Die Messung der Hämsynthese Levels in Säugerzellen
Summary
Altered intracellular heme levels are associated with common diseases such as cancer. Thus, there is a need to measure heme biosynthesis levels in diverse cells. The goal of this protocol is to provide a fast and sensitive method to measure and compare the levels of heme synthesis in different cells.
Abstract
Häm dient als prosthetische Gruppe für eine große Vielfalt von Proteinen als Hämoproteine, wie Hämoglobin, Myoglobin und Cytochrom bekannt. Es wird in verschiedenen molekularen und zellulären Prozessen wie Gentranskription, Translation, Zelldifferenzierung und Zellproliferation beteiligt. Die Biosynthese von Häm Stufen variieren in verschiedenen Geweben und Zelltypen und in Krankheitszuständen wie Anämie, Neuropathie und Krebs verändert. Diese Technik verwendet [4- 14 C] 5-Aminolävulinsäure ([14 C] 5-ALA), einer der ersten Vorstufen bei der Häm-Biosyntheseweg, das Niveau der Häm-Synthese in Säugetierzellen zu messen. Dieser Assay beinhaltet die Inkubation von Zellen, die mit [14 C] 5-ALA, gefolgt von Extraktion von Häm und die Messung der Radioaktivität in Häm inkorporiert. Diese Vorgehensweise ist präzise und schnell. Bei dieser Methode wird die relative Bedeutung der Häm-Biosynthese und nicht die Gesamt Häm-Gehalt. Um die Verwendung dieser techn demonstriereniQue das Niveau der Häm-Biosynthese wurden in mehreren Säugetierzelllinien gemessen.
Introduction
Häm, ein Komplex von Eisen und Protoporphyrin IX ist ein Zentralmolekül für den Transport und die Verwendung von Sauerstoff in praktisch allen lebenden Organismen 1-3. Die einzigartige Struktur der Häm ermöglicht es, als Träger von zweiatomigen Gase und Elektronen funktioniert, sowie auf verschiedene andere Funktionen 1-5 auszuführen. Bindet beispielsweise Häm zu Sauerstoff im Hämoglobin und Myoglobin für die Übertragung und Speicherung von Sauerstoff 6,7. Es funktioniert auch als Elektronenüberträger in der Cytochrome während der Atmung und wirkt als Elektronendonor für Redox-Reaktionen, die durch Cytochrom P450 Enzyme 8,9 katalysiert. Eines der signifikanten Merkmale des Häm ist, dass sie regulatorische Rolle bei der zellulären und molekularen Prozesse, wie Gen-Transkription, Proteinsynthese und Mikro RNA Biogenese 4 spielt. Beispielsweise wirkt sich die Transkription vieler Gene durch Steuerung der Aktivität von Säuger Transkriptionsrepressor BACH1 und Säugetiernuklear receptor Rev-erbα 10-15. Häm regelt die Aktivierung von Häm-Aktivatorprotein (HAP) 1, die eine wichtige Rolle bei der Aktivierung von Genen, die bei der Atmung und Steuerung oxidative Schädigung beteiligt spielt, in Reaktion auf Häm oder Sauerstoff 16. Häm regelt auch Gentranskription in neuronalen Zellen über den Nervenwachstumsfaktor (NGF) Signalisierungs 3,17-20. Ferner regelt die Proteinsynthese in Säugern erythroiden Zellen durch Modulierung der Aktivität des Häm-regulierten Kinase eIF2a (HRI) 21-24. Darüber hinaus beeinflussen die Aktivität des Häm Schlüsselsignalproteine wie Tyrosinkinase Src Jak2 und, was für die korrekte Zellfunktion und das Zellwachstum 4,20,25 sind. Es wurde festgestellt, dass in HeLa-Zellen Häm-Hemmung bewirkt Zellzyklusarrest und die Aktivierung der Marker mit Seneszenz und Apoptose 26 verbunden. Sowohl Häm-Mangel oder ein höheres Maß an Häm sind mit schweren Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen 27 verbunden. Neueste Molekular einnd epidemiologische Studien haben eine positive Assoziation mit hoher Häm Aufnahme und erhöhten Risiko von Krankheiten wie Typ-2-Diabetes, koronare Herzkrankheit und einige Krebsarten wie Lungenkrebs, Darmkrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs 27,28 gezeigt. Mit Hilfe eines passendes Paar von normalen und Krebslungenzellen Autoren Labor haben gezeigt, dass Krebszellen Ebenen der Sauerstoffverbrauch, Häm-Synthese und Proteine in Häm Aufnahme und Sauerstoffnutzung 28 beteiligten erhöht. Interessanterweise Hemmung der Häm-Synthese verringert den Sauerstoffverbrauch, Proliferation, Migration und Koloniebildung von Krebszellen 28. Somit spielt die Schwankungen der Konzentrationen von endogenem Häm eine wichtige Rolle bei der Regulation der molekularen und zellulären Prozessen 3,4,28,29.
