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Method Article
여기에서는 특히 HIV-1 감염에 중점을 두고 소포체(ER) 스트레스 및 풀린 단백질 반응(UPR) 활성화를 측정하기 위한 몇 가지 확립된 방법에 대해 설명합니다. 이 기사에서는 또한 ER 스트레스/UPR이 HIV-1 복제 및 바이러스 감염성에 미치는 영향을 조사하기 위한 일련의 프로토콜에 대해 설명합니다.
바이러스 감염은 비정상적인 단백질 축적으로 인해 소포체(ER) 스트레스를 유발하여 풀림 단백질 반응(UPR)을 유발할 수 있습니다. 바이러스는 숙주 UPR을 조작하기 위한 전략을 개발했지만, 문헌에서 HIV-1 감염 중 UPR 조절 및 그 기능적 중요성에 대한 자세한 이해가 부족합니다. 이러한 맥락에서 현재 기사에서는 T 세포에서 HIV-1 감염 중 ER 스트레스 수준과 UPR을 측정하기 위해 실험실에서 사용하는 프로토콜과 UPR이 바이러스 복제 및 감염성에 미치는 영향에 대해 설명합니다.
티오플라빈 T(ThT) 염색은 단백질 응집체를 검출하여 세포의 ER 응력을 검출하는 데 사용되는 비교적 새로운 방법입니다. 여기에서는 ER 스트레스를 감지하고 정량화하기 위해 HIV-1에 감염된 세포에서 ThT 염색을 위한 프로토콜을 설명했습니다. 또한, 기존의 면역블로팅 및 정량적 역전사 중합효소 연쇄 반응(RT-PCR)을 사용하여 BiP, 인산화 IRE1, PERK 및 eIF2α와 같은 UPR 마커의 수준, XBP1의 접합, HIV-1 감염 세포에서 ATF6, ATF4, CHOP 및 GADD34의 절단을 측정함으로써 ER 스트레스도 간접적으로 감지되었습니다. 우리는 ThT 형광이 UPR 활성화 지표와 상관 관계가 있음을 발견했습니다. 이 기사는 또한 녹다운 실험과 약리학적 분자의 사용을 통해 ER 스트레스 및 UPR 조절이 HIV-1 복제에 미치는 영향을 분석하는 프로토콜을 보여줍니다. HIV-1 유전자 발현/복제 및 바이러스 생산에 대한 UPR의 영향은 각각 Luciferase 리포터 분석과 p24 항원 포획 ELISA로 분석하였으며, 비리온 감염력에 대한 영향은 감염된 리포터 세포의 염색으로 분석하였다. 종합적으로 이 일련의 분석법은 HIV-1 감염 중 풀린 단백질 반응 경로에 대한 포괄적인 이해를 제공하여 복잡한 역학을 드러냅니다.
후천성 면역 결핍 증후군(AIDS)은 CD4+ T-림프구의 수가 점진적으로 감소하여 면역 반응의 점진적인 실패를 초래하는 것이 특징입니다. 인간 면역결핍 바이러스-1(HIV-1)은 AIDS의 원인 병원체입니다. 이 바이러스는 포지티브한 의미의 단일 가닥 RNA 바이러스로, virion 당 두 개의 RNA 사본이 있으며 retroviridae 과에 속합니다. 숙주 세포 내에서 고농도의 바이러스 단백질 생산은 세포의 단백질 접힘 기계에 과도한 스트레스를 가합니다1. ER은 진핵 세포의 분비 경로에 있는 첫 번째 구획입니다. 그것은 단백질을 생산, 변경 및 분비 경로와 세포 외 공간 표적 부위로 전달하는 일을 담당합니다. 단백질은 수많은 번역 후 변화를 겪으며 아스파라긴 결합 당화(asparagine-linked glycosylation) 및 분자 내 및 분자 간 이황화 결합(intra- and intermolecular disulfide bonds creation)을 포함하여 ER에서 자연스러운 형태로 접힙니다2. 따라서 고농도의 단백질이 ER 내강에 존재하며 이들은 응집 및 잘못 접히기 매우 쉽습니다. 향상된 단백질 합성 또는 단백질 돌연변이를 요구하는 열 충격, 미생물 또는 바이러스 감염과 같은 다양한 생리적 조건은 ER에서의 단백질 축적 증가로 인해 ER 스트레스를 유발하여 ER 내강 항상성을 방해합니다. ER 스트레스는 고도로 보존된 적응 신호 전달 경로 네트워크인 풀림 단백질 반응(UPR)3을 활성화합니다. UPR은 풀린 단백질 부담과 접힘 용량을 정렬하여 정상적인 ER 생리적 상태를 되돌리기 위해 사용됩니다. 이는 ER의 크기와 ER에 상주하는 분자 샤페론 및 폴다아제의 증가로 인해 발생하며, 그 결과 ER의 접힘 능력이 향상됩니다. UPR은 또한 translational level에서 global protein synthesis attenuation을 통해 ER의 단백질 부하를 감소시키고 ER-associated degradation(ERAD)을 상향 조절하여 ER에서 풀린 단백질의 클리어런스를 증가시킵니다4,5.
