JoVE Journal > Immunology and Infection
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Immunologia e infezioni

Evaluierung der Caspase-Aktivierung zur Beurteilung des angeborenen Immunzelltods

Published: January 20, 2023
doi:
10.3791/64308
, ,
1Department of Immunology,St. Jude Children’s Research Hospital

Summary

Dieses Protokoll beschreibt eine umfassende Methode zur Beurteilung der Caspase-Aktivierung (Caspase-1, Caspase-3, Caspase-7, Caspase-8, Caspase-9 und Caspase-11) als Reaktion auf In-vitro – und In-vivo-Modelle (in Mäusen) von Infektionen, sterilen Beleidigungen und Krebs, um die Initiierung von Zelltodwegen wie Pyroptose, Apoptose, Nekroptose und PANoptose zu bestimmen.

Abstract

Die angeborene Immunität stellt die entscheidende erste Verteidigungslinie als Reaktion auf Krankheitserreger und sterile Beleidigungen dar. Eine wichtige mechanistische Komponente dieser Reaktion ist die Einleitung des angeborenen immunprogrammierten Zelltods (PCD), um infizierte oder beschädigte Zellen zu eliminieren und Immunantworten zu verbreiten. Eine übermäßige PCD ist jedoch mit Entzündungen und Pathologien verbunden. Daher ist das Verständnis der Aktivierung und Regulation von PCD ein zentraler Aspekt bei der Charakterisierung der angeborenen Immunantwort und der Identifizierung neuer therapeutischer Ziele im gesamten Krankheitsspektrum.

Dieses Protokoll bietet Methoden zur Charakterisierung der PCD-Aktivierung des angeborenen Immunsystems durch Überwachung von Caspasen, einer Familie von Cystein-abhängigen Proteasen, die häufig mit verschiedenen PCD-Signalwegen assoziiert sind, einschließlich Apoptose, Pyroptose, Nekroptose und PANoptose. Erste Berichte charakterisierten Caspase-2, Caspase-8, Caspase-9 und Caspase-10 als Initiator-Caspasen und Caspase-3, Caspase-6 und Caspase-7 als Effektor-Caspasen bei Apoptose, während spätere Studien die entzündlichen Caspasen Caspase-1, Caspase-4, Caspase-5 und Caspase-11 fanden, die Pyroptose auslösen. Es ist nun bekannt, dass es eine umfangreiche Wechselwirkung zwischen den Caspasen und anderen angeborenen Immun- und Zelltodmolekülen über die zuvor definierten PCD-Signalwege gibt, was eine wichtige Wissenslücke im mechanistischen Verständnis der angeborenen Immunität und der PCD identifiziert und zur Charakterisierung der PANoptose führt. PANoptose ist ein einzigartiger angeborener immuninflammatorischer PCD-Signalweg, der durch PANoptosom-Komplexe reguliert wird, die Komponenten, einschließlich Caspasen, aus anderen Zelltodwegen integrieren.

Hier werden Methoden zur Beurteilung der Aktivierung von Caspasen als Reaktion auf verschiedene Reize bereitgestellt. Diese Methoden ermöglichen die Charakterisierung von PCD-Signalwegen sowohl in vitro als auch in vivo, da aktivierte Caspasen eine proteolytische Spaltung durchlaufen, die durch Western Blot unter Verwendung optimaler Antikörper und Blotting-Bedingungen sichtbar gemacht werden kann. Es wurden ein Protokoll und ein Western-Blotting-Workflow etabliert, die es ermöglichen, die Aktivierung mehrerer Caspasen aus derselben Zellpopulation zu bewerten und eine umfassende Charakterisierung der PCD-Prozesse zu ermöglichen. Diese Methode kann in allen Forschungsbereichen in den Bereichen Entwicklung, Homöostase, Infektion, Entzündung und Krebs angewendet werden, um PCD-Signalwege in zellulären Prozessen in Gesundheit und Krankheit zu bewerten.

