Summary

포유류 스트레스 과립으로 세포질 초점을 분류하는 방법

Published: May 12, 2017
doi:

Summary

스트레스 과립 (SGs)은 다양한 스트레스에 노출 된 세포에서 형성되는 비 세포 성 세포질 구조입니다. SG는 mRNA, RNA 결합 단백질, 작은 리보솜 서브 유닛, 번역 관련 인자 및 다양한 세포 신호 전달 단백질을 포함한다. 이 프로토콜은 선량있는 SG를 탐지, 특성화 및 정량화하기위한 몇 가지 실험적 방법을 사용하는 워크 플로를 설명합니다.

Abstract

세포는 갑작스런 환경 변화로 종종 어려움을 겪습니다. 스트레스 조건에 노출 된 세포에서 형성되는 세포질 리보 뉴클레오타이드 복합체 인 스트레스 과립 (SGs)은 세포 대사 및 생존의 다양한 측면과 연관되어있다. SG는 세포 신호 전달 경로, 전사 후 유전자 발현 및 스트레스 반응 프로그램을 조절합니다. 이러한 mRNA- 함유 과립의 형성은 세포 번역에 직접 연결된다. SG 어셈블리는 억제 된 번역 개시에 의해 유발되고, SG 해체는 번역 활성화 또는 억제 된 번역 신장에 의해 촉진된다. 이 관계는 SG 구성에 의해 더 강조됩니다. 핵심 SG 요소는 번역 사전 개시 복합체, mRNA 및 선택된 RNA 결합 단백질 (RBP)이 정지 된 것입니다. SG 어셈블리의 목적은 번역 적으로 정지 된 하우스 키핑 (housekeeping) mRNA를 격리함으로써 세포 에너지를 보존함으로써 스트레스 반응성 단백질의 향상된 번역을 허용하는 것입니다. additi에서stalled translation preinitiation complexes와 같은 핵심 구성물에 SG는 다른 단백질과 신호 분자를 과다하게 포함하고있다. SG 형성의 결함은 스트레스에 대한 세포 적응을 손상시킬 수 있고 따라서 세포 사멸을 촉진시킬 수있다. SG 및 이와 유사한 RNA 함유 과립은 신경 퇴행성 장애 및 암을 비롯한 다수의 인간 질환과 관련되어있어 RNA 과립 아형의 분류 및 정의에 최근 관심을 갖게되었습니다. 이 프로토콜은 포유류 SG를 특성화하고 정량하기위한 분석을 설명합니다.

Introduction

세포는 스트레스에 반응하는 많은 메커니즘을 사용합니다. 일부 반응은 전사 후 수준에서 일어나며 mRNA 번역 및 / 또는 안정성을 조절하는 것과 관련됩니다 1 , 2 . 스트레스 – 조절 된 mRNA 번역 정지 및 분해는 특이 적 비 막성 세포 초점의 형성과 관련되며, 가장 잘 특징 지어지는 스트레스 과립 (SGs) 3 . SG는 스트레스 ( 예 : 산화, 열 쇼크, 영양 결핍 및 바이러스 감염)에 반응하여 번역 상 체포 된 세포에 비 번역 mRNP를 집중시키는 세포질 초점입니다 4 . 비 번역 mRNA 외에도 SG에는 번역 개시 인자, RNA 결합 단백질 및 다양한 신호 단백질 5가 들어 있습니다. SG는 억제 된 단백질 번역 및 변형 된 RNA 신진 대사의 바이오 마커이며 세포 생존 및 세포 사멸, 신호 전달 경로와 관련되어있다s 및 핵 과정 5 .

SG는 동적 엔티티이며, 그 형성은 셀룰러 변환 6 의 상태와 밀접하게 관련되어 있습니다. 외관상으로 튼튼한 외관에도 불구하고, 대부분의 SG 단백질 성분은 초 단위의 체류 시간으로 빠르게 출퇴근합니다. SG는 몇 시간에서 몇 시간 동안 지속되지만 대부분의 구성 요소는 빠른 속도로 흐릅니다. 번역 개시의 억제와 번역 폴리 소메 우스의 결과적인 분해는 SG의 형성을 촉진한다. 따라서 SG는 번역 폴리 소문과 평형을 이룹니다. 이 polysome / SG 평형은 다른 스트레스 유발 성 초점과 진실 SG를 구별하는 데 중요합니다 6 , 7 .