ER 스트레스는 3개의 ER 상주 막관통 단백질, 즉 Protein kinase R(PKR) 유사 소포체 키나아제(PERK), 활성화 전사 인자 6(ATF6) 및 이노시톨 필요 효소 유형 1(IRE1)에 의해 감지됩니다. 이러한 모든 이펙터는 결합 단백질(BiP)/78kDa 포도당 조절 단백질(GRP78)이라고도 하는 샤페론 열충격 단백질 패밀리 A(Hsp70) 멤버 5(HSPA5)에 결합하여 비활성 상태로 유지됩니다. ER 스트레스와 풀린/잘못 접힌 단백질의 축적에 따라 HSPA5는 해리되어 이러한 effector의 활성화를 유도한 다음 ER 스트레스를 해결하는 데 도움이 되는 일련의 다운스트림 표적을 활성화하고 극한 조건에서 세포 사멸을 촉진합니다6. HSPA5에서 분리되면 PERK가 자가인산화되고 키나아제 활성이 활성화됩니다7. 키나아제 활성은 eIF2α를 인산화하여 번역 감쇠를 일으켜 ER8의 단백질 부하를 낮춥니다. 그러나, 인-진핵생물 개시 인자 2α(eIF2α)가 존재하는 경우, 특정 mRNA에서 번역되지 않은 열린 판독 프레임(예: ATF4, 조절 스트레스 유발 유전자)이 우선적으로 번역됩니다. ATF4 및 C/EBP 상동 단백질(CHOP)은 스트레스 유발 유전자를 조절하고 세포사멸 및 세포 사멸 경로를 조절하는 전사 인자입니다 9,10. ATF4 및 CHOP의 표적 중 하나는 성장 정지 및 DNA 손상 유도 단백질(GADD34)로, 단백질 인산가수분해효소 1과 함께 peIF2α를 탈인산화하고 병진 감쇠(translational attenuation)에 대한 피드백 조절자역할을 한다 11. ER 스트레스 하에서 ATF6는 HSPA5에서 분리되고 골지 국소화 신호가 노출되어 골지 장치로 전위됩니다. 골지체에서 ATF6는 site-1 프로테아제(S1P) 및 site-2 프로테아제(S2P)에 의해 절단되어 절단된 형태의 ATF6(ATF6 P50)를 방출한다. 그런 다음 ATF6 p50은 핵으로 전위되어 단백질 접힘, 성숙 및 분비에 관여하는 유전자의 발현과 단백질 분해를 유도합니다12,13. ER 스트레스 동안 IRE1은 HSPA5에서 분리되고 다중화 및 자동 인산화14. IRE1의 인산화는 RNase 도메인을 활성화하여 X-box 결합 단백질 1(XBP1)15,16의 mRNA의 중앙 부분에서 26개의 뉴클레오티드의 접합을 매개합니다. 이것은 transactivation 기능을 부여하는 새로운 C-terminus를 생성하고, 기능성 XBP1s 단백질을 생성하며, 이는 여러 ER 스트레스 유발 유전자를 제어하는 강력한 전사 인자입니다17,18. 이러한 전사 인자의 결합된 활동은 ER 항상성 회복을 목표로 하는 유전자 프로그램을 활성화합니다.
