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脂肪食は、脂肪滴の分解を伴うオートファジーの選択的な形態です。このプロセスの機能不全は、がんの発症に関連しています。しかし、その正確なメカニズムはまだ完全には解明されていません。このプロトコルでは、オートファジー、脂質代謝、およびがんの進行の相互作用をよりよく理解するための定量的イメージングアプローチについて説明します。
マクロオートファジーは、一般にオートファジーと呼ばれ、細胞成分の分解に関与する高度に保存された細胞プロセスです。このプロセスは、空腹時、細胞ストレス、オルガネラ損傷、細胞損傷、細胞成分の老化などの条件下で特に顕著です。オートファジーでは、細胞質の一部がオートファゴソームと呼ばれる二重膜小胞に囲まれ、オートファゴソームがリソソームと融合します。この融合後、オートファゴソームの内容物は、リソソームによって促進される非選択的なバルク分解を受けます。しかし、オートファジーは、ミトコンドリア、ペルオキシソーム、リソソーム、核、脂質滴(LD)などの特定のオルガネラを標的とする選択的な機能も示します。脂肪滴は、細胞質から中性脂質を分離するリン脂質単層によって囲まれており、過剰なステロールや遊離脂肪酸(FFA)の有害な影響から細胞を保護します。オートファジーは、神経変性疾患、代謝障害、がんなど、さまざまな疾患に関与しています。具体的には、脂肪分(オートファジー依存的に脂肪滴を分解する)は、さまざまな代謝状態における細胞内FFAレベルの調節に重要な役割を果たします。この制御は、膜合成、シグナル伝達分子の形成、エネルギーバランスなどの重要なプロセスを支えています。その結果、脂肪食の障害は、死の刺激に対する細胞の脆弱性を高め、癌などの疾患の発症に寄与します。その重要性にもかかわらず、がん細胞の脂肪食によって制御される脂質飛沫代謝を支配する正確なメカニズムは、まだ十分に理解されていません。この記事では、がん細胞の代謝変化に関連する脂肪食の研究を可能にする共焦点イメージング取得および定量的イメージング解析プロトコルについて説明することを目的としています。これらのプロトコールを通じて得られた結果は、オートファジー、脂質代謝、およびがんの進行との間の複雑な相互作用に光を当てる可能性があります。これらのメカニズムを解明することで、がんをはじめとする代謝性疾患に対する新たな治療標的が出現する可能性があります。
オートファジーとは、細胞がその成分をリソソームに輸送して分解する異化プロセスを表すために使用される一般的な用語です。現在までに、マイクロオートファジー、マクロオートファジー、シャペロン介在オートファジーの3種類のオートファジーが同定されています1,2,3。マクロオートファジー(以下、オートファジー)は、細胞の恒常性を調節するための必須経路です。このバランスの乱れは、病的状態の発症につながる可能性があります4。
オートファジーは、複数のステップを含む複雑なプロセスです。最初のステップはオートファジー誘導で、成長因子(インスリンおよびインスリン様成長因子)の離脱、病原性感染症、細胞エネルギーレベル(ATP)の低下、細胞外または細胞内ストレス(低酸素症、小胞体(ER)ストレス、酸化ストレスなど)、栄養欠乏(アミノ酸、グルコース)5.第2のステップは、ファゴフォアの形成に関係しており、ER、原形質膜、およびミトコンドリアから膜の分離が開始されます。de novo形成には、Ser/ThrキナーゼUnc-51様キナーゼ-1複合体(ULK1:酵母のATG1)、Beclin-1、VPS34など、逐次的に動員される細胞質タンパク質の保存機構が含まれます6。ULK1複合体の形成後、クラスIIIホスファチジルイノシトール3-キナーゼ(PI3K)複合体Iは、カーゴ8の初期隔離で機能する単離膜(IM)に動員されます。さらに、ULK1複合体は、ATG9を分離膜(IM)に動員する能力を有しており、これはATG9小胞がIMの増殖を促進する膜担体として認識されているため、重要なステップである9。
この増殖過程には、微小管関連タンパク質1軽鎖3(LC3-I)系とATG12系10という2つのユビキチン様(Ubl)標識系が重要です。標識に先立って、LC3前駆体は切断を受けます。次いで、細胞質LC3-Iをホスファチジルエタノールアミン(PE)に結合させて、膜結合LC3-PE(LC3-II)を産生し、オートファゴソーム形成を促進する11。このプロセスでは、貨物を形成中の二重膜オートファゴソームに取り込む必要があります。オートファジーは、分解のためのランダムなターゲットを内在化したり、p62/SQSTM112などの特定のオートファジー受容体を介して選択的なカーゴを捕捉することができます。最後のステップは、形成されたオートファゴソームとリソソームの融合であり、オートリソソームの形成につながります。オートリソソーム形成の正確なメカニズムは依然としてとらえどころのないままであるが、膜テザリング複合体、RAS関連GTP結合タンパク質、および可溶性-N-エチルマレイミド感受性因子付着タンパク質受容体(SNARE)タンパク質がこの融合プロセスに関与している13。さらに、微小管細胞骨格系は、成熟したオートファゴソームおよびリソソームをランダムな開始部位から核周囲領域に向けて輸送し、オートリソソーム形成を行うために不可欠である14,15,16。オートリソソームでは、ランダムにまたは選択的に隔離されたカーゴは、リソソームプロテアーゼ17によってタンパク質分解的に分解される。