정지 개시 정지는 mRNA, 번역 개시 인자 (eIF) 및 40S 리보솜 서브 유니트를 함유하는 번역 – 유능한 사전 – 개시 복합체의 전환을 수반한다 o-48S 복합체)를 SGs 4 , 6 으로 통합 할 수있는 번역 상 지연된 복합체 (소위 48S * 복합체)로 전환시키는 것이다. SGs는 48S 복합체 형성의 상류의 2 개의 다른 단계에서 번역 정지에 의해 촉진된다 : 캡 결합 eIF4F 복합체 ( 예를 들어, 그의 eIF4A 서브 유닛을 표적으로하는 것)의 기능과의 간섭 또는 번역 개시 인자 eIF2의 α 서브 유닛의 인산화 4 종의 eIF2 키나아제 중 하나 이상을 포함한다. 정지 된 48S 복합체 ( 즉, 40S 리보솜 서브 유닛 및 선택된 번역 개시 인자)의 존재는 SGs 8 , 9 의 특징이다.

SG는 바이러스 감염, 신경 변성,자가 면역 및 암과 같은 다양한 병리학 적 상태에 연관되어있다 3 , 10 , 11 ,ss = "xref"> 12 , 13 . 몇몇 SG 성분의 돌연변이 형태는 뉴런이 뉴런의 죽음에 적극적인 역할을 할 수있는 세포 내 병적 흠도를 나타내는 신경 퇴행성 질환 ( 예 : 근 위축성 측삭 경화증)과 관련되어있다. 일부 바이러스는 SG 성분을 납치하여 SG 형성을 억제하고 바이러스 복제를 촉진시킵니다 14 . 최근의 연구들은 또한 화학 요법 및 방사선 치료법 10 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 하에서 SG를 암 15 와 암 세포 생존과 연관시킨다. 이러한 발견이 SG 생물학에 큰 관심을 자극하는 동안, 많은 발표 된 보고서는 선의 SG의 형성을 다른 스트레스 유발 성 초점과 구별하는 중요한 통제가 부족하다.

SG는 처음에 T 세포 세포 내 항원 1 (TIA-1) 및 폴리 -A 결합 단백질 (PABP)을 포함하는 선택된 mRNA- 결합 단백질 (RBP)로 구성된 비 막성 세포질 초점으로 기술되었다; 번역 개시 요인; 폴리아 데 닐화 된 mRNA; 작은 리보솜 서브 유닛 4 , 6 , 21 , 22 . 전통적으로, 그들의 구성은 면역 염색과 형광 tagged 단백질 23 , 24 의 이소성 발현과 같은 기술에 의해 결정되었습니다. 그들의 매우 역동적 인 특성으로 인해, SG 단백질 및 / 또는 mRNA의 면역 로컬 ​​리 제이션은 SGs 23 , 24 를 검출하기위한 정의 방법으로 남아 있습니다. 지금까지 많은 RBP와 다른 단백질 (120 종 이상의 서로 다른 단백질)이 SG 구성 요소 11 로 묘사됩니다. 많은 SG- 지방화 된 단백질은 스트레스 의존성 및 독립적 인 방식으로 이들의 국소화를 변화시키고 다른 세포 내 구획 및 병소에 축적 될 수 있으므로, 정확한 SG 마커를 선택하고 SG를 다른 유형의 스트레스 유도 성 초점. 진실 된 SG는 mRNA, 번역 개시 인자 및 작은 리보솜 서브 유닛을 포함하며 번역과 동적 평형을 이룹니다.

