Farelerde Aerobik Egzersiz ile Autophagy etkinleştirme
Summary
Otofaji aktivasyonu çeşitli hastalıkların önlenmesinde yararlıdır. Fizyolojik yaklaşımlardan biri in vivo otofaji fiziksel egzersiz teşvik etmek. Burada aerobik egzersiz ile Otofaji etkinleştirmek ve farelerde otofaji düzeylerini ölçmek için nasıl gösterir.
Abstract
Autophagy is a lysosomal degradation pathway essential for cell homeostasis, function and differentiation. Under stress conditions, autophagy is induced and targets various cargos, such as bulk cytosol, damaged organelles and misfolded proteins, for degradation in lysosomes. Resulting nutrient molecules are recycled back to the cytosol for new protein synthesis and ATP production. Upregulation of autophagy has beneficial effects against the pathogenesis of many diseases, and pharmacological and physiological strategies to activate autophagy have been reported. Aerobic exercise is recently identified as an efficient autophagy inducer in multiple organs in mice, including muscle, liver, heart and brain. Here we show procedures to induce autophagy in vivo by either forced treadmill exercise or voluntary wheel running. We also demonstrate microscopic and biochemical methods to quantitatively analyze autophagy levels in mouse tissues, using the marker proteins LC3 and p62 that are transported to and degraded in lysosomes along with autophagosomes.
Introduction
Otofaji örneğin açlık ve hipoksi, 1, 2 gibi çeşitli stres koşullarına karşılık olarak indüklenir evrimsel olarak korunmuş bir parçalanma yolu vardır. Otofaji sırasında, çift zar kabarcıklar, gereksiz veya hasarlı hücre içi bileşenleri birleştirmek ve bozulması 3 lizozomlar içine taşımak, autophagosomes çağırdı. Bazal Otofaji nörodejenerasyon, tümör oluşumu ve tip 2 diyabet 4, 5, 6 dahil olmak üzere birçok hastalıkta implike olduğu hücresel fonksiyon ve organizmanın gelişimi, ve bozulmuş bazal Otofaji için gereklidir.
En iyi bilinen fizyolojik otofaji indükleyici açlık olduğunu. Bununla birlikte, iki önemli kısıtlamalara sahiptir. İlk olarak, açlık, örneğin, etkili hayvanlarda Otofaji uyarılması için farelerde besin yasaklaması 48 saat uzun sürdüğüEn organlarda. İkincisi, açlık zorlukla nedeniyle beyinde göreli olarak istikrarlı bir besin kaynağı, beyin Otofaji neden olur. Aslında, birçok ilaç, kan beyin bariyerini geçemez olarak, küçük moleküllü indüklecilerle otofaji indüksiyon tespit etmek de zordur. Bu nedenle, daha iyi bir hastalığın patogenezinde Otofaji aktivasyon fonksiyonunu analiz etmek için, en son egzersiz süresi 7, 8, 9, kısa bir süre içinde Otofaji uyarılması için daha güçlü bir fizyolojik bir yöntem olduğu keşfedilmiştir. açlık ile karşılaştırıldığında, otofaji etkili bir koşu bandı hızlı 30 olarak dakika çalıştırarak indüklenir. Böylece, egzersiz sağlık yararları aracılık ve hastalıkların önlenmesinde otofaji mekanizmasını incelemek için kullanışlı ve güçlü fizyolojik bir yaklaşımdır.
