En Vivo biosensor Pistas de apoptosis no caspasa actividad en Drosophila
Summary
Para detectar las células sanas en animales enteros que contienen niveles bajos de actividad caspasa, el biosensor altamente sensible designado CaspaseTracker se generó para Drosophila. se detecta actividad biosensor dependiente de caspasa en las células sanas de larga vida a través de los órganos internos de los animales adultos criados en condiciones optimizadas en ausencia de estímulos de muerte.
Abstract
Caspases are the key mediators of apoptotic cell death via their proteolytic activity. When caspases are activated in cells to levels detectable by available technologies, apoptosis is generally assumed to occur shortly thereafter. Caspases can cleave many functional and structural components to cause rapid and complete cell destruction within a few minutes. However, accumulating evidence indicates that in normal healthy cells the same caspases have other functions, presumably at lower enzymatic levels. Studies of non-apoptotic caspase activity have been hampered by difficulties with detecting low levels of caspase activity and with tracking ultimate cell fate in vivo. Here, we illustrate the use of an ultrasensitive caspase reporter, CaspaseTracker, which permanently labels cells that have experienced caspase activity in whole animals. This in vivo dual color CaspaseTracker biosensor for Drosophila melanogaster transiently expresses red fluorescent protein (RFP) to indicate recent or on-going caspase activity, and permanently expresses green fluorescent protein (GFP) in cells that have experienced caspase activity at any time in the past yet did not die. Importantly, this caspase-dependent in vivo biosensor readily reveals the presence of non-apoptotic caspase activity in the tissues of organ systems throughout the adult fly. This is demonstrated using whole mount dissections of individual flies to detect biosensor activity in healthy cells throughout the brain, gut, malpighian tubules, cardia, ovary ducts and other tissues. CaspaseTracker detects non-apoptotic caspase activity in long-lived cells, as biosensor activity is detected in adult neurons and in other tissues at least 10 days after caspase activation. This biosensor serves as an important tool to uncover the roles and molecular mechanisms of non-apoptotic caspase activity in live animals.
Introduction
Las caspasas son proteasas de cisteína que median la muerte celular por apoptosis mediante la escisión de muchas proteínas intracelulares después de residuos de aspartato clave. Por ejemplo, caspasas iniciadoras activan las caspasas efectoras, nucleasas de ADN derepress, componentes del citoesqueleto escinden y alteran la composición de lípidos de las membranas celulares para desmantelar rápidamente las células y estimular su reconocimiento y la inmersión por las células que disponen de los cadáveres célula vecina. 1-4 Se estima que miles de millones de células mueren por día en el cuerpo humano, y la apoptosis es un mecanismo importante de la muerte de células tumorales inducida por la quimioterapia. 5 un conjunto diferente de las caspasas puede causar la muerte celular por procesos no apoptóticas distintas para estimular la inmunidad innata. 6 por lo tanto, mayoría de las investigaciones sobre las caspasas se ha centrado en sus funciones a favor de la muerte.
Curiosamente, las primeras pruebas en el campo reveló que los mismos caspasas responsables de promover la muerte de las células también tienen no la muerte funciones. Estudios pioneros han demostrado que las caspasas están implicadas en diversas funciones celulares en las células sanas, incluyendo la regulación de la proliferación celular y la migración durante la embriogénesis. 7-9 se requieren caspasas para la individualización spermatid en Drosophila 10,11, para el bloqueo de una vía de la muerte celular necroptotic alternativa en ratones 12,13, y para el procesamiento de microARN en C. . elegans 14,15 En quizás los más longevos células, las neuronas, las caspasas y otra maquinaria apoptótica están implicados en la regulación de la actividad neuronal mediante la poda de terminaciones sinápticas, un proceso que se cree que es esencial para el fortalecimiento de otras sinapsis para el aprendizaje y la memoria 16-. 18 es posible que las caspasas facilitar la poda sináptica por un tipo de mini-apoptosis de las proyecciones neuronales diminutas sin muerte de células enteras. 19 sin embargo, las caspasas pueden tener funciones alternativas no relacionadas con eventos de apoptosis similares. 20,21 papel Duals en la vida y la muerte no son exclusivos de las caspasas; BCL-2 y proteínas de la familia del citocromo c tienen papeles en la energética celular en las células sanas, pero también son parte de la ruta apoptótica núcleo que se activa por muchos tipos de estrés celular. 22-25 Aunque no está comprobado, parece lógico que la evolución ha vinculado día -Jobs hasta la muerte, puestos de trabajo en las mismas moléculas para asegurar la eliminación oportuna de las células no aptas o no deseables.
