Visualisation et analyse du transport intracellulaire d'organites et d'autres cargaisons dans les astrocytes
Summary
Ici nous décrivons une méthode in vitro de live-imaging pour visualiser le transport intracellulaire des organelles et le trafic des protéines de membrane de plasma dans les astrocytes murines. Ce protocole présente également une méthodologie d’analyse d’image pour déterminer les itinéraires et la cinétique du transport de marchandises.
Abstract
Les astrocytes sont parmi les types de cellules les plus abondants dans le cerveau adulte, où ils jouent des rôles clés dans une multiplicité de fonctions. En tant qu’acteur central de l’homéostasie cérébrale, les astrocytes fournissent aux neurones des métabolites vitaux et tamponnent l’eau extracellulaire, les ions et le glutamate. Composante intégrale de la synapse tri-partite, les astrocytes sont également essentiels à la formation, à l’élagage, à l’entretien et à la modulation des synapses. Pour permettre ces fonctions hautement interactives, les astrocytes communiquent entre eux et avec d’autres cellules gliales, neurones, vascularisation du cerveau et environnement extracellulaire à travers une multitude de protéines membranaires spécialisées qui incluent des cellules molécules d’adhérence, d’aquaporines, de canaux ioniques, de transporteurs de neurotransmetteurs et de molécules de jonction d’écart. Pour soutenir ce flux dynamique, les astrocytes, comme les neurones, s’appuient sur un transport intracellulaire étroitement coordonné et efficace. Contrairement aux neurones, où le trafic intracellulaire a été largement délimité, le transport à base de microtubules dans les astrocytes a été moins étudié. Néanmoins, le trafic exo- et endocytic des protéines de membrane cellulaire et du transport intracellulaire d’organelle orchestre la biologie normale des astrocytes, et ces processus sont souvent affectés dans la maladie ou en réponse aux dommages. Ici, nous présentons un protocole simple à la culture de haute qualité astrocytes murine, à fluorescentétique des protéines astrocytiques et des organites d’intérêt, et d’enregistrer leur dynamique de transport intracellulaire en utilisant la microscopie confocale time-lapse. Nous démontrons également comment extraire et quantifier les paramètres de transport pertinents des films acquis à l’aide du logiciel d’analyse d’image disponible (c.-à-d. ImageJ/FIJI).
Introduction
Les astrocytes sont les cellules les plus abondantes dans le système nerveux central adulte, où ils exécutent des fonctions développementales et homéostatiques uniques1. Les astrocytes modulent le développement synaptique par le contact direct avec les terminaux pré- et postsynaptiques dans le cadre de la synapse tri-partite, qui contient des récepteurs de neurotransmetteur, des transporteurs, et des molécules d’adhérence de cellules qui facilitent la formation de synapse et la communication neuronale-astrocyte2. En outre, les astrocytes contrôlent activement la transmission synaptique et empêchent l’excitotoxicité neuronale en supprimant rapidement les neurotransmetteurs excitatifs de la fente synaptique, en recyclant les neurotransmetteurs et en participant à l’élagage synaptique3 , 4 ( en plus) , 5 Annonces , 6.Pour activer ces fonctions hautement interactives, les astrocytes communiquent entre eux, avec d’autres cellules gliales, et avec les neurones par le biais de protéines membranaires spécialisées, y compris les molécules d’adhérence cellulaire, les aquaporines, les canaux ioniques, les transporteurs de neurotransmetteurs et les molécules de jonction d’écart. Les astrocytes modifient activement les niveaux de surface de ces protéines en réponse aux fluctuations de leur environnement intra- et extracellulaire7. En outre, les changements dans les niveaux et la distribution des mitochondries, des gouttelettes lipidiques et des organites dégradatifs et de recyclage modulent l’approvisionnement énergétique, la disponibilité des métabolites et les processus de compensation cellulaire qui sont essentiels à la fonction des astrocytes et survie.
Les changements dynamiques dans le trafic de protéines membranaires et d’organelle et le positionnement dans les astrocytes sont facilités par la fonction concertée des protéines motrices et des adaptateurs qui favorisent la motilité de la cargaison8,9. De même, les niveaux de surface des protéines membranaires sont modulés par l’internalisation et le recyclage des événements10. Ces cargaisons sont transportées par un réseau complexe d’actine, de microtubules et peut-être de filaments intermédiaires8. Les études basées sur la coloration d’immunofluorescence de la protéine de liaison final 1 (EB1), qui s’accumule au microtubule croissant plus extrémités, suggèrent que dans les faisceaux d’astrocytes des microtubules rayonnent hors du périnucleus et d’étendre leur extrémité plus vers le périphérie11. Cependant, un examen complet de l’organisation et de la polarité des microtubules et d’autres éléments cytosquelettiques utilisant la formation image de cellules vivantes manque toujours. Tandis que beaucoup des mécanismes sous-jacents à la dynamique des organelles et des protéines membranaires ont été intensivement étudiés dans les neurones et d’autres types de cellules, la motilité de cargaison dans les astrocytes est moins bien comprise. La plupart de nos connaissances actuelles sur les changements dans la distribution des protéines et des organites dans les astrocytes est basée sur l’étiquetage traditionnel à base d’anticorps de la préparation fixe, ce qui empêche l’examen spatial et temporel précis de la dynamique du fret7, 12.