オートファジープロセスは、すべての真核生物にわたって保存されており、細胞質のターンオーバーを通じて細胞内状態を調節する上で重要です。誤って折りたたまれたタンパク質や凝集したタンパク質を除去し、細胞内病原体を排除し、損傷した細胞小器官を取り除きます。オートファジーの標的として、小胞体、ミトコンドリア、ペルオキシソーム、リソソーム、核、LDなど、いくつかのオルガネラが報告されています16,18,19,20,21,22。LDはERに由来し、脂質とエネルギーの恒常性の中心となる重要な貯蔵オルガネラです。それらの異なる構造は、特定のタンパク質が埋め込まれたリン脂質単層に囲まれた中性脂質の疎水性コアで構成されています。これらの液滴は、膜接触部位23を通じて様々な細胞小器官と相互作用することができる。さらに、オートファジーは一次資源をリサイクルして最適な細胞状態を維持するのに役立ちます。例えば、LDの分解は、脂肪酸β酸化24を通じてATP産生につながる可能性がある。
オートファジーは、神経変性疾患、代謝障害、がんなど、さまざまな疾患と関連しています17。オートファジーは、状況に応じて、がんの腫瘍増殖を促進または阻害することができます25,26。例えば、Beclin 1 +/-マウスは、肺、肝臓、および乳腺組織などの臓器における自然リンパ腫および癌腫の発生率が高い。逆に、腸上皮細胞におけるオートファジー関連遺伝子Atg7の喪失は、結腸直腸癌における原発性腫瘍抑制因子である大腸腺腫性大腸菌(APC)の喪失によって引き起こされる腫瘍増殖を弱める27,28。したがって、オートファジー関連遺伝子の喪失は、腫瘍の成長に逆の影響を与える可能性があります。
がん細胞は、その成長、分裂、生存を維持するためにエネルギーを産生しなければならない29。それらは、構造成分の生合成およびエネルギー生産30に使用される脂質に対して高い結合力を有する。がん細胞は、環境条件に代謝を適応させることができます。例えば、子宮頸がん由来のHeLa細胞で解糖が抑制されると、酸化的リン酸化が増加して生存に必要なATPが得られる31。細胞内の脂質は、高濃度では細胞毒性が生じる可能性があるため、非エステル化FFAとしては存在しません。それどころか、細胞はFFAとコレステロールを、ステロールエステルやトリグリセリドなどの中性で不活性な生体分子としてLDに貯蔵する32。その結果、脂肪食は、がん研究の新たな分野であるFFAsにエネルギーを生成するためのFFAを供給することにより、がん代謝に貢献することができます。しかし、がん細胞におけるミトコンドリアFA酸化をアップレギュレートする経路は、まだ十分に解明されていません。FFAの取り込みと蓄積は、さまざまながんの種類の攻撃性を高めることが示されています33,34,35。脂質代謝リプログラミングは、がん代謝リプログラミングの特徴であり、腫瘍微小環境36,37における有害な生理学的シナリオを管理するための適応応答として極めて重要な役割を果たしている。実際、LDの蓄積は、肺がん、乳がん、および前立腺がんを含む多くのヒトのがんで観察されており、侵攻性と臨床予後不良と関連している38,39,40。
オートファジーとLDががん代謝に関連性を持ち、そのメカニズムが十分に理解されていないことを考えると、オートファジーががんの発生に寄与する研究のためのプロトコルを確立することが不可欠です。この研究では、がん細胞の脂質代謝変化を調査するための共焦点イメージング取得および定量的イメージング分析プロトコルを通じて脂肪食を評価するためのプロトコルについて説明します。
本研究は、上皮性腺がんHeLa細胞(CCL2、ATCC)を用いて行われました。このプロトコルは、野生型 (p62/SQSTM1-S182S) とオートファジー受容体 p62/SQSTM1 の 2 つの部位特異的変異体を発現する細胞における LD 数変動と LD-オートファゴソーム相互作用の時間経過を定量化するために、生細胞での脂肪食誘導中の脂質滴 (LD) の研究に焦点を当てています16.リン酸化欠損型(p62/SQSTM1-S182A)の発現はLDの数を増加させ、リン酸化模倣型(p62/SQSTM1-S182E)の発現はLDの数を減少させる16。まず、共焦点顕微鏡を用いて生細胞中のLDを解析する方法について述べる。次に、偏りのない全自動画像取得と解析のプロトコルを、ロボット化された共焦点顕微鏡を使用して説明します。この研究で使用した試薬と機器の詳細は、 資料表に記載されています。
1. 共焦点ライブセルイメージング
2. 固定細胞における全自動共焦点画像取得と画像解析
注:この方法では、いくつかの条件を評価し、各条件に対して3倍の測定を行うことができるため、平均測定値の信頼性が向上し、実験間の統計的微分のための標準偏差または標準誤差の決定が可能になります。この分析法のワークフローは、 図 1 に示すフローチャートに示されています。
共焦点ライブセルイメージング
LDは動的であり、p62/SQSTM1陽性オートファゴソームと一過性に相互作用します。脂肪食が誘発されると、これらの相互作用によりLDの数とそれらの総蛍光強度が減少します。このプロトコルでは、オートファジー受容体p62/SQSTM1のリン酸化変異体を用いて、これらの影響を調べた16。
