Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Burada, canlı HepG2 hücrelerinde Akt aktivasyonu ve fosforilasyonunun uzay-zamansal dinamiklerini ölçmek için bir protokol sunuyoruz. Förster rezonans enerji transferi (FRET) görüntüleme, kanser hücrelerinde insülin sinyal yolları ve metabolik düzenleme hakkında değerli bilgiler sağlayan güçlü bir araçtır.
Metabolik olarak düzenlenmiş Akt aktivasyonu, insülin sinyal kaskadında kritik bir düğümdür ve diyabet ile kanser arasındaki ilişkiye dair değerli bilgiler sağlar. HepG2 hücrelerindeki Akt aktivitesini hassas bir şekilde ölçmek için, genetik olarak kodlanmış Akt'a özgü biyosensörlerle Förster Rezonans Enerji Transferini (FRET) kullanan sağlam, tekrarlanabilir bir protokol geliştirdik. Bu protokol, lazer taramalı konfokal mikroskop donanımı ve yazılım konfigürasyonu için özel yönergelerin yanı sıra, FRET tabanlı biyosensörleri eksprese etmek için hücre kültürü, görüntüleme kabı hazırlığı ve HepG2 hücrelerinin transfeksiyonu için ayrıntılı adımları ana hatlarıyla belirtir. Sonuçlar, tanımlanmış bir açma eşiği olan ancak kapanma eşiği olmayan yapısal Akt aktivasyonu ile karakterize edilen geri dönüşümsüz bir anahtar sergileyen HepG2 hücrelerinde benzersiz insülin sinyalleme modellerini gösterdi. Buna karşılık, miyotüpler tersine çevrilebilir bir anahtar gösterir. HepG2 hücrelerindeki kalıcı Akt aktivasyonu, metabolik bozuklukların ve kanserin ilerlemesini anlamak için daha geniş etkilerle birlikte, hepatik hücrelerde insülin direnci ve metabolik düzensizliğin altında yatan mekanizmaları düşündürmektedir. Bu protokol, çeşitli hastalık bağlamlarında Akt ile ilgili sinyal yollarını ve hücresel davranışları keşfetmek için değerli bir çerçeve sunar.
Diabetes mellitus, insülin direnci ve bozulmuş glukoz homeostazı ile karakterize önemli bir küresel sağlık sorunu oluşturmaktadır1. İnsülin glikoz metabolizmasında, hücre büyümesinde ve sağkalımda çok önemli bir rol oynadığından, bu hastalığın patofizyolojisini aydınlatmak için insülin sinyal yollarının kapsamlı bir şekilde anlaşılması çok önemlidir2. Çok sayıda çalışma, insülin sinyalinin çeşitli kanserleri önemli ölçüde etkilediğini, insülin direncini tümör ilerlemesine ve kötü hasta sonuçlarına bağladığını göstermiştir 3,4,5,6. Yaygın olarak kullanılan bir hepatoselüler karsinom hücre hattı olan HepG2 hücreleri, insülin direncini ve metabolik düzensizlik ile kanser gelişimi arasındaki etkileşimi incelemek için değerli bir model görevi görür7. Geleneksel olarak, araştırmacılar insülin tepkilerini dereceli olarak görmüşlerdir; Bununla birlikte, son çalışmalar, tek tek hücrelerin, spesifik insülin konsantrasyon eşiklerindemeydana gelen yanıtsızlık ve tam yanıt arasında belirgin geçişler sergileyen iki durumlu yanıtlar sergileyebileceğini ortaya koymuştur 8,9.
