青色荧光蛋白 (ECFP)25 和作为受体荧光团的黄色荧光蛋白 (YPet)26 的最亮变体,由包含肽序列 SGRPRTTTFADSCKP 的 Eevee 接头连接。该肽可作为磷酸化 Akt (pAkt) 的底物,由人糖原合成酶激酶 3β (GSK3β) 优化而来。在未磷酸化状态下,供体荧光团和受体荧光团之间的空间分离超过了 Förster 半径,这会抑制能量转移。在胰岛素刺激后,发生 Akt 磷酸化并导致 SGRPRTTTFADSCKP 磷酸化。这个过程诱导构象变化,使供体和受体位于 Förster 半径内,从而启用 FRET27。因此,FRET 信号强度与磷酸化 Akt 分子的量相关,并允许实时定量胰岛素介导的细胞反应。
该方案最初是为了研究 C2C12 衍生的肌管中的胰岛素信号传导而开发的,已成功应用于 HepG2 细胞并在不同的硬件和软件平台上使用,从而证明了其适用性、适应性和多功能性。HepG2 细胞表现出组成型 Akt 活性,这使它们成为研究肝脏特异性胰岛素信号传导和代谢过程的理想 体外 模型。协议的主要功能在 协议 部分。
图 1 概述了用于监测单个 HepG2 细胞中 Akt 磷酸化的 FRET 活细胞成像所涉及的实验步骤。
1. 质粒采集、增殖和纯化
注:本节概述了获取、扩增和纯化单细胞 FRET 分析所需质粒的基本步骤。
2. 细胞培养程序
注:在层流罩内执行所有细胞培养程序,以保持无菌环境并防止污染。HepG2 细胞培养工作流程如图 4 所示。HepG2 细胞完全培养基由最低必需培养基 (MEM)、10% 胎牛血清 (FBS)、1% 非必需氨基酸 (NEAA)、1 mM 丙酮酸钠、2 mM L-谷氨酰胺补充剂、100 U/mL 青霉素-链霉素和 2.5 μg/mL 抗生素-抗真菌溶液组成(参见 材料表,表 1)。
3. 用聚-L-赖氨酸涂覆成像皿
4. HepG2 细胞的转染
注意:HepG2 转染方法如图 5 所示。
5. HepG2 细胞饥饿
注:完成转染步骤后,在胰岛素刺激和 FRET 成像之前对细胞进行血清饥饿。这最大限度地减少了由于 FBS 中存在的胰岛素而导致的 Akt 通路激活,并确保 Akt 活性的基线水平一致。本实验中使用的饥饿培养基的成分如(表 3)所述。BSA 为粉末状。要制备 0.1% (w/v) 溶液,请在 3 mL DMEM 中配制 0.1 g BSA,充分混合。使用 0.45 μm 过滤器对溶液进行消毒,并通过添加 DMEM 将最终体积调节至 100 mL。
6. HepG2 细胞的 FRET 活细胞成像
注:本节提供了 FRET 活细胞成像的说明,以监测单个 HepG2 细胞中 Akt 磷酸化的时空动力学。优化活 HepG2 细胞的显微镜设置、处理程序和成像条件至关重要,如下所述。显微镜设置对于优化FRET成像的成像条件至关重要。根据制造商的说明逐步遵循 PC/共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 设置,以确保稳定运行。用于 FRET 成像的定制 CLSM 配置如图 6 所示。
7. 数据分析
8. FRET效率计算
9. 图像采集
10. 背景校正
11. FRET 渗漏(串扰)消除
注:供体发射和受体激发之间的光谱重叠如图 3B 所示,这对于 FRET 效率和能量转移过程至关重要。延时 FRET 成像中的渗出是一个重大挑战,它是由供体和受体荧光团的光谱重叠引起的,导致测量不准确。串扰是固有的,因为供体和受体荧光团的光谱在一定程度上重叠(图 3C、D)。高荧光团浓度和过滤器配置不当等因素会加剧此问题。解决渗漏问题对于确保 FRET 测量的可靠性至关重要。
12. 量化和统计分析
为了研究 HepG2 细胞中的 Akt 活化,将细胞接种到预包被的成像皿上,并用基于 FRET 的生物传感器 pEevee-iAkt-NES(图 2A)转染,旨在实时监测 Akt 磷酸化。转染后,细胞在无血清培养基中进行血清饥饿 4 小时,以同步其代谢状态并最大限度地减少基础胰岛素信号转导。
随后将细胞暴露于不同浓度的胰岛素 (0 pM、300 pM、400 pM、500 pM?...
