Met behulp van fluorescerende eiwitten naar Monitor Glycosome Dynamiek in de Afrikaanse Trypanosoom

Summary

Glycosome dynamics in African trypanosomes are difficult to study by traditional cell biology techniques such as electron and fluorescence microscopy. As a means of observing dynamic organelle behavior, a fluorescent-organelle reporter system has been used in conjunction with flow cytometry to monitor real-time glycosome dynamics in live parasites.

Abstract

Trypanosoma brucei is een kinetoplastid parasiet die humane Afrikaanse slaapziekte (HAT), of slaapziekte, en een slopende ziekte, Nagana veroorzaakt, bij runderen ^1. De parasiet afwisselend de bloedbaan van de zoogdier gastheer en de tseetseevlieg vector. De samenstelling van veel cellulaire organellen verandert in reactie op deze verschillende extracellulaire condities ^2-5.

Glycosomen zijn zeer gespecialiseerde peroxisomen waarin veel van de betrokken bij de glycolyse enzymen zijn gecompartimenteerd. Glycosome samenstelling verandert in een ontwikkelings-en milieuvriendelijke gereguleerde manier ^4-11. Momenteel is de meest gebruikte technieken om glycosome dynamica te bestuderen zijn elektron en fluorescentiemicroscopie; technieken zijn duur, tijd en arbeidsintensief en niet gemakkelijk worden aangepast aan hoge doorvoer analyse.

Om deze beperkingen, een fluorescerende-glycosome reporter systeem in te overwinnendie geel fluorescerend eiwit (eYFP) meer gefuseerd aan een peroxisomen targeting sequentie (PTS2), waarbij het ​​fusie-eiwit glycosomen ¹² verbindt, is vastgesteld. Bij de invoer van de PTS2eYFP fusie-eiwit, glycosomen geworden fluorescerend. Organel afbraak en recycling resulteert in het verlies van fluorescentie die kan worden gemeten door stroming cytometrie. Grote aantallen cellen (5.000 cellen / sec) kunnen in real-time worden geanalyseerd, matrixvoorbereiding zoals fixatie en bevestigingsmiddelen. Deze werkwijze biedt een snelle manier detecteren van veranderingen in organel samenstelling in reactie op wisselende omgevingsomstandigheden.

Introduction

Trypanosoma brucei veroorzaakt Afrikaanse slaapziekte bij de mens en een slopende ziekte, Nagana, bij runderen. Geneesmiddelen die worden gebruikt bij de behandeling van deze ziekten zijn verouderd en uiterst giftig, vaccins beschikbaar zijn, en het potentieel voor de ontwikkeling van resistentie vereist de zoektocht naar nieuwe drug targets ^1.

Tijdens zijn levenscyclus, T. brucei, afwisselend een insect vector en zoogdiergastheer-; twee hosts die zeer verschillende omgevingen waarin de parasiet moet overleven presenteren. Een aantal metabolische en morfologische veranderingen optreden als de parasiet blootgesteld aan verschillende omgevingsomstandigheden. Enkele van de meest dramatische veranderingen zijn waargenomen bij enkele-membraan begrensd parasiet specifieke microlichamen, genoemd glycosomen ^13.

Glucosespiegels zijn relatief hoog (~ 5 mM) in het bloed en bloed parasieten (BSF) genereren ATP uitsluitend via glycolyse while mitochondriale stofwisseling wordt onderdrukt ^14. In tegenstelling tot andere eukaryoten waar glycolyse optreedt in het cytoplasma, T. brucei compartmentalizes meeste glycolytische enzymen in glycosomen ^14,15. De parasieten worden door de tseetseevlieg tijdens een bloedmeel genomen en ervaren een daling in glucose, dat valt te stellen niveaus binnen 15 minuten te worden ingenomen door de vlieg. Het metabolisme van insecten, procyclische vorm (PCF), parasieten is flexibeler en glucose, alsook aminozuren zoals proline, kan worden gebruikt bij de synthese van ATP ^16-18. Vergelijkende proteomics studies blijkt lifecycle afhankelijke veranderingen in glycosomal en mitochondriale eiwitten met glycolytisch eiwitten toegenomen in de bloedbaan parasieten en mitochondriale eiwitten die betrokken zijn bij de TCA-cyclus en respiratoire keten ^13,19. Terwijl veel studies hebben zich gericht op de verschillen tussen de BSF en PCF glycosomen, is er weinig bekend over de veranderingen in de PCF glycosomen die optreden als reactie op environmental veranderingen.

