遺伝的にコードされたFRETベースの胆汁酸センサを用いた細胞内胆汁酸動態のリアルタイムモニタリング
Summary
We provide a detailed protocol to study bile acid dynamics in living cells using a genetically encoded BAS FRET sensor. This Bile Acid Sensor represents a unique tool to study (regulation of) bile acid transport and FXR activation in a wide range of cell types.
Abstract
Förster Resonance Energy Transfer (FRET) has become a powerful tool for monitoring protein folding, interaction and localization in single cells. Biosensors relying on the principle of FRET have enabled real-time visualization of subcellular signaling events in live cells with high temporal and spatial resolution. Here, we describe the application of a genetically encoded Bile Acid Sensor (BAS) that consists of two fluorophores fused to the farnesoid X receptor ligand binding domain (FXR-LBD), thereby forming a bile acid sensor that can be activated by a large number of bile acids species and other (synthetic) FXR ligands. This sensor can be targeted to different cellular compartments including the nucleus (NucleoBAS) and cytosol (CytoBAS) to measure bile acid concentrations locally. It allows rapid and simple quantitation of cellular bile acid influx, efflux and subcellular distribution of endogenous bile acids without the need for labeling with fluorescent tags or radionuclei. Furthermore, the BAS FRET sensors can be useful for monitoring FXR ligand binding. Finally, we show that this FRET biosensor can be combined with imaging of other spectrally distinct fluorophores. This allows for combined analysis of intracellular bile acid dynamics and i) localization and/or abundance of proteins of interest, or ii) intracellular signaling in a single cell.
Introduction
フェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）が広く、高い時間および空間分解能1と生細胞中の細胞機能のより良い理解を得るために使用されます。 FRETは、励起されたドナーフルオロフォアからのエネルギーは、アクセプターフルオロフォアへ転送されます。 FRETの効率は、ドナーとアクセプターフルオロフォアとその方向との間の距離に強く依存するため、2つの蛍光体に影響を与えるコンフォメーション変化の敏感な読み出しです。この現象は、小分子のイメージングのためのFRETベースのバイオセンサーを生成するために利用されます。それらの濃度の変化は、ドナーフルオロフォア2対アクセプターの発光強度の比の増加/減少するように監視することができます。例えば、FRETベースのカルシウムのバイオセンサーは細胞3生き内遊離カルシウム濃度の迅速かつ安定した検出を可能にします。 FRETベースのバイオセンサの他の利点は、単一の生細胞内で撮像され、T相続人の非侵襲性は、それらの能力が異なる細胞型および細胞区画4を標的とします。
細胞内の胆汁酸動態の多くの側面は、まだよく理解されていません。例えば、少しは、共役および非抱合型胆汁酸輸送の規制の根底にあるメカニズムについて知られています。既存の技術は、この輸送は、主に、ルシフェラーゼベースのレポーター、放射性標識胆汁酸、または蛍光胆汁酸類似体を利用する監視します。後者は、おそらくそれらの特性に影響を与え、胆汁酸の修飾を必要とします。ルシフェラーゼベースのレポーターは悪い時間分解能を持っています。また、これらの技術は、サンプルの損失をもたらし、単一細胞でのイメージングには適用されません。したがって、それはレシオメトリック検出5,6の利点を備えているので、特に、FRETバイオセンサーを使用して、輸送活性の生きた単一細胞イメージングを可能にする方法を使用することが有益であろう。一方、CFの変種P / YFPのフォームは、最も頻繁に、FRETペアを使用し、自己会合を誘発する変異を有するmOrangeとmCherryをを使用して、新しい戦略がレッドシフト胆汁酸センサー7を含む小説センサー、とのFRETツールボックスの拡大につながっています。
