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Method Article
Nous présentons deux indépendantes, basées sur le microscope des outils pour mesurer les déformations induites nucléaire et du cytosquelette dans la seule, vivant des cellules adhérentes en réponse à l'application de déformation globale ou localisée. Ces techniques sont utilisées pour déterminer la rigidité nucléaire (ie, déformabilité) et de transmission de la force de sonde intracellulaire entre le noyau et le cytosquelette.
Dans la plupart des cellules eucaryotes, le noyau est le plus grand organite et est généralement de 2 à 10 fois plus rigide que le cytosquelette entourant, par conséquent, les propriétés physiques du noyau contribuer de manière significative au comportement global biomécanique de cellules dans des conditions physiologiques et pathologiques. Par exemple, dans la migration des neutrophiles et des cellules de cancer envahissant, de la raideur nucléaire peut constituer un obstacle majeur au cours d'extravasation ou de passage dans des espaces étroits au sein des tissus. 1 D'autre part, le noyau des cellules dans les tissus mécaniquement actives comme les muscles nécessite suffisamment de soutien structurel à résister aux contraintes mécaniques répétitives. Fait important, le noyau est étroitement intégré dans l'architecture cellulaire, il est physiquement connecté au cytosquelette environnante, qui est une exigence essentielle pour le mouvement intracellulaire et le positionnement du noyau, par exemple, dans les cellules polarisées, les noyaux synaptiques au niveau des jonctions neuromusculaires, ou dans les cellules en migration. 2 Sans surprise, les mutations dans les protéines de l'enveloppe nucléaire tels que les lamines et nesprins, qui jouent un rôle crucial dans la détermination de la raideur nucléaire et nucléo-cytosquelette d'accouplement, il a été démontré récemment pour donner lieu à un certain nombre de maladies humaines, y compris d'Emery- Dreifuss dystrophie musculaire, myopathie des ceintures dystrophie musculaire et une cardiomyopathie dilatée. 3 Pour étudier la fonction des divers biophysique des protéines de l'enveloppe nucléaire et l'effet de mutations spécifiques, nous avons développé des méthodes expérimentales pour étudier les propriétés physiques du noyau en version simple, les cellules vivantes soumis à des perturbations mécaniques globales ou localisées. Mesure des déformations induites nucléaire en réponse à la demande substrat souche justement appliquée fournissent des informations importantes sur la déformabilité du noyau et permet une comparaison quantitative entre les différentes mutations ou des lignées cellulaires déficientes pour les protéines spécifiques de l'enveloppe nucléaire. Localisé application de souche du cytosquelette avec une micro-aiguille est utilisée pour compléter ce test et peuvent fournir des informations additionnelles sur la transmission intracellulaire vigueur entre le noyau et le cytosquelette. Etudier la mécanique nucléaire dans les cellules vivantes intactes préserve l'architecture normale intracellulaire et évite les artefacts potentiels qui peuvent survenir lorsque vous travaillez avec des noyaux isolés. Par ailleurs, l'application de contrainte substrat présente un bon modèle pour le stress physiologique expérimentés par des cellules dans les tissus musculaires ou autres (par exemple, cellules musculaires lisses vasculaires exposés à la souche du navire). Enfin, alors que ces outils ont été développés principalement pour étudier la mécanique nucléaire, ils peuvent également être appliquées pour étudier la fonction des protéines du cytosquelette et de signalisation mécanotransduction.
1. L'application de contrainte Substrat
La mesure de la déformation nucléaire normalisée inclut la préparation de plats souche avec transparence, membranes en silicone élastique que la surface de culture de cellules, cellules plaquage sur la vaisselle, et d'acquérir des images des cellules, avant, pendant et après l'application de contrainte (uniaxial ou biaxial).
Préparation de plats membrane en silicone et l'adhérence des cellules
Expériences souche Substrat
Analyse
2. Dosage de la manipulation Microneedle
Préparation des plats, des cellules adhérentes, et micro-aiguilles
Expérience de manipulation Microneedle
Analyse
3. Les résultats représentatifs:
L'application de contrainte Substrat
Nous avons acquis des images avant, pendant et après l'application de contrainte à des fibroblastes embryonnaires de souris à partir hétérozygotes et homozygotes lamine A / C-déficiente (LMNA + / - et LMNA - / -) et de type sauvage (LMNA + / +) les souris et ultérieurement calculé la souche normalisée nucléaires pour chaque cellule. Après analyse, les noyaux sont validées et que les cellules sont endommagées ou rétracter lors de l'application de contrainte sont exclues de l'analyse. La figure 1A montre des noyaux de trois cellules qui sont valables, alors que la figure 1B représente les cellules qui devraient être exclus de l'analyse. Normalisé des données souche nucléaires sont mises en commun par au moins trois expériences indépendantes (chacune contenant des mesures à partir des noyaux ~ 5-10) et comparée avec une autre cellule ou de groupes de traitement par l'analyse statistique. Augmentation de souche normalisée nucléaire indique la rigidité réduite nucléaire, comme on le voit dans les cellules avec une expression réduite des protéines de l'enveloppe nucléaire lamine A / C (figure 2).