In de dikke darm van de vlieg, het glucose laag is met een voorbijgaande verhoging tijdens een voeding ^20. In de meeste in vitro studies, zijn PCF parasieten gekweekt in medium met glucose. Echter, recente studies hebben aangetoond dat PCF stofwisseling sterk verandert in reactie op de beschikbaarheid van ¹⁷ glucose. Aangezien glucose, proline opname en proline dehydrogenase activiteit verhogen ^18. Deze verandering in het mitochondriaal metabolisme waarschijnlijk gepaard met een verandering in glycosome samenstelling en morfologie, maar dit is niet direct beoordeeld.

Elektron en fluorescentie microscopie worden gemeenschappelijke technieken gebruikt om glycosome dynamiek in T. brucei ^2,21-24. Deze protocollen zijn tijd en arbeidsintensief, duur en moeilijk aan te passen om real-time studies hoge doorvoer protocollen. Om deze beperking te overwinnen, een tl-organel reporter systeem used naar organellen in zoogdiercellen en gist te bestuderen is aangepast voor gebruik in T. brucei ^12.

Fluorescent organel reportersystemen zijn uitgebreid gebruikt in hogere eukaryoten zoals gist, planten en zoogdiercellen ^25-27. In dergelijke systemen wordt een fluorescerend eiwit gefuseerd aan een aminozuursequentie die het eiwit aan specifieke organellen gericht. De afbraak en synthese van de beoogde eiwitten gemeten via fluorescentie en veranderingen in organel samenstelling worden gereflecteerd door veranderingen in cel fluorescentie.

Wanneer het open leesraam van versterkte geel fluorescent eiwit (eYFP) gefuseerd aan een type II peroxisomale targeting sequentie (PTS2) ^12, wordt de PTS2eYFP eiwit invoer in rijpe, import-bevoegde glycosomen en fluorescentie kan worden gevolgd via flowcytometrie. Variaties in glycosome preparaat worden gereflecteerd door veranderingen in de cellulaire fluorescentie. Dit systeem kan helpen bij resolVing de mechanismen die het milieu veroorzaakte veranderingen in glycosome samenstelling te regelen.

Dit manuscript beschrijft de vorming van een glycosome reporter systeem PCF parasieten in combinatie met flowcytometrie om real-time glycosome dynamiek in levende parasieten volgen en een voorbeeld van hoe het is gebruikt om veranderingen in glycosome samenstelling volgen in reactie op verschillende omgevingen. Samengevat wordt glycosome samenstelling beïnvloed door extracellulaire glucose concentraties en passage van log-fase culturen in vers medium triggers veranderingen in glycosome samenstelling. Dit systeem kan worden aangepast om het dynamische gedrag van andere organellen in trypanosomen en andere parasieten bestuderen.

Protocol

1 Algemeen Trypanosoom Veehouderij Weeg vaste stoffen SDM79 media preparaat (Tabel 1). Bewaar bij 4 ° C in 50 ml conische of een hersluitbaar zakje. OPMERKING: Reagentia stabiel gedurende tenminste 6 maanden. Dooi foetaal bovine serum (FBS) in een 37 ° C waterbad, en meng die periodiek door inversie. OPMERKING: FBS ontvangen van de leverancier als een steriele oplossing. Filter steriliseren FBS verlaagt haar vermogen parasiet groei. Zodra de gehele fles wordt o…

Representative Results

In dit systeem werd een glucose-afhankelijke verandering in glycosome samenstelling waargenomen. Wanneer cellen worden gekweekt in glucose bevattend medium, worden twee populaties waargenomen; een lichte en een dim (Figuur 2A). Dim cellen haven onvolwassen glycosomen, die niet zijn geïmporteerd het PTS2eYFP terwijl heldere cellen herbergen een mix van rijpe en onrijpe glycosomen 12. Wanneer glucose aanwezig is in de media is, mislocalisatie van glycosome eiwitten is dodelijk 15,28…

