Visualización y análisis del transporte intracelular de organelos y otros Cargos en astrocitos
Summary
Aquí describimos un método in vitro de imágenes en vivo para visualizar el transporte intracelular de orgánulos y el tráfico de proteínas de membrana plasmática en astrocitos murinos. Este protocolo también presenta una metodología de análisis de imágenes para determinar los itinerarios de transporte de carga y la cinética.
Abstract
Los astrocitos se encuentran entre los tipos de células más abundantes en el cerebro adulto, donde desempeñan un papel clave en una multiplicidad de funciones. Como un jugador central en homeostasis cerebral, los astrocitos suministran a las neuronas metabolitos vitales y amortiguan el agua extracelular, los iones y el glutamato. Un componente integral de la sinapsis “tri-partito”, los astrocitos también son críticos en la formación, poda, mantenimiento y modulación de las sinapsis. Para permitir estas funciones altamente interactivas, los astrocitos se comunican entre sí y con otras células gliales, neuronas, la vasculatura cerebral y el entorno extracelular a través de una multitud de proteínas de membrana especializadas que incluyen moléculas de adhesión, aquaporinas, canales iónionales, transportadores de neurotransmisores y moléculas de unión de separación. Para apoyar este flujo dinámico, los astrocitos, como las neuronas, dependen del transporte intracelular estrechamente coordinado y eficiente. A diferencia de las neuronas, donde el tráfico intracelular se ha delineado ampliamente, el transporte basado en microtúbulos en astrocitos ha sido menos estudiado. No obstante, el tráfico exo y endocítico de proteínas de membrana celular y transporte intracelular de orgáyos organiza la biología normal de los astrocitos, y estos procesos a menudo se ven afectados por enfermedades o en respuesta a lesiones. Aquí presentamos un protocolo sencillo para el cultivo de astrocitos murinas de alta calidad, para etiquetar fluorescentemente proteínas astrocíticas y orgánulos de interés, y para registrar su dinámica de transporte intracelular utilizando microscopía confocal de lapso de tiempo. También demostramos cómo extraer y cuantificar los parámetros de transporte relevantes de las películas adquiridas utilizando plugins de software de análisis de imágenes disponibles (es decir, ImageJ/FIJI).
Introduction
Los astrocitos son las células más abundantes en el sistema nervioso central adulto, donde realizan funciones únicas de desarrollo y homeostáticos1. Los astrocitos modulan el desarrollo sináptico a través del contacto directo con terminales pre y postsinápticos como parte de la sinapsis tripartito, que contiene receptores de neurotransmisores, transportadores y moléculas de adhesión celular que facilitan la formación de sinapsis y comunicación neurona-astrocito2. Además, los astrocitos controlan activamente la transmisión sináptica y previenen la excitotoxicidad neuronal eliminando rápidamente los neurotransmisores excitatorios de la hendidura sináptica, los neurotransmisores de reciclaje, y participando en la poda sináptica3 , 4 , 5 , 6. Para permitir estas funciones altamente interactivas, los astrocitos se comunican entre sí, con otras células gliales, y con las neuronas a través de proteínas de membrana especializadas, incluyendo moléculas de adhesión celular, acuporinas, canales ióniales, transportadores de neurotransmisores, y moléculas de unión de brecha. Los astrocitos cambian activamente los niveles superficiales de estas proteínas en respuesta a las fluctuaciones en su entorno intra y extracelular7. Además, los cambios en los niveles y la distribución de las mitocondrias, las gotas lipídicas y los orgánulos dedegradadores y reciclados modulan el suministro de energía, la disponibilidad de metabolitos y los procesos de limpieza celular que son esenciales para la función astrocitos y Supervivencia.
Los cambios dinámicos en el tráfico y posicionamiento de proteínas de membrana y orgánulos en astrocitos seven facilitados por la función concertada de las proteínas motoras y adaptadores que promueven la motilidad de carga 8,9. Del mismo modo, los niveles superficiales de proteínas de membrana se modulan a través de eventos de internalización y reciclaje10. Estas cargas se transportan a través de una intrincada red de actina, microtúbulos y, posiblemente, filamentos intermediosdelas pistas 8. Los estudios basados en la tinción de inmunofluorescencia de la proteína de unión final 1 (EB1), que se acumula en los extremos del microtúbulo más, sugieren que en los haces de los astrocitos de microtúbulos irradian desde el perinúcleo y extienden su extremo más hacia el periferia11. Sin embargo, todavía falta un examen exhaustivo de la organización y polaridad de los microtúbulos y otros elementos citoesqueléticos mediante imágenes de células vivas. Mientras que muchos de los mecanismos subyacentes a la dinámica de los orgánulos y proteínas de membrana se han estudiado ampliamente en las neuronas y otros tipos de células, la motilidad de carga en los astrocitos es menos bien entendida. La mayor parte de nuestro conocimiento actual sobre los cambios en la distribución de proteínas y orgánulos en los astrocitos se basa en el etiquetado tradicional basado en anticuerpos de preparación fija, que impide el examen espacial y temporal preciso de la dinámica de carga7, 12.
Aquí, describimos un método para etiquetar proteínas de membrana y orgánulos para imágenes en vivo en cultivos primarios de astrocitos de ratón de alta pureza. Usando este protocolo, proporcionamos ejemplos en los que rastreamos la localización dinámica de proteínas de membrana etiquetadas con proteína fluorescente verde (GFP) en astrocitos transinfectados, incluyendo la proteína de unión gap connexin 43 (Cx43-GFP) y el aminoácido excitatorio transportador 1 (EAAT1-GFP). También describimos el uso de una sonda acidotrópica fluorescente para visualizar orgánulos ácidos y seguir su dinámica de tráfico en astrocitos vivos. Por último, demostramos cómo analizar los datos de lapso de tiempo para extraer y evaluar los parámetros de transporte para cargas individuales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aquí, describimos un enfoque experimental para expresar, visualizar y rastrear orgánulos y proteínas de membrana etiquetados fluorescentemente de interés utilizando microscopía de vídeo de lapso de tiempo en astrocitos corticales MD de ratón primariode mayor pureza. También delineamos una metodología para medir la dinámica de partículas. La visualización directa de la dinámica de proteínas y orgáulos en astrocitos primarios proporciona una poderosa herramienta para estudiar la regulación del transporte in…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
DNL fue apoyado por la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill (UNC) School of Medicine como becario Simmons. TWR fue apoyado por UNC PREP Grant R25 GM089569. El trabajo que utilizaba el Fondo de Microscopía del Centro de Neurociencia de la UNC fue apoyado, en parte, mediante la financiación del NIH-NINDS Neuroscience Center Support Grant P30 NS045892 y la NiH-NICHD Intellectual and Developmental Disabilities Research Center 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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