En la actualidad, los mecanismos moleculares de la actividad de caspasa no apoptótico no se entienden, y el grado de actividad de la caspasa no apoptótico durante el desarrollo embrionario y en los tejidos adultos también no se conoce. Un reto importante es la dificultad de distinguir día-trabajos desde death-puestos de trabajo de las caspasas. En contraste con la apoptosis y pyroptosis, cuando la actividad de caspasa se amplifica por una cascada proteolítica, se espera que los trabajos diurnos de las caspasas se produzca a niveles mucho más bajos de actividad enzimática, probablemente por debajo de la detección por muchos tecn disponiblesgías.
Antes del trabajo presentado aquí, otros desarrollaron una variedad de biosensores de caspasa para diferentes propósitos. Los biosensores de SCAT (por ejemplo, ECFP-DEVD-Venus) detectar rápidamente la actividad de caspasa en tiempo real en células cultivadas y tejidos animales utilizando FRET. 26,27 Tras la escisión de la caspasa, la fracción GFP dirigido al núcleo de Apoliner (mCD8-RFP-DQVD- nucGFP) sufre relocalización subcelular dentro de minutos cuando su membrana de sujeción plasma es escindido por las caspasas. 28 del mismo modo, ApoAlert-pCaspase3-sensor (NES-DEVD-YFP-NLS) relocaliza desde el citosol al núcleo tras la escisión de la caspasa. 29,30 Más recientemente, el cromóforo en iCasper fue diseñado inteligentemente a emitir fluorescencia cuando se escinde por caspasas, lo que permite la detección de la actividad de biosensor en tiempo real en las neuronas de embriones de Drosophila, pero principalmente en asociación con la muerte celular de desarrollo. muerte 31 dependiente de caspasa de las neuronas olfativas durante el envejecimiento estaba demonstclasificado por inmuno-detección de la forma de la caspasa-escindido de biosensores CPV (por ejemplo, mCD8-PARP-Venus). 32,33 Es importante destacar que, se detectó la forma activada de la caspasa-3 en ausencia de muerte celular por inmunotinción sensible en espinas de neuronas cultivadas, y en el soma usando la fluorescencia dependiente de caspasa del colorante indicador CellEvent nuclear, pero se encontraron dificultades debido a la foto-toxicidad, aunque la muerte celular se retrasa hasta después de la eliminación columna vertebral. 19 por lo tanto, se necesitan nuevos biosensores caspasas para detectar y realizar un seguimiento de las células con actividad de caspasa basal in vivo.
Para superar estas dificultades, hemos generado un nuevo biosensor de color caspasa doble, designado CaspaseTracker. Esta estrategia combina una versión modificada del biosensor Apoliner Drosophila caspasa-sensible 28 con el sistema FRT recombinasa Drosophila G-TRACE 34 para etiquetar y rastrear células en vivo de forma permanente. <sup> 35 El sistema G-TRACE activado-Gal4 permite que los niveles muy bajos de caspasas para activar CaspaseTracker, lo que resulta en la expresión de RFP en el citoplasma y la expresión de GFP dirigido al núcleo permanente en cualquier célula que nunca ha experimentado la actividad de caspasa. 35 Este sistema puede etiquetar las células durante toda la vida en animales enteros utilizando Drosophila melanogaster, un sistema modelo tratable y ampliamente utilizado para el estudio de las caspasas y la muerte celular. 36-38
Protocol
Representative Results
Discussion
A continuación se ilustra la construcción y el funcionamiento interno de CaspaseTracker que facilitan la detección de la actividad de caspasa basal generalizada en los tejidos sanos. Los pasos críticos para la detección de la actividad de caspasa no apoptótica in vivo son: 1) la generación de moscas con el transgén biosensor, 2) verificar la función reportero-caspasa específico con controles apropiados, 3) la práctica de técnicas de disección para observar todos los sistemas de órganos internos de…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Polan Santos y Darren Obbard para las ilustraciones de Drosophila en la Fig. 2a, Marcelo Jacobs-Lorena para el uso del insectario JHMRI. Este trabajo fue apoyado por la beca de la Fundación de Investigación de Ciencias de la Vida (HLT), Comité de Becas de la Universidad de Hong Kong AOE / B-07/99 (MCF), y el NIH subvenciones NS096677, NS037402 y NS083373 (JMH). Ho Lam Tang es una Fundación Shurl y Kay Curci miembro de la Fundación de Investigación de Ciencias de la Vida.
