Tyramid-Signalamplifikation zur Immunfluoreszenzfärbung der ZBP1-abhängigen Phosphorylierung von RIPK3 und MLKL nach HSV-1-Infektion in menschlichen Zellen
Summary
Die Tyramid-Signalverstärkung während der Immunfluoreszenzfärbung ermöglicht den sensitiven Nachweis von phosphoryliertem RIPK3 und MLKL während der ZBP1-induzierten Nekroptose nach HSV-1-Infektion.
Abstract
Die Kinase-Rezeptor-interagierende Serin/Threonin-Proteinkinase 3 (RIPK3) und ihre substratgemischte Linie Kinase Domain-like (MLKL) sind kritische Regulatoren der Nekroptose, einer entzündlichen Form des Zelltods mit wichtigen antiviralen Funktionen. Die Autophosphorylierung von RIPK3 induziert die Phosphorylierung und Aktivierung des porenbildenden Henkerproteins der Nekroptose MLKL. Der Transport und die Oligomerisierung von phosphoryliertem MLKL an der Zellmembran führt zur Zelllyse, die für den nekroptotischen Zelltod charakteristisch ist. Der Nukleinsäuresensor ZBP1 wird durch Bindung an linkshändige Z-Form doppelsträngige RNA (Z-RNA) nach Infektion mit RNA- und DNA-Viren aktiviert. Die ZBP1-Aktivierung schränkt die Virusinfektion ein, indem sie den regulierten Zelltod, einschließlich Nekroptose, infizierter Wirtszellen induziert. Die Immunfluoreszenzmikroskopie erlaubt die Visualisierung verschiedener Signalschritte nach ZBP1-vermittelter Nekroptose pro Zelle. Die Empfindlichkeit der Standard-Fluoreszenzmikroskopie unter Verwendung derzeit kommerziell verfügbarer Phospho-spezifischer Antikörper gegen humanes RIPK3 und MLKL schließt jedoch eine reproduzierbare Bildgebung dieser Marker aus. Hier beschreiben wir ein optimiertes Färbeverfahren für Serin (S) phosphoryliertes RIPK3 (S227) und MLKL (S358) in humanen HT-29-Zellen, die mit Herpes-simplex-Virus 1 (HSV-1) infiziert sind. Die Aufnahme eines Tyramid-Signalamplifikationsschritts (TSA) in das Immunfluoreszenz-Färbeprotokoll ermöglicht den spezifischen Nachweis von S227 phosphoryliertem RIPK3. Darüber hinaus erhöht TSA die Empfindlichkeit der Detektion von S358 phosphoryliertem MLKL erheblich. Zusammen ermöglicht diese Methode die Visualisierung dieser beiden kritischen Signalereignisse während der Induktion der ZBP1-induzierten Nekroptose.
Introduction
Rezeptor-interagierende Serin/Threonin-Proteinkinase 3 (RIPK3) und Mixed Lineage Kinase Domain-like (MLKL) sind zentrale Regulatoren des nekroptotischen Zelltods 1,2. Nekroptose ist eine lytische und entzündliche Form des regulierten Zelltods, die an der antiviralen Immunität und Autoentzündung beteiligt ist. Die Nekroptose von virusinfizierten Zellen stoppt sofort die Virusreplikation. Die Zelllyse nach Nekroptose-Induktion setzt auch schadensassoziierte molekulare Muster frei, die die antivirale Immunität stimulieren 3,4. Die Nekroptose wird durch die Aktivierung von RIPK3 nach RIP homotypic interaction motif (RHIM)-vermittelten Interaktionen mit einem von drei vorgeschalteten aktivierenden Molekülen eingeleitet: RIPK1 (bei TNF-Rezeptor 1 [TNFR1]-Engagement), TIR-Domänen-enthaltendes adapterinduzierendes Interferon-β (TRIF; bei Toll-like-Rezeptor-3- und 4-Engagement) oder dem antiviralen Nukleinsäuresensor Z-DNA-bindende Protein 1 (ZBP1)1,2 . Die Nekroptose-Signalisierung verläuft durch eine Reihe von Phosphorylierungsereignissen, beginnend mit der Autophosphorylierung von RIPK3. Die Autophosphorylierung von humanem RIPK3 an Serin (S)227 innerhalb seiner Kinasedomäne ist eine Voraussetzung für die Nekroptose, indem sie die Interaktion mit MLKL ermöglicht und wird üblicherweise als biochemischer Marker für die Aktivierung von humanem RIPK3 und den nekroptischen Zelltod verwendet 1,5. Nach der Aktivierung phosphoryliert RIPK3 die Aktivierungsschleife von MLKL an Threonin (T)357 und S3581. Dies führt zu einer Änderung der MLKL-Konformation, was zu einer Exposition der N-terminalen Vier-Helix-Bündeldomäne führt. MLKL oligomerisiert dann und transportiert zur Zellmembran, wo es durch das Einführen der exponierten vier Helixbündel in die Lipiddoppelschicht eine Pore bildet, was schließlich zum Zelltod führt 2,6.