Introduction

Das angeborene Immunsystem fungiert als erste Verteidigungslinie während einer Infektion und als Reaktion auf sterile Reize wie Gewebeverletzungen und Veränderungen der Homöostase. Angeborene Immunsensoren auf der Zelloberfläche und im Zytoplasma reagieren auf pathogen- oder schädigungsassoziierte molekulare Muster (PAMPs bzw. DAMPs), um entzündliche Signalwege und zelluläre Reaktionen auszulösen. Einer der Schlüsselprozesse der angeborenen Immunantwort ist die Induktion des Zelltods, um infizierte oder beschädigte Zellen zu entfernen und weitere angeborene und adaptive Immunantworten voranzutreiben. Der programmierte Zelltod (PCD) ist ein hochkonservierter Prozess über Spezies hinweg, was seine evolutionäre Bedeutung als angeborener Immunmechanismus unterstreicht.

Es gibt mehrere angeborene Immun-PCD-Signalwege, die in allen Zelltypen aktiviert werden können. Caspasen sind eine Schlüsselfamilie hochkonservierter, intrazellulärer, Cystein-abhängiger Proteasen, die für viele PCD-Signalwege, einschließlich des traditionell nicht-inflammatorischen Apoptosewegs sowie entzündlicher PCD-Signalwege wie Pyroptose, Nekroptose und PANoptosekritisch sind 1,2,3,4,5 . Es gibt 11 humane und 10 murine Caspasen, die gut definiert sind, sowie Pseudo-Caspasen, die funktionell sein können, und die meisten werden konstitutiv als inaktive monomere oder dimere Pro-Caspasen exprimiert, die eine Spaltung zur Aktivierung erfordern 6,7. Caspasen enthalten auch wichtige Domänen für die Rekrutierung und Bildung von Multiproteinkomplexen. Dazu gehören die Caspase-Aktivierungs- und Rekrutierungsdomäne (CARD), die in Caspase-1, Caspase-2, Caspase-4, Caspase-5, Caspase-9 und Caspase-11 zu finden ist, oder die Todeseffektordomäne (DED), die in Caspase-8 und Caspase-10 zu finden ist. Sowohl durch ihre proteolytische Aktivität als auch durch ihre Fähigkeit, Multiproteinkomplexe zu bilden, sind Caspasen entscheidende Treiber der angeborenen Immun-PCD.

Die Rolle von Caspasen bei der angeborenen Immun-PCD wurde erstmals in der Apoptose identifiziert, wo die Initiator-Caspasen Caspase-2, Caspase-8, Caspase-9 und Caspase-10 die Henker-Caspasen Caspase-3, Caspase-6 und Caspase-7 aktivieren, um den Zelltodzu beschleunigen 8,9,10,11,12. Initiator-Caspasen können durch verschiedene Signalkaskaden aktiviert werden; Der extrinsische Signalweg aktiviert Caspase-8 durch extrazelluläre Liganden-induzierte Todesrezeptor-Signalgebung, und der intrinsische Signalweg aktiviert Caspase-9 durch die Störung der mitochondrialen Integrität13. Aktivierte Initiator-Caspasen spalten den Linker und trennen die großen und kleinen katalytischen Untereinheiten von Henker-Caspasen, um ihre aktiven Formen zu erzeugen. Die Henker-Caspasen spalten dann ihre Substrate, um die Zelle zu zerlegen, was zu DNA-Abbau, Membranblasen, Kernfragmentierung und der Freisetzung apoptotischer Körper führt14,15. Dieser Prozess endet typischerweise in einer nicht-lytischen und nicht-entzündlichen Form des Zelltods, wenn er mit der sofortigen Beseitigung der sterbenden Zellen durch Efferozytosegekoppelt ist 16. Defekte in der Efferozytose oder ein Mangel an phagozytischen Zellen können jedoch zur Anhäufung von apoptotischen Zellen führen, die dann einen lytischen und entzündlichen Zelltod durchlaufen17,18.

