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Method Article
Vi presentiamo due indipendenti, microscopio a base di strumenti per misurare le deformazioni indotte nucleare e del citoscheletro in camere singole, cellule viventi aderenti in risposta alla applicazione dello sforzo globale o localizzato. Queste tecniche vengono utilizzate per determinare la rigidità nucleare (cioè, deformabilità) e di sondare la trasmissione intracellulare vigore tra il nucleo e il citoscheletro.
Nella maggior parte delle cellule eucariotiche, il nucleo è l'organello più grande ed è tipicamente 2 a 10 volte più rigido del citoscheletro circostante, di conseguenza, le proprietà fisiche del nucleo contribuire in modo significativo il comportamento generale biomeccanico delle cellule in condizioni fisiologiche e patologiche. Per esempio, nella migrazione dei neutrofili ed invadere le cellule tumorali, rigidità nucleare può rappresentare un grosso ostacolo durante stravaso o il passaggio attraverso spazi ristretti all'interno dei tessuti 1. D'altra parte, il nucleo delle cellule nei tessuti meccanicamente attivi come muscolare richiede un adeguato sostegno strutturale resistere alle ripetute sollecitazioni meccaniche. È importante sottolineare che il nucleo è strettamente integrato nell'architettura di cellulari, ma è fisicamente collegato al citoscheletro circostante, che è un requisito fondamentale per il movimento intracellulare e il posizionamento del nucleo, per esempio, in cellule polarizzate, nuclei sinaptica a giunzioni neuromuscolari, o nella migrazione delle cellule. 2 Non sorprendentemente, mutazioni nelle proteine dell'involucro nucleare, come lamine e nesprins, che svolgono un ruolo critico nel determinare la rigidità nucleare e nucleo-citoscheletro accoppiamento, hanno dimostrato di recente per portare a una serie di malattie umane, tra cui Emery- Dreifuss distrofia muscolare, distrofia dei cingoli distrofia muscolare e cardiomiopatia dilatativa. 3 Per studiare la funzione di biofisica delle diverse proteine dell'involucro nucleare e l'effetto di mutazioni specifiche, abbiamo sviluppato metodi sperimentali per studiare le proprietà fisiche del nucleo in camere singole, le cellule viventi sottoposti a globale o localizzata perturbazione meccanica. Misura delle deformazioni indotte nucleari in risposta alla domanda di supporto proprio applicata ceppo rendimenti importanti informazioni sulla deformabilità del nucleo e permette di confronto quantitativo tra le diverse mutazioni o linee cellulari deficienti per specifiche proteine dell'involucro nucleare. Localizzata applicazione dello sforzo del citoscheletro con un microago viene utilizzato per integrare il dosaggio e può fornire ulteriori informazioni sulla trasmissione della forza intracellulare tra il nucleo e il citoscheletro. Studiare meccanica nucleare nelle cellule viventi conserva intatte l'architettura normale intracellulare ed evita artefatti potenziali che possono sorgere quando si lavora con nuclei isolati. Inoltre, lo sforzo di applicazione substrato presenta un buon modello per lo stress fisiologico sperimentato da cellule muscolari o di altri tessuti (per esempio, cellule muscolari lisce vascolari esposti al ceppo nave). Infine, mentre questi strumenti sono stati sviluppati principalmente per studiare la meccanica nucleare, possono anche essere applicato per studiare la funzione delle proteine del citoscheletro e di segnalazione meccanotrasduzione.
1. Substrato ceppo applicazione
La misurazione della pressione normalizzata nucleare comprende la preparazione di piatti tensioni con trasparente, membrane di silicone elastico come superficie di coltura cellulare di cellule placcatura sulle stoviglie, e l'acquisizione delle immagini delle cellule prima, durante e dopo (uniassiale o biassiale) applicazione dello sforzo.
Preparazione di piatti membrana di silicone e l'aderenza delle cellule
Substrato ceppo esperimenti
Analisi
2. Microago manipolazione test
Preparazione dei piatti, cellule aderenti, e microaghi
Microago manipolazione esperimento
Analisi
3. Rappresentante dei risultati:
Substrato ceppo applicazione
Abbiamo acquisito le immagini prima, durante e dopo l'applicazione dello sforzo di fibroblasti embrionali di topo da eterozigoti ed omozigoti lamina A / C-deficienti (LMNA + / - e LMNA - / -), e la wild-type (LMNA + / +) topo e successivamente calcolata la tensione normalizzata nucleare per ogni cella. Dopo l'analisi, i nuclei vengono convalidate e le cellule che diventano danneggiati o ritirare durante l'applicazione ceppo sono esclusi dall'analisi. La figura 1A mostra nuclei di tre cellule che sono validi, mentre Figura 1B mostra le celle che devono essere esclusi dall'analisi. Normalizzato i dati deformazione nucleare sono in pool di almeno tre esperimenti indipendenti (ciascuno contenente le misure da nuclei ~ 5-10) e confrontato con altre cellule o gruppi di trattamento con l'analisi statistica. Aumento della pressione normalizzata nucleare indica ridotta rigidità nucleare, come si è visto nelle cellule con ridotta espressione delle proteine dell'involucro nucleare lamina A / C (Figura 2).
