"Fagozomun Kapatma Deneyi" kullanma Üç Boyutta fagozomun Formasyonu Visualize'a Toplam İç Yansıma Floresan Mikroskobu (TIRFM)
Summary
We describe an experimental setup to visualize with unprecedented high resolution phagosome formation and closure in three dimensions in living macrophages, using total internal reflection fluorescence microscopy. It allows monitoring of the base of the phagocytic cup, the extending pseudopods, as well as the precise site of phagosome scission.
Abstract
Phagocytosis is a mechanism used by specialized cells to internalize and eliminate microorganisms or cellular debris. It relies on profound rearrangements of the actin cytoskeleton that is the driving force for plasma membrane extension around the particle. In addition, efficient engulfment of large material relies on focal exocytosis of intracellular compartments. This process is highly dynamic and numerous molecular players have been described to have a role during phagocytic cup formation. The precise regulation in time and space of all of these molecules, however, remains elusive. In addition, the last step of phagosome closure has been very difficult to observe because inhibition by RNA interference or dominant negative mutants often results in stalled phagocytic cup formation.
We have set up a dedicated experimental approach using total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM) combined with epifluorescence to monitor step by step the extension of pseudopods and their tips in a phagosome growing around a particle loosely bound to a coverslip. This method allows us to observe, with high resolution the very tips of the pseudopods and their fusion during closure of the phagosome in living cells for two different fluorescently tagged proteins at the same time.
Introduction
Fagositoz tanıma ve yutulur malzemenin içselleştirme ve bozulmasına yol açar, reseptörleri yüzey malzemesinin bağlanmasını başlar başlıca bir hücre fonksiyonudur. Böyle kalıp Dictyostelium discoideum ve amip gibi tek hücreli ökaryotlar bakteriler üzerinde beslemek için fagositoz kullanırken, yüksek organizmalar profesyonel hücreleri ile gelişmiştir. Makrofajlar ya da dendritik hücreler, çeşitli doku ve organlarda patojenlere karşı ilk savunma hattıdır ve antijen sunumu ve sitokin üretimi 1-4 ile adaptif bağışıklık sistemini aktive etmek için çok önemlidir. Belirli koşullar altında, fagositoz profesyonel olmayan fagositik hücreler, örneğin, endotel ve epitel hücreleri tarafından gerçekleştirilebilir. Bu işlem gelişimi sırasında ve normal doku devirinde ve yeniden modelleme için erişkin homeostazın muhafaza etmek önemlidir. Böyle testiste veya retina Sertoli hücreleri Son olarak, özel fagositlerpigment epitel hücreleri son derece güçlü fagositler 5 vardır.
Bir fagozomun oluşumu burada mikroorganizmalar veya hücresel döküntü bozunması fagositik hücrenin yüzeyi üzerinde fagositik reseptörlerinin kümelenme ile başlar oluşur. sistemlerinde, Fc alıcıları (FcR) ya da tamamlayıcı reseptör (CR) ve opsonik reseptörlerin kümeleme, aşağıdaki akıntı yönündeki sinyal olaylarını de karakterize edilmiştir. Ancak, Toll benzeri reseptörler (TLR), lektinler, mannoz reseptörleri ve çöpçü reseptörleri de dahil olmak üzere pek çok sivil opsonik reseptörleri de vardır. Bu reseptörler, mannoz veya fukoz kalıntılarının, fosfatidilserin ve lipopolisakkaritler 1,6-9 parçacık yüzeyi üzerinde determinantlar tanır.
Patojen veya hücre enkaz tanıma ve daha sonra yoğun ve geçici aktin yeniden yol fagositik reseptör çeşitli türleri, kümeleme bağlayıcı içerir. hücre içi compartmen paralel fokal ekzositozdats membran geriliminin serbest bırakılmasından katkıda bulunur ve büyük partiküllerin etkin fagositoz önemlidir. aktin polimerizasyonu ve membran deformasyon yol açan sinyal olayları tek bir fagositik reseptör tetikleyen deneysel modellerde disseke edildi. FcR aracılı fagositoz sırasında küçük GTPases (rac, Cdc42) tarafından düzenlenir yoğun bir aktin polimerizasyon bulunmaktadır. Bunların efektörlere arasında, Wiskott-Aldrich sendromu proteini (WASP) aktin filamanlarını 1,2,4,10 çekirdeklerin Aktin-ilişkili protein kompleksi 2/3 (ARP2 / 3) aktivasyonuna yol açar. Fosfatidilinositol-4, 5-bifosfat (PI (4,5) P2) Yerel üretim pseudopod oluşumunu sürücüler ilk aktin polimerizasyonu için çok önemlidir. PI (3,4,5) P3 olan dönüşüm pseudopod uzatma ve fagosom kapak 11 için gereklidir. Çeşitli yollar PI (4,5) P 2 kayboluşu katkıda bulunur. fosfatidilinositol fosfat kina öncelikle dekolmanıfagosom tutukladı PI (4,5) P2 sentezi gelen ses (PIPKIs). İkinci olarak, fosforile edilebilir ve ben kinazlar (PI3K) PI3K sınıf tarafından tüketilen ve PI (3,4,5) P3 12 dönüştürülür. Fosfatazlar ve fosfolipaz için bir rolü, memeli hücrelerinde ve Dictyostelium 13,14 fagositoz sırasında PI (4,5) P2, hidroliz ve F-aktin çıkarılması ima edilmiştir. Fosfolipaz C (PLC) δ diasilgliserol ve inositol-1,4,5- tris fosfat PI (4,5), p, 2 hidrolize olur. PI (4,5) P2 ve PI (3,4,5) P3 fosfataz OCRL (Lowe oculocerebrorenal sendromu), aynı zamanda fagosom oluşumunda rol oynadığı gösterilmiştir. F-aktin ve depolimerizasyon hassas yerel oluşumu sıkıca uzayda ve zamanda düzenlenir ve biz hücre içi bölmelerin o işe göstermiştir böylece fagositik fincan dibinde yerel aktin depolymerization katkıda yerel OCRL fosfataz teslim etmek önemlidir <sup> 13,15. Bunun için, biz burada açıklanan deney seti kadar kullanılır.
