Op immunostaining gebaseerde detectie van dynamische veranderingen in rode bloedceleiwitten
Summary
Het vastleggen van dynamische veranderingen in de eiwitactivering van geënucleeerde rode bloedcellen brengt methodologische uitdagingen met zich mee, zoals het behoud van dynamische veranderingen in acute stimuli voor latere beoordeling. Het gepresenteerde protocol beschrijft monstervoorbereidings- en kleuringstechnieken die het behoud en de analyse van relevante eiwitveranderingen en daaropvolgende detectie mogelijk maken.
Abstract
Antilichaamlabeling van rode bloedcellen (RBC) -eiwitten is een veelgebruikte, semi-kwantitatieve methode om veranderingen in het totale eiwitgehalte of acute veranderingen in eiwitactiveringstoestanden te detecteren. Het vergemakkelijkt de beoordeling van RBC-behandelingen, karakterisering van verschillen in bepaalde ziektetoestanden en beschrijving van cellulaire coherenties. De detectie van acuut veranderde eiwitactivering (bijvoorbeeld door mechanotransductie) vereist een adequate monstervoorbereiding om anders tijdelijke eiwitmodificaties te behouden. Het basisprincipe omvat het immobiliseren van de doelbindingsplaatsen van de gewenste RBC-eiwitten om de initiële binding van specifieke primaire antilichamen mogelijk te maken. Het monster wordt verder verwerkt om optimale omstandigheden te garanderen voor de binding van het secundaire antilichaam aan het overeenkomstige primaire antilichaam. De selectie van niet-fluorescerende secundaire antilichamen vereist aanvullende behandeling, waaronder biotine-avidinekoppeling en de toepassing van 3,3-diaminobenzidine-tetrahydrochloride (DAB) om de kleuring te ontwikkelen, die in realtime onder een microscoop moet worden gecontroleerd om de oxidatie, en dus de kleuringsintensiteit, op tijd te stoppen. Voor de detectie van de kleurintensiteit worden beelden gemaakt met een standaard lichtmicroscoop. Bij een wijziging van dit protocol kan in plaats daarvan een fluoresceïne-geconjugeerd secundair antilichaam worden toegepast, wat het voordeel heeft dat er geen verdere ontwikkelingsstap nodig is. Deze procedure vereist echter een fluorescentieobjectief dat aan een microscoop is bevestigd voor kleuringsdetectie. Gezien de semi-kwantitatieve aard van deze methoden, is het noodzakelijk om verschillende controlevlekken te verstrekken om rekening te houden met niet-specifieke antilichaamreacties en achtergrondsignalen. Hier presenteren we zowel kleuringsprotocollen als de bijbehorende analytische processen om de respectieve resultaten en voordelen van de verschillende kleuringstechnieken te vergelijken en te bespreken.
Introduction
Rode bloedcellen (RBC’s) doorkruisen het cardiovasculaire systeem gedurende 70 tot 140 dagen, met een gemiddelde RBC-leeftijd van ongeveer 115 dagen 1,2. Senescente of beschadigde RBC’s worden uit de circulatie verwijderd door erytrofagocytose, een efficiënt zuiveringsproces aangedreven door macrofagen3. De vooraf bepaalde levensduur van deze cellen is een gevolg van het opgeven van de celorganellen, inclusief de kern, mitochondriën en ribosomen, tijdens differentiatie en rijping4. Circulerende RBC’s zijn dus verstoken van een translationele machinerie, waardoor de synthese van nieuwe eiwittenwordt uitgesloten 3. Hieruit volgt dat dynamische, posttranslationele modificaties aan bestaande eiwitten het enige levensvatbare mechanisme vormen van acute, biochemische regulatie als reactie op extracellulaire en intracellulaire stressoren die inwerken op RBC’s5.
Mechanische krachten lijken de belangrijkste extracellulaire signalen te zijn die de activering of modulatie van biochemische routes binnen RBC’s veroorzaken. De ontdekking van het mechanosensitieve eiwit, Piezo1, in RBC-membranen6 inspireerde verschillende onderzoekslijnen naar mechanisch geactiveerde signalering in deze cellen7. Recente ontwikkelingen hebben bijvoorbeeld aangetoond dat de fysische eigenschappen van RBC’s actief worden gereguleerd door acute en dynamische veranderingen van eiwitten8, waaronder posttranslationele fosforylering en ubiquitinatie9. Aangezien deze normale modificaties verschillen in bepaalde ziekten 9,10,11, lijkt het van wetenschappelijk en klinisch belang om de activeringstoestand van RBC-eiwitten te bepalen, specifiek met betrekking tot mechanobiologische processen.