Es wurde entdeckt, dass die entzündlichen Caspasen, einschließlich Caspase-1 (Mensch und Maus), Caspase-4 und Caspase-5 (Mensch) und Caspase-11 (Maus), während einer Form der entzündlichen angeborenen Immun-PCD (III-PCD) aktiviert werden, die als Pyroptose bezeichnet wird. Die Caspase-1-Aktivierung ist mit der Bildung von Inflammasomen verbunden, bei denen es sich um Multiproteinkomplexe handelt, die einen zytosolischen angeborenen Immunsensor, ein Adaptermolekül (Apoptose-assoziiertes speckartiges Protein, das eine CARD [ASC] enthält) und Caspase-1 enthalten. Die Bildung dieses Komplexes ermöglicht es Caspase-1, eine Proximity-vermittelte Autoproteolyse zu durchlaufen, um seine aktive Form freizusetzen, die Zielsubstrate spalten kann, einschließlich der proinflammatorischen Zytokine Interleukin (IL)-1β und IL-18 und des porenbildenden Moleküls Gasdermin D (GSDMD)19,20,21,22,23 . Caspase-11, Caspase-4 und Caspase-5 können GSDMD auch aktivieren, ohne dass das Inflammasom stromaufwärts gebildet wird, nachdem PAMPs wie Lipopolysaccharid (LPS) erkannt wurden19,20. Diese Caspasen durchlaufen eine Dimerisierung, gefolgt von einer Oligomerisierung und Selbstspaltung zur Aktivierung bei Bindung an zytosolisches LPS, was zu einer nicht-kanonischen Inflammasom-Aktivierung 24,25,26 und einer Caspase-1-Aktivierung in zellintrinsischer Weise führt, um die IL-1β- und IL-18-Reifung zu induzieren 20. Die Reifung und Freisetzung dieser entzündungsfördernden Zytokine charakterisieren diese Caspasen als “entzündlich”. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die apoptotische Caspase-8 auf dem Inflammasom lokalisiert ist, was eine Verbindung zwischen apoptotischen und pyroptotischen Prozessen herstellt. Studien haben gezeigt, dass die apoptotische Caspase-8 auch für die Regulierung einer anderen Form der PCD, der Nekroptose, entscheidend ist. Der Verlust von Caspase-8 führt zu einer spontanen Rezeptor-interagierenden Serin-Threonin-Kinase 3 (RIPK3)-vermittelten Mixed-Lineage-Kinase-Domänen-ähnlichen Pseudokinase (MLKL)-Aktivierung, um den III-PCD-Weg der Nekroptose 27,28,29,30,31,32,33,34,35 anzutreiben.

Während Caspasen in der Vergangenheit aufgrund der Art des Zelltods, den sie auslösen, als “apoptotisch” oder “entzündlich” eingestuft wurden, deuten immer mehr Hinweise darauf hin, dass es durch Caspasen ein umfangreiches Übersprechen zwischen den angeborenen immunen PCD-Signalwegen gibt 3,4. Zum Beispiel spaltet die inflammatorische Caspase-1 aus Inflammasomen die apoptotische Caspase-7 an ihrer kanonischen Aktivierungsstelle34. Die Caspase-1-Aktivierung kann auch zur Spaltung von apoptotischen Substraten wie der Poly(ADP-Ribose)-Polymerase 1 (PARP1)36 führen. In Zellen, denen GSDMD fehlt, kann Caspase-1 auch Caspase-3 spalten37,38. Zusätzlich kann die kanonisch apoptotische Caspase-3 Gasdermin E (GSDME) spalten, um PCD17,18 zu induzieren, und verarbeitet auch GSDMD in eine inaktive Form40. Darüber hinaus wurde eine Caspase-8-Rekrutierung für den Inflammasom-Komplex beobachtet 39,40,41,42,43,44,45, und Caspase-8 ist ein Schlüsselregulator der kanonischen und nicht-kanonischen Inflammasom-Aktivierung 39. Es gibt auch überlappende und redundante Rollen für Caspase-8 und Caspase-1 bei vielen entzündlichen Erkrankungen, und die angeborene Immun-PCD, die durch die Aktivierung von pyroptotischen, apoptotischen und nekrototischen Komponenten gekennzeichnet ist, tritt im gesamten Krankheitsspektrumauf 39,46,47,48,49,50.