fagosom kapatılması ve membran açılmasıyla meydana için gerekli mekanizma ve moleküler oyuncular kötü çünkü görselleştirme ve fagosom kapatılması siteyi takip zorluklar tanımlı kalır. Yakın zamana kadar, fagositoz zor fagosom kapatma sitenin zamanında görselleştirme yaparak, onların sırt yüzünde ya da iki tarafta parçacıkları içselleştirmek sabit veya canlı hücreler gözlendi. Buna ek olarak, sabitleme yöntemleri membranların ve önyargı yalancı ayak uzatma ve kapatma sonuçları geri çekilmesini neden olabilir. Buna karşılık, biz kurmak ve burada açıklamak var tahlil bize pseudopod uzantısı ve toplam iç yansıma mikroskobu (TIRFM) 16 dayalı canlı hücrelerde 13 fagositoz kapatılması adımını, görüntülemenizi sağlar. Bu optik bir teknik şeffaf arasındaki ara yüzeyde ince bir bölgede florofor uyandırmak üzere bir çabuk kaybolan dalga harcayacaktırkapak (lamel) ve bir sıvı (hücre kültür ortamı). uyarım derinliği kalınlığı plazma zarına yakın bir moleküler olayların canlandırılmasına olanak tanıyan bir katı yüzey yaklaşık 100 nm'dir. TIRFM yüksek sinyal-zemin oranı sağlar ve bağlı hücrelerin aydınlatma toplanan out-of-focus floresan ve sitotoksisite sınırlar.
TIRFM yararlanan biz lamelleri IgG opsonize kırmızı kan hücrelerinin (IgG SRBC'ler) ile kaplanmış sonra poli-lizin ile aktive edildiği "fagosom kapatma tahlil" geliştirdi. ilgi geçici floresan etiketli proteinler ifade makrofajlar daha sonra IgG SRBClere yutmak için izin verilir. Hücreler kovalent olmayan cam yüzeyine bağlanmış olan hedef partikülleri ayırmak birlikte, psödopod uçları görülen ve TIRF modunda kaydedilebilir. TIRF satın almalar vis sağlayan, yukarıdaki aşama 3 mikron değişen sonra, Epifloresans modunda satın almalar ile birleştirilirfagositik fincan baz ualization. Bu işlem sırasında, aktin ya da Dynamin inhibe gibi farmakolojik ilaçların ilavesi, moleküler seviyede işlemini incelemek için de mümkündür.
Burada detaylı bir şekilde tarif protokol RAW264.7 mürin makrofaj hücre çizgisinde ve opsonize edilmiş parçacıklar için olduğu ancak, herhangi bir diğer fagositik bir hücre ve boncuk gibi başka hedeflere sahip uyarlanabilir. Bu yöntem zaman ve çeşitli fagositik sürecinde pseudopod uzantısı ve fagosom kapatılması rol oynayan moleküler oyuncuların uzayda düzenlemenin daha iyi karakterizasyonu sağlayacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
The experimental protocol described here proposes an unprecedented method to follow in real time and in living cells, with high-resolution, the formation of a phagosome and in particular its closure. Several technical aspects have to be discussed. Firstly, the assay is very sensitive to temperature. It is very important to check that the heating chamber is at 37 °C and that all media, devices or cells are kept within the chamber to avoid temperature changes that could impair the efficiency of phagocytosis. We notice…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Alexandre Benmerah (Institut Imagine Necker, Paris, France) for initial discussions on the experimental approach and Dr. Jamil Jubrail for reading the manuscript. Nadège Kambou and Susanna Borreill are acknowledged for performing experiments with the method in our laboratory. This work was supported by grants from CNRS (ATIP Program), Ville de Paris and Agence Nationale de la Recherche (2011 BSV3 025 02), Fondation pour la Recherche Médicale (FRM INE20041102865, FRM DEQ20130326518 including a doctoral fellowship for FMA) to FN, and Agence Nationale de Recherche sur le SIDA et les hépatites virales” (ANRS) including a doctoral fellowship for JM.