Materials
| CONSUMABLES AND REAGENTS | |||
| Vectashield | Vector Products | H-1000 | Mounting medium |
| Forceps | Ted Pella | #505 (110mm, #5) | Dumont tweezer biology grade, stainless steel |
| Hanging Drop Slides | Fisher Scientific | 12-565B | Glass slides |
| Hoechst 33342 | Molecular Probes | H1399 | DNA stain |
| Alexa Fluor 633 Phalloidin | Molecular Probes | A22284 | Actin stain |
| Rat-Elav-7E8A10 anti-elav antibody | Developmental Studies Hybridoma Bank (DSHB) | Antibody Registry ID: AB_528218 | Stain for Drosophla pan-neuronal ELAV |
| Cleaved caspase-3 (Asp175) antibody | Cell Signaling Technology | #9661 | Stain for active fragment of caspase-3 |
| ProLong Gold antifade reagent | Life Technologies | P36934 | to preserve fluorophores |
| ProLong Diamond Antifade Mountant | Life Technologies | P36961 | to preserve fluorophores |
| SylGard 182 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Product code: 0001023934 | for dissection plates |
| EQUIPMENT | |||
| LSM780 confocal microscope | Carl Zeiss | N/A | Imaging |
| Carl Zeiss Stereomicroscope Stemi 2000 | Carl Zeiss | N/A | Drosophila dissection |
| AmScope Fiber Optic Dual Gooseneck Microscope Illuminator, 150W | AmScope | WBM99316 | Light source |
Referências
- Salvesen, G. S., Abrams, J. M. Caspase activation – stepping on the gas or releasing the brakes? Lessons from humans and flies. Oncogene. 23, 2774-2784 (2004).
- Hay, B. A., Guo, M. Caspase-dependent cell death in Drosophila. Annu Rev Cell Dev Biol. 22, 623-650 (2006).
- Segawa, K., et al. Caspase-mediated cleavage of phospholipid flippase for apoptotic phosphatidylserine exposure. Science. 344, 1164-1168 (2014).
- Akagawa, H., et al. The role of the effector caspases drICE and dcp-1 for cell death and corpse clearance in the developing optic lobe in Drosophila. Dev Biol. , (2015).
- Souers, A. J., et al. ABT-199, a potent and selective BCL-2 inhibitor, achieves antitumor activity while sparing platelets. Nat Med. 19, 202-208 (2013).
- Lamkanfi, M., Dixit, V. M. Mechanisms and functions of inflammasomes. Cell. 157, 1013-1022 (2014).
- Bergmann, A., Steller, H. Apoptosis, stem cells, and tissue regeneration. Sci Signal. 3, re8 (2010).
- Hyman, B. T., Yuan, J. Apoptotic and non-apoptotic roles of caspases in neuronal physiology and pathophysiology. Nat Rev Neurosci. 13, 395-406 (2012).
- Juraver-Geslin, H. A., Durand, B. C. Early development of the neural plate: new roles for apoptosis and for one of its main effectors caspase-3. Genesis. 53, 203-224 (2015).
- Arama, E., Agapite, J., Steller, H. Caspase activity and a specific cytochrome C are required for sperm differentiation in Drosophila. Dev Cell. 4, 687-697 (2003).