Basierend auf dieser Wechselwirkung zwischen entzündlichen und apoptotischen Caspasen wurde eine Schlüssellücke im mechanistischen Verständnis der angeborenen Immunität und der PCD identifiziert, die zur Entdeckung der PANoptose führte. PANoptose ist eine einzigartige Form der III-PCD, die als Reaktion auf Krankheitserreger, PAMPs, DAMPs und Veränderungen der Homöostase aktiviert wird und durch PANoptosomen reguliert wird – facettenreiche makromolekulare Komplexe, die Komponenten aus anderen Zelltodwegen integrieren 44,50,51,52,53,54,55 . Die Gesamtheit der biologischen Wirkungen bei der PANoptose kann nicht allein durch Pyroptose, Apoptose oder Nekroptose allein erklärt werden 3,4,35,36,39,46,47,48, da die PANoptose durch die Aktivierung mehrerer Caspasen gekennzeichnet ist, einschließlich Caspase-1, Caspase-11, Caspase-8, Caspase-9, Caspase-3 und/oder Caspase-7, je nach Kontext 44,48,49,50,51,52,53,54,56,57,58,59,60,61,62 . PANoptose wird zunehmend mit Infektions- und Entzündungskrankheiten sowie mit Krebs und Krebstherapien in Verbindung gebracht 3,4,35,36,39,44,46,47,48,49,50,51,52,53 ,54,56
,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66.

Angesichts der essentiellen Rolle von Caspasen in Zelltodwegen, einschließlich Apoptose, Pyroptose, Nekroptose und PANoptose, ist es wichtig, Techniken zu entwickeln, um ihre Aktivierung zu charakterisieren und die volle Komplexität der PCD-Signalwege zu verstehen. Das Protokoll beschreibt hier eine Methode zur Stimulation von Zellen und zur Messung der anschließenden Aktivierung von Caspasen (Abbildung 1). Diese Methode nutzt die proteolytische Spaltung von Caspasen, die im Allgemeinen für ihre Aktivierung erforderlich ist, um sie zu untersuchen. Durch Western Blot können die Proteingrößen bestimmt werden, was eine klare Visualisierung und Differenzierung von inaktiven Pro-Caspasen und ihren aktivierten, gespaltenen Formen ermöglicht.

Die Hauptvorteile dieses Protokolls sind 1) seine Fähigkeit, die Aktivierung mehrerer Caspasen parallel aus einer einzigen Population endogener Zellen zu beurteilen, um die PCD-Aktivierung genauer zu bestimmen, und 2) die Verwendung relativ einfacher Labortechniken, die keine umfangreiche Schulung oder teure Ausrüstung erfordern. Frühere Protokolle haben Western Blotting, Fluoreszenzreporter oder Antikörperfärbung verwendet, um die Caspase-Aktivierung in Kulturüberständen, Zell- und Gewebelysaten, ganzen Zellen durch Mikroskopie und in vivo 67,68,69,70,71 zu überwachen, aber diese Techniken überwachen im Allgemeinen nur ein oder zwei Caspasen in einer Probe. Während synthetische Peptidsubstrate, die Caspase-Spaltstellen enthalten, die bei der Spaltung fluoreszieren, zur Überwachung der Caspase-Aktivierung in Zell- oder Gewebelysaten69 verwendet wurden, können diese Substrate oft von mehr als einer Caspase gespalten werden, was es schwierig macht, die spezifische Aktivierung einzelner Caspasen in diesem System zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Western Blot anstelle der Verwendung von fluoreszierenden Reportern oder anderen Tag-basierten Methoden den Forschern, endogene Zellen zu verwenden, anstatt spezifische Zelllinien mit Reportergenen zu erzeugen. Die Verwendung endogener Zellen hat mehrere Vorteile, einschließlich der Tatsache, dass viele immortalisierte Zelllinien einen Mangel an Schlüsselmolekülen für den Zelltodaufweisen 72,73, was die Ergebnisse beeinflussen könnte. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung endogener Zellen die Bewertung verschiedener Zelltypen wie Makrophagen, Epithelzellen und Endothelzellen anstelle einer einzelnen Linie. Western Blot ist auch eine relativ einfache und kostengünstige Technik, die in Labors auf der ganzen Welt durchgeführt werden kann, ohne dass große, teure Geräte oder komplizierte Setups erforderlich sind.