이 간단한 작업 흐름은 스트레스에 의해 유발 된 초점이 진실한 SG인지 여부를 결정하도록 설계되었습니다. 이 워크 플로우에는 U2OS 세포를 사용하는 몇 가지 실험적 접근 방법이 포함되어 있습니다. SG는 SG를 연구하는 데 일반적으로 사용되는 세포입니다. 이 세포들은 큰 세포질을 가지고 비교적 평평하며 유리 커버 슬립에 강하게 부착되어 이상적입니다. SG를 연구하기 위해 다른 세포 유형을 사용할 수도 있지만 타이밍, 약물 농도 및 SG 핵 결정 단백질의 차이가 동질성을 변화시킬 수 있다는 사실을 알고 있어야합니다.상황. 또한 일부 세포는 세포 표면 표백제를 형성하여 파라 포름 알데히드 고정에 반응하여 일부 SG 마커의 점을 찍은 국소화를 유발하는 겉치레 모양을 나타낸다. 신중한 분석 없이는 SG로 잘못 분류 될 수 있습니다. 이것은 스트레스 유발 성 초점을 진실 SG로 식별하는 데 필요한 모든 기준을 평가할 필요성을 강조합니다. SG 22 를 촉진시키는 암 치료제 인 Vinorelbine (VRB)과 강력하고 잘 특성화 된 SG 유도제 인 Sodium Arsenite (SA)가이 프로토콜에서 실험을위한 스트레스로 사용됩니다.

표준 SG에는 세포질 초점에서 공존하는 여러 SG 마커 (단백질과 mRNA 모두)가 포함되어 있습니다. 이 프로토콜은 단백질 마커와 polyadenylated mRNA 22 의 국한을 각각 감지하기 위해 immunofluorescence와 형광 in situ hybridization (FISH)을 사용합니다. 간략하게, 간접 면역 형광법은 항체 ( 즉,이자형. 일차 항체)를 세포 내에서 검출 할 수 있습니다. 그런 다음 형광 색소에 부착 된 2 차 항체 (보통 종 특이성)가 1 차 항체를 인식하고 표적 단백질의 위치를 ​​밝혀냅니다. 형광 현미경 검사는 세포 내에서 국부 신호를 감지하는 데 사용됩니다. 다른 종에서 생산 된 항체를 사용하고 색이 다른 2 차 항체로 검출하면 여러 항체의 동시 발현을 검출 할 수있어 단백질 표적이 동일한 위치에서 발견됨을 나타냅니다 23 . 진실 된 SG에서 공존하는 것으로 확인 된 마커를 선택하는 것이 중요합니다.

FISH는 특정 RNA 또는 DNA 서열과 염기쌍을 이루는 표지 된 프로브를 사용합니다 25 . mRNA를 검출하기 위해이 프로토콜은 mRNA의 polyA 꼬리 ( 즉, polyA FI)와 하이브 리다 이즈 (또는 염기쌍)하는 바이오 티 닐화 올리고 (dT) 40 프로브를 사용합니다SH). 그런 다음 streptavidin이 biotin에 대해 높은 친 화성을 가지기 때문에 형광 결합 형 streptavidin을 사용하여 biotinylated probe를 검출합니다. SG를 평가할 때 polyA FISH와 SG marker를 검출하는 immunofluorescence를 결합하는 것이 중요합니다. 실제 SG와 마찬가지로 두 신호가 함께 있어야합니다.

이 프로토콜을 사용하여 colocalization은 여러 가지 방법으로 평가됩니다. 다중 채널 ( 즉, RGB : 적색, 녹색 및 청색) 이미지에서 colocalization은 중첩 신호의 색상을 변경합니다 ( 예 : colocalized 빨간색과 녹색이 노란색으로 나타남). 또한, 각 색의 강도가 주어진 라인 8 , 20 에서 측정되는 라인 스캔 분석을 사용하여 동시 기록이 그래픽으로 정량화됩니다. 이 프로토콜은 ImageJ 26을 사용하는 두 개의 라인 스캔 분석 절차를 설명합니다. 하나의 절차는 수동이며 전체 프로세스를 진행합니다.다른 하나는 매크로를 사용하거나 수동 단계를 자동화하는 간단한 프로그램을 사용합니다. 매크로 절차를 이해하려면 수동 프로그램을 거치는 것이 중요합니다.