ZBP1 ist ein antiviraler Nukleinsäuresensor, der linkshändige Z-Form-Nukleinsäuren einschließlich doppelsträngiger RNA in der Z-Konformation (Z-RNA) erkennt. Die Z-RNA-Bindung erfolgt über zwei Zα-Domänen, die am N-Terminus von ZBP1 positioniert sind. Es wird angenommen, dass Z-RNA, die sich während einer RNA- und DNA-Virusinfektion ansammelt, ZBP1 7,8 direkt angreift. Aktiviertes ZBP1 rekrutiert RIPK3 durch seine zentralen RHIMs und induziert einen regulierten Zelltod, einschließlich Nekroptose 9,10. Viren haben zahlreiche Fluchtmechanismen angenommen, um der ZBP1-induzierten Wirtszellnekroptoseentgegenzuwirken 11. Zum Beispiel beherbergt die Herpes-simplex-Virus 1 (HSV-1) Ribonukleotid-Reduktase-Untereinheit 1, bekannt als ICP6 und kodiert durch UL39, RHIM an seinem N-Terminus, der die ZBP1-vermittelte RIPK3-Aktivierung in menschlichen Zellenstört 12,13,14,15. ZBP1 schränkt nicht nur die Virusreplikation ein, sondern Mausstudien haben gezeigt, dass die ZBP1-Aktivierung entzündliche Erkrankungen verursacht und die Krebsimmunität stimuliert 16,17,18,19,20,21. Protokolle, die Signalereignisse erkennen, die während der ZBP1-induzierten Nekroptose in menschlichen Zellen auftreten, sind daher wertvoll, um die Rolle von ZBP1 in diesen Prozessen zu beurteilen.
Die Tyramid-Signalamplifikation (TSA), auch als katalysierte Reporterabscheidung (CARD) bezeichnet, wurde entwickelt, um die Nachweisgrenze und das Signal-Rausch-Verhältnis in Antikörper-basierten Immunoassays zu verbessern. Während der TSA kann jeder primäre Antikörper verwendet werden, um das interessierende Antigen nachzuweisen. Meerrettichperoxidase (HRP), gekoppelt an einen sekundären Antikörper, katalysiert den lokalen Aufbau von biotinylierten Tyramidradikalen in Gegenwart von Wasserstoffperoxid. Diese aktivierten Biotin-Tyramid-Radikale reagieren dann mit proximalen Tyrosinresten zu kovalenten Bindungen. Mögliche Tyramid-Biotin-Substrate umfassen das Antigen selbst, die primären und sekundären Antikörper und benachbarte Proteine. Während TSA die Empfindlichkeit des Assays signifikant verbessert, geht ein Teil seiner räumlichen Auflösung verloren. In einem letzten Schritt werden Biotinmoleküle mit fluoreszenzmarkiertem Streptavidin nachgewiesen. Die HRP-Reaktion lagert viele Tyramid-Biotin-Moleküle auf oder in der Nähe des interessierenden Antigens ab. Dies erhöht die Anzahl der Streptavidin-Fluorochrom-Bindungsstellen erheblich, wodurch die Empfindlichkeit des Assays stark verstärkt wird (Abbildung 1). Alternativ kann Tyramid direkt an ein Fluorochrom gekoppelt werden, wodurch die Notwendigkeit von Streptavidin-gekoppelten Fluorophoren entfällt. Proteinimmunhistochemie und DNA/RNA in situ Hybridisierung gehörten zu den ersten Methoden, bei denen TSA zur Verbesserung der Signalintensitäten eingesetzt wurde22,23. In jüngerer Zeit wurde TSA mit intrazellulärer Durchflusszytometrie24 und Massenspektrometrie25 kombiniert.