Bei Säugetieren erfolgt die Biosynthese von Häm in acht Stufen unter Einschluss von Enzymen in den Mitochondrien und im Cytosol 4 (Figur 1) befindet. Häm biosynArbeit beginnt in der Matrix der Mitochondrien mit der Kondensation von Glycin und Succinyl-CoA in der 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) zu bilden, durch ALA-Synthase (Ach) 4,31 katalysiert. Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in Ham-Biosynthese in nonerythroid Zellen. 5-ALA wird dann in das Cytosol, wo die nächsten vier Schritte werden ausgeführt, um Coproporphyrinogen III (CPgenIII), die dann zurück in den Mitochondrien, wo sie in Protoporphyrin IX (PPIX) umgewandelt importiert bilden exportiert. Schließlich wird ein Molekül Eisen an den Protoporphyrin IX (PPIX) integriert, um Häm, eine Reaktion durch Ferrochelatase (FECH) 2,4 katalysiert zu produzieren.
Die Höhe der Häm-Biosynthese hängt in erster Linie von der Höhe der ALAS-Enzym, die fest durch intrazelluläre Eisen und Häm 4 gesteuert wird. Die Biosynthese von Häm durch genetische Defekte, die Verfügbarkeit von bestimmten Mineralstoffen und Vitaminen (zB Riboflavin, Zink), Exposition gegenüber Toxinen (zB Aluminium, Blei betroffen), Anoxie, Fieber und Konzentration bestimmter Steroide (zB Östrogen) 32-35. Die Höhe der Häm-Synthese ist in verschiedenen krankhaften Zuständen verändert. Verringert Hämbiosynthese kann Anämie sowie neurologischen Erkrankungen 3,36 verursachen. Alternativ spielt erhöht Hämbiosynthese eine wichtige Rolle bei der Progression von bestimmten Krebs 28,37. Häm wurde gezeigt, entscheidend für das Wachstum, die Differenzierung und das Überleben von Säuger Fettgewebe, erythroiden und neuronalen Zellen 4,38-41 sein. Zum Beispiel führt Häm Mangel an Neuriten Schaden in primären kortikalen Neuronen der Maus über die Hemmung der Glutamat-NMDA (N-Methyl-D-Aspartat) -Rezeptor-17. Zusätzlich Hemmung der Häm-Synthese verursacht programmierten Zelltod im menschlichen epithelialen Zervixkarzinom HeLa-Zellen 26,41. Daher ist es wichtig für die Untersuchung Ätiologie und progressi Messung der Häm-Biosynthese Ebenen in verschiedenen Zellen unter verschiedenen Bedingungenauf vieler Krankheiten.