LC3 ve P62 dahil olmak üzere, Otofaji aktivitesinin tespit edilmesi için, bir çok protein işaretleri vardır. LC3 (mikrotübül ilişkili protein 1A / 1B-ışık cHain 3) Bir hücre sıvısı protein (IS LC3 I Otofaji indüksiyondan sonra PE (fosfatidiletanolamin) konjüge edilmiş olduğu) oluşturur. PE-lipide LC3 (LC3 II formu) autophagosomal zarları üzerine işe ve GFP ile işaretlenerek autophagosomes görselleştirmek için kullanılabilmektedir. mikroskopta autophagosomes yapılarını noktalı yanına sitosolden translokasyonu Otofaji indüksiyon gösterir. P62 (örneğin, ubikitinasyon proteinleri gibi) Otofaji yüzeyler için bir kargo reseptördür ve de autophagosomes dahil edilir. Protein autophagosomes birlikte lizozomların parçalanır yana, seviyeleri otofaji akının ölçülmesi için kullanılabilir. Burada zorunlu egzersiz (koşu bandı) ve gönüllü egzersiz (tekerlekler çalıştıran) de dahil olmak üzere aerobik egzersiz, tarafından uyarılan farklı fare dokularda Otofaji ölçmek için bu işaretçileri nasıl kullanılacağını gösterir. Aynı prosedürler, diğer indükleyicilerin tedaviden sonra Otofaji in vivo ölçümü uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Otofaji enerji sağlar ve sitoplazma bileşenleri veya zarar görmüş organellerin lizozomal degradasyonu ile sitotoksisitesini azaltır katabolik işlemdir. Otofaji incelenmesi hücresel homeostazının düzenlenmesi ve stres yanıtı mekanizmalarını anlamak için önemlidir. Yeni modeller ve yöntemler çok sayıda patolojik süreçler 16, 17 nasıl katkı bozulmuş otofaji incelemek için, araştırma alanında 15 ortaya çıkıyor….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank the Northwestern University Mouse Histology and Phenotyping Laboratoryfor technical support and assistance, and Noboru Mizushima (University of Tokyo) for providing GFP-LC3 transgenic mice. A. R. and C. H. were supported by the startup funds from Northwestern University and the grant from National Institutes of Health (DK094980).
Materials
| Treadmill | Columbus Instruments | 150-RM Exer 3/6 | |
| Mouse running wheel | Super Pet | 100079365 | diameter 11.4 cm |
| Odometer | Bell | DASHBOARD 100 | |
| Syringe pump | KD Scientific | KDS100 | |
| Fluorescence microscope | Nikon | Model: inverted microscope ECLIPSE | |
| Cryostat | Leica | CM 1850UV | |
| Homogenizer | IKA | 003737001 / Model: T10 Basic S1 | |
| Chloroquine | CAYMAN CHEMICAL COMPANY | 14194 | |
| Parafolmaldehye | SIGMA-ALDRICH | P6148 | Personal protection equipment required. This product may release formaldehyde gas, a chemical known to cause cancer |
| Mounting media | Vector Laboratories | H-1200 | |
| p62 antibody | BD Biosciences | 610833 | |
| LC3 antibody | Novus Biologicals | NB100-2220 | |
| 2X Laemmli Sample Buffer | Bio-Rad Laboratories | 161-0737 | |
| ImageJ | NIH |
References
- Mizushima, N., Yamamoto, A., Matsui, M., Yoshimori, T., Ohsumi, Y. In vivo analysis of autophagy in response to nutrient starvation using transgenic mice expressing a fluorescent autophagosome marker. Mol Biol Cell. 15, 1101-1111 (2004).
- Tracy, K., et al. BNIP3 is an RB/E2F target gene required for hypoxia-induced autophagy. Molecular and cellular biology. 27, 6229-6242 (2007).
- Mizushima, N., Komatsu, M. Autophagy: renovation of cells and tissues. Cell. 147, 728-741 (2011).
- Nikoletopoulou, V., Papandreou, M. E., Tavernarakis, N. Autophagy in the physiology and pathology of the central nervous system. Cell Death Differ. 22, 398-407 (2015).
- Rocchi, A., He, C. Emerging roles of autophagy in metabolism and metabolic disorders. Frontiers in biology. 10, 154-164 (2015).
- Mathew, R., Karantza-Wadsworth, V., White, E. Role of autophagy in cancer. Nature reviews. Cancer. 7, 961-967 (2007).
- He, C., et al. Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis. Nature. 481, 511-515 (2012).