用于监测 HepG2 细胞中 Akt 磷酸化的活细胞 FRET 成像方案涉及几个关键步骤,以确保可靠和可重复的结果。第一个关键步骤是细胞培养,包括常规细胞维护、成像培养皿包被和细胞接种。在延时成像实验中,适当的涂层对于细胞粘附至关重要,因为它可以确保稳定的细胞粘附,防止分离,并最大限度地减少漂移,从而导致数据不一致 9,32
作者声明没有利益冲突。
这项工作得到了深圳市自然科学基金 (JCYJ20240813113606009)、深港科技创新合作区 (HZQB-KCZYB-2020056)、国家自然科学基金 (32070681)、国家重点研发计划 (2019YFA0906002) 和深圳孔雀计划 (KQTD2016053117035204) 的部分支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% trypsin-EDTA | Gibco | Cat#25200-056 | Use ice-cold PBS for cell wash |
15 mm glass bottom cell culture dish | NEST | Cat#801001 | |
2 mL Nalgene cryogenic vials | Thermo Scientific | Cat#5012-0020 | |
5 mL Stripette Serological Pipets | Corning | Cat#4487 | |
95% Ethanol | Kermel | Cat#C028005 | |
A1 HD25/A1R HD25 confocal microscope | Nikon | https://www.nikon.com/ | Magnification: 40×, Numerical Aperture (NA): 1.30, Pixel Dwell Time: 2.4 ms, Pixel Size: 1024 |
Ampicillin | Sigma-Aldrich | Cat#A9393 | |
Bovine serum albumin (BSA) | VWR Life Science | Cat#N208-10g | |
Corning 25 cm2 rectangular culture flasks | Corning | Cat#430639 | |
Countess 3 automated cell counter | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/#AMQAX2000 | |
Countess cell counting chamber slides | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/#C10228 | |
Digital vortex mixers | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | Cat#D2650 | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes 1.5 mL | Eppendorf | Cat#022363204 | |
EZ-PCR mycoplasma detection kit | Biological Industries | Cat# 20-700-20 | |
Fetal Bovine Serum, qualified, Australia | Gibco | Cat#10099141 | |
GlutaMAX Supplement | Gibco | Cat#35050061 | |
GraphPad Prism 9 | GraphPad Software | https://www.graphpad.com/ | |
HepG2 | National Collection of Authenticated Cell Cultures | #CSTR:19375.09.3101HUMSCSP510 http://www.cellbank.org.cn/ | |
Immersion Oil Type 37 | Cargille Laboratories | Cat #16237 | |
Insulin | Sigma-Aldrich | Cat#I5500-50MG | Warm to 37 °C before use |
LB Broth (1x) | Invitrogen | Cat#10855001 | |
Minimum Essential Medium (MEM) | Gibco | Cat#11095080 | Warm to 37 °C before use |
mySPIN 12 mini centrifuge | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
NanoDrop One | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com | |
Nikon Plan Fluor 40×/1.30 Oil Lens | Nikon | https://www.nikon.com/ | |
NIS-Elements-AR | Nikon | https://www.nikon.com/ | |
Non-Essential Amino Acids (NEAA) (100x) | Gibco | Cat#11140050 | |
One Shot LB Agar Plates | Invitrogen | Cat#A55802 | |
One Shot Stbl3 chemically competent E. coli | Invitrogen | Cat#C737303 | |
Parafilm | PARAFILM | Cat#B8R05606 | |
PBS (phosphate buffered saline) | Gibco | Cat#10010023 | |
pEevee-iAkt-NES (7,033 bp) | Miura et al31 | https://benchling.com/s/seq-q46zFYCfl0swLAun0t28/edit | |
Penicillin-streptomycin | Gibco | Cat#15070063 | |
Plasmocin prophylactic | InvivoGen | Cat#ant-mpp | |
Poly-L-Lysine Hydrobromide | Sigma-Aldrich | Cat#P4832 | |
Precision general purpose baths | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
QIAprep spin miniprep kit | QIAGEN | Cat#27106 | |
SnapGene | SnapGene by Dotmatics | https://www.snapgene.com | |
Sodium Pyruvate (100 mM) | Gibco | Cat#11360070 | |
Syringe filter unit, 0.22 μm | Millipore | Cat#SLGP033RS | |
Tokai Hit stage top incubator | TOKAI HIT | https://www.tokaihit-livecell.com/stagetopincubator | |
UltraPure DNase/RNase-free distilled water | Invitrogen | Cat#10977015 | |
Xfect Transfection Reagent | Takara Bio | Cat#631317 |
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