Hier beschreiben wir eine schnelle und empfindliche Methode, um das Niveau der intrazellulären Häm-Synthese unter Verwendung von [4- 14 C] 5-aminolevulic Säure zu messen. Dies ist ein alternatives Verfahren zu anderen Verfahren unter Verwendung von 55 Fe oder 59 Fe. Wir ziehen mit 14 C, da ihre Strahlung ist sehr schwach. Im Gegensatz dazu ist starken Schutz für die Arbeit mit Fe Isotope erforderlich. Weiterhin soll dieses Verfahren zur Messung und zum Vergleich Häm-Synthese in verschiedenen Zellen, die parallel in einer schnellen Weise. Um absolute Häm zu messen, kann man die zuvor festgelegte Verfahren, das die Verwendung von HPLC 42,43 zu verwenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Häm spielt eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung von Zellenergie über die Atmung 26. Verändert Hämstoffwechsel bekanntermaßen mit verschiedenen Krankheiten einschließlich Krebs 28,41 zugeordnet sein. Die Inhibition der Häm-Synthese ist bekannt, Zellzyklusarrest und Apoptose in HeLa-Zellen 26,41 führen. Es hat sich gezeigt, dass hohe Hämsynthese Pegel wird mit dem Fortschreiten der Lungenkrebszellen 28 verbunden. Daher wäre es von großer Bedeutung sein, um die Nivea…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die HCC4017 und HBEC30KT Zelllinien wurden freundlicherweise von Dr. John Minna Labor zur Verfügung gestellt. Diese Arbeit wurde von der Cecil und Ida H. Grün Mittel Dr. Li Zhang unterstützt.
Materials
| Acetone | Sigma | 650501 | |
| Diethy ether | Sigma | 296082 | |
| HCl (Hydrochloric acid) | Fisher | A481-212 | |
| Liquid Scintillation cocktail | MP Biomedicals | 882470 | |
| Trypan blue | Gibco | 15250 | |
| Radiolabeled 4-14C aminolevulinic acid | Perkin-Elmer life sciences | Store @ -80 °C | |
| CelLytic M | Sigma | C2978 | Mammalian cell lysis reagent |
| Pierce BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | 23227 | |
| Specific reagent | |||
| Component | Dispense | ||
| Heme extraction buffer- Acetone: HCl:Water (25:1.3:5) | Acetone | 25ml | |
| Concentrated HCl | 1.3ml | ||
| Water | 5ml |
References
- Furuyama, K., Kaneko, K., Vargas, P. D. Heme as a magnificent molecule with multiple missions: heme determines its own fate and governs cellular homeostasis. Tohoku J Exp Med. 213, 1-16 (2007).
- Hamza, I., Dailey, H. A. One ring to rule them all: trafficking of heme and heme synthesis intermediates in the metazoans. Biochim Biophys Acta. 1823, 1617-1632 (2012).
- Zhu, Y., Hon, T., Ye, W., Zhang, L. Heme deficiency interferes with the Ras-mitogen-activated protein kinase signaling pathway and expression of a subset of neuronal genes. Cell Growth Differ. 13, 431-439 (2002).
- Zhang, L. HEME BIOLOGY: The Secret Life of Heme in Regulating Diverse Biological Processes. Singapore: World Scientific Publishing Company. , (2011).
- Mense, S. M., Zhang, L. Heme: a versatile signaling molecule controlling the activities of diverse regulators ranging from transcription factors to MAP kinases. Cell Res. 16, 681-692 (2006).
- Ingram, D. J., Kendrew, J. C. Orientation of the haem group in myoglobin and its relation to the polypeptide chain direction. Nature. 178, 905-906 (1956).
- Perutz, M. F. X-ray analysis of hemoglobin. Science. 140, 863-869 (1963).
- Chance, B. The nature of electron transfer and energy coupling reactions. FEBS Lett. 23, 3-20 (1972).
- Guengerich, F. P., MacDonald, T. L. Mechanisms of cytochrome P-450 catalysis. Faseb J. 4, 2453-2459 (1990).
- Igarashi, K., et al. Multivalent DNA binding complex generated by small Maf and Bach1 as a possible biochemical basis for beta-globin locus control region complex. J Biol Chem. 273, 11783-11790 (1998).
- Ogawa, K., et al. Heme mediates derepression of Maf recognition element through direct binding to transcription repressor Bach1. Embo J. 20, 2835-2843 (2001).