Dosage de la manipulation Microneedle
Pour le dosage de la manipulation microaiguille, nous imagé déplacements nucléaire et du cytosquelette lors de l'application déformation localisée du cytosquelette. Les cellules qui sont endommagés ou détachés sont exclus de l'analyse. Pour l'analyse, nous mesurons l'ampleur des mouvements nucléaires et du cytosquelette vers le site d'application des forces simples, des cellules adhérentes. Par exemple, dans la figure 3, nous suivons mitochondrial (marqueur pour le cytosquelette) déplacements avant et après déformation du cytosquelette et puis tracer les déplacements en tant que vecteurs. Chaque vecteur représente le déplacement calculé comme le décalage entre l'emplacement d'origine et le poste nouvellement identifiés. Les régions à faible intensité de l'image ou la texture insuffisante (par exemple, les régions en dehors de la cellule) sont exclus de l'analyse. Les déplacements du cytosquelette et nucléaires sont ensuite quantifiés dans certains secteurs à des distances croissantes du site d'application de contrainte (figure 4, les zones correspondant à la couleur boxes dans l'encadré). Dans les fibroblastes embryonnaires de souris avec des intacte nucléo-cytosquelette d'accouplement, les forces sont transmises par les cellules entières, ce qui entraîne des déformations induites nucléaire et du cytosquelette qui lentement dissiper loin du site d'application de contrainte (figure 4). En revanche, les fibroblastes avec perturbée nucléo-cytosquelette d'accouplement (ou modifié l'organisation du cytosquelette) l'affichage des déplacements localisés près du site d'application, comme le montre la figure 4 et que peu de déformations induites plus loin. Comparables d'application de contrainte du cytosquelette au site d'insertion microaiguille (boîte orange) est observée pour les deux fibroblastes de contrôle (mCherry seul) et les fibroblastes avec une perturbation du cytosquelette nucléo-raccord (DN KASH). Toutefois, induit des déplacements nucléaire et du cytosquelette (bleu, jaune, et les boîtes rouges) à d'autres régions ont été significativement plus faible dans les fibroblastes avec perturbé nucléo-cytosquelette d'accouplement (DN KASH) que dans les cellules de contrôle (mCherry seule) (figure 4). Ainsi, la diminution des déplacements du cytosquelette et nucléaires en dehors du site d'application souche, indique que la transmission vigueur entre le cytosquelette et le noyau a été perturbé.
Surtout, nous avons également validé que les mitochondries sont adaptés marqueur du cytosquelette, en effectuant des manipulations micro-aiguille sur les fibroblastes embryonnaires de souris transfectées avec GFP ou mCherry actine et GFP-vimentine et marqué par fluorescence avec Mitotracker vert ou rouge. Cartes de déplacement du cytosquelette ont été calculés de façon indépendante à partir du signal de fluorescence de la mitochondrie et le cytosquelette d'actine ou de la vimentine. Le déplacement absolue moyenne a été calculée pour quatre régions du cytosquelette à des distances croissantes loin du site d'application de contrainte. Les valeurs de pente et de R-carré ont été calculés à partir de la régression linéaire entre les mesures obtenues à partir des mitochondries et de l'actine ou la vimentine, respectivement. Pour l'actine, la pente était de 0,99 et la valeur R2 de 0,986; pour la vimentine, la pente est de 1,04 et la valeur R2 était 0,971, confirmant que les déplacements mitochondriale servir d'indicateurs fiables pour les déformations du cytosquelette.
