単一細胞の蛍光顕微鏡による Efferocytosis の定量化
Summary
Efferocytosis、アポトーシス細胞の貪食除去は恒常性を維持するために必要な受容体と認識、キャニスター、アポトーシス細胞の内面化を可能にするシグナル伝達経路によって促進されます。ここで、efferocytosis の定量化と efferocytic シグナル伝達経路の活性の蛍光顕微鏡のプロトコルを提案する.
Abstract
Efferocytosis の規制を勉強してアポトーシス細胞の取り込みを正確に定量化する efferocytosis を制御するシグナル伝達と細胞プロセスをプローブすることができる方法が必要です。この数量は、アポトーシス細胞は efferocytosed、断片的、呼び出しと残留 unengulfed 細胞に対するアポトーシス ターゲットの efferocytosed 部分の間正確に記述することができます。 メソッドを実行することは困難することができます。フラグメント。記載方法は、正確にマクロファージなどの efferocytes の efferocytosis と efferocytic の容量のダイナ ミックスを定量化するためのアプローチのデュアル ラベルを利用しています。アポトーシス細胞の細胞質がアポトーシス細胞の表面ビオチン化可能ですが差別化と非内面内面の間すべてのアポトーシス細胞由来物質の監視を有効にするための細胞追跡染料にラベル付けされてアポトーシス細胞画分。Efferocytes の efferocytic 容量は、ライブまたは固定細胞の蛍光画像を撮影し、ストレプトアビジンの汚損によって差別化、内面化されたターゲット対連結の量を定量化によって決定されます。このアプローチは、フローサイトメトリー、すなわち efferocytosed アポトーシス細胞画分、生細胞顕微鏡による efferocytic のダイナミクスを測定する能力と非 efferocytosed の正確な描写などの方法と比べていくつかの利点を提供していますと、蛍光標識した遺伝子を発現する細胞の細胞内シグナル伝達の研究を実行する能力。組み合わせることで、このプロトコルで説明する方法は、正確に efferocytic 活動を定量化し、efferocytosis 中細胞のシグナル伝達経路を調査するために使用することができます柔軟な実験的アプローチのための基礎として機能します。
Introduction
アポトーシスまたはプログラム細胞死は、ほとんどの多細胞生物の発生、発達と恒常性1の重要な非常に調整される生理学的プロセスです。正常細胞の代謝回転と萌芽期の開発に関与している、に加えてアポトーシス組織から感染したり、損傷した細胞の除去を有効にし、感染、炎症、癌とも医療介入による応答で引き起こされることができます。放射線療法やステロイド1。アポトーシス細胞を公開”を食べる-私”専門家と非専門家の食細胞の範囲の受容体によって認識される表面に信号をまとめて”efferocytes”と呼びます。これらの受容体の関与は、efferocytosis2,3として知られているプロセスによって efferocyte によって吸収とアポトーシス細胞の劣化を誘導します。ホスファチジルセリンは最高の特徴を食べる-運転 efferocytosis シグナルします。それは通常アポトーシス細胞表面4ホスファチジルセリンを公開するので、この膜非対称を乱す脂質 scramblase をアクティブにすると、血しょう膜の内部のリーフレットに限定されます。ホスファチジルセリンは、成熟マクロファージなどのいくつかの非アポトーシス細胞の細胞表面にあるし、血小板を活性化します。しかし、これらの細胞は、その細胞表面5,6,7CD47 などの「私を食べていない」の信号の存在のために efferocytosed ではありません。露出ホスファチジルセリンは、efferocytes で表される efferocytic 受容体の配列によって認識されます。ホスファチジルセリンにこれらの受容器のバインディング、直接または、オプソニンの援助は efferosome8,と呼ばれる膜結合液胞にアポトーシス細胞の貪食を促進するシグナル伝達経路をアクティブに9,10,11,12.、efferosome は順番にエンドソームと融合し、貨物13,14細胞のリソソームは、分子機械、efferosome を酸性化して、アポトーシスを低下する必要を提供します。リサイクルのエンドソーム アポトーシス細胞由来材料劣化、一度入稿-アポトーシス細胞由来の抗原に対する免疫応答を制限して、可能性がありますによりアポトーシス細胞13から栄養素の回復プロセス 15。Efferocytosis で故障した場合、アポトーシス細胞の障害クリアランスこれらの未確認の細胞は最終的に二次壊死を受けます。壊死細胞は、感染、炎症、自己免疫疾患16,17の範囲を駆動、細胞外の環境に賛成して炎症性のゾル性細胞質の内容、病原体・自己抗原をリリースします。一緒に、アポトーシスと efferocytosis 死んで、死んだ細胞の除去を容易にするため、組織の恒常性の維持を可能にします。
Efferocytosis の基礎となる分子機構を解明、アポトーシス細胞取り込みの明確な数量を提供するメソッドが必要です。他の吸収とは異なりエンドサイトーシスと貪食18,19、efferocytosis などのメカニズムがない結果は断片的な吸収の結果そのままターゲット細胞の貪食で、この数量は複雑します。efferocyte20によるアポトーシス細胞。記載プロトコルの in vitro efferocytosis 試金を記述、内面の正確な描写を提供する個々 のアポトーシス細胞の非内面部分とさまざまな固定セルと組み合わせることができますと生細胞の顕微鏡に近づきます。伝統的な食作用の試金の抗体を追加手法として内在化している非ターゲットをラベル付けするために実験の終わりに貪食のターゲットに固有の共有リンク ビオチン21アポトーシス ターゲットのラベルによって異なります,22. ビオチン化アプローチに分類されるべき任意のタンパク質含有ターゲットを可能にし免疫染色を行った場合、二次抗体の交差反応性の潜在的な問題を回避アポトーシス細胞特異的抗体は、この試金で使用できますが、.