Ici, nous décrivons une méthode pour étiqueter des protéines de membrane et des organites pour l’imagerie vivante dans les cultures primaires d’astrocyte de souris de haute pureté. À l’aide de ce protocole, nous fournissons des exemples dans lesquels nous suivons la localisation dynamique des protéines de membrane fluorescentes vertes (GFP) dans les astrocytes transfectés, y compris la connexine de protéine de jonction d’écart 43 (Cx43-GFP) et l’acide aminé excitateur transporteur 1 (EAAT1-GFP). Nous décrivons également l’utilisation d’une sonde acidotrope fluorescente pour visualiser les organites acides et suivre leur dynamique de trafic dans les astrocytes vivants. Enfin, nous démontrons comment analyser les données time-lapse pour extraire et évaluer les paramètres de transport des cargaisons individuelles.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ici, nous décrivons une approche expérimentale pour exprimer, visualiser, et suivre les organites fluorescents marqués et les protéines de membrane d’intérêt utilisant la microscopie vidéo time-lapse dans les astrocytes corticales corticaux primaires de souris de haute pureté de MD. Nous énoncions également une méthodologie de mesure de la dynamique des particules. La visualisation directe de la dynamique des protéines et des organites dans les astrocytes primaires fournit un outil puissant pour étudier la r…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
DNL a été soutenu par l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill (UNC) School of Medicine en tant que boursier Simmons. TWR a reçu le soutien de la subvention PREP R25 GM089569 de l’UNC. Les travaux utilisant le Centre de microscopie de l’UNC Microscopy Core Facility ont été soutenus, en partie, par le financement de la subvention de soutien du NIH-NINDS Neuroscience Center P30 NS045892 et du NIH-NICHD Intellectual and Developmental Disabilities Center Support Grant U54 HD079124.
Materials
| 2.5% Trypsin (10x) | Gibco | 15090-046 | |
| Benchtop Centrifuge | Thermo Scientific | 75-203-637 | Sorvall ST8 Centrifuge |
| Cell Culture Grade Water | Gen Clone | 25-511 | |
| Cell Culture Microscope | Zeiss | WSN-AXIOVERT A1 | Vert.A1 inverted scope, Inverted tissue culture microscope with fluorescent capabilities |
| Cytosine Arabinoside | Sigma | C1768-100MG | (AraC) Dissolve lyophilized powder in sterile cell culture grade water to make a 10mM stock, aliquot and freeze for long term storage |
| DAPI | Sigma | D9542-5MG | Dissolve lyophilized powder in deionized water to a maximum concentration of 20 mg/ml, heat or sonicate as necessary. Use at 300 nM for counterstaining. |
| Dissecting Microscope | Zeiss | Stemi 305 | |
| Dissecting Scissors | F.S.T | 14558-09 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gen Clone | 25-500 | |
| Fetal Bovine Serum | Gemini | 100-106 | Heat-Inactivated |
| FIJI (Fiji is Just Image J) | NIH | Version 1.52i | |
| Fine Tip Tweezers | F.S.T | 11254-20 | Style #5 |
| Fluorescence light source | Excelitas | 012-63000 | X-Cite 120Q |
| GFAP antibody | Cell Signaling | 3670S | GFAP (GA5) mouse monoclonal antibody |
| Glass Bottom Dishes | Mattek corporation | P35G-1.5-14-C | 35 mm Dish | No. 1.5 Coverslip | 14 mm Glass Diameter | Uncoated |
| Graefe Forceps | F.S.T | 11054-10 | Graefe Iris Forceps with curved tips |
| Green fluorescent dye that stains acidic compartments (late endosomes and lysosomes) | Life Technologies | L7526 | LysoTracker Green DND 26. Pre-dissolved in DMSOS to a 1mM stock solution. Dilute to the final working concentration in the growth medium or buffer of choice. |
| Hank's Balanced Salt Solution (10x) | Gibco | 14065-056 | Magnesium and calcium free |
| Imaging Media | Life Technologies | A14291DJ | Live Cell Imaging Solution |
| Inverted Confocal Microscope | Zeiss | LSM 780 | |
| KymoToolBox | https://github.com/fabricecordelieres/IJ_KymoToolBox | ||
| Lipofection Enhancer Reagent | Life Technologies | 11514015 | Plus Reagent |
| Lipofection Reagent | Life Technologies | 15338100 | Lipofectamine LTX reagent |
| Orbital shaking incubator | New Brunswick Scientific | 8261-30-1008 | Innova 4230 , orbital shaking incubator with temperature and speed control |
| Penicillin/Strepomycin solution (100x) | Gen Clone | 25-512 | |
| Phosphate Buffered Saline (10x) | Gen Clone | 25-507x | |
| Poly-D-Lysine Hydrobromide | Sigma | P7405 | Dissolve in Tris buffer, pH 8.5, at 1mg/mL. Freeze for long term storage. Avoid cycles of freezing and thawing |
| Reduced serum medium | Gibco | 31985-062 | OPTI-MEM |
| Tissue Culture Flasks | Olympus Plastics | 25-209 | 75 cm^2. 100% angled neck access, 0.22um hydrophobic vented filter cap |
| Tissue culture incubator | Thermo Scientific | 51030285 | HERAcell VIOS 160i, tissue culture incubator with temperature, humidity, and CO2 control |
| Tris-Base | Sigma | T1503 | 8.402 g dissolved to one liter in water with 4.829 g Tris HCl to make 0.1 M Tris buffer, pH 8.5 |
| Tris-HCl | Sigma | T3253 | 4.829 g dissolved to one liter in water with 8.402 g Tris Base to make 0.1 M Tris buffer, pH 8.5 |
| Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | Gibco | 25200072 | |
| Vacuum-Driven Filter Systems | Olympus Plastics | 25-227 | 500 ml, PES membrane, 0.22 µm |
| Vannas scissors straight | Roboz | RS-5620 |
Referências
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