Discussion

Glycosomen zijn essentieel, dynamisch, parasiet-specifieke organellen. De processen die de biogenese, onderhoud, proliferatie en verbouwing van deze organellen regelen waarschijnlijk ook drug targets die kunnen worden benut voor therapeutische doeleinden. Ondanks het potentieel hoge overvloed van deze targets, is het gebied van glycosome biogenese achterbleef het bestuderen van gelijkaardige processen in andere organismen, voornamelijk door het ontbreken van een soepel, high-throughput systeem waarbij snelle, dynamische…

Materials

Adenosine	Avocado Research Chemicals Ltd	A10781	SDM79 Ingredient
L-Alanine	Avocado Research Chemicals Ltd	A15804	SDM79 Ingredient
L-arginine	CalBiochem	1820	SDM79 Ingredient
p-aminobenzoic acid	ICN Biomedicals	102569	SDM79 Ingredient
Basal Medium Eagle Vitamin Solution (100X)	Sigma	B6891	SDM79 Ingredient
Biotin	Fisher	BP232-1	SDM79 Ingredient
Calcium Chloride	VWR	BDH0224	Cytomix
EDTA	Fisher	S311-100	Cytomix ingredient
EZNA Gel Extraction kit	Omega Biotek	D2500-01	DNA purifiation
Research grade Serum	Fisher	03-600-511	SDM79 Ingredient
Folic acid	ICN Biomedicals	101725	SDM79 Ingredient
Glucosamine HCl	ICN Biomedicals	194671	SDM79 Ingredient
Glucose	GIBCO	15023-021	SDM79 Ingredient
L-glutamine	CalBiochem	3520	SDM79 Ingredient
Glycerol	Acros Organics	Ac15892-0010	Freezing media
Graces insect cell media powder	GIBCO	11300-043	SDM79 Ingredient
Hemin	MP Biomedicals	194025	SDM79 Ingredient
Guanosine	Avocado Research Chemicals Ltd	A11328	SDM79 Ingredient
HEPES	MP Biomedicals	194025	SDM79 Ingredient
Magnesium Chloride	Fisher	BP214-500	Cytomix ingredient
L-methionine	Fisher	BP388-100	SDM79 Ingredient
MEM Amino Acids (50X)	Cellgro	25-030-CI	SDM79 Ingredient
NEAA Mixture (100X)	Lonza	13-114E	SDM79 Ingredient
Minimal Essential Medium (1X) with L-glutamine	Cellgro	10-010-CM	SDM79 Ingredient
MOPS	Fisher	BP308-500	SDM79 Ingredient
Sodium Biocarbonate	Fisher	S233-500	SDM79 Ingredient
Penicillin-Streptomycin Solution	Cellgro	30-002-CI	SDM79 Ingredient
L-phenylalanine	ICN Biomedicals	102623	SDM79 Ingredient
Potassium Chloride	Fisher	P217-500	Cytomix ingredient
Potassium Phosphate Dibasic Anhydrous	Fisheer	P290-212	Cytomix ingredient
L-proline	Fisher	BP392-100	SDM79 Ingredient
L-serine	Acros Organics	56-45-1	SDM79 Ingredient
Pyruvic acid, sodium salt	Acros Organics	113-24-6	SDM79 Ingredient
L-taurine	TCI America	A0295	SDM79 Ingredient
L-threonine	Acros Organics	72-19-5	SDM79 Ingredient
L-tyrosine	ICN Biomedicals	103183	SDM79 Ingredient
E.Z.N.A.Cycle Pure kit	Omega Biotek	D6492-02	DNA purification
Binding buffer	Omega Biotek	PDR041	DNA purification
SPW wash buffer	Omega Biotek	PDR045	DNA purification
Gene Pulser Xcell	Biorad	165-2660	Trypanosome transformation
4 mm electroporation cuvettes	VWR		Trypanosome transformation