具体的には、我々 は、アポトーシス Jurkat 細胞追跡の染料とビオチンの両方でデュアル染色されているの準備を概説します。追跡色素細胞はアポトーシス細胞由来材料 efferocytosis 中に追跡する表面ビオチン化可能の差別に対し efferocytosed アポトーシス細胞の非内面部分から内面のことができます。文化とマウスと人間の efferocytes として使用、M2 マクロファージの J774.2 と THP 1 細胞の efferocytic ターゲットとして一次電池 efferocytosis および Jurkat 細胞の例として準備について述べる。これらのメソッドは、他の細胞や細胞、脂質コーティングを介してアポトーシスをシミュレートするミクロン サイズの模倣し、標的細胞の細胞死 (アポトーシスなど壊死とネクロトーシス) の任意のフォームを受けているに簡単に適用できるか特定の関心の efferocytic 受容体にリガンドでコーティングします。
このプロトコルで説明したメソッドには、フィールド23,24でよく使用される流れ cytometry による方法に比べていくつかの利点があります。両方の合計と内在化している非アポトーシス細胞材料の明確なラベリングと組み合わせる食細胞アポトーシス細胞の相互作用を直接イメージングによる efferocytosis の定量的な対策が可能です。また、pH に依存しない fluorophores の使用は、いくつかの代替方法25を混同するライソゾームの pH で FITC と GFP の蛍光性の抑制などの交絡因子を制限します。最後に、詳細に記述されていませんが、これらのメソッド使用できる蛍光標識遺伝子を表現する efferocytes を使用してまたはポスト固定免疫染色、シグナリング分子の活動との監視の定量化を可能にするのにはefferocytosis 中細胞プロセスは。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルで説明する方法では、イメージング、固定細胞と生細胞の両方の方法を使用して、動的な efferocytic プロセスの定量化を有効にします。これらのアプローチは、一般的に使用される流れ cytometry 法23,24上のいくつかの利点を提供しています。インサイド アウト染色固定サンプルの使用率のより堅牢で正確な定量化と efferocytosis の範囲?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、健康研究 (機構) 営業許可モップ-123419、自然科学と工学研究会のカナダ発見グラント 418194 とオンタリオ州省の研究、BH に初期研究賞のカナダの協会によって賄われていた。DGW はいくつかの画像を提示、プロトコルの最適化と; 原稿の執筆に貢献してください。彼はリヴァプールの大学からエコカー補助金で賄われていた。CY はヴァニエ大学院奨学金とされて MD/思い立ったによって資金を供給します。資金提供機関は、研究デザイン、データ収集と分析、意思決定を発行し、または原稿の準備で役割をなかった。
Materials
| RPMI 1640 Media | Wisent | 3500-000-EL | |
| DMEM Media | Wisent | 319-005-CL | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Wisent | 080-150 | |
| PBS | Wisent | 311-010-CL | |
| 18 mm circular glass coverslips #1.5 thickness | Electron Microscopy Sciences | 72290-08 | Size and shape of coverslip is not critical, but 18 mm fit into the wells of a standard 12-well plate which simplifies cell culture |
| Staurosporine | Cayman Chemical | 81590 | Dissolve in DMSO at 1 mM (1,000x stock solution) |
| Annexin V-Alexa 488 | ThermoFisher | R37174 | |
| EZ-Link NHS-Biotin | ThermoFisher | 20217 | Store in a dessicator. Do not prepare a stock solution. |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| CellTrace FarRed | ThermoFisher | C34572 | |
| CellTrace Orange | ThermoFisher | C34851 | |
| Hoescht 33342 | ThermoFisher | 62249 | |
| FITC-Streptavadin | ThermoFisher | SA1001 | |
| Lympholyte-poly cell sepration medium | Cedarlane Labs | CL5071 | |
| Recombinant Human M-CSF | Peprotech | 200-04 | |
| Recombinant Human IL-4 | Peprotech | 300-25 | |
| J774.2 Macrophage Cell Line | Sigma-Aldrich | 85011428-1VL | |
| THP-1 Human Monocyte Cell Line | ATCC | TIB-202 | |
| Jurkat T Cell Line | ATCC | TIB-152 |
References