Förster rezonans enerji transferi (FRET) görüntüleme, canlı hücrelerdeki biyomoleküllerin uzaysal-zamansal dağılımını incelemek için güçlü bir araçtır10. FRET, moleküler dinamiklerden bilgi çıkararak, gerçek zamanlı olarak Akt aktivasyonu gibi süreçler hakkında bilgi sağlar ve bu da onu canlı hücreleri incelemek için paha biçilmez bir teknik haline getirir11,12. Bu görüntüleme yönteminin, özellikle kesin moleküler etkileşimlerin çok önemli olduğu metabolik hastalıklar ve kanserde hücresel dinamiklerin incelenmesinde gerekli olduğu kanıtlanmıştır13. FRET ayrıca moleküler etkileşimlerin gerçek zamanlı olarak izlenmesini sağlayarak insülin direnci ve tümör ilerlemesi gibi mekanizmalara ışık tutar14,15. FRET biyosensörleri, tümör mikro ortamlarını, ilaç direncini ve metabolik bozuklukları incelemek için kanser araştırmalarında çok önemlidir16. Hassaslaştırılmış emisyon (SE), alıcı ağartma (AB), floresan ömür boyu görüntüleme mikroskobu (FLIM) ve spektroskopi gibi FRET algılama yöntemlerinin her biri moleküler etkileşimleri ölçmek için belirgin avantajlar sunar17. SE, verici ve alıcı floroforlar arasındaki enerji transferini ölçerek, etkileşen biyomoleküllerin18 yakınlığı ile ilişkili emisyon spektrumlarında ölçülebilir bir kayma ile sonuçlanır. AB, alıcı floroforun seçici fotoağartmasını kullanır ve donör floresansındaki değişiklikleri izler, bu da araştırmacıların etkileşim kinetiğini ve mesafelerini19 değerlendirmesine olanak tanır. FLIM, moleküler etkileşimlerin20 hassas nano ölçekli ölçümlerini sağlamak için FRET verimliliğinden doğrudan etkilenen donör floroforun floresan bozunma oranlarını değerlendirir.
FRET tekniklerini kullanarak, yakın zamanda C2C12 türevi miyotüplerde 8,9,21,22,23,24 bistabil insülin yanıtları gösterdik. Keşfettiğimiz gibi, Akt aktivasyonu için farklı açma ve kapama eşikleri, kademeli tüm vücut insülin doz yanıtının, insülin uyaranından başlayarak hücre altı sinyal kaskadının karmaşıklığını yalanladığını ve bu da tek hücre düzeyinde ya hep ya hiç yanıtı ile sonuçlandığını göstermektedir 21,22,23,24. Diğer hücre tiplerinde bistabilitenin varlığını test etmek için, HepG2 hücrelerini insülin ile uyardık ve yanıtlarını tek hücreli FRET görüntüleme kullanarak kaydettik. HepG2 hücrelerini değişen insülin konsantrasyonları ile uyardık ve bir Akt biyosensörü kullanarak tek hücre düzeyinde Akt aktivitesini izledik. Akt biyosensörü, donör florofor olarak gelişmiş camgöbeği floresan proteini (ECFP)25 ve alıcı florofor olarak sarı floresan proteinin (YPet) en parlak varyantını içerir.26, peptit dizisi SGRPRTTTFADSCKP içeren bir Eevee bağlayıcı ile bağlanır. Bu peptit, insan glikojen sentaz kinaz 3β'dan (GSK3β) optimize edilmiş fosforile Akt (pAkt) için bir substrat görevi görür. Fosforile edilmemiş durumda, verici ve alıcı floroforlar arasındaki uzamsal ayrım, enerji transferini engelleyen Förster yarıçapını aşıyor. İnsülin stimülasyonu üzerine, Akt fosforilasyonu meydana gelir ve SGRPRTTTFADSCKP'nin fosforilasyonuna yol açar. Bu süreç, vericiyi ve alıcıyı Förster yarıçapı içine getiren ve FRET27'yi mümkün kılan konformasyonel bir değişikliğe neden olur. Sonuç olarak, FRET sinyal yoğunluğu, fosforile Akt moleküllerinin miktarı ile ilişkilidir ve insülin aracılı hücresel yanıtların gerçek zamanlı olarak ölçülmesine izin verir.
Başlangıçta C2C12'den türetilmiş miyotüplerde insülin sinyalini incelemek için geliştirilen bu protokol, HepG2 hücrelerine başarıyla uygulanmış ve farklı donanım ve yazılım platformlarında kullanılmıştır, böylece uygulanabilirliğini, uyarlanabilirliğini ve çok yönlülüğünü göstermiştir. HepG2 hücreleri, yapısal Akt aktivitesi sergiler, bu da onları karaciğere özgü insülin sinyalini ve metabolik süreçleri incelemek için ideal bir in vitro model yapar. Protokolün temel özellikleri protokol bölümünde adım adım açıklanmıştır.
Tek HepG2 hücrelerinde Akt fosforilasyonunu izlemek için FRET canlı hücre görüntülemede yer alan deneysel adımlara genel bir bakış Şekil 1'de gösterilmektedir.
1. Plazmid edinimi, yayılması ve saflaştırılması
NOT: Bu bölüm, tek hücreli FRET analizi için gerekli olan plazmidin elde edilmesi, çoğaltılması ve saflaştırılması için temel adımları özetlemektedir.