De bepaling van acute veranderingen in RBC-eiwitactiveringstoestanden brengt enkele methodologische uitdagingen met zich mee. De opslag van RBC-monsters voor latere analyse vereist bijvoorbeeld behoud van de gemodificeerde RBC-eiwitten, omdat posttranslationele modificaties niet duurzaam zijn. Bovendien zijn klassieke eiwitdetectiemethoden (bijv. Western blotting) notoir moeilijk te standaardiseren in RBC’s vanwege de lage overvloed aan eiwitten ten opzichte van hemoglobine, dat goed is voor ~ 98% van het eiwitgehalte in deze cellen12. Op antilichamen gebaseerde kleuring van chemisch geconserveerde RBC’s is dus de voorkeursmethode geweest bij het onderzoeken van acute modificaties van belangrijke RBC-eiwitten, zoals de RBC-specifieke isovorm van stikstofmonoxidesynthase (RBC-NOS)13,14. Van RBC-NOS is aangetoond dat het enzymatisch stikstofmonoxide (NO) produceert, wat onmisbaar lijkt voor essentiële RBC-eigenschappen, waaronder RBC-vervormbaarheid15,16,17. Posttranslationele modificaties van RBC-NOS reguleren de katalytische enzymactiviteit, waarbij fosforylering van het serine 1177-residu wordt beschreven om de enzymactiviteit te verhogen, terwijl fosforylering van de residuen serine 114 of threonine 495 in verband is gebracht met verminderde RBC-NOS-activiteit18,19.
Gezamenlijk dragen tijdelijke modificaties van RBC-eiwitten bij aan een belangrijke cellulaire functie en gestandaardiseerde protocollen die detectie van deze gemodificeerde eiwitten mogelijk maken, zijn van hoge waarde. Hier presenteren we twee verschillende protocollen die specifieke antilichamen gebruiken om de detectie van RBC-NOS-eiwitactivering te vergemakkelijken en bespreken we aanbevelingen voor gegevensanalyse en -interpretatie.
De prestaties van de beschreven protocollen werden beoordeeld door de goed gerapporteerde toename van de fosforylering van RBC-NOS bij het serine 1177-residu te meten als reactie op mechanische krachten die reflecteren op die welke optreden in de menselijke vasculatuur (5 Pa).
Protocol
Representative Results
Discussion
Recente literatuur suggereert sterk dat het RBC-NOS-eiwit van cruciaal belang is voor de regulatie van RBC-vervormbaarheid 15,22,23, wat op zijn beurt hun passage door smalle haarvaten vergemakkelijkt 24. De eiwitactiviteit is sterk afhankelijk van posttranslationele eiwitmodificaties, met name de fosforylering van bepaalde residuen18. De focus ligt op de fosforyleringsplaats 1177…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LK erkent de steun van een Australian Government Research Training Program Scholarship.