ER 스트레스 및 UPR을 감지하는 다양한 방법이 있습니다. 이들은 UPR 마커(19, 20)를 분석하는 종래의 방법을 포함한다. 다양한 비전통적인 방법에는 UPR의 산화 환원 상태 측정과 ER 루멘의 칼슘 분포 측정과 ER 구조 평가가 포함됩니다. 전자 현미경을 사용하여 세포와 조직의 ER 스트레스에 대한 반응으로 ER 내강이 얼마나 커지는지 확인할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 시간이 많이 걸리고 전자 현미경의 가용성에 따라 달라지므로 모든 연구 그룹에서 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 또한 ER의 칼슘 플럭스와 산화 환원 상태를 측정하는 것은 시약의 가용성으로 인해 까다롭습니다. 또한, 이러한 실험의 판독값은 매우 민감하며 세포 대사의 다른 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
UPR 출력을 모니터링하기 위한 강력하고 간단한 기술은 UPR의 다양한 신호 경로의 활성화를 측정하는 것이며 다양한 스트레스 시나리오에서 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. UPR 활성화를 측정하기 위한 이러한 종래의 방법들은 경제적이고, 실현 가능하며, 다른 알려진 방법들에 비해 더 짧은 시간에 정보를 제공한다. 여기에는 단백질 수준에서 IRE1, PERK 및 eIF2α의 인산화와 같은 UPR 마커의 발현을 측정하기 위한 면역블로팅, ATF6의 P50 형태를 측정하여 ATF6의 절단, HSPA5, 스플라이스 XBP1, ATF4, CHOP 및 GADD34와 같은 다른 마커의 단백질 발현을 측정하기 위한 RT-PCR뿐만 아니라 mRNA 수준을 측정하기 위한 RT-PCR과 XBP1 mRNA의 스플라이싱이 포함됩니다.
이 기사에서는 HIV-1 감염 세포에서 ER 스트레스 및 UPR 활성화를 모니터링하고 HIV-1 복제 및 감염성에서 UPR의 기능적 관련성을 결정하기 위한 검증되고 신뢰할 수 있는 프로토콜 세트에 대해 설명합니다. 이 프로토콜은 쉽게 구할 수 있고 경제적인 시약을 사용하며 UPR 출력에 대한 설득력 있는 정보를 제공합니다. ER 응력은 단백질 응집체를 형성하기 쉬운 풀린/잘못 접힌 단백질의 축적의 결과입니다21. 이로써 HIV-1에 감염된 세포에서 이러한 단백질 응집체를 검출하는 방법을 설명한다. 티오플라빈 T 염색은 이러한 단백질 응집체를 검출하고 정량화하는 데 사용되는 비교적 새로운 방법입니다22. Beriault와 Werstuck 박사는 단백질 응집체를 검출하고 정량화하여 살아있는 세포의 ER 스트레스 수준을 측정하는 이 기술을 설명했습니다. 작은 형광 분자 티오플라빈 T(ThT)가 단백질 응집체, 특히 아밀로이드 피브릴에 선택적으로 결합하는 것으로 입증되었습니다.
이 기사에서는 HIV-1에 감염된 세포에서 ER 스트레스를 감지 및 정량화하기 위해 ThT를 사용하는 방법을 설명하고 UPR의 다양한 신호 전달 경로의 활성화를 측정하여 UPR을 모니터링하는 기존 방법과 연관시킵니다.