- Oyake, T., et al. Bach proteins belong to a novel family of BTB-basic leucine zipper transcription factors that interact with MafK and regulate transcription through the NF-E2 site. Mol Cell Biol. 16, 6083-6095 (1996).
- Snyder, S. H., Jaffrey, S. R., Zakhary, R. Nitric oxide and carbon monoxide: parallel roles as neural messengers. Brain Res Brain Res Rev. 26, 167-175 (1998).
- Sun, J., et al. Hemoprotein Bach1 regulates enhancer availability of heme oxygenase-1 gene. Embo J. 21, 5216-5224 (2002).
- Zhang, L., Guarente, L. Heme binds to a short sequence that serves a regulatory function in diverse proteins. Embo J. 14, 313-320 (1995).
- Hon, T., Lee, H. C., Hu, Z., Iyer, V. R., Zhang, L. The heme activator protein Hap1 represses transcription by a heme-independent mechanism in Saccharomyces cerevisiae. Génétique. 169, 1343-1352 (2005).
- Chernova, T., et al. Neurite degeneration induced by heme deficiency mediated via inhibition of NMDA receptor-dependent extracellular signal-regulated kinase 1/2 activation. J Neurosci. 27, 8475-8485 (2007).
- Chernova, T., et al. Early failure of N-methyl-D-aspartate receptors and deficient spine formation induced by reduction of regulatory heme in neurons. Mol Pharmacol. 79, 844-854 (2011).
- Sengupta, A., Hon, T., Zhang, L. Heme deficiency suppresses the expression of key neuronal genes and causes neuronal cell death. Brain Res Mol Brain Res. 137, 23-30 (2005).
- Smith, A. G., Raven, E. L., Chernova, T. The regulatory role of heme in neurons. Metallomics. 3, 955-962 (2011).
- Raghuram, S., et al. Identification of heme as the ligand for the orphan nuclear receptors REV-ERBalpha and REV-ERBbeta. Nat Struct Mol Biol. 14, 1207-1213 (2007).
- Wu, N., Yin, L., Hanniman, E. A., Joshi, S., Lazar, M. A. Negative feedback maintenance of heme homeostasis by its receptor Rev-erbalpha. Genes Dev. 23, 2201-2209 (2009).
- Yin, L., et al. Rev-erbalpha, a heme sensor that coordinates metabolic and circadian pathways. Science. 318, 1786-1789 (2007).
- Zhu, Y., Hon, T., Zhang, L. Heme initiates changes in the expression of a wide array of genes during the early erythroid differentiation stage. Biochemical and biophysical research communications. 258, 87-93 (1999).
- Yao, X., Balamurugan, P., Arvey, A., Leslie, C., Zhang, L. Heme controls the regulation of protein tyrosine kinases Jak2 and Src. Biochemical and biophysical research communications. 402, 30-35 (2010).
- Ye, W., Zhang, L. Heme controls the expression of cell cycle regulators and cell growth in HeLa cells. Biochem and biophys res comm. 315, 546-554 (2004).
- Hooda, J., Shah, A., Zhang, L. Heme, an essential nutrient from dietary proteins, critically impacts diverse physiological and pathological processes. Nutrients. 6, 1080-1102 (2014).
- Hooda, J., et al. Enhanced heme function and mitochondrial respiration promote the progression of lung cancer cells. PloS one. 8, e63402 (2013).
- Atamna, H., Walter, P. B., Ames, B. N. The role of heme and iron-sulfur clusters in mitochondrial biogenesis, maintenance, and decay with age. Arch Biochem Biophys. 397, 345-353 (2002).
- Atamna, H., Killilea, D. W., Killilea, A. N., Ames, B. N. Heme deficiency may be a factor in the mitochondrial and neuronal decay of aging. Proc Natl Acad Sci U S A. 99, 14807-14812 (2002).
- Ponka, P. Cell biology of heme. Am J Med Sci. 318, 241-256 (1999).
- Brawer, J. R., Naftolin, F., Martin, J., Sonnenschein, C. Effects of a single injection of estradiol valerate on the hypothalamic arcuate nucleus and on reproductive function in the female rat. Endocrinol. 103, 501-512 (1978).