Dieses Protokoll ist in der gesamten Biologie weit verbreitet, um sowohl die zelltodabhängigen als auch die zelltodunabhängigen Funktionen von Caspasen zu verstehen, einschließlich ihrer Gerüstrollen und Funktionen in anderen entzündlichen Signalwegen74. Die Anwendung dieser Methode ermöglicht einen einheitlichen Ansatz bei der Untersuchung von PCD-Signalwegen des angeborenen Immunsystems und der Entzündungssignalisierung über Krankheiten und Zustände hinweg, und dieses Protokoll kann verwendet werden, um kritische regulatorische Prozesse und mechanistische Verbindungen zu identifizieren, die die Entwicklung zukünftiger therapeutischer Strategien beeinflussen werden.

Protocol

Die Verwendung und die Verfahren der Tiere wurden vom St. Jude Children’s Research Hospital Committee on the Use and Care of Animals genehmigt. 1. Vorbereitung der Lösungen Bereiten Sie L929-konditionierte Medien vor.Platte 1 × 106 L929-Zellen (siehe Materialtabelle) in einem 182cm2 Gewebekulturkolben mit 50 ml L929-Nährmedien (siehe Tabelle 1 zur Herstellung des Mediums). Züchten Sie die …

Representative Results

PANoptose wurde als Reaktion auf zahlreiche bakterielle, virale und Pilzinfektionen und andere entzündliche Reize sowie in Krebszellen beobachtet 44,48,49,50,51,52,53,54,56,57,58,60,61,62 </su…

Discussion

Die Überwachung der Caspase-Spaltung und -Aktivierung liefert eines der umfassendsten Bilder der PCD-Aktivierung des angeborenen Immunsystems als Teil der angeborenen Immunantwort. Das hier beschriebene Protokoll demonstriert eine Strategie zur Überwachung der Caspase-Aktivierung als Reaktion auf IAV-, HSV1– und F. novicida-Infektionen und den sterilen Auslöser LPS + ATP, aber zahlreiche andere Stimuli können PCD induzieren und könnten in dieser Methode verwendet werden, wie in mehreren Veröffentlichungen …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken den Mitgliedern des Kanneganti-Labors für ihre Kommentare und Vorschläge, und wir danken J. Gullett, PhD, für die Unterstützung bei der wissenschaftlichen Redaktion. Die Arbeit in unserem Labor wird durch die Zuschüsse AI101935, AI124346, AI160179, AR056296 und CA253095 (an T.-D.K.) der National Institutes of Health (NIH) sowie durch die American Libanese Syrian Associated Charities (an T.-D.K.) unterstützt. Der Inhalt liegt ausschließlich in der Verantwortung der Autoren und spiegelt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der National Institutes of Health wider.