SG가 번역이 억제 된 세포에서 형성된다; 따라서 SG가있는 세포는 처리되지 않은 세포에 비해 전체적인 번역 수준이 감소해야합니다. 실험적으로 ribopuromycylation이 사용됩니다. puromycin과 emetine은 고정되기 전에 짧은 기간 동안 세포에 첨가되어 puromycin이 적극적으로 폴리 펩타이드를 형성하게하여 종결을 일으킨다. 재 시술을 막기 위해 emetine을 사용한 치료가 필요합니다 29 . Puromycin은 Anti-Puromycin 항체를 사용하여 검출 할 수 있으며 활성 번역의 스냅 샷을 제공합니다. 이 방법은 빠르고, 특정 아미노산이 결핍 된 배지를 미리 굶주 리지 않아도 (그리고 잠재적으로 세포에 압박을 가하는) 필요가 없기 때문에 사용됩니다.단백질 변환의 세포 내 지방화. "click-it"화학 물질 30 과 결합 된 메티오닌 아날로그 L- 아지도 모아 라 인 (AHA)과 같은 변형 된 아미노산 유사체를 사용하는 다른 방법은 SG를 함유하는 세포가 이웃 세포보다 훨씬 낮은 번역을 나타내는 것을 나타 내기 위해 사용되었다. 그러나,이 기술은 메티오닌 기아와 15-30 분 동안의 펄스 표지가 필요합니다. 메티오닌 기아 현상은 추가적인 스트레스를 구성하는 반면, 긴 표지 시간 ( 즉, 15-30 분)은 누적 이동보다 누적 이동의 측정을 초래하고 새로 합성 된 단백질이 합성 위치에서 세포. 대조적으로, 리보 푸로 마이신 화는 훨씬 빠르며 포도당 결핍을 통해 SG를 유도하는 데 사용되는 글루코스가없는 배지와 같은 모든 배지와 호환됩니다.

정식 SG는 동적 평형 상태에있다.적극적으로 폴리 소문을 번역합니다. 이것은 polysomes를 안정화 시키거나 불안정하게하는 약물로 시료를 처리하여 SG와 polysomes 사이의 균형을 바꾸어 실험적으로 평가할 수 있습니다 23 . Cycloheximide (또는 유사하게 행동하는 emetine)는 mRNA에 리보솜을 "동결 시킴"으로써 신장을 막아 SG를 형성 할 수있는 유효한 non-polysomal mRNP의 수를 감소시킨다. 실험적으로, 이것은 두 가지 방법으로 사용할 수 있습니다 : SG 생성을 막기 위해 스트레스를 가하기 전에 cycloheximide (또는 emetine)를 첨가하거나 SG가 형성 된 후에 cycloheximide (또는 emetine)를 첨가하여 스트레스를 제거하지 않고도 SG 해체 선발 착물은 서서히 폴리 소메 분획으로 들어간다. 대조적으로 puromycin은 조기 종결을 일으키고 폴리섬 해체를 촉진하여 SG로 조립할 수있는 mRNA 개시 풀을 증가시킵니다. 실험적으로 puromycin 치료는 SG의 수를 늘리거나 threshol을 낮 춥니 다.d는 등급이 매겨진 스트레스 나 약물 복용량에 반응하여 형성됩니다. puromycin의 영향을 평가할 때, puromycin이 약물의 효과를 증가시키고 SG를 나타내는 세포의 비율을 증가시킬 것으로 기대되기 때문에, 관심있는 약물의 최대 이하의 수준을 사용하는 것이 중요합니다. 이것은 약물 / 스트레스는 초기에 세포의 100 %에서 SG를 일으킨다. 이는 SG를 분해하고 세포의 ~ 95 %가 SG를 처음 표시 할 때 가장 잘 작동하여 최대 감소 가능성을 관찰하고 정확하게 정량화 할 수있는 cycloheximide 치료법과 대조됩니다.

이 프로토콜은 포유류 세포에서 SG를 연구하기위한 프레임 워크를 제공합니다. 방법은 다음과 같습니다 : (1) 추정 SG에서 전통적인 SG- 관련 마커 eIF4G, eIF3b 및 Ras GTPase- 활성화 단백질 – 결합 단백질 1 (G3BP1)을 동정 (colocalization)을 평가하기위한 면역 형광 염색 및 ImageJ 분석; (2) polyadenylated mRNA를 검출하기위한 올리고 (dT) 형광 in situ hybridization (polyA FISH); (3) 스트레스에 의해 유발 된 초점이 폴리 소메 움과 동적 평형에 있는지 여부를 결정하기위한 시클로 헥시 미드 및 푸로 마이신 치료; (4) 추정 SG를 함유하는 세포의 번역 상태를 평가하기위한 리보 푸로 마이신 화. 함께, 이러한 assays는 스트레스에 의해 유발 된 초점이 진실 된 SG로 분류 될 수 있는지 여부를 결정할 수 있습니다.