HIV-1 감염 중 UPR의 역할에 대한 포괄적인 정보도 부족하기 때문에 HIV-1 복제 및 바이러스 감염성에서 UPR의 역할을 이해하기 위한 일련의 프로토콜을 제공합니다. 이러한 프로토콜에는 UPR 마커의 렌티바이러스 매개 knockdown과 약리학적 ER 스트레스 유발 물질을 사용한 치료가 포함됩니다. 이 논문은 또한 LTR(Long Terminal Repeat) 기반 루시페라아제 분석, p24 효소 결합 면역 흡착 분석(ELISA) 및 β-gal 리포터 염색 분석과 같이 HIV-1 유전자 발현, 바이러스 생산 및 생산된 바이러스의 감염성을 측정하는 데 사용할 수 있는 판독 유형을 보여줍니다.
이러한 프로토콜의 대부분을 사용하여 우리는 최근에 HIV-1 감염이 T 세포23의 UPR에 미치는 기능적 함의를 보고했으며, 해당 논문의 결과는 여기에 설명된 방법의 신뢰성을 시사합니다. 따라서 이 기사에서는 HIV-1과 ER 스트레스 및 UPR 활성화의 상호 작용에 관한 포괄적인 정보를 제공하는 일련의 방법을 제공합니다.
참고: 여기에 사용된 세포주는 HEK-293T 및 Jurkat J6(CD4+T 세포주)이며, 이는 인도 푸네의 NCCS에 있는 Cell Repository에서 얻은 것입니다. HIV-1 LTR(Long Terminal Repeat) 프로모터24 및 CEM-GFP(또 다른 CD4+ T 리포터 세포주)25 하에 β-갈락토시다아제 및 루시페라아제 유전자의 사본을 통합한 HeLa 유래 세포주인 TZM-bl은 미국 NIH AIDS Repository에서 획득되었습니다.
1. HIV-1 바이러스 재고 준비 및 보관
구성 요소 | 준비 | 필요한 볼륨 | |
증권 시세 표시기 | 10x PBS 재고에서 1x PBS 준비 | 14mL | |
포타슘 페리-페로 시안화물 | 0.82g의 페리시아나이드 칼륨과 1.06g의 페로시아나이드 칼륨을 25x PBS 25mL에 녹입니다. | 0.75 mL | |
염화마그네슘 | 1x PBS 1mL에 1M | 15 마이크로리터 | |
엑스갈 | N,N-디메틸 포름아미드 30mL에 0.6mg을 녹입니다(어두운 곳에서). | 0.3 mL | |
합계 = 15mL |
표 1: TZM-bl 세포에서 β gal 염색에 필요한 성분 목록.
2. T 세포주의 HIV-1 감염
3. ER 스트레스를 결정하기 위한 티오플라빈 T 염색
4. 다양한 UPR 마커의 활성화 및 발현 확인
참고: UPR 마커의 발현을 측정하기 위해 Immunoblotting과 RT-PCR의 두 가지 방법이 사용됩니다. 면역블로팅의 경우 감염 후 다양한 시점(감염 후 24시간, 48시간, 72시간, 96시간)에서 0.5 MOI HIV-1에 감염된 CEM-GFP 세포를 수확하고 세포 펠릿을 용해 완충액에 재현탁시킵니다(2.2단계에서 언급). 대안적으로, RT-PCR의 경우, 세포 펠릿을 트리졸 시약(1-300만 세포당 1mL)에 용해시킨다( 재료 표 참조). 용해 완충액 및 Trizol 시약에 재현탁된 세포는 추가 사용 시까지 -80°C에서 보관할 수 있습니다.
5. UPR 마커의 knockdown 및 HIV-1 LTR 기반 유전자 발현 및 바이러스 생산 분석
6. ER 스트레스 유발 물질로 처리 및 HIV-1 복제에 미치는 영향 분석
참고: HIV-1 복제 중 UPR의 과자극 효과를 확인하기 위해 약리학적 유도 분자인 Thapsigargin을 사용할 수 있습니다.
7. UPR이 비리온 감염성에 미치는 영향을 결정하기 위한 TZM-bl β-gal 감염성 분석
참고: 비리온 감염도에서 UPR의 역할을 이해하기 위해 녹다운의 상층액과 Thapsigargin을 사용한 처리는 p24 ELISA에 의해 측정된 p24 농도를 기반으로 섹션 1.2에 설명된 대로 TZM-bl β-gal 감염성 분석에 사용할 수 있습니다.
