Summary

Tæthedsgradient ultracentrifugering til undersøgelse af endoytisk genanvendelse i pattedyrceller

Published: June 30, 2021
doi:

Summary

Dette papir har til formål at præsentere en protokol til forberedelse af genanvendelse endosomes fra pattedyr celler ved hjælp af saccharosetæthed gradient ultracentrifugering.

Abstract

Endosomal handel er en vigtig cellulær proces, der regulerer en bred vifte af biologiske begivenheder. Proteiner internaliseres fra plasmamembranen og transporteres derefter til de tidlige endoomer. De internaliserede proteiner kan overføres til lysosomet til nedbrydning eller genbruges tilbage til plasmamembranen. En robust endoytisk genbrugsvej er nødvendig for at afbalancere fjernelsen af membranmaterialer fra endokytose. Forskellige proteiner rapporteres at regulere vejen, herunder ADP-ribosylation faktor 6 (ARF6). Tæthedsgradient ultracentrifugering er en klassisk metode til cellefraktionering. Efter centrifugeringen er organeller sedimenteret på deres isopykiske overflade. Brøkene indsamles og bruges til andre downstream-applikationer. Beskrevet her er en protokol for at opnå en genanvendelse endosome-holdige fraktion fra transfected pattedyr celler ved hjælp af tæthed gradient ultracentrifugering. De isolerede fraktioner blev udsat for standard vestlige blotting for at analysere deres proteinindhold. Ved at anvende denne metode, identificerede vi, at plasmamembran målretning af opslugt og celle motilitet 1 (ELMO1), en Ras-relaterede C3 botulinum toksin substrat 1 (Rac1) guanine nukleotid udveksling faktor, er gennem ARF6-medieret endokritisk genanvendelse.

Introduction

Endosomal handel er en vigtig fysiologisk proces, der implicerer forskellige biologiske hændelser1, for eksempel transport af signalering receptorer, ion kanaler, og vedhæftning molekyler. Proteiner lokaliseret på plasmamembranen internaliseres ved endokytose2. De internaliserede proteiner sorteres derefter efter den tidlige endosome3. Nogle af proteinerne er målrettet mod lysosomer til nedbrydning4. Men en betydelig mængde proteiner genbruges tilbage til celleoverfladen ved hurtig genanvendelse og langsomme genanvendelsesprocesser. Ved hurtig genanvendelse forlader proteiner de tidlige endoomer og vender direkte tilbage til plasmamembranen. Omvendt sorteres proteiner først i langsom genanvendelse til det endoytiske genbrugsrum og transporteres derefter tilbage til plasmamembranen. Forskellige lastproteiner, for eksempel clathrin, retromer kompleks, retriever kompleks og Wiskott-Aldrich syndrom protein, og SCAR Homologue (WASH) kompleks, deltage i sådanne membran genanvendelse processer4,5,6,7,8,9. Balancen i endokytose og genanvendelse begivenhed er afgørende for celle overlevelse og bidrager til forskellige cellulære begivenheder10, for eksempel, celle vedhæftning, celle migration, celle polaritet, og signal transduktion.

ARF6, en lille GTPase, er en rapporteret regulator for endokritisk handel7,11,12. Af interesse har forskellige forskergrupper illustreret betydningen af ARF6 i endokritisk genanvendelse13,14,15,16,17. Undersøgelsen har til formål at undersøge forholdet mellem ARF6-medieret neurit udvækst og endokritisk genanvendelse. Den tidligere rapport tyder på, at aktiveringen af ARF6 er opstrøms til Rac1 aktivitet ved at handle på ELMO1-dedicator af cytokinesis 1 (DOCK180) kompleks18. Det er dog fortsat uklart, hvordan ARF6 udløser ELMO1-DOCK180-medieret Rac1-signalering. Density gradient ultracentrifugering blev anvendt til at undersøge den rolle, ARF6-medieret endokritisk genanvendelse i en sådan proces. Ved at bruge dette blev genanvendelses-endosome-holdige fraktion opnået fra cellelytter19. Fraktionen blev udsat for vestlig blotting for proteinindhold analyse. Immunoblot-resultaterne viste, at under tilstedeværelse af FE65, et hjerneberiget adapterprotein, øgede aktiv ARF6 betydeligt elmo1-niveauet i genanvendelses-endosomeholdig fraktion. Følgende protokol omfatter procedurerne for (1) transfecting pattedyrceller; 2) udarbejdelse af prøverne og densitetsgradientkolonnerne og (3) opnåelse af den genanvendelses-endosomeholdige fraktion.