Hier präsentieren wir ein Protokoll zum Nachweis von Serin 227 phosphoryliertem humanem RIPK3 (p-RIPK3 [S227]) und phosphoryliertem humanem MLKL (p-MLKL [S358]) nach Aktivierung von ZBP1 durch HSV-1-Infektion mittels Immunfluoreszenzmikroskopie. Wir verwenden eine nekroptosesensitive HT-29 humane kolorektale Adenokarzinom-Zelllinie, die transduziert wurde, um menschliches ZBP1 stabil zu exprimieren. Diese Zellen wurden mit einem HSV-1-Stamm infiziert, der ein mutiertes ICP6-Protein (HSV-1 ICP6mutRHIM) exprimierte, in dem vier Kernaminosäuren innerhalb des viralen RHIM (VQCG) durch Alanine (AAAA) ersetzt wurden, wodurch das ICP6 nicht in der Lage war, die ZBP1-vermittelte Nekroptosezu blockieren 13,14,15. Um das Problem des niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses der derzeit kommerziell verfügbaren Antikörper gegen p-RIPK3 und p-MLKL bei der Immunfärbung26 zu überwinden, führen wir einen Tyramid-Signalamplifikationsschritt (TSA) durch (Abbildung 1), der zum robusten Nachweis von humanem p-RIPK3 (S227) führt und die Detektionsempfindlichkeit von humanem p-MLKL (S358) um eine Größenordnung verbessert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Immunfluoreszenz-Färbeprotokoll beschreibt die Verwendung von Tyramid-Signalamplifikation (TSA), um die Empfindlichkeit für Signalereignisse des menschlichen nekrtotischen Signalwegs zu erhöhen, die schwer zu erkennen sind, einschließlich der Phosphorylierung von RIPK3 und MLKL26. Die Einbeziehung eines TSA-Schritts verbessert signifikant die Nachweisschwelle von p-RIPK3 (S227) und p-MLKL (S358) und erhöht die Empfindlichkeit der p-MLKL (S358) Dehnung. TSA enthüllte ein p-RIPK3 (S227)…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken dem VIB Bioimaging Core für die Schulung, den Support und den Zugang zum Instrumentenpark. J.N. wird durch ein Doktorandenstipendium der Forschungsstiftung Flandern (FWO) unterstützt. Die Forschung in der J.M.-Gruppe wurde durch ein Odysseus II Grant (G0H8618N), EOS INFLADIS (40007512), ein Junior Research Grant (G031022N) der Research Foundation Flanders (FWO), ein CRIG Young Investigator Proof-of-Concept Grant und die Universität Gent unterstützt. Die Forschung in der P.V.-Gruppe wurde von EOS MODEL-IDI (30826052), EOS INFLADIS (40007512), FWO Senior Research Grants (G.0C76.18N, G.0B71.18N, G.0B96.20N, G.0A9322N), Methusalem (BOF16/MET_V/007), iBOF20/IBF/039 ATLANTIS, Foundation against Cancer (F/2016/865, F/2020/1505), CRIG und GIGG Konsortien und VIB unterstützt.
Materials
| Antibodies | |||
| Anti-rabbit HRP | Agilent Technologies Belgium | K4002 | Envision+ System-HRP Labelled Polymer anti-rabbit |
| Goat anti-mouse DyLight 633 | Thermofisher | 35513 | Secundary antibody |
| HSV-1 ICP0 | Santa Cruz | sc-53070 | Mouse anti-ICP0(HSV-1) antibody |
| IAV-PR8 mouse serum | In house production | xx | Mouse anti-IAV-PR8 polyclonal antibody |
| pMLKL | Abcam | ab187091 | Rabbit anti-MLKL-phospho S358 antibody |
| pRIPK3 | Abcam | ab209384 | Rabbit anti-RIPK3-phospho S227 antibody |
| Fluorophores | |||
| DAPI | Thermofisher | D21490 | To visualise the nucleus of the cells |
| Streptavidin coupled to Alexa Fluor 568 | Thermofisher | S11226 | To visulalise biotin molecules |
| Compounds | |||
| 30% H2O2 | Sigma | H1009 | Oxidising substrate, necessary for HRP activity |
| 4% PFA | SANBIO | AR1068 | To fix/crosslink the cells |
| Biotinyl-tyramide | R&D Systems | 6241 | To amplify signal, HRP substrate |
| BV-6 | Selleckchem | S7597 | BV6 IAP Inhibitor |
| For cell culture: to detach the cells | |||
| 8.0 g/L NaCl | |||
| 0.4 g/L disodium salt of EDTA | |||
| EDTA 0.04% | In house formulation | 1.1 g/L Na2HPO4 | |