LD...
共焦点顕微鏡法や画像解析プロトコルなどの定量的イメージング技術は、脂肪食16,42,43中のLDのダイナミクスに関する貴重な洞察を提供してきました。これらの技術により、LDのリアルタイムの可視化と定量が可能になり、LDの数、サイズ、および他のオルガネラとの相互作用の分析が可能になりま...
著者には、開示すべき利益相反はありません。
オペレッタのロボット共焦点顕微鏡は、Fondo de Equipamiento Mediano (FONDEQUIP) N° EQM220072助成金によって資金提供されました。C.L.は、サンセバスチャン大学の博士課程奨学金であるVicerrectoria de Investigación y Doctorados(VRID)の支援を受けました。C.S.は、Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo(ANID)奨学金の支援を受けました。D.T.とJ.C.は、Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico(FONDECYT)N°1221374助成金の支援を受けました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
35 mm glass-bottom dishes | MatTek | P35G-1.5-14-C | |
Bafilomycin A1 | Tocris | 1334 | 200 nM |
BODIPY 493/503 | Invitrogen | D3922 | 0.5 mM |
CaCl2 | Merck | 102378 | 0.1 mM |
ComDet V Plugin | ImageJ | ImageJ FIJI | |
DAPI | Invitrogen | D1306 | 125 mg/mL |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) | Gibco | 12800017 | |
ES-qualified HEPES buffer | Cytiva HyClone AdvanceSTEM | SH3085101 | 10 mM |
Etomoxir | SigmaAldrich | E1905 | 100 mM |
Fetal Bovine Serum | Cytiva HyClone AdvanceSTEM | SH3039603 | 10% v/v |
Forma Series II Water-Jacketed CO2 Incubator | Thermo Scientific | 3111 | 37 °C, 5% CO2 |
Harmony Phenologic software | Revvity | image analysis software | |
HeLa cells | ATCC | CCL-2 | Maintain cells at a low passage number, ideally between 8 and 10, to ensure optimal cellular characteristics. |
HEPES | Merck | 110110 | 10 mM |
High-speed clinical centrifuge | DLAB | DM0412 | |
Immersion Oil | Leica | 11513859 | |
MgCl2 | Merck | 814733 | 1 mM |
Operetta CLS Live spinning-disk microscope | Revvity | HH16000020 | |
Optical bottom 96-well plates | Thermo Scientific | 165305 | |
Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 157-8 | 4%v/v |
penicillin/streptomycin/Amphotericin B | Biological Industries | 030331b | (1000 µ/mL, 100 mg/mL, 100 mg/mL) |
Phosphate-buffered saline (PBS) | Sartorius | 020235A | 1x |
Red-phenol free DMEM | Gibco | 31053028 | |
T863 | Merck | SML0539 | 50 mM |
TCS SP8 Leica confocal microscope | Leica Microsystems | ||
TransIT-LT1 Transfection Reagent | Mirus | MIR 2304 | |
Triton X-100 | Merck | T9284 | 0.20% |
Trypsin/EDTA | Gibco | 252000056 | 0.25% v/v |
UNO-TEMP controller | Okolab | OK-H401-T-CONTROLLER | 37 °C |
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