Materials

0.45 μm filter Millipore SCHVU05RE
10 mL syringe BD Biosciences 309604
12% polyacrylamide gel with 10 wells  Bio-Rad 4561043
12-well plate  Corning 07-200-82
18 G needle  BD Biosciences 305195
25 G needle  BD Biosciences 305122
50 mL tube  Fisher Scientific 50-809-218
70 μm cell strainer  Corning 431751
150 mm tissue culture dishes Corning 430597
182-cm2 tissue culture flask Genesee Scientific 25-211
Accessory white trans tray Cytiva 29-0834-18
Anti–caspase-1 antibody AdipoGen AG-20B-0042-C100
Anti–caspase-11 antibody Novus Biologicals NB120-10454
Anti–caspase-3 antibody Cell Signaling Technology 9662
Anti–caspase-7 antibody Cell Signaling Technology 9492
Anti–caspase-8 antibody Cell Signaling Technology 4927
Anti–caspase-9 antibody Cell Signaling Technology 9504
Anti–cleaved caspase-3 antibody  Cell Signaling Technology 9661
Anti–cleaved caspase-7 antibody  Cell Signaling Technology 9491
Anti–cleaved caspase-8 antibody  Cell Signaling Technology 8592
Anti-mouse HRP-conjugated secondary antibody  Jackson ImmunoResearch Laboratories 315-035-047
Anti-rabbit HRP-conjugated secondary antibody  Jackson ImmunoResearch Laboratories 111-035-047
Anti-rat HRP-conjugated secondary antibody  Jackson ImmunoResearch Laboratories 112-035-003
Anti–β-Actin antibody (C4) HRP Santa Cruz sc-47778 HRP
ATP InvivoGen tlrl-atpl
BBL Trypticase Soy Broth BD Biosciences 211768
Bead bath Chemglass Life Sciences CLS-4598-009
Biophotometer D30 Eppendorf 6133000010
BME Sigma M6250
Bromophenol blue  Sigma BO126
Cell scrapers CellTreat Scientific Products 229315
Chemiluminescence imager (Amersham 600)  Cytiva 29083461
CO2 chamber VetEquip 901703
Cuvettes Fisher Scientific 14-955-129
Dissecting scissors Thermo Fisher Scientific 221S
DMEM Thermo Fisher Scientific 11995-073
DTT Sigma 43815
Eelectrophoresis apparatus  Bio-Rad 1658004
Ethanol Pharmco 111000200
Fetal bovine serum  Biowest S1620
Filter paper Bio-Rad 1703965
Forceps Fisher Scientific 22-327379
Francisella novicida (U112 strain) BEI Resources NR-13
Gel releaser  Bio-Rad 1653320
Gentamycin Gibco 15750060
Glycerol Sigma G7893
Glycine Sigma G8898
HCl Sigma H9892
Heat block Fisher Scientific 23-043-160
Herpes simplex virus 1 (HF strain) ATCC VR-260
High glucose DMEM  Sigma D6171
Human anti–caspase-1 antibody R&D Systems MAB6215
Human anti–caspase-8 antibody Enzo ALX-804-242
Humidified incubator  Thermo Fisher Scientific 51026282
Image analysis software ImageJ v1.53a
IMDM Thermo Fisher Scientific 12440-053
Influenza A virus (A/Puerto Rico/8/34, H1N1 [PR8])  constructed per Hoffmann et al.
L929 cells ATCC CCL-1 cell line for creating L929-conditioned media
L-cysteine  Thermo Fisher Scientific BP376-100
Luminata Forte Western HRP substrate Millipore WBLUF0500 standard-sensitivity HRP substrate
MDCK cells ATCC CCL-34 cell line for determining IAV viral titer
Methanol Sigma 322415
Microcentrifuge Thermo Fisher Scientific 75002401
Non-essential amino acids  Gibco 11140050
Nonfat dried milk powder Kroger
NP-40 solution  Sigma 492016
PBS Thermo Fisher Scientific 10010023
Penicillin and streptomycin  Sigma P4333
Petri dish Fisher Scientific 07-202-011
PhosSTOP Roche PHOSS-RO
Power source  Bio-Rad 164-5052
Protease inhibitor tablet Sigma S8820
PVDF membrane  Millipore IPVH00010
Rocking shaker Labnet S2035-E
SDS Sigma L3771
Sodium chloride  Sigma S9888
Sodium deoxycholate Sigma 30970
Sodium hydroxide Sigma 72068
Sodium pyruvate  Gibco 11360-070
Square Petri dish Fisher Scientific FB0875711A
Stripping buffer Thermo Fisher Scientific 21059
Super Signal Femto HRP substrate Thermo Fisher Scientific 34580 high-sensitivity HRP substrate
Tabletop centrifuge Thermo Fisher Scientific 75004524
Trans-Blot semi-dry system  Bio-Rad 170-3940
Tris Sigma TRIS-RO
Tween 20  Sigma P1379
Ultrapure lipopolysaccharide (LPS) from E. coli 0111:B4 InvivoGen tlrl-3pelps
Vero cells ATCC CCL-81 cell line for determining HSV1 viral titer
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Riferimenti

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Han, J., Tweedell, R. E., Kanneganti, T. Evaluation of Caspase Activation to Assess Innate Immune Cell Death. J. Vis. Exp. (191), e64308, doi:10.3791/64308 (2023).
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