2. Hücre kültürü prosedürü
NOT: Steril bir ortam sağlamak ve kontaminasyonu önlemek için tüm hücre kültürü prosedürlerini bir laminer akış başlığı içinde gerçekleştirin. HepG2 hücre kültürü iş akışı Şekil 4'te gösterilmiştir. HepG2 hücreleri için komple besiyeri, Minimum Esansiyel Besiyeri (MEM), %10 fetal sığır serumu (FBS), %1 Esansiyel Olmayan Amino Asitler (NEAA), 1 mM Sodyum Piruvat, 2 mM L-glutamin takviyesi, 100 U/mL Penisilin-Streptomisin ve 2.5 μg/mL antibiyotik-antimikotik solüsyondan oluşur (bkz. Malzeme Tablosu, Tablo 1).
3. Görüntüleme kaplarının poli-l-lizin ile kaplanması
4. HepG2 hücrelerinin transfeksiyonu
NOT: HepG2 transfeksiyon yöntemi Şekil 5'te gösterilmiştir.
5. HepG2 hücrelerinin açlıktan ölmesi
NOT: Transfeksiyon adımını tamamladıktan sonra, insülin stimülasyonu ve FRET görüntülemeden önce hücreleri serumdan aç bırakın. Bu, FBS'de bulunan insüline bağlı Akt yolu aktivasyonunu en aza indirir ve tutarlı temel Akt aktivitesi seviyeleri sağlar. Bu deneyde kullanılan açlık ortamının bileşimi (Tablo 3)'te açıklanmıştır. BSA toz halinde gelir. % 0.1 (a / h) bir çözelti hazırlamak için, iyice karıştırarak 3 mL DMEM içinde 0.1 g BSA'yı sulandırın. Solüsyonu 0.45 μm'lik bir filtre kullanarak sterilize edin ve DMEM ekleyerek son hacmi 100 mL'ye ayarlayın.
6. HepG2 hücreleri için FRET canlı hücre görüntüleme
NOT: Bu bölüm, tek HepG2 hücrelerinde Akt fosforilasyonunun uzay-zamansal dinamiklerini izlemek için FRET canlı hücre görüntüleme için talimatlar sağlar. Aşağıda ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, canlı HepG2 hücreleri için mikroskop kurulumunu, işleme prosedürlerini ve görüntüleme koşullarını optimize etmek önemlidir. Mikroskop kurulumu, FRET görüntüleme için görüntüleme koşullarını optimize etmek için çok önemlidir. Kararlı çalışmayı sağlamak için PC/konfokal lazer tarama mikroskobu (CLSM) kurulumunu üreticinin talimatlarına göre adım adım izleyin. FRET görüntüleme için özelleştirilmiş CLSM konfigürasyonu (Şekil 6)'da gösterilmiştir.
7. Veri analizi
8. FRET verimlilik hesaplamaları
9. Görüntü edinme
10. Arka plan düzeltmesi
11. FRET kanaması (karışma) eliminasyonu
NOT: Verici emisyonu ve alıcı uyarımı arasındaki spektral örtüşme, FRET verimliliği ve enerji transfer süreci için kritik olan Şekil 3B'de gösterilmiştir. Hızlandırılmış FRET görüntülemede kanama, verici ve alıcı floroforların spektral örtüşmesinden kaynaklanan ve yanlış ölçümlere yol açan önemli bir zorluktur. Karışma doğaldır, çünkü hem verici hem de alıcı floroforların spektrumları bir dereceye kadar örtüşür (Şekil 3C, D). Bu sorun, yüksek florofor konsantrasyonları ve uygun olmayan filtre konfigürasyonları gibi faktörlerle daha da kötüleşir. Sızıntıyı ele almak, FRET ölçümlerinin güvenilirliğini sağlamak için çok önemlidir.
12. Nicelik ve istatistiksel analiz
HepG2 hücrelerinde Akt aktivasyonunu araştırmak için, hücreler önceden kaplanmış görüntüleme kaplarına ekildi ve Akt fosforilasyonunun gerçek zamanlı izlenmesini sağlamak için tasarlanmış FRET tabanlı biyosensör pEevee-iAkt-NES (Şekil 2A) ile transfekte edildi. Transfeksiyonu takiben, hücreler metabolik durumlarını senkronize etmek ve bazal insülin sinyalini en aza indirmek için serumsuz bir ortamda 4 saat boyunca serum açlığına...
HepG2 hücrelerinde Akt fosforilasyonunu izlemek için canlı hücre FRET görüntüleme protokolü, güvenilir ve tekrarlanabilir sonuçlar sağlamak için birkaç temel adım içerir. İlk kritik adım, rutin hücre bakımını, görüntüleme kaplarının kaplanmasını ve hücre tohumlamasını içeren hücre kültürüdür. Uygun kaplama, stabil hücre yapışması sağladığı, ayrılmayı önlediği ve tutarsız verilere yol açabilecek kaymayı en aza indirdiği için hızlandı...