Materials
| 3,3′-Diaminobenzidin -tetrahydrochloride Hydrate | Sigma/Merck | D5637 | DAB |
| Ammoniumchloride | Merck /Millipore | 101145 | NH4Cl |
| Centrifuge 5427 R | Eppendorf | 5409000010 | |
| Coverslips | VWR | 631-0147 | |
| di-sodium Hydrogen Phosphate Dihydrate | Merck /Millipore | 106580 | Na2HPO4. 2 H2O |
| Disposable transfer pipettes | VWR | 612-6803 | |
| Entellan | Merck /Millipore | 107961 | rapid mounting medium for microscopy |
| Ethanol denaturated using 1 % methyl ethyl ketone (MEK) | Hofmann | 642 | |
| Glucose-Oxidase | Sigma/Merck | G2133 | |
| Grease pencil | Dako | S 2002 | |
| Horse-radish peroxidase/ExtrAvidin−Peroxidase | Sigma/Merck | E-2886 | HRP |
| Hydrochloric acid | Merck /Millipore | 109057 | HCl |
| Hydrogen peroxide, 30% | Merck /Millipore | 107203 | H2O2 |
| ImageJ Software | Freeware | ||
| Laser-assisted optical rotational cell analyser (LORCA) | RR Mechatronics | Ektacytometer instrument used for shearing | |
| Methanol | Merck /Millipore | 106009 | |
| Microscope slides | VWR | 630-1985 | |
| Nickel(II)-sulfate Hexahydrate | Sigma/Merck | N4882 | NiSO4.6H2O |
| Normal Goat serum | Agilent/DAKO | X0907 | NGS |
| Paraformaldehyde | Merck /Millipore | 818715 | PFA |
| Pipettes Eppendorf Reference 2 | VWR | 613-5836/ 613-5839 | |
| Rabbit Anti-phospho eNOS Antibody (Ser1177) | Merck/Millipore | 07-428-I | Primary Antibody |
| Reaction tubes, 2ml | Eppendorf | 30120094 | |
| Secondary Antibody goat anti rabbit | Agilent/DAKO | E0432 | Secondary Antibody |
| Skim milk powder | Bio-Rad | 170-6404 | |
| Sodium chloride | Merck /Millipore | 106404 | NaCl |
| Sodium Dihydrogen Phosphate Monohydrate | Merck /Millipore | 106346 | NaH2PO4.H2O |
| Sodium hydroxide, 1 M | Merck /Millipore | 150706 | NaOH |
| Tris(hydroxymethyl)-aminomethane | Merck /Millipore | 108382 | Tris |
| Trypsin | Sigma/Merck | T7409 | |
| Tween20 | Merck /Millipore | 822184 | |
| Whatman Glas microfiber filter, quality GF/F | Merck /Millipore | WHA1825047 | |
| Xylol | VWR Chemicals | 2,89,73,465 | |
| ß-D-Glucose monohydrate | Merck /Millipore | 14431-43-7 |
Referências
- Cohen, R. M., et al. Red cell life span heterogeneity in hematologically normal people is sufficient to alter HbA1c. Blood. 112 (10), 4284-4291 (2008).
- Mock, D. M., et al. Red blood cell (RBC) survival determined in humans using RBCs labeled at multiple biotin densities. Transfusion. 51 (5), 1047-1057 (2011).
- Thiagarajan, P., Parker, C. J., Prchal, J. T. How do red blood cells die?. Frontiers in Physiology. 12, 655393 (2021).
- Moras, M., Lefevre, S. D., Ostuni, M. A. From erythroblasts to mature red blood cells: organelle clearance in mammals. Frontiers in Physiology. 8, 1076 (2017).
- Pretini, V., et al. Red blood cells: chasing interactions. Frontiers in Physiology. 10, 945 (2019).
- Cahalan, S. M., et al. Piezo1 links mechanical forces to red blood cell volume. eLife. 4, e07370 (2015).
- Kuck, L., Peart, J. N., Simmonds, M. J. Piezo1 regulates shear-dependent nitric oxide production in human erythrocytes. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 323 (1), H24-H37 (2022).
- Kuck, L., Peart, J. N., Simmonds, M. J. Active modulation of human erythrocyte mechanics. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 319 (2), C250-C257 (2020).
- Strader, M. B., et al. Post-translational modification as a response to cellular stress induced by hemoglobin oxidation in sickle cell disease. Scientific Reports. 10 (1), 14218 (2020).
- Pecankova, K., Majek, P., Cermak, J., Dyr, J. E. Posttranslational modifications of red blood cell ghost proteins as "signatures" for distinguishing between low- and high-risk myelodysplastic syndrome patients. Turkish Journal of Haematology. 34 (1), 111-113 (2017).
- Grau, M., et al. High red blood cell nitric oxide synthase activation is not associated with improved vascular function and red blood cell deformability in sickle cell anaemia. British Journal of Haematology. 168 (5), 728-736 (2015).
- Sae-Lee, W., et al. The protein organization of a red blood cell. Cell Reports. 40 (3), 111103 (2022).
- Suhr, F., et al. Moderate exercise promotes human RBC-NOS activity, NO production and deformability through Akt kinase pathway. PLoS One. 7 (9), e45982 (2012).
- Kuck, L., Grau, M., Bloch, W., Simmonds, M. J. Shear stress ameliorates superoxide impairment to erythrocyte deformability with concurrent nitric oxide synthase activation. Frontiers in Physiology. 10, 36 (2019).