- Elmore, S. Apoptosis: A review of programmed cell death. Toxicologic Pathology. 35 (4), 495-516 (2007).
- Toda, S., Hanayama, R., Nagata, S. Two-step engulfment of apoptotic cells. Molecular and Cellular Biology. 32 (1), 118-125 (2012).
- Ravichandran, K. S. Find-me and eat-me signals in apoptotic cell clearance: Progress and conundrums. The Journal of Experimental Medicine. 207 (9), 1807-1817 (2010).
- Fadok, V. A., Voelker, D. R., Campbell, P. A., Cohen, J. J., Bratton, D. L., Henson, P. M. Exposure of phosphatidylserine on the surface of apoptotic lymphocytes triggers specific recognition and removal by macrophages. Journal of Immunology. 148 (7), 2207-2216 (1992).
- Bevers, E. M., Comfurius, P., van Rijn, J. L., Hemker, H. C., Zwaal, R. F. Generation of prothrombin-converting activity and the exposure of phosphatidylserine at the outer surface of platelets. European Journal of Biochemistry. 122 (2), 429-436 (1982).
- Callahan, M. K., Williamson, P., Schlegel, R. A. Surface expression of phosphatidylserine on macrophages is required for phagocytosis of apoptotic thymocytes. Cell Death and Differentiation. 7 (7), 645-653 (2000).
- Kojima, Y., et al. CD47-blocking antibodies restore phagocytosis and prevent atherosclerosis. Nature. 536, 86-90 (2016).
- Seitz, H. M., Camenisch, T. D., Lemke, G., Earp, H. S., Matsushima, G. K. Macrophages and dendritic cells use different Axl/Mertk/Tyro3 receptors in clearance of apoptotic cells. Journal of Immunology. 178, 5635-5642 (2007).
- Ichimura, T., Asseldonk, E. J. P. V., Humphreys, B. D., Gunaratnam, L., Duffield, J. S., Bonventre, J. V. Kidney injury molecule-1 is a phosphatidylserine receptor that confers a phagocytic phenotype on epithelial cells. The Journal of Clinical Investigation. 118 (5), 1657-1668 (2008).
- Flannagan, R. S., Canton, J., Furuya, W., Glogauer, M., Grinstein, S. The phosphatidylserine receptor TIM4 utilizes integrins as coreceptors to effect phagocytosis. Molecular Biology of the Cell. 25 (9), 1511-1522 (2014).
- Park, D., et al. BAI1 is an engulfment receptor for apoptotic cells upstream of the ELMO/Dock180/Rac module. Nature. 450 (7168), 430-434 (2007).
- Elliott, M. R., Koster, K. M., Murphy, P. S. Efferocytosis Signaling in the Regulation of Macrophage Inflammatory Responses. Journal of Immunology. 198 (4), 1387-1394 (2017).
- Yin, C., Kim, Y., Argintaru, D., Heit, B. Rab17 mediates differential antigen sorting following efferocytosis and phagocytosis. Cell Death & Disease. 7 (12), e2529 (2016).
- Kinchen, J. M., et al. A pathway for phagosome maturation during engulfment of apoptotic cells. Nature Cell Biology. 10 (5), 556-566 (2008).