Microago manipolazione test
Per l'analisi manipolazione microago, abbiamo ripreso spostamenti nucleare e del citoscheletro durante localizzata applicazione dello sforzo del citoscheletro. Le cellule che diventano danneggiati o staccati sono esclusi dall'analisi. Per l'analisi, si misura l'ampiezza dei movimenti nucleare e del citoscheletro verso il sito applicazione della forza in camere singole, cellule aderenti. Per esempio, in figura 3, si traccia mitocondriale (marker del citoscheletro) spostamenti prima e dopo la tensione del citoscheletro e poi tracciare gli spostamenti come vettori. Ogni vettore rappresenta lo spostamento calcolato come il passaggio tra la posizione originale e la posizione di nuova identificazione. Le regioni con un'immagine a bassa intensità o consistenza insufficiente (per esempio, le regioni al di fuori della cellula) sono esclusi dall'analisi. Gli spostamenti del citoscheletro e nucleare sono poi quantificati in aree selezionate a distanze crescenti dal sito di applicazione dello sforzo (Figura 4, le aree corrispondenti al colore boXES nel riquadro). In fibroblasti embrionali di topo con intatto nucleo-citoscheletro accoppiamento, le forze sono trasmesse attraverso le cellule intere, con conseguente indotto deformazioni nucleare e del citoscheletro che lentamente dissipare distanza dal sito di applicazione ceppo (Figura 4). Al contrario, i fibroblasti con disturbato nucleo-citoscheletro di accoppiamento (o alterati organizzazione del citoscheletro) display spostamenti localizzati vicino al sito di applicazione, come mostrato in figura 4 e solo deformazioni indotte poco più lontano. Comparabile applicazione dello sforzo del citoscheletro nel punto di inserimento microago (scatola arancione) si osserva per entrambi i fibroblasti di controllo (mCherry da sola) e fibroblasti con un nucleo perturbato-citoscheletro accoppiamento (DN KASH). Tuttavia, gli spostamenti indotti nucleare e del citoscheletro (blu, giallo, rosso e scatole) in altre regioni sono risultati significativamente più piccolo nel fibroblasti con interrotto nucleo-citoscheletro accoppiamento (DN KASH) rispetto alle cellule di controllo (solo mCherry) (Figura 4). Così, diminuzione spostamenti del citoscheletro e nucleare di distanza dal sito di applicazione dello sforzo, indica che la trasmissione della forza tra il citoscheletro e nucleo è stato disturbato.
È importante sottolineare che abbiamo anche convalidato che i mitocondri sono adatti marcatore del citoscheletro, effettuando la manipolazione microago sui fibroblasti embrionali di topo trasfettati con GFP-o mCherry actina e GFP-vimentina e fluorescente con Mitotracker verde o rosso. Mappe di spostamento del citoscheletro sono stati calcolati in maniera indipendente dal segnale fluorescente dei mitocondri e del citoscheletro di actina e vimentina. Lo spostamento medio assoluto è stata calcolata per quattro regioni distinte del citoscheletro a distanze crescenti di distanza dal sito di applicazione ceppo. I valori di pendenza e R-quadro sono stati calcolati dalla regressione lineare tra le misure ottenute dai mitocondri e da actina e vimentina, rispettivamente. Per actina, la pendenza è stato di 0,99 e il valore di R 2 è stato 0,986; per la vimentina, la pendenza è stato di 1,04 e il valore di R2 è stato 0,971, confermando che spostamenti mitocondriale servire come indicatori affidabili per le deformazioni del citoscheletro.