Yazarlar hiçbir rekabet çıkarı beyan etmezler.
Bu çalışma kısmen Shenzhen Doğa Bilimleri Vakfı (JCYJ20240813113606009), Shenzhen-Hong Kong Teknoloji ve Yenilik İşbirliği Bölgesi (HZQB-KCZYB-2020056), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (32070681), Çin Ulusal Anahtar Ar-Ge Programı (2019YFA0906002) ve Shenzhen Peacock Plan (KQTD2016053117035204) tarafından desteklenmiştir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% trypsin-EDTA | Gibco | Cat#25200-056 | Use ice-cold PBS for cell wash |
15 mm glass bottom cell culture dish | NEST | Cat#801001 | |
2 mL Nalgene cryogenic vials | Thermo Scientific | Cat#5012-0020 | |
5 mL Stripette Serological Pipets | Corning | Cat#4487 | |
95% Ethanol | Kermel | Cat#C028005 | |
A1 HD25/A1R HD25 confocal microscope | Nikon | https://www.nikon.com/ | Magnification: 40×, Numerical Aperture (NA): 1.30, Pixel Dwell Time: 2.4 ms, Pixel Size: 1024 |
Ampicillin | Sigma-Aldrich | Cat#A9393 | |
Bovine serum albumin (BSA) | VWR Life Science | Cat#N208-10g | |
Corning 25 cm2 rectangular culture flasks | Corning | Cat#430639 | |
Countess 3 automated cell counter | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/#AMQAX2000 | |
Countess cell counting chamber slides | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/#C10228 | |
Digital vortex mixers | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | Cat#D2650 | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes 1.5 mL | Eppendorf | Cat#022363204 | |
EZ-PCR mycoplasma detection kit | Biological Industries | Cat# 20-700-20 | |
Fetal Bovine Serum, qualified, Australia | Gibco | Cat#10099141 | |
GlutaMAX Supplement | Gibco | Cat#35050061 | |
GraphPad Prism 9 | GraphPad Software | https://www.graphpad.com/ | |
HepG2 | National Collection of Authenticated Cell Cultures | #CSTR:19375.09.3101HUMSCSP510 http://www.cellbank.org.cn/ | |
Immersion Oil Type 37 | Cargille Laboratories | Cat #16237 | |
Insulin | Sigma-Aldrich | Cat#I5500-50MG | Warm to 37 °C before use |
LB Broth (1x) | Invitrogen | Cat#10855001 | |
Minimum Essential Medium (MEM) | Gibco | Cat#11095080 | Warm to 37 °C before use |
mySPIN 12 mini centrifuge | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
NanoDrop One | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com | |
Nikon Plan Fluor 40×/1.30 Oil Lens | Nikon | https://www.nikon.com/ | |
NIS-Elements-AR | Nikon | https://www.nikon.com/ | |
Non-Essential Amino Acids (NEAA) (100x) | Gibco | Cat#11140050 | |
One Shot LB Agar Plates | Invitrogen | Cat#A55802 | |
One Shot Stbl3 chemically competent E. coli | Invitrogen | Cat#C737303 | |
Parafilm | PARAFILM | Cat#B8R05606 | |
PBS (phosphate buffered saline) | Gibco | Cat#10010023 | |
pEevee-iAkt-NES (7,033 bp) | Miura et al31 | https://benchling.com/s/seq-q46zFYCfl0swLAun0t28/edit | |
Penicillin-streptomycin | Gibco | Cat#15070063 | |
Plasmocin prophylactic | InvivoGen | Cat#ant-mpp | |
Poly-L-Lysine Hydrobromide | Sigma-Aldrich | Cat#P4832 | |
Precision general purpose baths | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
QIAprep spin miniprep kit | QIAGEN | Cat#27106 | |
SnapGene | SnapGene by Dotmatics | https://www.snapgene.com | |
Sodium Pyruvate (100 mM) | Gibco | Cat#11360070 | |
Syringe filter unit, 0.22 μm | Millipore | Cat#SLGP033RS | |
Tokai Hit stage top incubator | TOKAI HIT | https://www.tokaihit-livecell.com/stagetopincubator | |
UltraPure DNase/RNase-free distilled water | Invitrogen | Cat#10977015 | |
Xfect Transfection Reagent | Takara Bio | Cat#631317 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır