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Qui, viene descritto un metodo di cromatografia liquida in fase normale ad alte prestazioni per rilevare e quantificare i retinoidi critici coinvolti nella facilitazione della funzione visiva sia nel tessuto oculare che in quello sistemico, nel contesto dell'apporto sistemico di vitamina A per generare il cromoforo fotosensibile essenziale della rodopsina 11-cis-retinale.
I recettori accoppiati a proteine G (GPCR) sono una superfamiglia di proteine transmembrana che avviano cascate di segnalazione attraverso l'attivazione della sua proteina G in seguito all'associazione con il suo ligando. In tutti i mammiferi, la rodopsina è il GPCR responsabile dell'inizio della cascata di fototrasduzione. All'interno dei fotorecettori, la rodopsina è legata al suo cromoforo 11-cis-retinico e viene attivata attraverso l'isomerizzazione fotosensibile di 11-cis-retinico a all-trans-retinal, che attiva la proteina G della transducina, con conseguente cascata di fototrasduzione.
Mentre la fototrasduzione è ben compresa, i processi coinvolti nell'apporto di precursori della vitamina A nella dieta per la generazione di 11-cis-retinale nell'occhio, così come le malattie che provocano l'interruzione di questo approvvigionamento, non sono ancora completamente compresi. Una volta che i precursori della vitamina A vengono assorbiti nell'intestino, vengono immagazzinati nel fegato come esteri del retinile e rilasciati nel flusso sanguigno come all-trans-retinolo legato alla proteina legante il retinolo 4 (RBP4). Questo RBP4-retinolo circolatorio sarà assorbito dagli organi sistemici, come fegato, polmoni, reni e occhi. Pertanto, un metodo per la quantificazione dei vari metaboliti della vitamina A alimentare nell'occhio e negli organi sistemici è fondamentale per lo studio della corretta funzione della rodopsina GPCR.
In questo metodo, presentiamo un metodo completo di estrazione e analisi per l'analisi della vitamina A nel tessuto murino. Attraverso l'analisi cromatografica liquida ad alte prestazioni in fase normale, tutti gli isomeri rilevanti di retinaldeide, retinoli ed esteri retinilici possono essere rilevati simultaneamente attraverso un'unica corsa, il che consente l'uso efficiente di campioni sperimentali e aumenta l'affidabilità interna tra diversi metaboliti della vitamina A all'interno dello stesso campione. Con questo metodo completo, i ricercatori saranno in grado di valutare meglio l'apporto sistemico di vitamina A nella funzione GPCR della rodopsina.
I recettori accoppiati a proteine G (GPCR) sono una delle superfamiglie di proteine più studiate e caratterizzate conosciute. Nella sua funzione più nota, i GPCR fungono da recettore della superficie cellulare nella trasduzione del segnale, inizializzando le risposte intracellulari dopo il legame con un ligando specifico. I GPCR sono caratterizzati da sette domini elicoidali transmembrana (TM) e sei domini ad anello totale. Dei sei loop, tre loop sono orientati extracellulare per facilitare il legame del ligando, mentre gli altri tre loop intracellulari sono accoppiati a una proteina G eterotrimerica costituita dalle subunitàGα, Gβ e Gγ 1,2.
I GPCR sono classificati in diverse classi, tra cui la classe A rodopsina-simile, la famiglia dei recettori della secretina di classe B, il glutammato di classe C, i recettori dei feromoni di accoppiamento fungino di classe D, i recettori AMP ciclici di classe E e la classe F crespata/levigata 3,4. Come suggerisce il nome, la sottoclasse GPCR di classe A simile alla rodopsina include la rodopsina, il GPCR critico responsabile della fototrasduzione e della funzione visiva. La rodopsina contiene tutte le caratteristiche chiave pertinenti e gli elementi strutturali che si trovano nel modello canonico dei GPCR, inclusi i sette domini elicoidali TM precedentemente menzionati, i sei loop extracellulari e intracellulari e l'associazione con una proteina G eterotrimerica, nota anche come transducina (Gt) nei fotorecettori 1,5,6,7. All'interno della tasca di legame della rodopsina, l'11-cis-retinal, il ligando cromoforo sensibile alla luce, si lega alla rodopsina sulla lisina 296 attraverso un legame covalente di base di Schiff, formando così l'11-cis-retinilidene-1,8. Dopo l'assorbimento di un fotone, l'11-cis-retinilidene fotoisomerizza in all-trans-retinilidene, inducendo un cambiamento conformazionale all'interno della rodopsina. Pertanto, il ligando 11-cis-retinico è fondamentale per la funzione della rodopsina GPCR e un rifornimento robusto ed efficiente di 11-cis-retinale deve essere continuamente mantenuto per superare l'alto tasso di turnover all'interno dei fotorecettori.
Le retinaldeidi come l'11-cis-retinale appartengono a un gruppo di molecole chiamate collettivamente retinoidi, e i retinoidi biologicamente rilevanti sono più ampiamente indicati come vitamina A. I retinoidi sono caratterizzati da un gruppo terminale ciclico collegato a una catena di poliene coniugata, con un gruppo terminale polare all'altra estremità. Le retinaldeidi e i vitameri associati della vitamina A non fanno eccezione a questa caratterizzazione, che contengono l'anello β-ionone come gruppo terminale ciclico, una catena di poliene diterpenico e un gruppo terminale polare diverso a seconda del vitamero, cioè il gruppo aldeidico per le retinaldeidi, il gruppo ossidrile per i retinoli, il gruppo carbossilico per gli acidi retinoici, il legame estere per gli esteri del retinile, ecc. (Figura 1)9,10.
I mammiferi non possono sintetizzare la vitamina A de novo, ma le piante sì; Pertanto, tutti i retinoidi all'interno dei sistemi dei mammiferi devono provenire dalla dieta dei produttori di origine vegetale fino ai consumatori della catena alimentare. Nel modello canonico del metabolismo della vitamina A, il β-carotene, l'archetipo della provitamina A della pianta, viene assorbito nell'enterocita intestinale attraverso il recettore scavenger di classe B, membro 1 (SCARB1), scisso in due molecole di all-trans-retinal dalla β-carotene ossigenasi 1 (BCO1/BCMO1), che si lega alla proteina legante la retinaldeide 2 (RBP2) ed è ridotto a all-trans-retinolo dalle retinolo deidrogenasi (RDH), convertito in esteri retinilici dalla lecitina retinolo aciltransferasi (LRAT), e quindi inviato al flusso sanguigno nei chilomicroni 11,12,13,14. Gli esteri del retinile, come il palmitato di retinile, d'altra parte, fungono da provitamina A predominante da fonti animali. Il palmitato di retinile dal lume intestinale viene idrolizzato in all-trans-retinolo dalla carbossilesterasi 1 (CES1) e si diffonde nell'enterocita intestinale15. Il fegato è il principale organo di stoccaggio e omeostatico per l'omeostasi della vitamina A, che assorbe gli esteri del retinile all'interno di questi chilomicroni, che vengono idrolizzati in all-trans-retinolo legato alla proteina 1 legante il retinolo cellulare (CRBP1) dalle idrolasi degli esteri del retinile, entrano nelle cellule stellate epatiche e vengono riconvertiti in esteri del retinile da LRAT per la conservazione13,16, 17. Per mantenere un livello omeostatico di vitamina A nell'organismo, il fegato rilascia vitamina A sotto forma di all-trans-retinolo legato a un complesso di trasporto del siero, costituito dalla proteina legante il retinolo 4 (RBP4) e dalla transtiretina (TTR)15,18,19. Questo complesso sarà indicato come olo-RBP4 in questo manoscritto.
Per utilizzare questo apporto sistemico di vitamina A nel sangue, i tessuti sistemici, compreso il tessuto oculare dove viene mantenuta una robusta fonte di vitamina A, devono disporre di un metodo per assorbire l'olo-RBP4 nei tessuti. All'interno della retina ricca di fotorecettori nel tessuto oculare, il recettore di membrana stimolato dall'acido retinoico 6 (STRA6) è il trasportatore implicato in questa funzione. Negli studi meccanicistici, STRA6 ha dimostrato di essere in grado di facilitare l'assunzione di all-trans-retinolo extracellulare dall'olo-RBP4 nell'RPE20. Questo all-trans-retinolo importato entrerà quindi nel ciclo visivo, che è il processo mediante il quale l'all-trans-retinolo viene convertito in 11-cis-retinale all'interno dell'RPE e del segmento esterno del fotorecettore, facilitando così la funzione visiva quando legato alla rodopsina 9,21.
Una volta che l'all-trans-retinolo dall'olo-RBP4 circolatorio attraversa la barriera emato-retinica nell'RPE all'interno del tessuto oculare attraverso STRA6, l'all-trans-retinolo nell'RPE viene prima esterificato in esteri retinilici da LRAT, quindi idrolizzato in 11-cis-retinolo dalla proteina 65 kDa specifica per l'epitelio pigmentato retinico (RPE65). L'11-cis-retinolo viene quindi convertito in 11-cis-retinico dalla retinolo deidrogenasi 5. Questo 11-cis-retinico viene quindi trasportato nel segmento esterno del fotorecettore (OS) dalla proteina legante i retinoidi interfotorecettori (IRBP)9,21. All'interno del reticolo endoplasmatico che circonda il nucleo del fotorecettore all'interno dello strato nucleare esterno (ONL), i GPCR dell'opsina vengono sintetizzati e trasportati attraverso il cilio di connessione (CC). Le proteine motrici coinvolte in questo trasporto attraverso il CC sono controverse, ma le ipotesi attuali implicano che il trasporto intraflagellare basato sulla chinesina e la dineina (IFT) o il trasporto basato sulla miosina siano probabili facilitatori di questo processo 14,22,23,24,25,26. Una volta che questi due componenti si incontrano all'interno dei dischi membranosi all'interno dell'OS, l'11-cis-retinale e l'opsina formano l'11-cis-retinilidene attraverso un legame covalente alla base di Schiff alla lisina 196 sulla rodopsina, pronta per la fototrasduzione8.
Mentre l'espressione di STRA6 all'interno dell'RPE della retina aiuta a facilitare l'assunzione di all-trans-retinolo da holo-RBP4, STRA6 non è stato trovato per essere espresso nel fegato, nonostante il suo ruolo come principale organo omeostatico per la vitamina A e mostrando capacità nell'assunzione di all-trans-retinolo da holo-RBP4 15,19,27,28, 29,30,31. Alla fine, è stato scoperto un recettore analogo chiamato recettore 2 della proteina legante il retinolo 4 (RBPR2), che mostra la capacità di assumere all-trans-retinolo da olo-RBP4, molto simile a STRA6, ma è espresso nel tessuto epatico32.
Pertanto, una comprensione completa del ruolo della rodopsina nella funzione visiva richiede una comprensione dei processi biologici che culminano nella rigenerazione del pigmento visivo. Questo è, a sua volta, intimamente correlato ai processi precedentemente descritti, tra cui il metabolismo dei precursori della provitamina A, l'immagazzinamento all'interno del fegato, il rilascio di olo-RBP4 da parte del fegato e l'eventuale assorbimento di olo-RBP4 attraverso i recettori di membrana STRA6 e RBPR2. Come accennato in precedenza, i modelli animali come i topi rimangono uno dei principali modelli nello studio di tali processi. Pertanto, vorremmo presentare un metodo di estrazione per i retinoidi nel tessuto murino, nonché un metodo di cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) in fase normale in grado di rilevare e quantificare questi retinoidi. Utilizzando questi metodi, gli importanti retinoidi sopra descritti, come il ligando della rodopsina 11-cis-retinica o il retinoide di trasporto principale all-trans-retinolo, possono essere analizzati in organi oculari, epatici e sistemici. Valutando l'apporto di retinoidi nel tessuto murino, la nostra comprensione degli stati patologici e delle patologie legate all'apporto logistico di retinoidi può essere ulteriormente avanzata.