Protocol

1. 세포 준비 그림 1A 에 표시된 대로, 24 웰 플레이트의 12 우물에 autoclaved coverslips을 추가; 이것은 각 coverslip을 데리러 진공에 첨부 된 살균 파스퇴르 피펫을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 부드럽게 우물의 측면에 coverslip을 눌러서 coverslip가 우물에 떨어질 수 있도록 흡입을 해제하십시오. 플레이트 1 x 10 5 U-2 OS (U2OS) osteoscomcoma 세포를 최종 용적 500 …

Representative Results

스트레스 유발 초점은 반드시 SG가 아닙니다. SG는 mRNA, 번역 개시 인자 및 RNA 결합 단백질을 포함하고 활성 번역과 평형을 이루는 세포질 초점으로 분류됩니다. 위의 프로토콜은 주어진 응력이 진정한 SG를 유도하는지 여부를 특성화하기위한 템플릿으로 사용할 수 있습니다. SGs는 단백질과 mRNA를 포함한 다른 알려진 SG ?…

Discussion

만성 스트레스는 여러 질병에 대한 면역 조직 학적 연구에서 입증 된 바와 같이 다양한 세포 내 초점을 형성합니다. 예를 들어, 대부분의 신경 퇴행성 질환은 불용성 단백질의 세포 내 응집체를 특징으로합니다. 그러한 응집체에서 SG- 관련 단백질의 존재는 그러한 초점이 SG라고 결론을 내리기위한 기초가된다. SG 마커 양성 세포질 초점이 새로운 스트레스 자극으로 치료 된 세포에서 관찰되는 경?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 이바노프 (Ivanov)와 앤더슨 (Anderson) 연구소의 회원들에게 도움이되는 토론과이 원고에 대한 피드백에 감사드립니다. 이 연구는 폴란드의 국립 과학 센터 [UMO-2012 / 06 / M / NZ3 / 00054]를 국립 보건원 (PA)의 GM111700과 CA168872, NSO94918의 PI에게 지원했다. WS는 또한 폴란드에서 과학 및 고등 교육부 (Mobility Plus Program)와 폴란드 – 미국 풀 브라이트 (Fulbright)위원회가 미국에서 자신의 연구를 재정 지원 한 사실을 인정합니다.