Materials
| Anti-sheep red blood cells IgG | MP Biomedicals | 55806 | |
| Bovine Serum Albumin heat shock fraction, pH 7, ≥98% | Sigma | A7906 | |
| Cell lifter | Corning | 3008 | |
| Cuvettes 4mm | Cell project | EP104 | |
| DPBS, no calcium, no magnesium | Thermo Fischer Scientific | 14190-094 | Room temperature |
| Electrobuffer kit | Cell project | EB110 | |
| 100mm TC-Treated Cell Culture Dish | Corning | 353003 | |
| Gene X-cell pulser | Biorad | 165-2661 | |
| Gentamicin solution | Sigma | G1397 | |
| Glass Bottom Dishes 35 mm uncoated 1.5 | MatTek corporation | P35G-1.5-14-C Case | |
| iMIC | TILL Photonics | Oil-immersion objective (N 100x, NA1.49.), heating chamber with CO2, a camera single photon detection EMCCD ( Electron Multiplying Charge Coupled Device) and a 1.5X lens | |
| Poly-L-Lysine Solution 0.1% | Sigma | P8920-100ml | Dilution at 0.01% in water |
| RPMI 1640 medium GLUTAMAX Supplement | Life technologies | 61870-010 | |
| RPMI 1640 medium, no phenol red (10×500 ml) | Life technologies | 11835-105 | Warm in 37°C water bath before use |
| Sheep red blood cells (SRBCs) | Eurobio | DSGMTN00-0Q | Conserved in Alsever buffer at 4°C before use |
References
- Flannagan, R. S., Jaumouille, V., Grinstein, S. The cell biology of phagocytosis. Ann Rev Pathol. 7, 61-98 (2012).
- Swanson, J. A. Shaping cups into phagosomes and macropinosomes. Nat Rev Mol Cell Biol. 9, 639-649 (2008).
- Stuart, L. M., Ezekowitz, R. A. Phagocytosis and comparative innate immunity: learning on the fly. Nat Rev Immunol. 8, 131-141 (2008).
- Niedergang, F., Bradshaw, R. A., Stahl, P. D. . Encyclopedia of Cell Biology. 2, 751-757 (2016).
- Poon, I. K., Lucas, C. D., Rossi, A. G., Ravichandran, K. S. Apoptotic cell clearance: basic biology and therapeutic potential. Nat Rev Immunol. 14, 166-180 (2014).
- Aderem, A., Underhill, D. M. Mechanisms of phagocytosis in macrophages. Annu. Rev. Immunol. 17, 593-623 (1999).
- Underhill, D. M., Goodridge, H. S. Information processing during phagocytosis. Nat Rev Immunol. 12, 492-502 (2012).
- Underhill, D. M., Ozinsky, A. Phagocytosis of microbes: complexity in action. Annu Rev Immunol. 20, 825-852 (2002).
- Canton, J., Neculai, D., Grinstein, S. Scavenger receptors in homeostasis and immunity. Nat Rev Immunol. 13, 621-634 (2013).
- Freeman, S. A., Grinstein, S. Phagocytosis: receptors, signal integration, and the cytoskeleton. Immunol Rev. 262, 193-215 (2014).
- Scott, C. C., et al. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate hydrolysis directs actin remodeling during phagocytosis. J Cell Biol. 169, 139-149 (2005).
- Schlam, D., et al. Phosphoinositide 3-kinase enables phagocytosis of large particles by terminating actin assembly through Rac/Cdc42 GTPase-activating proteins. Nat Commun. 6, 8623 (2015).
- Marion, S., et al. The NF-kappaB Signaling Protein Bcl10 Regulates Actin Dynamics by Controlling AP1 and OCRL-Bearing Vesicles. Dev Cell. 23, 954-967 (2012).
- Loovers, H. M., et al. Regulation of phagocytosis in Dictyostelium by the inositol 5-phosphatase OCRL homolog Dd5P4. Traffic. 8, 618-628 (2007).
- Deschamps, C., Echard, A., Niedergang, F. Phagocytosis and cytokinesis: do cells use common tools to cut and to eat? Highlights on common themes and differences. Traffic. 14, 355-364 (2013).
- Johnson, D. S., Jaiswal, J. K., Simon, S. Chapter 12, Unit 12.29: Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy illuminator for improved imaging of cell surface events. Curr Protoc Cytom. , (2012).
- Riedl, J., et al. Lifeact: a versatile marker to visualize F-actin. Nat Methods. 5, 605-607 (2008).
- Marie-Anais, F., Mazzolini, J., Herit, F., Niedergang, F. Dynamin-actin cross-talk contributes to phagosome formation and closure. Traffic. 17 (5), 487-499 (2016).