Oltre a funzionare come cromoforo nella funzione visiva attraverso l'associazione con i GPCR opsina, i retinoidi svolgono anche un ruolo importante nella segnalazione delle cellule di mammifero attraverso la segnalazione dell'acido retinoico, facilitata da due famiglie di recettori nucleari, i recettori dell'acido retinoico (RAR) e i recettori X retinoidi (RXR), che si legano direttamente al DNA e regolano la trascrizione genica33. Queste due famiglie o recettori utilizzano entrambe i retinoidi sotto forma di acidi retinoici come ligando. È stato dimostrato che i RAR hanno affinità sia per l'acido all-trans-retinoico che per l'acido 9-cis-retinoico, mentre gli RXR esprimono affinità per il solo acido 9-cis-retinoico 34,35. Gli acidi retinoici in quantità incontrollate sono teratogeni e la segnalazione dell'acido retinoico deve essere controllata in modo estremamente stretto36. La produzione di acidi retinoici per la segnalazione deve avvenire localmente e in momenti molto specifici per il corretto sviluppo dei tessuti, come nello sviluppo del rombencefalo e degli arti, ma innumerevoli altri esempi utilizzano la segnalazione dell'acido retinoico37,38. All'interno delle cellule che partecipano alla segnalazione dell'acido retinoico, gli acidi retinoici sono sintetizzati da due gruppi di enzimi, l'alcol/retinolo deidrogenasi (ADHs/RDHs) che facilitano l'ossidazione dei retinoli assunti da STRA6 o RBPR2 a retinaldeide, e le retinaldeide deidrogenasi (RALDHs) che facilitano l'ossidazione delle retinaldeidi ad acidi retinoici39. Pur non partecipando di per sé alla segnalazione dei GPCR, gli acidi retinoici si presentano comunque come un retinoide cruciale che funge anche da ligando per i recettori di segnalazione.
Sebbene non sia qui descritto in dettaglio, vorremmo riconoscere i metodi precedentemente consolidati per la rilevazione dei retinoidi utilizzando l'HPLC in vari contesti, come nella ricerca alimentare e nello studio della rodopsina microbica. Questi metodi impiegano diversi obiettivi e approcci alla rilevazione dei retinoidi, tra cui l'uso di tecniche di fase inversa che richiedono fasi mobili meno volatili e pericolose 40,41,42, la rilevazione degli acidi retinoici e dei loro isomeri associati 40,41 e la purificazione e l'estrazione da diverse fonti biologiche43. Il nostro metodo si concentra in particolare sulla rilevazione del palmitato di retinile, degli isomeri della retinaldeide e degli isomeri del retinolo dal tessuto dei mammiferi. È necessario prendere in considerazione protocolli diversi se il caso d'uso previsto differisce da questa specifica applicazione.
NOTA: Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) dell'Università del Minnesota (protocollo # 2312-41637A) ed eseguiti in conformità con la dichiarazione ARVO per l'uso degli animali nella ricerca oftalmica e visiva. Eseguire tutte le estrazioni al buio, sotto una luce rossa fioca per l'illuminazione. Prestare attenzione alla luce residua emessa dai display degli strumenti e dai LED degli accessori.
1. Generazione standard di retinoidi spettrofotometrici e generazione di curve standard esterne
NOTA: Preparare un contenitore per il ghiaccio secco per la conservazione temporanea dei retinoidi prima dell'analisi con l'HPLC.
2. Prelievo dei tessuti e raccolta dei campioni
NOTA: Preparare un contenitore per ghiaccio secco per la conservazione temporanea dei tessuti prima dell'omogeneizzazione dei tessuti e dell'estrazione dei retinoidi. Le quantità raccomandate per la raccolta dei tessuti sono descritte in dettaglio nella Tabella 2. Per tenere conto delle variazioni dei retinoidi dovute alle variazioni del contenuto ematico per ciascun tessuto, l'estrazione del tessuto deve essere eseguita su topi completamente perfusi e l'estrazione del sangue deve essere completata su topi separati.
3. Omogeneizzazione tissutale
NOTA: Se si desidera analizzare partizioni più piccole di organi, come in organi più grandi (ad esempio, fegato o tessuto polmonare), l'intero organo deve essere omogeneizzato per evitare differenze nel contenuto di retinoidi in diverse parti del tessuto. Invece, partizionare l'omogenato se si desiderano quantità minori di tessuto. Uno schema per il protocollo è dettagliato nella Figura 2. Questo protocollo modificato è stato adattato da Kane e Napoli44.
4. Estrazione dei retinoidi
ATTENZIONE: L'esano è altamente infiammabile, altamente volatile e altamente tossico. Quando si maneggia l'esano, è necessario utilizzare respiratori approvati dall'Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH), protezione per gli occhi, guanti butilici e una cappa aspirante. Quando si evapora l'esano dai campioni, si consiglia una qualche forma di apparato di circolazione dell'aria potenziato per prevenire l'accumulo di fumi di solvente, ad esempio un apparecchio di aspirazione a boccaglio.
5. Analisi di risospensione e HPLC
NOTA: Poiché il sistema HPLC utilizzato in questo manoscritto era un sistema di pompe binarie, la fase mobile a quattro componenti è stata premiscelata in una singola bottiglia prima dell'operazione.