Protocol

1. Pattedyrs cellekultur og transfekt Plade 2 x 106 celler i en 100 mm kulturret. Brug fire retter til hver transfekt.BEMÆRK: Antallet af celler, der kræves, kan variere for forskellige cellelinjer. Optimering kan være nødvendig, før du går videre til isolationstrinnet. Den næste dag, transfect cellerne med Lipofectamin i henhold til producentens anvisninger. 2. Cellehøst Kassér kulturmediet 48 timer efter transfection. Cell…

Representative Results

Efter at have fraktioneret de uoversendte HEK293-celler ved densitetsgradient ultracentrifugering blev der indsamlet 12 fraktioner startende fra toppen af gradienten. De høstede fraktioner blev fortyndet med fortyndingsbufferen i et 1:1-forhold og udsat for en anden centrifugeringsrunde. Prøverne blev derefter udsat for vestlige blotting for at analysere deres proteinindhold. Som vist i figur 1registreres genbrugsmarkøren Rab11 i fraktion 720. Andre subcellulære m…

Discussion

Ovenstående protokol skitserer procedurerne for isolering af genanvendelsesenomer fra dyrkede celler ved ultracentrifugering. Pålideligheden af denne metode er blevet påvist ved den seneste publikation22, der beviser, at genanvendelse endosomes er med succes isoleret fra andre organeller (figur 1), såsom Golgi apparatet og mitokondrier. Nogle kritiske skridt skal være opmærksomme på for at opnå et godt adskillelsesresultat. Under tilberedningen af saccharoseop…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af midler fra Research Grants Council Hong Kong, CUHK direkte tilskudsordning, United College begavelse fond, og TUYF Charitable Trust. Tallene i dette arbejde er tilpasset fra vores tidligere publikation, “ARF6-Rac1 signalmedieret neurit udvækst er potentiated af neuronal adapter FE65 gennem orkestrering ARF6 og ELMO1” offentliggjort i FASEB Journal i oktober 2020.

Materials

1 mL, Open-Top Thickwall Polypropylene Tube, 11 x 34 mm Beckman Coulter 347287
100 mm tissue culture dish SPL 20100
13.2 mL, Certified Free Open-Top Thinwall Ultra-Clear Tube, 14 x 89 mm Beckman Coulter C14277
5x Sample Buffer GenScript MB01015
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail Roche 11873580001
COX IV (3E11) Rabbit mAb Cell Signaling Technology 4850S Rabbit monoclonal antibody for detecting COX IV.
Cycloheximide Sigma-Aldrich C1988
Dounce Tissue Grinder, 7 mL DWK Life Sciences 357542
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) with low glucose HyClone SH30021.01
ELMO1 antibody (B-7) Santa Cruz Biotechnology SC-271519 Mouse monoclonal antibody for detecting ELMO1.
EndoFree Plasmid Maxi Kit QIAGEN 12362
FE65 antibody (E-20) Santa Cruz Biotechnology SC-19751 Goat polyclonal antibody for detecting FE65.
Fetal Bovine Serum, Research Grade HyClone SV30160.03
GAPDH Monoclonal Antibody (6C5) Ambion AM4300 Mouse monoclonal antibody for detecting GAPDH.
ImageLab Software Bio-Rad Measurement of band intensity
Imidazole Sigma-Aldrich I2399
Lipofectamine 2000 Transfection Reagent Invitrogen 11668019
Monoclonal Anti-β-COP antibody Sigma G6160 Mouse monoclonal antibody for detecting β-COP.
Myc-tag (9B11) mouse mAb Cell Signaling Technology 2276S Mouse monoclonal antibody for detecting myc tagged proteins.
OmniPur EDTA, Disodium Salt, Dihydrate Calbiochem 4010-OP
Optima L-100 XP Beckman Coulter 392050
Optima MAX-TL Beckman Coulter A95761
Opti-MEM I Reduced Serum Media Gibco 31985070
PBS Tablets Gibco 18912014
PhosSTOP Roche 4906845001
RAB11A-Specific Polyclonal antibody Proteintech 20229-1-AP Rabbit polyclonal antibody for detecting Rab11.
Sucrose Affymetrix AAJ21931A4
SW 41 Ti Swinging-Bucket Rotor Beckman Coulter 331362
TLA-120.2 Fixed-Angle Rotor Beckman Coulter 362046
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red Gibco 25300062