이 연구에서는 T 세포의 HIV-1 감염 시 체외 응급실 스트레스 및 UPR 활성화를 연구하기 위한 자세한 프로토콜을 설명했습니다(그림 2). 이 연구는 또한 HIV-1 복제 및 바이러스 감염성에서 UPR의 기능적 관련성을 분석하는 방법을 설명합니다(그림 3).
이를 위해 Thioflavin T로 염색하여 세포 내부의 단백질 ?...
본 프로토콜의 범위는 (i) HIV-1 바이러스 스톡의 취급 및 바이러스 농도 및 바이러스 감염성 측정, (ii) T 세포의 HIV-1 감염 및 ER 스트레스 및 UPR의 다양한 마커에 대한 영향 평가, (iii) UPR 마커의 knockdown 효과 및 HIV-1 LTR 주도 유전자 활성에 대한 효과, 바이러스 생산 및 바이러스 감염성 및 (iv) 약리학적 분자를 사용하여 UPR을 과도하게 자극하고 HIV-1 복제에 미치는 영향을 분?...
저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.
우리는 교내 지원을 위해 인도 정부 생명공학부의 국립 세포 과학 센터에 감사드립니다. AT와 AD는 인도 정부 생명공학부 국립 세포 과학 센터(National Centre for Cell Science, Department of Biotechnology, Government of India)로부터 받은 박사 학위 연구 지원에 감사드립니다. DM은 인도 정부 SERB의 JC Bose National Fellowship에 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acrylamamide | Biorad, USA | 1610107 | |
Agarose | G-Biosciences, USA | RC1013 | |
Ammonium persulphate | Sigma-Aldrich, USA | A3678 | |
anti-ATF4 antibody | Cell Signaling Technology, USA | 11815 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-ATF6 antibody | Abcam, UK | ab122897 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-CHOP antibody | Cell Signaling Technology, USA | 2897 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-eIF2α antibody | Santa Cruz Biotechnology, USA | sc-11386 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
anti-GADD34 antibody | Abcam, UK | ab236516 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-GAPDH antibody | Santa Cruz Biotechnology, USA | sc-32233 | Western blot detection Dilution-1:3000 |
anti-HSPA5 antibody | Cell Signaling Technology, USA | 3177 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-IRE1 antibody | Cell Signaling Technology, USA | 3294 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
Anti-mouse HRP conjugate antibody | Biorad, USA | 1706516 | Western blot detection Dilution- 1:4000 |
anti-peIF2α antibody | Invitrogen, USA | 44-728G | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-PERK antibody | Cell Signaling Technology, USA | 5683 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
anti-pIRE1 antibody | Abcam, UK | ab243665 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-pPERK antibody | Invitrogen, USA | PA5-40294 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
Anti-rabbit HRP conjugate antibody | Biorad, USA | 1706515 | Western blot detection Dilution- 1:4000 |
anti-XBP1 antibody | Abcam, UK | ab37152 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
Bench top high speed centrifuge | Eppendorf, USA | 5804R | Rotor- F-45-30-11 |
Bench top low speed centrifuge | Eppendorf, USA | 5702R | Rotor- A-4-38 |
Bis-Acrylamide | Biorad, USA | 1610201 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | MP biomedicals, USA | 160069 | |
Bradford reagent | Biorad, USA | 5000006 | |
CalPhos mammalian Transfection kit | Clontech, Takara Bio, USA | 631312 | Virus stock preparation |
CEM-GFP | NIH, AIDS Repository, USA | 3655 | |
Clarity ECL substrate | Biorad, USA | 1705061 | chemiluminescence detecting substrate |
Clarity max ECL substrate | Biorad, USA | 1705062 | chemiluminescence detecting substrate |