- Grau, M., et al. RBC-NOS-dependent S-nitrosylation of cytoskeletal proteins improves RBC deformability. PLoS One. 8 (2), e56759 (2013).
- Simmonds, M. J., Detterich, J. A., Connes, P. Nitric oxide, vasodilation and the red blood cell. Biorheology. 51 (2-3), 121-134 (2014).
- Bor-Kucukatay, M., Wenby, R. B., Meiselman, H. J., Baskurt, O. K. Effects of nitric oxide on red blood cell deformability. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 284 (5), H1577-H1584 (2003).
- Suhr, F., et al. Intensive exercise induces changes of endothelial nitric oxide synthase pattern in human erythrocytes. Nitric Oxide: Biology and Chemistry. 20 (2), 95-103 (2009).
- Grau, M., et al. Regulation of red blood cell deformability is independent of red blood cell-nitric oxide synthase under hypoxia. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 63 (3), 199-215 (2016).
- Grau, M., Kuck, L., Dietz, T., Bloch, W., Simmonds, M. J. Sub-fractions of red blood cells respond differently to shear exposure following superoxide treatment. Biologia. 10 (1), 47 (2021).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Ozüyaman, B., Grau, M., Kelm, M., Merx, M. W., Kleinbongard, P. RBC NOS: regulatory mechanisms and therapeutic aspects. Trends in Molecular Medicine. 14 (7), 314-322 (2008).
- Kleinbongard, P., et al. Red blood cells express a functional endothelial nitric oxide synthase. Blood. 107 (7), 2943-2951 (2006).
- McMahon, T. J. Red blood cell deformability, vasoactive mediators, and adhesion. Frontiers in Physiology. 10, 1417 (2019).
- Bizjak, D. A., Brinkmann, C., Bloch, W., Grau, M. Increase in red blood cell-nitric oxide synthase dependent nitric oxide production during red blood cell aging in health and disease: a study on age dependent changes of rheologic and enzymatic properties in red blood cells. PLoS One. 10 (4), 0125206 (2015).
- Di Pietro, N., et al. Nitric oxide synthetic pathway and cGMP levels are altered in red blood cells from end-stage renal disease patients. Molecular and Cellular Biochemistry. 417 (1-2), 155-167 (2016).
- Grau, M., et al. Even patients with mild COVID-19 symptoms after SARS-CoV-2 infection show prolonged altered red blood cell morphology and rheological parameters. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 26 (10), 3022-3030 (2022).
- Mozar, A., et al. Red blood cell nitric oxide synthase modulates red blood cell deformability in sickle cell anemia. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 64 (1), 47-53 (2016).
- Ulker, P., Gunduz, F., Meiselman, H. J., Baskurt, O. K. Nitric oxide generated by red blood cells following exposure to shear stress dilates isolated small mesenteric arteries under hypoxic conditions. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 54 (4), 357-369 (2013).
- Nader, E., et al. Hydroxyurea therapy modulates sickle cell anemia red blood cell physiology: Impact on RBC deformability, oxidative stress, nitrite levels and nitric oxide synthase signalling pathway. Nitric Oxide: Biology and Chemistry. 81, 28-35 (2018).
- Fischer, U. M., Schindler, R., Brixius, K., Mehlhorn, U., Bloch, W. Extracorporeal circulation activates endothelial nitric oxide synthase in erythrocytes. The Annals of Thoracic Surgery. 84 (6), 2000-2003 (2007).
- Horobin, J. T., Sabapathy, S., Kuck, L., Simmonds, M. J. Shear stress and RBC-NOS Serine1177 Phosphorylation in humans: a dose response. Life. 11 (1), 36 (2021).
- Kuck, L., Grau, M., Simmonds, M. J. Recovery time course of erythrocyte deformability following exposure to shear is dependent upon conditioning shear stress. Biorheology. 54 (5-6), 141-152 (2018).
- Grau, M., et al. Effect of acute exercise on RBC deformability and RBC nitric oxide synthase signalling pathway in young sickle cell anaemia patients. Scientific Reports. 9 (1), 11813 (2019).
- Feelisch, M. . Methods in Nitric Oxide Research. , (1998).
- Cortese-Krott, M. M., et al. Human red blood cells at work: identification and visualization of erythrocytic eNOS activity in health and disease. Blood>. 120 (20), 4229-4237 (2012).