Figura 1. Ceppo applicazione substrato su fibroblasti embrionali di topo (MEF). Fibroblasti embrionali di topo si sviluppa su due aree distinte sulla membrana di silicio sono stati ripreso con contrasto di fase e microscopia a fluorescenza prima, durante e dopo l'applicazione del 20% di deformazione monoassiale. (A) Esempio di un esperimento di successo con nuclei valido dalle cellule che sopravvissero alla applicazione dello sforzo, senza alcun danno o distacco e (B) esempio di cellule che ritraggono / parzialmente staccata durante l'applicazione ceppo, i risultati dalle cellule rappresentato in (B) sono esclusi dall'analisi. In (B), la cella a sinistra mostra segni di danneggiamento e collasso del citoscheletro nucleare (freccia), mentre la cella a destra si stacca in parte e si ritrae durante l'applicazione dello sforzo. Questo può essere un'indicazione di applicazione dello sforzo eccessivo. Per una migliore confronto, in (A) e (B) il confine di una delle membrane cellulari non deformato è delineata in rosso e sovrapposta alla stessa cella durante e dopo l'applicazione dello sforzo. In (A) al confine del nucleo non deformato è delineata in verde e sovrapposta al nucleo stesso durante e dopo l'applicazione dello sforzo.
Figura 2. Analisi dei normalizzato ceppo nucleare in un pannello di diverse linee di cellule MEF MEF del LMNA -. / - E LMNA + / - background genetico ectopica che ha espresso un vettore vuoto o wild-type lamina A sono stati analizzati. In confronto al MEF da wild-type fratellini (LMNA + / +), perdita di lamina A / C espressione risultati in diminuzione rigidità nucleare che può essere completamente restaurato da reintroduzione di wild-type lamina A. In particolare, ha ridotto la rigidità nucleare si riflette valori aumentati di normalizzati ceppo nucleare. Le barre di errore rappresentano gli errori standard.
Figura 3. Test per misurare la manipolazione microago trasmissione intracellulare vigore. Contrasto di fase (A, B) e di fluorescenza (C, D) le immagini di un fibroblasto marcato con nucleare macchia (blu) e MitoTracker mitocondriale macchia (verde). Un microago è stato inserito nel citoscheletro ad una distanza definita dal nucleo (A e C) e successivamente spostato verso la periferia delle cellule (B, D). Spostamenti citoscheletro e nucleare sono stati quantificati tenendo traccia nucleo fluorescente e mitocondri utilizzando un custom-written cross-correlazione algoritmo. (E) Mappa di spostamento della finale del citoscheletro (verde) deformazioni calcolate da serie di immagini a fluorescenza; lunghezza della freccia è ingrandita di 2x per una migliore visilità. Barre di scala, a 10 micron.
Figura 4. Analisi di trasmissione della forza durante la manipolazione intracellulare microago. Indotto spostamenti del citoscheletro e nucleare durante la manipolazione microago, misurata nelle aree corrispondenti alle caselle colorate (riquadro in A). L'Orange Box è il sito di applicazione dello sforzo. Nonostante applicazione dello sforzo simile nel citoscheletro (scatola arancione), ha indotto spostamenti nucleare e del citoscheletro (blu, giallo, rosso e scatole) erano significativamente minori nei fibroblasti embrionali di topo che, con un nucleo perturbato-citoscheletro accoppiamento (DN KASH) rispetto al controllo ( mCherry solo) delle cellule.
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Substrato ceppo test
Applicazione ceppo è stato utilizzato con successo da noi e altri gruppi per lo studio delle deformazioni indotte nucleare in cellule sottoposte a stress meccanici e di indagare l'apporto di specifiche proteine dell'involucro nucleare alla rigidità nucleare. 4-8 Il vantaggio di questa tecnica è che le sonde proprietà meccaniche nuclei di vivere nel loro ambiente normale cellulare e del citoscheletro e che l'applicazione dello sforzo substrat...
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Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (R01 e R01 HL082792 NS059348) e il Brigham and Women Hospital Cardiovascolare Award Leadership Group.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome del reagente | Azienda | Numero di catalogo | |
Fibronectina | Millipore | FC010 | |
MitoTracker FM Rosso e Verde FM | Invitrogen | M22425 e M-7514 | |
Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | |
Sale di Hank Buffered Saline | Invitrogen | 14185 | |
Fenolo libero, DMEM | Invitrogen | 21063 | |
Siero fetale bovino | Aleken Biologicals | FBSS500 | |
Penicillina / streptomicina | Sigma | P0781-100ML | |
Vetro borosilicato con filamento | Sutter strumento | BF100-78-10 | |
Lucido / lucido non armato fogli di silicone, 0.005 " | Specialità Manufacturing Inc. | ||
Fosfato Dulbecco Buffered Saline | Invitrogen | 14200 | |
35 millimetri dal fondo di vetro piatti cultura (FluoroDish) | Mondo Strumenti di precisione, INC | FD35-100 | |
Braycote 804 vuoto Grasso | Spi rifornimenti | 05133A-AB |
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