- Daniell, W. E., et al. Environmental chemical exposures and disturbances of heme synthesis. Environ Health Perspect. 105, 37-53 (1997).
- Kihara, T., et al. Hepatic heme metabolism in rats with fever induced by interleukin 1beta. Res Commun Mol Pathol Pharmacol. 104, 115-126 (1999).
- Vijayasarathy, C., Damle, S., Prabu, S. K., Otto, C. M., Avadhani, N. G. Adaptive changes in the expression of nuclear and mitochondrial encoded subunits of cytochrome c oxidase and the catalytic activity during hypoxia. Eur J Biochem. 270, 871-879 (2003).
- Anderson, K. E. S. S., Bishop, D. F., Desnick, R. J. Disorders of heme biosynthesis: X-linked sideroblastic anemia and the porphyrias. The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease. , 1-53 (2009).
- Salvo, M. L., Contestabile, R., Paiardini, A., Maras, B. Glycine consumption and mitochondrial serine hydroxymethyltransferase in cancer cells: the heme connection. Med Hypotheses. 80, 633-636 (2013).
- Ishii, D. N., Maniatis, G. M. Haemin promotes rapid neurite outgrowth in cultured mouse neuroblastoma cells. Nature. 274, 372-374 (1978).
- Padmanaban, G., Venkateswar, V., Rangarajan, P. N. Haem as a multifunctional regulator. Trends Biochem Sci. 14, 492-496 (1989).
- Rutherford, T. R., Clegg, J. B., Weatherall, D. J. K562 human leukaemic cells synthesise embryonic haemoglobin in response to haemin. Nature. 280, 164-165 (1979).
- Ye, W., Zhang, L. Heme deficiency causes apoptosis but does not increase ROS generation in HeLa cells. Biochemical and biophysical research communications. 319, 1065-1071 (2004).
- Bonkovsky, H. L., et al. High-performance liquid chromatographic separation and quantitation of tetrapyrroles from biological materials. Anal Biochem. 155, 56-64 (1986).
- Sinclair, P. R., Gorman, N., Jacobs, J. M. Measurement of heme concentration. Curr Protoc Toxicol. 8, Unit 8.3 (2001).
- Barros, M. H., Carlson, C. G., Glerum, D. M., Tzagoloff, A. Involvement of mitochondrial ferredoxin and Cox15p in hydroxylation of heme O. FEBS Lett. 492, 133-138 (2001).
- Shinjyo, N., Kita, K. Up-regulation of heme biosynthesis during differentiation of Neuro2a cells. J Biochem. 139, 373-381 (2006).
- Israels, L. G., Yoda, B., Schacter, B. A. Heme binding and its possible significance in heme movement and availability in the cell. Ann N Y Acad Sci. 244, 651-661 (1975).
- Yannoni, C. Z., Robinson, S. H. Early-labelled haem in erythroid and hepatic cells. Nature. 258, 330-331 (1975).
- Robinson, S. H. Formation of bilirubin from erythroid and nonerythroid sources. Semin Hematol. 9, 43-53 (1972).
- Granick, S., Granick, D. Nucleolar necklaces in chick embryo myoblasts formed by lack of arginine. J Cell Biol. 51, 636-642 (1971).
- Morell, D. B., Barrett, J., Clezy, P. S. The prosthetic group of cytochrome oxidase. 1. Purification as porphyrin alpha and conversion into haemin alpha. Biochem J. 78, 793-797 (1961).
- Sinclair, P., Gibbs, A. H., Sinclair, J. F., de Matteis, F. Formation of cobalt protoporphyrin in the liver of rats. A mechanism for the inhibition of liver haem biosynthesis by inorganic cobalt. Biochem J. 178, 529-538 (1979).
- Chung, J., Haile, D. J., Wessling-Resnick, M. Copper-induced ferroportin-1 expression in J774 macrophages is associated with increased iron efflux. Proc Natl Acad Sci U S A. 101, 2700-2705 (2004).