Figure 1. L'application de contrainte sur le substrat fibroblastes embryonnaires de souris (MEF). Fibroblastes embryonnaires de souris réparties sur deux zones distinctes sur la membrane de silicium ont été imagées avec un contraste de phase et la microscopie par fluorescence, avant, pendant et après l'application de la déformation uniaxiale de 20%. (A) Exemple d'une expérience réussie avec des noyaux provenant de cellules valables qui ont survécu à l'application de contrainte sans aucun dommage ou de détachement et de (B) par exemple des cellules qui se rétractent / partiellement détachée lors de l'application de contrainte; des résultats à partir des cellules représentées en (B) sont exclus de l'analyse. En (B), la cellule sur le côté gauche montre des signes de dommages nucléaires du cytosquelette et de l'effondrement (flèche), tandis que la cellule sur le côté droit se détache partiellement et se rétracte lors de l'application de contrainte. Cela peut être une indication de l'application de contrainte excessive. Pour une meilleure comparaison, dans (A) et (B) à la frontière de l'une des membranes cellulaires non étirée est souligné en rouge et superposés sur la même cellule pendant et après l'application de contrainte. Dans (A) de la frontière du noyau étiré est décrite dans le vert et superposées sur le même noyau, pendant et après l'application de contrainte.
Figure 2. Analyse de la déformation nucléaire normalisée dans un panel de différentes lignées de cellules MEF MEF de l'LMNA -. / - Et LMNA + / - fond génétique ectopique exprimant soit un vecteur vide ou de type sauvage lamine A ont été analysés. En comparaison à partir de MEFs sœurs de type sauvage (LMNA + / +), la perte de la lamine A résultats / expression C de la rigidité nucléaire a diminué qui peut être entièrement restauré par la réintroduction de type sauvage lamine A. Notamment, réduit la raideur nucléaire se traduit par augmentation des valeurs de déformation nucléaire normalisée. Les barres d'erreur représentent les erreurs standard.
Figure 3. Dosage de la manipulation Microneedle pour mesurer la transmission intracellulaire vigueur. Contraste de phase (A, B) et de fluorescence (C, D) des images d'un fibroblaste étiquetés avec colorant nucléaire (bleu) et mitochondrial Mitotracker tache (en vert). Un micro-aiguille a été insérée dans le cytosquelette à une distance définie par le noyau (A et C) et ensuite déplacé vers la périphérie de la cellule (B, D). Déplacements du cytosquelette et nucléaires ont été quantifiées par le noyau marqué par fluorescence de suivi et les mitochondries en utilisant une mesure écrite algorithme de corrélation croisée. Plan de déplacement (E) de la finale du cytosquelette (vert) déformations calculées à partir de séries d'images de fluorescence; longueur de flèche est magnifié par 2x pour une meilleure visibilité. Barres d'échelle, 10 um.
Figure 4. Analyse de la transmission intracellulaire vigueur lors de la manipulation microaiguille. Induite déplacements du cytosquelette et nucléaires lors de la manipulation microaiguilles, mesurée dans les domaines correspondant aux cases colorées (en médaillon en A). La boîte orange est le site d'application de contrainte. Malgré l'application souche semblable dans le cytosquelette (boîte orange), induit des déplacements nucléaire et du cytosquelette (bleu, jaune, et les cases rouges) ont été significativement plus faible dans les fibroblastes embryonnaires de souris qu'avec un perturbé nucléo-cytosquelette d'accouplement (DN KASH) par rapport au contrôle ( mCherry seul) des cellules.
Dosage de souche Substrat
L'application souche a été utilisée avec succès par nous et d'autres groupes pour étudier les déformations induites nucléaire dans des cellules soumises à des contraintes mécaniques et à enquêter sur la contribution des protéines spécifiques de l'enveloppe nucléaire à la rigidité nucléaires. 4-8 L'avantage de cette technique est qu'elle sondes propriétés mécaniques noyaux de vie dans leur environnement cellulaire et du...
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Ce travail a été soutenu par le National Institutes of Health (R01 et R01 HL082792 NS059348) et le Brigham and Women Award de l'Hôpital de cardiologie Leadership Group.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nom de réactif | Société | Numéro de catalogue | |
La fibronectine | Millipore | FC010 | |
Mitotracker Rouge FM et FM Vert | Invitrogen | M22425 et M-7514 | |
Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | |
Hank Saline saline tamponnée | Invitrogen | 14185 | |
Phénol libre, DMEM | Invitrogen | 21063 | |
Sérum fœtal bovin | Aleken Biologicals | FBSS500 | |
Pénicilline / streptomycine | Sigma | P0781-100ML | |
Verre borosilicate avec filament | Instrument Sutter | BF100-78-10 | |
Gloss / Brillant feuilles de silicone non renforcé, 0,005 " | Spécialité Manufacturing Inc | ||
Phosphate de Dulbecco saline tamponnée | Invitrogen | 14200 | |
35 mm plats en verre à fond la culture (FluoroDish) | World Precision Instruments, Inc | FD35-100 | |
Graisser Braycote vide 804 | Fournitures Spi | 05133A-AB |
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