- Kaplan, Y., Gibbs-Bar, L., Kalifa, Y., Feinstein-Rotkopf, Y., Arama, E. Gradients of a ubiquitin E3 ligase inhibitor and a caspase inhibitor determine differentiation or death in spermatids. Dev Cell. 19, 160-173 (2010).
- Kaiser, W. J., et al. RIP3 mediates the embryonic lethality of caspase-8-deficient mice. Nature. 471, 368-372 (2011).
- Gunther, C., et al. Caspase-8 regulates TNF-alpha-induced epithelial necroptosis and terminal ileitis. Nature. 477, 335-339 (2011).
- Weaver, B. P., et al. CED-3 caspase acts with miRNAs to regulate non-apoptotic gene expression dynamics for robust development in C. elegans. Elife. 3, e04265 (2014).
- Ge, X., et al. A novel mechanism underlies caspase-dependent conversion of the dicer ribonuclease into a deoxyribonuclease during apoptosis. Cell Res. 24, 218-232 (2014).
- Fannjiang, Y., et al. BAK alters neuronal excitability and can switch from anti- to pro-death function during postnatal development. Dev Cell. 4, 575-585 (2003).
- Ofengeim, D., et al. N-terminally cleaved Bcl-xL mediates ischemia-induced neuronal death. Nat Neurosci. 15, 574-580 (2012).
- Li, Z., Sheng, M. Caspases in synaptic plasticity. Mol Brain. 5, 15 (2012).
- Erturk, A., Wang, Y., Sheng, M. Local pruning of dendrites and spines by caspase-3-dependent and proteasome-limited mechanisms. J Neurosci. 34, 1672-1688 (2014).
- Campbell, D. S., Okamoto, H. Local caspase activation interacts with Slit-Robo signaling to restrict axonal arborization. J Cell Biol. 203, 657-672 (2013).
- Feinstein-Rotkopf, Y., Arama, E. Can’t live without them, can live with them: roles of caspases during vital cellular processes. Apoptosis. 14, 980-995 (2009).
- Li, P., et al. Cytochrome c and dATP-dependent formation of Apaf-1/caspase-9 complex initiates an apoptotic protease cascade. Cell. 91, 479-489 (1997).
- Lewis, J., et al. Inhibition of virus-induced neuronal apoptosis by Bax. Nat Med. 5, 832-835 (1999).
- Chen, Y. B., et al. Bcl-xL regulates mitochondrial energetics by stabilizing the inner membrane potential. J Cell Biol. 195, 263-276 (2011).
- Yi, C. H., et al. Metabolic regulation of protein N-alpha-acetylation by Bcl-xL promotes cell survival. Cell. 146, 607-620 (2011).
- Takemoto, K., Nagai, T., Miyawaki, A., Miura, M. Spatio-temporal activation of caspase revealed by indicator that is insensitive to environmental effects. J Cell Biol. 160, 235-243 (2003).
- Takemoto, K., et al. Local initiation of caspase activation in Drosophila salivary gland programmed cell death in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 13367-13372 (2007).
- Bardet, P. L., et al. A fluorescent reporter of caspase activity for live imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 13901-13905 (2008).
- Tang, H. L., et al. Cell survival, DNA damage, and oncogenic transformation after a transient and reversible apoptotic response. Mol Biol Cell. 23, 2240-2252 (2012).
- Golbs, A., Nimmervoll, B., Sun, J. J., Sava, I. E., Luhmann, H. J. Control of programmed cell death by distinct electrical activity patterns. Cereb Cortex. 21, 1192-1202 (2011).
- To, T. L., et al. Rationally designed fluorogenic protease reporter visualizes spatiotemporal dynamics of apoptosis in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 112, 3338-3343 (2015).
- Florentin, A., Arama, E. Caspase levels and execution efficiencies determine the apoptotic potential of the cell. J Cell Biol. 196, 513-527 (2012).
- Chihara, T., et al. Caspase inhibition in select olfactory neurons restores innate attraction behavior in aged Drosophila. PLoS Genet. 10, e1004437 (2014).