- He, C., Sumpter, R. J., Levine, B. Exercise induces autophagy in peripheral tissues and in the brain. Autophagy. 8, 4 (2012).
- Kuramoto, K., et al. Autophagy activation by novel inducers prevents BECN2-mediated drug tolerance to cannabinoids. Autophagy. 12, 1460-1471 (2016).
- Dougherty, J. P., Springer, D. A., Gershengorn, M. C. The Treadmill Fatigue Test: A Simple, High-throughput Assay of Fatigue-like Behavior for the Mouse. JoVE. , (2016).
- Navone, S. E., et al. Isolation and expansion of human and mouse brain microvascular endothelial cells. Nature protocols. 8, 1680-1693 (2013).
- Liu, L., Cheung, T. H., Charville, G. W., Rando, T. A. Isolation of skeletal muscle stem cells by fluorescence-activated cell sorting. Nature protocols. 10, 1612-1624 (2015).
- Eslami, A., Lujan, J. Western blotting: sample preparation to detection. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2010).
- Bjørkøy, G., et al. Chapter 12 Monitoring Autophagic Degradation of p62/SQSTM1. Methods Enzymol. 452, 181-197 (2009).
- Klionsky, D. J., et al. Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy (3rd edition). Autophagy. 12, 1-222 (2016).
- Levine, B., Kroemer, G. Autophagy in the Pathogenesis of Disease. Cell. 132, 27-42 (2008).
- Mizushima, N., Levine, B., Cuervo, A. M., Klionsky, D. J. Autophagy fights disease through cellular self-digestion. Nature. 451, 1069-1075 (2008).
- Fang, Y., et al. Duration of rapamycin treatment has differential effects on metabolism in mice. Cell Metab. 17, 456-462 (2013).
- Thomson, A. W., Turnquist, H. R., Raimondi, G. Immunoregulatory functions of mTOR inhibition. Nature reviews. Immunology. 9, 324-337 (2009).
- Miller, R. A., et al. Rapamycin-mediated lifespan increase in mice is dose and sex dependent and metabolically distinct from dietary restriction. Aging Cell. 13, 10 (2014).
- Grumati, P., et al. Physical exercise stimulates autophagy in normal skeletal muscles but is detrimental for collagen VI-deficient muscles. Autophagy. 7, 1415-1423 (2011).
- Lira, V. A., et al. Autophagy is required for exercise training-induced skeletal muscle adaptation and improvement of physical performance. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 27, 4184-4193 (2013).
- Lo Verso, F., Carnio, S., Vainshtein, A., Sandri, M. Autophagy is not required to sustain exercise and PRKAA1/AMPK activity but is important to prevent mitochondrial damage during physical activity. Autophagy. 10, 1883-1894 (2014).
- Kregel, K. C., et al. Resource book for the design of animal exercise protocols. American Physiological Society. , 152 (2006).
- Lightfoot, J. T., Turner, M. J., Debated, K. S., Kleeberg, S. R. Interstrain variation in murine aerobic capacity. Med Sci Sports Exerc. 33, 5 (2001).
- Rezende, E. L., Chappell, M. A., Gomes, F. R., Malisch, J. L., Garland, T. Maximal metabolic rates during voluntary exercise, forced exercise, and cold exposure in house mice selectively bred for high wheel-running. The Journal of experimental biology. 208, 2447-2458 (2005).
- Kayatekin, B. M., Gonenc, S., Acikgoz, O., Uysal, N., Dayi, A. Effects of sprint exercise on oxidative stress in skeletal muscle and liver. European journal of applied physiology. 87, 141-144 (2002).
- Kawanaka, K., Tabata, I., Tanaka, A., Higuchi, M. Effects of high-intensity intermittent swimming on glucose transport in rat epitrochlearis muscle. J Appl Physiol. 84, 4 (1998).
- Fernando, P., Bonen, A., Hoffman-Goetz, L. Predicting submaximal oxygen consumption during treadmill running in mice. Can J Physiol Pharmacol. 71, 4 (1993).