- Yin, C., Argintaru, D., Heit, B. Rab17 mediates intermixing of phagocytosed apoptotic cells with recycling endosomes. Small GTPases. , 1-9 (2017).
- Silva, M. T. Secondary necrosis: The natural outcome of the complete apoptotic program. FEBS letters. 584 (22), 4491-4499 (2010).
- Thorp, E. B. Mechanisms of failed apoptotic cell clearance by phagocyte subsets in cardiovascular disease. Apoptosis. 15 (9), 1124-1136 (2010).
- Sarantis, H., Grinstein, S. Monitoring phospholipid dynamics during phagocytosis: application of genetically-encoded fluorescent probes. Methods in Cell Biology. 108, 429-444 (2012).
- Steinberg, B. E., Grinstein, S. Analysis of macrophage phagocytosis: Quantitative assays of phagosome formation and maturation using high-throughput fluorescence microscopy. Methods in Molecular Biology. 531, 45-56 (2009).
- Wang, J., Hossain, M., Thanabalasuriar, A., Gunzer, M., Meininger, C., Kubes, P. Visualizing the function and fate of neutrophils in sterile injury and repair. Science. 358 (6359), 111-116 (2017).
- Scott, C. C., et al. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate hydrolysis directs actin remodeling during phagocytosis. The Journal of Cell Biology. 169 (1), 139-149 (2005).
- Greenlee-Wacker, M. C., Rigby, K. M., Kobayashi, S. D., Porter, A. R., DeLeo, F. R., Nauseef, W. M. Phagocytosis of Staphylococcus aureus by human neutrophils prevents macrophage efferocytosis and induces programmed necrosis. Journal of Immunology. 192 (10), 4709-4717 (2014).
- Wootton, D. G., et al. Recovery from pneumonia requires efferocytosis which is impaired in smokers and those with low body mass index and enhanced by statins. Thorax. 71 (11), 1052-1054 (2016).
- Miksa, M., Komura, H., Wu, R., Shah, K. G., Wang, P. A novel method to determine the engulfment of apoptotic cells by macrophages using pHrodo succinimidyl ester. Journal of Immunological Methods. 342 (1-2), 71-77 (2009).
- Kneen, M., Farinas, J., Li, Y., Verkman, A. S. Green fluorescent protein as a noninvasive intracellular pH indicator. Biophysical Journal. 74 (3), 1591-1599 (1998).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Johnson, D. E., Ostrowski, P., Jaumouillé, V., Grinstein, S. The position of lysosomes within the cell determines their luminal pH. The Journal of Cell Biology. 212 (6), 677-692 (2016).
- Evans, A. L., Blackburn, J. W. D., Yin, C., Heit, B. Quantitative efferocytosis assays. Methods in Molecular Biology. 1519, 25-41 (2017).
- Icha, J., Weber, M., Waters, J. C., Norden, C. Phototoxicity in live fluorescence microscopy, and how to avoid it. BioEssays. 39 (8), (2017).
- Flannagan, R. S., Harrison, R. E., Yip, C. M., Jaqaman, K., Grinstein, S. Dynamic macrophage "probing" is required for the efficient capture of phagocytic targets. The Journal of Cell Biology. 191 (6), 1205-1218 (2010).
- Joshi, G. N., Gilberti, R. M., Knecht, D. A. Single cell analysis of phagocytosis, phagosome maturation, phagolysosomal leakage, and cell death following exposure of macrophages to silica particles. Methods in Molecular Biology. 1519, 55-77 (2017).
- Karaji, N., Sattentau, Q. J. Efferocytosis of Pathogen-Infected Cells. Frontiers in Immunology. 8 (DEC), 1863 (1863).
- Harrison, R. E., Bucci, C., Vieira, O. V., Schroer, T. A., Grinstein, S. Phagosomes fuse with late endosomes and/or lysosomes by extension of membrane protrusions along microtubules: role of Rab7 and RILP. Molecular and Cellular Biology. 23 (18), 6494-6506 (2003).
- Reiners, J. J., Kleinman, M., Kessel, D., Mathieu, P. A., Caruso, J. A. Nonesterified cholesterol content of lysosomes modulates susceptibility to oxidant-induced permeabilization. Free Radical Biology & Medicine. 50 (2), 281-294 (2011).