- Evans, C. J., et al. G-TRACE: rapid Gal4-based cell lineage analysis in Drosophila. Nat Methods. 6, 603-605 (2009).
- Tang, H. L., Tang, H. M., Fung, M. C., Hardwick, J. M. In vivo CaspaseTracker biosensor system for detecting anastasis and non-apoptotic caspase activity. Sci Rep. 5, 9015 (2015).
- Suzanne, M., Steller, H. Shaping organisms with apoptosis. Cell Death Differ. 20, 669-675 (2013).
- Jenkins, V. K., Timmons, A. K., McCall, K. Diversity of cell death pathways: insight from the fly ovary. Trends Cell Biol. 23, 567-574 (2013).
- Sarkissian, T., Timmons, A., Arya, R., Abdelwahid, E., White, K. Detecting apoptosis in Drosophila tissues and cells. Methods. 68, 89-96 (2014).
- Williamson, W. R., Hiesinger, P. R. Preparation of developing and adult Drosophila brains and retinae for live imaging. J Vis Exp. , (2010).
- Wong, L. C., Schedl, P. Dissection of Drosophila ovaries. J Vis Exp. , e52 (2006).
- Tauc, H. M., Tasdogan, A., Pandur, P. Isolating intestinal stem cells from adult Drosophila midguts by FACS to study stem cell behavior during aging. J Vis Exp. , e52223 (2014).
- Ditzel, M., et al. Degradation of DIAP1 by the N-end rule pathway is essential for regulating apoptosis. Nat Cell Biol. 5, 467-473 (2003).
- Li, X., Wang, J., Shi, Y. Structural mechanisms of DIAP1 auto-inhibition and DIAP1-mediated inhibition of drICE. Nat Commun. 2, 408 (2011).
- Yi, S. X., Moore, C. W., Lee, R. E. Rapid cold-hardening protects Drosophila melanogaster from cold-induced apoptosis. Apoptosis. 12, 1183-1193 (2007).
- Drummond-Barbosa, D., Spradling, A. C. Stem cells and their progeny respond to nutritional changes during Drosophila oogenesis. Dev Biol. 231, 265-278 (2001).
- Fan, Y., Bergmann, A. The cleaved-Caspase-3 antibody is a marker of Caspase-9-like DRONC activity in Drosophila. Cell Death Differ. 17, 534-539 (2010).
- Fogarty, C. E., Bergmann, A. Detecting caspase activity in Drosophila larval imaginal discs. Methods Mol Biol. 1133, 109-117 (2014).
- Koushika, S. P., Lisbin, M. J., White, K. ELAV, a Drosophila neuron-specific protein, mediates the generation of an alternatively spliced neural protein isoform. Curr Biol. 6, 1634-1641 (1996).
- Albeck, J. G., et al. Quantitative analysis of pathways controlling extrinsic apoptosis in single cells. Mol Cell. 30, 11-25 (2008).
- Galluzzi, L., et al. Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring cell death in higher eukaryotes. Cell Death Differ. 16, 1093-1107 (2009).
- Holland, A. J., Cleveland, D. W. Chromoanagenesis and cancer: mechanisms and consequences of localized, complex chromosomal rearrangements. Nat Med. 18, 1630-1638 (2012).
- Green, D. R. . Means to an end : apoptosis and other cell death mechanisms. , (2011).
- Chau, B. N., et al. Signal-dependent protection from apoptosis in mice expressing caspase-resistant Rb. Nat Cell Biol. 4, 757-765 (2002).
- Lin, Y., Devin, A., Rodriguez, Y., Liu, Z. G. Cleavage of the death domain kinase RIP by caspase-8 prompts TNF-induced apoptosis. Genes Dev. 13, 2514-2526 (1999).
- Han, M. H., et al. The novel caspase-3 substrate Gap43 is involved in AMPA receptor endocytosis and long-term depression. Mol Cell Proteomics. 12, 3719-3731 (2013).
- Nakagawa, A., Shi, Y., Kage-Nakadai, E., Mitani, S., Xue, D. Caspase-dependent conversion of Dicer ribonuclease into a death-promoting deoxyribonuclease. Science. 328, 327-334 (2010).