ATTENZIONE: Tutti e quattro i solventi organici utilizzati in questo metodo sono altamente infiammabili, altamente volatili e altamente tossici. L'1,4-diossano è suscettibile alla formazione di perossidi esplosivi in seguito all'esposizione all'ossigeno. Tenere chiusi tutti i recipienti contenenti 1,4-diossano quando non vengono utilizzati. Per la manipolazione di questi solventi è necessario utilizzare respiratori, protezione per gli occhi, guanti butilici e una cappa aspirante approvati dall'Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH). Durante l'esecuzione di questi solventi in un'HPLC, si consiglia una qualche forma di apparato di circolazione dell'aria potenziato per prevenire l'accumulo di fumi di solvente, ad esempio un apparecchio di aspirazione a boccaglio.
6. Identificazione e integrazione dei picchi
Qui, abbiamo utilizzato il metodo sopra descritto per rilevare e quantificare i retinoidi nel tessuto oculare e sistemico murino e abbiamo generato cromatogrammi rappresentativi. Daremo inoltre un riassunto dei tipici retinoidi che possono essere rilevati in questi tessuti.
A 6 mesi di età, i topi sono stati soppressi attraverso l'asfissia da CO2 . Per mantenere il contenuto di retinoidi oculari, i topi sono stati adattati al buio per 2 giorni prim...
In questo metodo, l'HPLC in fase normale viene utilizzata per rilevare e quantificare i retinoidi rilevanti, inclusi esteri di retinile, retinaldeidi e retinoli. Data l'importanza dell'11-cis-retinico come cromoforo critico nell'attivazione della rodopsina GPCR, un metodo in grado di rilevare i metaboliti correlati alla produzione di 11-cis-retinico è fondamentale per lo studio della funzione visiva complessiva. Il vantaggio principale di questo metodo è che tutti gli...
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni NIH-NEI (EY030889 e 3R01EY030889-03S1) e in parte dai fondi di avviamento dell'Università del Minnesota a G.P.L. Vorremmo anche ringraziare il National Eye Institute per averci fornito lo standard 11-cis-retinale utilizzato in questo manoscritto.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagent | |||
1-Octanol, suitable for HPLC, ≥99.5% | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma | 203-917-6 | |
1,4-Dioxane, suitable for HPLC, ≥99.5% | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma | 204-661-8 | |
11-cis-retinal | National Eye Institute | N/A | |
11-cis-Retinol | Toronto Research Chemicals | TRC-R252105 | |
13-cis-retinal | Toronto Research Chemicals | TRC-R239900 | |
13-cis-retinol | Toronto Research Chemicals | TRC-R252110 | |
All-trans-Retinal | Toronto Research Chemicals | TRC-R240000 | |
All-trans-Retinol | Toronto Research Chemicals | TRC-R252002 | |
Ethyl Acetate, suitable for HPLC, ≥99.7% | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma | 205-500-4 | |
Hexane, HPLC Grade | Fisher Scientific, Spectrum Chemical | 18-610-808 | |
Methanol (HPLC) | Fisher Scienctific | A452SK-4 | |
Retinyl Palmitate | Toronto Research Chemicals | TRC-R275450 | |
Sodium Chloride (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Scientific | S271-500 | |
Instruments | |||
1260 Infinity II Analytical Fraction Collector | Agilent | G1364F | |
1260 Infinity II Binary Pump | Agilent | G7112B | |
1260 Infinity II Diode Array Detector | Agilent | G7115A | |
1260 Infinity II Multicolumn Thermostat | Agilent | G7116A | |
1260 Infinity II Vialsampler | Agilent | G7129A | |
ST40R Refrigerated Centrifuge | Thermo Scientific | TSST40R | |
Vacufuge Plus Centrifuge Concentrator | Eppendorf | 22820168 | |
Consumables | |||
2 mL Amber Screw Top Vials | Agilent | 5188-6535 | |
Crimp Cap with PTFE/red rubber septa, 11 mm | Agilent | 5183-4498 | |
Disposable Glass Conical Centrifuge Tubes | Millipore Sigma | CLS9950215 | |
Screw cap tube, 15 mL | Sarstedt | 62.554.502 | |
Vial insert, 150 µL, glass with polymer feet | Agilent | 5183-2088 |
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