Referências

  1. Elkin, S. R., Lakoduk, A. M., Schmid, S. L. Endocytic pathways and endosomal trafficking: a primer. Wiener Medizinische Wochenschrift. 166 (7-8), 196-204 (2016).
  2. Kumari, S., Mg, S., Mayor, S. Endocytosis unplugged: multiple ways to enter the cell. Cell Research. 20 (3), 256-275 (2010).
  3. Naslavsky, N., Caplan, S. The enigmatic endosome – sorting the ins and outs of endocytic trafficking. Journal of Cell Science. 131 (13), (2018).
  4. Cullen, P. J., Steinberg, F. To degrade or not to degrade: mechanisms and significance of endocytic recycling. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 19, 679-696 (2018).
  5. Weeratunga, S., Paul, B., Collins, B. M. Recognising the signals for endosomal trafficking. Current Opinion in Cell Biology. 65, 17-27 (2020).
  6. Khan, I., Steeg, P. S. Endocytosis: a pivotal pathway for regulating metastasis. British Journal of Cancer. 124 (1), 66-75 (2021).
  7. Grant, B. D., Donaldson, J. G. Pathways and mechanisms of endocytic recycling. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 10 (9), 597-608 (2009).
  8. Maxfield, F. R., McGraw, T. E. Endocytic recycling. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 5 (2), 121-132 (2004).
  9. McDonald, F. J. Explosion in the complexity of membrane protein recycling. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 320 (4), 483-494 (2021).
  10. O’Sullivan, M. J., Lindsay, A. J. The Endosomal Recycling pathway-at the crossroads of the cell. International Journal of Molecular Sciences. 21 (17), 6074 (2020).
  11. D’Souza-Schorey, C., Li, G., Colombo, M. I., Stahl, P. D. A regulatory role for ARF6 in receptor-mediated endocytosis. Science. 267 (5201), 1175-1178 (1995).
  12. Schweitzer, J. K., Sedgwick, A. E., D’Souza-Schorey, C. ARF6-mediated endocytic recycling impacts cell movement, cell division and lipid homeostasis. Seminars in Cell and Developmental Biology. 22 (1), 39-47 (2011).
  13. Finicle, B. T., et al. Sphingolipids inhibit endosomal recycling of nutrient transporters by inactivating ARF6. Journal of Cell Science. 131 (12), (2018).
  14. Lu, H., et al. APE1 upregulates MMP-14 via redox-sensitive ARF6-mediated recycling to promote cell invasion of esophageal adenocarcinoma. Pesquisa do Câncer. 79 (17), 4426-4438 (2019).
  15. Qi, S., et al. Arf6-driven endocytic recycling of CD147 determines HCC malignant phenotypes. Journal of Experimental and Clinical Cancer Research. 38 (1), 471 (2019).
  16. Crupi, M. J. F., et al. GGA3-mediated recycling of the RET receptor tyrosine kinase contributes to cell migration and invasion. Oncogene. 39 (6), 1361-1377 (2020).
  17. Gamara, J., et al. Assessment of Arf6 deletion in PLB-985 differentiated in neutrophil-like cells and in mouse neutrophils: impact on adhesion and migration. Mediators of Inflammation. 2020, 2713074 (2020).
  18. Santy, L. C., Ravichandran, K. S., Casanova, J. E. The DOCK180/Elmo complex couples ARNO-mediated Arf6 activation to the downstream activation of Rac1. Current Biology. 15 (19), 1749-1754 (2005).