| 0.2 g/L NaH2PO4 | |||
| 0.2 g/L KCl | |||
| 0.2 g/L Glucose | |||
| Fetal Bovine serum | TICO | FBS EU XXX | For cell culture, maintaining cell culture; lot number: 90439 |
| GSK'840 | Aobious | AOB0917 | RIPK3 kinase inhibitor |
| L-Glutamine | Sigma-Aldrich | G7513 | For cell culture, maintaining cell culture |
| MAXblock | Active Motif | 15252 | Blocking solution |
| PBS | Gibco | 10444402 | |
| Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | S8636 | For cell culture, maintaining cell culture |
| TNF-α | In house production | – | Signaling molecule, able to trigger cell death in combination with BV6 and zVAD |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8787-50ML | To permeabilise the cells |
| Trypan blue | Merck | 11732 | For cell counting, used as live/dead marker at 0,1% |
| Trypsine | Sigma-Aldrich | T4424 | For cell culture: to detach the cells |
| zVAD | Bachem | BACE4026865.0005 | Z-Val-Ala-DL-Asp-fluoromethylketone |
| Material | |||
| µ-Slide 8 well high glass bottom | iBidi | 80807 | To culture the cells |
| Cotton Preping Balls-size medium | Electron Microscopy Sciences | 71001-10 | To clean the objectives |
| Immersol 518 F / 30 °C | ZEISS | 444970-9000-000 | To visualise the sample at high magnifications |
| Lens Cleaner | ZEISS | 000000-0105-200 | To clean the objectives |
| LSM880 Fast Airyscan confocal microscope | To visualise the sample | ||
| Software | |||
| Excel | Office | xx | To process the data |
| Prism 9 | Graphpad | xx | To analyse the data- statistical testing and graph generation |
| Volocity 6.3 | Volocity | xx | To perform quantifications |
| Zen black | ZEISS | xx | To aquire and process images |
| Zen blue | ZEISS | xx | To visualise images |
| Viruses | |||
| HSV-1 (mutRHIM) F strain | produced by Dr. Jiahuai Han | in house replication | HSV-1 as a trigger for necroptosis; RHIM core domain of UL39/ICP6 is mutated (VQCG>AAAA) |
| HSV-1 (WT) F strain | Produced by Dr. Jiahuai Han | in house replication | HSV-1 (WT) as a negative control for necroptosis induction (ICP6 inhibition) |
| IAV PR8 | in house stock | in house replication | IAV as a trigger for necroptosis |
References
- Meng, Y., Sandow, J. J., Czabotar, P. E., Murphy, J. M. The regulation of necroptosis by post-translational modifications. Cell Death & Differentiation. 28 (3), 861-883 (2021).
- Petrie, E. J., Czabotar, P. E., Murphy, J. M. The structural basis of necroptotic cell death signaling. Trends in Biochemical Sciences. 44 (1), 53-63 (2019).
- Mocarski, E. S., Guo, H., Kaiser, W. J. Necroptosis: The Trojan horse in cell autonomous antiviral host defense. Virology. 479-480, 160-166 (2015).
- Nailwal, H., Chan, F. K. Necroptosis in anti-viral inflammation. Cell Death & Differentiation. 26 (1), 4-13 (2019).
- Meng, Y., et al. Human RIPK3 maintains MLKL in an inactive conformation prior to cell death by necroptosis. Nature Communications. 12 (1), 6783 (2021).
- Samson, A. L., Garnish, S. E., Hildebrand, J. M., Murphy, J. M. Location, location, location: A compartmentalized view of TNF-induced necroptotic signaling. Science Signalling. 14 (668), (2021).
- Koehler, H., et al. Vaccinia virus E3 prevents sensing of Z-RNA to block ZBP1-dependent necroptosis. Cell Host Microbe. 29 (8), 1266-1276 (2021).
- Balachandran, S., Mocarski, E. S. Viral Z-RNA triggers ZBP1-dependent cell death. Current Opinion in Virology. 51, 134-140 (2021).
- Kuriakose, T., Kanneganti, T. D. ZBP1: Innate sensor regulating cell death and inflammation. Trends in Immunology. 39 (2), 123-134 (2018).
- Maelfait, J., Liverpool, L., Rehwinkel, J. Nucleic acid sensors and programmed cell death. Journal of Molecular Biology. 432 (2), 552-568 (2020).