Confocal laser scanning microscope | Olympus, Japan | Model:FV3000 | |
Cytospin centrifuge | Thermo Fisher Scientific, USA | ASHA78300003 | |
DMEM | Invitrogen, USA | 11995073 | |
DMSO | Sigma-Aldrich, USA | D2650 | |
dNTPs | Promega, USA | U1515 | |
DTT | Invitrogen, USA | R0861 | |
EDTA | Invitrogen, USA | 12635 | |
EtBr | Invitrogen, USA | `15585011 | |
Fetal Bovine Serum | Invitrogen, USA | 16000044 | |
G418 | Invitrogen, USA | 11811023 | |
Glutaraldehyde 25% | Sigma-Aldrich, USA | G6257 | Infectivity assay |
Glycine | Thermo Fisher Scientific, USA | Q24755 | |
HEK-293T | NCCS, India | ||
HIV-1 infectious Molecular Clone pNL4-3 | NIH, AIDS Repository, USA | 114 | |
Inverted microscope | Nikon, Japan | Model: Eclipse Ti2 | |
iTaq Universal SYBR Green Supermix | Biorad, USA | 1715124 | |
Jurkat J6 | NCCS, India | ||
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich, USA | M8266 | Infectivity assay |
MMLV-RT | Invitrogen, USA | 28025013 | |
MTT reagent | Sigma-Aldrich, USA | M5655 | Cell viability assay |
N,N-dimethyl formamide | Fluka Chemika | 40255 | Infectivity assay |
NaCl | Thermo Fisher Scientific, USA | Q27605 | |
NaF | Sigma-Aldrich, USA | 201154 | |
NP40 | Invitrogen, USA | 85124 | |
P24 antigen capture ELISA kit | ABL, USA | 5421 | |
PageRuler prestained protein ladder | Sci-fi Biologicals, India | PGPMT078 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich, USA | P6148 | |
pEGFP-N1 | Clontech, USA | 632515 | |
Penicillin/Streptomycin | Invitrogen, USA | 151140122 | |
Phosphatase Inhibitor | Sigma-Aldrich, USA | 4906837001 | |
Phusion High-fidelity PCR mastermix with GC buffer | NEB,USA | M05532 | |
pLKO.1-TRC | Addgene, USA | 10878 | Lentiviral cloning vector |
pMD2.G | Addgene, USA | 12259 | VSV-G envelope vector |
PMSF | Sigma-Aldrich, USA | P7626 | |
Polyethylenimine (PEI) | Polysciences, Inc., USA | 23966 | |
Potassium ferricyanide | Sigma-Aldrich, USA | 244023 | Infectivity assay |
Potassium ferrocyanide | Sigma-Aldrich, USA | P3289 | Infectivity assay |
Protease Inhibitor | Sigma-Aldrich, USA | 5056489001 | |
psPAX2 | Addgene, USA | 12260 | Lentiviral packaging plasmid |
Puromycin | Sigma-Aldrich, USA | P8833 | Selection of stable cells |
PVDF membrane | Biorad, USA | 1620177 | |
Random primers | Invitrogen, USA | 48190011 | |
RPMI 1640 | Invitrogen, USA | 22400105 | |
SDS | Sigma-Aldrich, USA | L3771 | |
Steady-Glo substrate | Promega, USA | E2510 | Luciferase assay |
T4 DNA ligase | Invitrogen, USA | 15224017 | |
TEMED | Invitrogen, USA | 17919 | |
Thapsigargin | Sigma-Aldrich, USA | T9033 | |
Thioflavin T | Sigma-Aldrich, USA | 596200 | |
Tris | Thermo Fisher Scientific, USA | Q15965 | |
Triton-X-100 | Sigma-Aldrich, USA | T8787 | |
Trizol | Invitrogen, USA | 15596018 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich, USA | P1379 | |
TZM-bl | NIH, AIDS Repository, USA | 8129 | |
Ultracentrifuge | Beckman Optima L90K, USA | 330049 | Rotor-SW28Ti |
UltraPure X-gal | Invitrogen, USA | 15520-018 | Infectivity assay |
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