  19. Wibo, M., Dumont, J. E., Brown, B. L., Marshall, N. J. Cell fractionation by centrifugation methods. Eukaryotic Cell Function and Growth: Regulation by Intracellular Cyclic Nucleotides. , 1-17 (1976).
  20. Kelly, E. E., Horgan, C. P., McCaffrey, M. W. Rab11 proteins in health and disease. Biochemical Society Transactions. 40 (6), 1360-1367 (2012).
  21. Li, W., et al. Neuronal adaptor FE65 stimulates Rac1-mediated neurite outgrowth by recruiting and activating ELMO1. The Journal of Biological Chemistry. 293 (20), 7674-7688 (2018).
  22. Chan, W. W. R., Li, W., Chang, R. C. C., Lau, K. F. ARF6-Rac1 signaling-mediated neurite outgrowth is potentiated by the neuronal adaptor FE65 through orchestrating ARF6 and ELMO1. FASEB Journal: Official Publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 34 (12), 16397-16413 (2020).
  23. Huber, L. A., Pfaller, K., Vietor, I. Organelle proteomics: implications for subcellular fractionation in proteomics. Circulation Research. 92 (9), 962-968 (2003).
  24. Fleischer, S., Kervina, M. Subcellular fractionation of rat liver. Methods in Enzymology. 31, 6-41 (1974).
  25. Marsh, M. Endosome and lysosome purification by free-flow electrophoresis. Methods in Cell Biology. 31, 319-334 (1989).
  26. Stasyk, T., Huber, L. A. Zooming in: fractionation strategies in proteomics. Proteomics. 4 (12), 3704-3716 (2004).
  27. Iordachescu, A., Hulley, P., Grover, L. M. A novel method for the collection of nanoscopic vesicles from an organotypic culture model. RSC Advances. 8 (14), 7622-7632 (2018).
  28. Chavrier, P., vander Sluijs, P., Mishal, Z., Nagelkerken, B., Gorvel, J. P. Early endosome membrane dynamics characterized by flow cytometry. Cytometry. 29 (1), 41-49 (1997).
  29. Chasan, A. I., Beyer, M., Kurts, C., Burgdorf, S. Isolation of a specialized, antigen-loaded early endosomal subpopulation by flow cytometry. Methods in Molecular Biology. 960, 379-388 (2013).
  30. Thapa, N., et al. Phosphatidylinositol-3-OH kinase signaling is spatially organized at endosomal compartments by microtubule-associated protein 4. Nature Cell Biology. 22 (11), 1357-1370 (2020).
  31. Guimaraes de Araujo, M. E., Fialka, I., Huber, L. A. . Endocytic Organelles: Methods For Preparation And Analysis. In eLS. , (2001).
  32. Rickwood, D., Graham, J. . Centrifugation Techniques. , (2015).
  33. Lamberti, G., de Araujo, M. E., Huber, L. A. Isolation of macrophage early and late endosomes by latex bead internalization and density gradient centrifugation. Cold Spring Harbor Protocols. 2015 (12), (2015).
  34. Urbanska, A., Sadowski, L., Kalaidzidis, Y., Miaczynska, M. Biochemical characterization of APPL endosomes: the role of annexin A2 in APPL membrane recruitment. Traffic. 12 (9), 1227-1241 (2011).

Play Video

Citar este artigo
Chan, W. W. R., Zhai, Y. Q., Lau, K. Density Gradient Ultracentrifugation for Investigating Endocytic Recycling in Mammalian Cells. J. Vis. Exp. (172), e62621, doi:10.3791/62621 (2021).

View Video