- Boya, P., et al. Lysosomal membrane permeabilization induces cell death in a mitochondrion-dependent fashion. The Journal of Experimental Medicine. 197 (10), 1323-1334 (2003).
- Fairn, G. D., Grinstein, S. How nascent phagosomes mature to become phagolysosomes. Trends in Immunology. , 1-9 (2012).
- Canton, J., Khezri, R., Glogauer, M., Grinstein, S. Contrasting phagosome pH regulation and maturation in human M1 and M2 macrophages. Molecular Biology of the Cell. 25 (21), 3330-3341 (2014).
- Phanse, Y., et al. Analyzing cellular internalization of nanoparticles and bacteria by multi-spectral imaging flow cytometry. Journal of Visualized Experiments. (64), e3884 (2012).
- Sommer, C., Straehle, C., Kothe, U., Hamprecht, F. A. Ilastik: Interactive learning and segmentation toolkit. 2011 IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro. , 230-233 (2011).
- Davies, S. P., Reynolds, G. M., Stamataki, Z. Clearance of apoptotic cells by tissue epithelia: A putative role for hepatocytes in liver efferocytosis. Frontiers in Immunology. 9, (2018).
- Ismail, O. Z., Zhang, X., Bonventre, J. V., Gunaratnam, L. G protein α12(Gα12) is a negative regulator of kidney injury molecule-1-mediated efferocytosis. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 310 (7), F607-F620 (2016).
- Vaught, D. B., Stanford, J. C., Cook, R. S. Efferocytosis creates a tumor microenvironment supportive of tumor survival and metastasis. Cancer Cell & Microenvironment. 2 (1), (2015).
- Heit, B., Yeung, T., Grinstein, S. Changes in mitochondrial surface charge mediate recruitment of signaling molecules during apoptosis. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 300 (1), C33-C41 (2011).
- Múnera, J. O., Wells, J. M. Generation of Gastrointestinal Organoids from Human Pluripotent Stem Cells. Methods in Molecular Biology. 1597, 167-177 (2017).
- Truman, L. A., et al. CX3CL1/fractalkine is released from apoptotic lymphocytes to stimulate macrophage chemotaxis. Blood. 112 (13), 5026-5036 (2008).
- Evans, A. L., et al. Antagonistic Coevolution of MER Tyrosine Kinase Expression and Function. Molecular Biology and Evolution. , (2017).
- Flannagan, R. S., Heit, B., Heinrichs, D. E. Intracellular replication of Staphylococcus aureus in mature phagolysosomes in macrophages precedes host cell death, and bacterial escape and dissemination. Cellular Microbiology. , (2015).
- Mubaid, F., Brown, C. M. Less is More: Longer Exposure Times with Low Light Intensity is Less Photo-Toxic. Microscopy Today. 25 (06), 26-35 (2017).
- Bogdanov, A. M., Kudryavtseva, E. I., Lukyanov, K. A. Anti-fading media for live cell GFP imaging. PloS One. 7 (12), e53004 (2012).
- Rossner, M., Yamada, K. M. What’s in a picture? The temptation of image manipulation. The Journal of Cell Biology. 166 (1), 11-15 (2004).
- Sage, D., et al. DeconvolutionLab2: An open-source software for deconvolution microscopy. Methods. 115, 28-41 (2017).
- Ma, G. Z. M., Stankovich, J., Kilpatrick, T. J., Binder, M. D., Field, J. Polymorphisms in the receptor tyrosine kinase MERTK gene are associated with multiple sclerosis susceptibility. PloS One. 6 (2), e16964 (2011).
- Thorp, E., Cui, D., Schrijvers, D. M., Kuriakose, G., Tabas, I. Mertk receptor mutation reduces efferocytosis efficiency and promotes apoptotic cell accumulation and plaque necrosis in atherosclerotic lesions of apoe-/- mice. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 28 (8), 1421-1428 (2008).
- Nguyen, K. -. Q. N., et al. Overexpression of MERTK Receptor Tyrosine Kinase in Epithelial Cancer Cells Drives Efferocytosis in a Gain-of-Function Capacity. The Journal of Biological Chemistry. 289 (37), 25737-25749 (2014).
- Morimoto, K., et al. Lovastatin enhances clearance of apoptotic cells (efferocytosis) with implications for chronic obstructive pulmonary disease. Journal of Immunology. 176 (12), 7657-7665 (2006).