- Verdonck, S., Nemegeer, J., Vandenabeele, P., Maelfait, J. Viral manipulation of host cell necroptosis and pyroptosis. Trends in Microbiology. 30 (6), 593-605 (2022).
- Guo, H., et al. Herpes simplex virus suppresses necroptosis in human cells. Cell Host & Microbe. 17 (2), 243-251 (2015).
- Yu, X., et al. Herpes simplex virus 1 (HSV-1) and HSV-2 mediate species-specific modulations of programmed necrosis through the viral ribonucleotide reductase large subunit R1. Journal of Virology. 90 (2), 1088-1095 (2016).
- Huang, Z., et al. RIP1/RIP3 binding to HSV-1 ICP6 initiates necroptosis to restrict virus propagation in mice. Cell Host & Microbe. 17 (2), 229-242 (2015).
- Guo, H., et al. Species-independent contribution of ZBP1/DAI/DLM-1-triggered necroptosis in host defense against HSV1. Cell Death & Disease. 9 (8), 816 (2018).
- Devos, M., et al. Sensing of endogenous nucleic acids by ZBP1 induces keratinocyte necroptosis and skin inflammation. The Journal of Experimental Medicine. 217 (7), 20191913 (2020).
- Jiao, H., et al. Z-nucleic-acid sensing triggers ZBP1-dependent necroptosis and inflammation. Nature. 580 (7803), 391-395 (2020).
- de Reuver, R., et al. ADAR1 prevents autoinflammation by suppressing spontaneous ZBP1 activation. Nature. 607 (7920), 784-789 (2022).
- Jiao, H., et al. ADAR1 averts fatal type I interferon induction by ZBP1. Nature. 607 (7920), 776-783 (2022).
- Hubbard, N. W., et al. ADAR1 mutation causes ZBP1-dependent immunopathology. Nature. 607 (7920), 769-775 (2022).
- Zhang, T., et al. ADAR1 masks the cancer immunotherapeutic promise of ZBP1-driven necroptosis. Nature. 606 (7914), 594-602 (2022).
- Adams, J. C. Biotin amplification of biotin and horseradish peroxidase signals in histochemical stains. The Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 40 (10), 1457-1463 (1992).
- Speel, E. J., Hopman, A. H., Komminoth, P. Tyramide signal amplification for DNA and mRNA in situ hybridization. Methods in Molecular Biology. 326, 33-60 (2006).
- Clutter, M. R., Heffner, G. C., Krutzik, P. O., Sachen, K. L., Nolan, G. P. Tyramide signal amplification for analysis of kinase activity by intracellular flow cytometry. Cytometry A. 77 (11), 1020-1031 (2010).
- Dopie, J., Sweredoski, M. J., Moradian, A., Belmont, A. S. Tyramide signal amplification mass spectrometry (TSA-MS) ratio identifies nuclear speckle proteins. The Journal of Cell Biology. 219 (9), 201910207 (2020).
- Samson, A. L., et al. A toolbox for imaging RIPK1, RIPK3, and MLKL in mouse and human cells. Cell Death and Differentiation. 28 (7), 2126-2144 (2021).
- De Groote, P., et al. Generation of a new gateway-compatible inducible lentiviral vector platform allowing easy derivation of co-transduced cells. Biotechniques. 60 (5), 252-259 (2016).
- Ali, M., Roback, L., Mocarski, E. S. Herpes simplex virus 1 ICP6 impedes TNF receptor 1-induced necrosome assembly during compartmentalization to detergent-resistant membrane vesicles. The Journal of Biological Chemistry. 294 (3), 991-1004 (2019).
- Mandal, P., et al. RIP3 induces apoptosis independent of pronecrotic kinase activity. Moleular Cell. 56 (4), 481-495 (2014).
- Zhang, T., et al. Influenza virus Z-RNAs induce ZBP1-mediated necroptosis. Cell. 180 (6), 1115-1129 (2020).
- Garnish, S. E., et al. Conformational interconversion of MLKL and disengagement from RIPK3 precede cell death by necroptosis. Nature Communications. 12 (1), 2211 (2021).
- Clay, H., Ramakrishnan, L. Multiplex fluorescent in situ hybridization in zebrafish embryos using tyramide signal amplification. Zebrafish. 2 (2), 105-111 (2005).
- Parra, E. R., et al. Procedural requirements and recommendations for multiplex immunofluorescence tyramide signal amplification assays to support translational oncology studies. Cancers. 12 (2), 255 (2020).