我々は以前ファルネソイドX受容体（FXR）のリガンド結合ドメインと融合されるドナーフルオロフォア（セルリアン）とアクセプターフルオロフォア（シトリン）で構成され、遺伝的にコードされたFRET胆汁酸センサー（BAS）を、作成した（FXR-LBD）そして、LXXLLモチーフ8を含むペプチド 。胆汁酸依存的にFXR-LBDとこのペプチドの仲間。 FXRの活性化の際に、シトリンと紺碧の間の距離は、立体構造の変化に起因する変更されます。哺乳動物細胞株における、FXR活性化の結果シトリン/セルリアン比で明らかに検出可能な増加で、精製されたセンサーは、反対方向に動作し、FXRの活性化の際に減少FRET比をもたらしました。このセンサー（CytoBAS）細胞質の胆汁酸動態のモニタリングを可能にします。細胞内ターゲティングモチーフのカルボキシル末端付加することで、BASの構築物は、異なる細胞区画における胆汁酸濃度の測定が可能、核（NucleoBAS）およびペルオキシソーム（PeroxiBAS）を標的とすることができます。ペルオキシソーム標的モチーフの添加は胆汁酸への応答性を損なうものではないが、細胞透過性FXRリガンドは、ペルオキシソーム8内 PeroxiBASの任意のFRETの変化を誘導しませんでした。この矛盾の性質は不明であるため、プロトコルは以下CytoBASとNucleoBASに焦点を当てています。
この遺伝的にコードされたFRETセンサーの使用は、最近、肝胆汁酸輸送体+ /タウロコール酸共輸送ポリペプチド（NTCP）Naおよび有機溶質輸送体アルファ/ベータ（OSTαβ）を8含む細胞で実証されました。 NTCPは、主要な肝胆汁酸輸入国であるとOSTαβは基底外側の腸胆汁です電気化学的な胆汁酸濃度勾配9、10に依存輸入および輸出の両方として機能することができる酸トランスポーター。最近のデータは、NTCP、および/またはOSTαβによる胆汁酸輸送の際に、リガンド – FXR-LBD相互作用の結果として、FRET比の堅牢かつ高速応答を観察することができることを示しました。
ここで、我々は、そのような共焦点顕微鏡分析および蛍光セルソーター（FACS）などのFRETを測定する方法のための詳細なプロトコルを記述する重要なステップを強調表示し、潜在的な問題に対処し、別の方法を説明します。この遺伝的にコードされたFRETセンサーを使用して、FXR-LBDと胆汁酸との相互作用を定量化し、生細胞内で直接監視し、リアルタイムでの胆汁酸の輸送および動態を可視化する迅速かつ簡単な方法を提供することができます。 CytoBASとNucleoBASをコードする哺乳動物発現プラスミドは、市販されています。したがって、このバイオセンサーは、さらにに貢献することができます胆汁酸輸送体またはFXRを活性化し、胆汁酸の生物学およびシグナル伝達をより深く洞察を提供する化合物の理解。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、生きた細胞内の胆汁酸輸送の時空間ダイナミクスを監視することができる新規な遺伝的にコードされた胆汁酸センサーを使用するための詳細なプロトコールを提示します。このバイオセンサーは、それによって、FRETベースの胆汁酸センサー（BAS）を形成する、FXR-LBDに融合されセルリアンとシトリン蛍光タンパク質で構成されています。
細胞培養およびFACSま?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by ERC starting grants (ERC-2011-StG 280255 and ERC-2013-StG 337479) and by the Netherlands Organization for Health Research and Development (Vidi 91713319).
Materials
| CytoBAS | Addgene | 62860 | |
| NucleoBAS | Addgene | 62861 | |
| Dulbecco's modified Eagles media (DMEM) | Lonza | BE12-614F | High glucose without L-glutamine |
| Penicillin-Streptomycin (pen/strep) | Lonza | 17-602E | |
| L-glutamine (200mM) | Lonza | 17-605E | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Invitrogen | 102-70 | |
| Trypsin-EDTA (10x) | Lonza | CC-5012 | |
| T-25 cell culture flask | VWR international | 392-0253 | Laminin coated |
| T-175 cell culture flask | VWR international | 392-0238 | Laminin coated |
| 6-well plate | VWR international | 734-0229 | Poly-L-lysine and Laminin coated |
| 10cm dish | VWR international | 392-0243 | Laminin coated |
| Diethylaminoethyl (DEAE) – Dextran | Sigma-Aldrich | D9885 | |
| Polyethylenimine (PEI) | Brunschwig | 23966-2 | |
| G418 (geneticin) 50 mg/ml | Invitrogen | 10131-027 | |
| Hygromycin B, 50 mg / ml | Invitrogen | 10687-010 | |
| Cloning cylinder (6×8 mm) | Bellco | 2090-00608 | |
| L-15 Leibovitz culture medium | Invitrogen | 21083-027 | No phenol red |
| Polystyrene round bottom tube (5 ml) Facs tube | Falcon BD | 352008 | No cap, non-sterile |
| Falcon 2063 tubes (5 ml) | Falcon BD | 352063 | Snap cap, sterile |
| Nunc Lab-Tek 8 well coverglass | Thermo scientific | 155409 | Sterile |
| Charcoal-filtered FBS | Life technologies | 12676011 | |
| GW4064 | Sigma-Aldrich | G5172 | |
| TCDCA | Sigma-Aldrich | T6260 | |
| CDCA | Sigma-Aldrich | C9377 | |
| Other chemicals | Sigma-Aldrich | n.v.t. |
Referências
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