Materials

U-2 OS ATCC ATCC®HTB-96™ – commonly written as "U2OS"
– culture at 37 °C under 5% CO2 in 10% FBS/DMEM
Dulbecco's Modification of Eagle's Medium Corning 10-013-CV – abbreviated DMEM
– contains 4.5 g/L glucose, pyruvate, and phenol red
– supplemented with 10% FBS, 10 mM HEPES, and penicillin/steptomycin
– prewarm prior drug(s) dilution
Fetal Bovine Serum Sigma F2442-500ml – abbreviated FBS
– used to supplement media
HEPES (1 M) Thermo Fisher Scientific 15630-080 – used to supplement media
penicilline streptomycine Sigma P0781-100ml – used to supplement media
24 well plate Costar 3524
lab tissues KIMTECH SCIENCE 34120 – commonly called "kimwipes"
Coverglass for Growth Cover Glasses Fisher Scientific 12-545-82 – autoclaved before used
– keep sterile in the tissue culture hood
Sodium (meta)arsenite ≥90% Sigma S7400-100G – commonly called sodium arsenite and abbreviated SA
– dissolution in water at 1 M concentration, then dilute to 100 µM as a working stock
Vinorelbine TSZ CHEM RS055 – abbreviated VRB
– dissolve in water to 10 mM
Puromycin Sigma P9620 – used to assess translation level (ribopuromycylation)
– used to assess SG connection with active translation
– dilute in water to 10 mg/mL
Emetine dihydrochloride hydrate Sigma E2375 – used in combination with puro to assess general translation level
– used to assess SG connection with active translation
– dilute in water to 10 mg/mL
Cycloheximide Sigma C4859 – abbreviated CHX
– used to assess SG connection with active translation
– dilute in water to 10 mg/mL
Phosphate Buffered Saline Lonza / VWR 95042-486 – abbreviated PBS
– wash buffer for immunofluorescence
Paraformaldehyde reagent grade, crystalline Sigma P6148-500G – make a 4% solution in hot PBS in fume hood, stir until dissolved
– aliquots can be stored at – 20 °C for several months
– hazardous, use ventilation
– discard in special waste
Methanol, ACS BDH / VWR BDH1135-4LP – pre-chilled to -20°C before use
– discard in special waste
Normal Horse Serum Thermo Fisher Scientific 31874 – abbreviated NHS
– dilute to 5% in PBS
– add sodium azide for storage at 4°C
– blocking solution for immunofluorescence
Ethanol, Pure, 200 Proof (100%),USP, KOPTEC Decon Labs / VWR 89125-188 – dilute to 70% with water
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides Fisherbrand 12-550-15
mouse anti G3BP1 antibody (TT-Y) Santa Cruz sc-81940 – store at 4 °C
– use at 1/100 dilution
rabbit anti eIF4G antibody (H-300) Santa Cruz sc-11373 – store at 4 °C
– 1/250 dilution
goat anti eIF3η (N-20) antibody Santa Cruz sc-16377 – eIF3η is also known as eIF3b
– store at 4 °C
– 1/250 dilution
mouse anti puromycin 12D10 antibody Millipore MABE343 – store at 4 °C
– 1/1000 dilution
Cy2 AffiniPure Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) Jackson Immunoresearch 715-225-150 – reconstitute in water as per manufacturer’s instructions then store at 4°C
– 1/250 dilution
Cy3 AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) Jackson Immunoresearch 711-165-152 – reconstitute in water as per manufacturer’s instructions then store at 4°C
– 1/2500 dilution
Cy5 AffiniPure Donkey Anti-Goat IgG (H+L) Jackson Immunoresearch 705-175-147 – reconstitute in water as per manufacturer’s instructions then store at 4°C
– 1/250 dilution
Hoechst 33258 solution Sigma 94403-1ML – incubate with secondary antibodies
-stock solution 0.5 mg/mL in dH20, protect from light
– Store at 4 °C
Cy3 Streptavidin Jackson Immunoresearch 016-160-084 – reconstitute in water as per manufacturer’s instructions, then store at 4°C
– 1/250 dilution
oligo-(dT)40x probe biotinilated Integrated DNA Technologies (IDT) / – reconstitute in water to 100 ng/mL, aliquot and store at -20°C
– dilute in hybridation buffer 1/50 prior to use
– custom order
hybridation box / / – make a moisture chamber with any storing slide box by adding humidified paper on the bottom
– prewarm the box prior use
20 x SSC buffer Thermo fisher Ambion AM9763 – dilute to 2X SSC using RNase Free water (DEPC treated)
– store at room temperature
– wash buffer for FISH
PerfectHybPlus Hybridization Buffer Sigma H7033-50ml – block and probe incubation buffer for FISH
slide mounting media home made / – mix 5 g of “cold-soluble” poly(vinyl alcohol) in 20 ml of PBS
– mix by sonication, followed by stirring overnight at RT
– Add 5 ml of glycerol and 0.2 ml of 20 % sodium azide, and stir for 16 h at RT
– centrifugation at 20,000 g for 20 min, discard large pellet
– aliquot viscous liquid, long-term storage at -20°C, 1 week at 4°C
Parafilm "M" Sigma P7793-1EA – usually referred as "parafilm"
Poly(vinyl alcohol) Sigma P-8136-250G – reagent to make vinol
Glycerol Sigma G5516-100ML – reagent to make vinol
sodium azide Fisher Scientific S2002-5G – preservative agent for blocking solution and vinol
– make a 20 % dilution in water

References

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Citer Cet Article
Aulas, A., Fay, M. M., Szaflarski, W., Kedersha, N., Anderson, P., Ivanov, P. Methods to Classify Cytoplasmic Foci as Mammalian Stress Granules. J. Vis. Exp. (123), e55656, doi:10.3791/55656 (2017).

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