Summary

Påvisning af ligand-aktiverede G-protein-koblede receptorer Internalisering af konfokal mikroskopi

Published: April 09, 2017
doi:

Summary

Denne protokol beskriver konfokal mikroskopi påvisning af G-protein-koblet receptor (GPCR) internalisering i pattedyrceller. Det omfatter grundlæggende cellekultur, transfektion, og konfokal mikroskopi procedure og tilvejebringer en effektiv og let fortolkelige metode til at påvise den subcellulære lokalisering og internalisering af fusion-udtrykte GPCR.

Abstract

Confocal laser scanning microscopy (CLSM) is an optical imaging technique for high-contrast imaging. It is a powerful approach to visualize fluorescent fusion proteins, such as green fluorescent protein (GFP), to determine their expression, localization, and function. The subcellular localization of target proteins is important for identification, characterization, and functional analyses. Internalization is one of the predominant mechanisms controlling G protein-coupled receptor (GPCR) signaling to ensure the appropriate cellular responses to stimuli. Here, we describe an experimental method to detect the subcellular localization and internalization of GPCR in HEK293 cells with confocal microscopy. In addition, this experiment provides some details about cell culture and transfection. This protocol is compatible with a variety of widely available fluorescent markers and is applicable to the visualization of the subcellular localization of a majority of proteins, as well as of the internalization of GPCR. This technique should enable researchers to efficiently manipulate GPCR gene expression in mammalian cell lines and should facilitate studies on GPCR subcellular localization and internalization.

Introduction

Celler besidder fragt handel maskiner til at transportere ekstracellulære materialer-såsom ligander, mikroorganismer, næringsstoffer og transmembrane proteiner-ind i cellen for at få information, energi og andre formål 1, 2. Det er afgørende for cellulær homeostase, væv funktion, og den samlede celle overlevelse. Det cellebaserede ekspression af fluorescerende fusionsproteiner er en kraftfuld måde at studere lokaliseringen og internalisering af transmembrane receptorer, såsom G-proteinkoblede receptorer (GPCR), i signalveje 3.

Ekspressionen af fusionsproteiner mærket med grønt fluorescerende protein (GFP) fra goplen Aequorea victoria, kombineret med direkte fluorescens-detektionsteknikker, har vundet bred accept i protein-targeting forskning 4, 5, 6. GFP-baserede detectipå har den fordel, at den tidstro billeddannelse af levende celler samtidig undgå fikseringen artefakter 7. En række alsidige kloningsvektorer er blevet konstrueret til at lette ekspressionen af proteinfusioner til GFP i forskellige celler 8, 9. PEGFP-N1 vektor er en udbredt og kommercialiseret plasmidvektor der koder for et forstærket grønt fluorescerende protein (EGFP), der er optimeret fra vildtype GFP for lysere fluorescens og højere ekspression i mammale celler. At observere det fluorescerende signal af EGFP udtrykkes i pattedyrceller, bør fluorescensmikroskopi udføres med excitation ved 488 nm og emission ved 507 nm, fortrinsvis med konfokal mikroskopi.

Overvågning af subcellulære lokalisering og ligand-medieret internalisering af receptorer er en almindelig teknik til at undersøge signaltransduktion og funktion af GPCR'er 10 </sop>, 11. I de fleste tilfælde, internalisering fører til desensibilisering af GPCR'er (dæmpningen af stimulus respons på trods af tilstedeværelsen af agonister) 12, 13. De internaliserede receptorer kan inkorporeres i lysosomet og nedbrydes, eller de kan recirkuleres tilbage til celleoverfladen, afhængigt af arten af ​​receptorerne og cellelinierne anvendt i forsøgene.

De gonadotropin-frigivende hormon-receptorer (GnRHR) tilhører GPCR-familien og har en typisk GPCR proteinstruktur, med et ekstracellulært aminoterminalt, et intracellulært -COOH terminal, og syv transmembrane (TM) domænerne 14. Transfektion af rekombinant plasmid Sj GnRH-R-EGFP (med GnRH-R-genet fra Sepiella japonica) og konfokal mikroskopi detektion af EGFP-mærkede Sj GnRH-R (udtrykt i HEK293-celler) blev rapporteret previously, og GFP-fluorescens blev etableret som en reporter for transmembran proteinlokalisering assays 15. Nu, internalisering af Sj GnRH-R, aktiveret af S. japonica gonadotropin-frigørende hormon (Sj GnRH), blev demonstreret i tids- og dosisafhængige måder ved konfokal mikroskopi.

Protocol

1. Cellefremstilling Cell opsving Overfør kryokonserverede humane embryonale nyre 293 (HEK293) celler fra en flydende nitrogen beholder til et 37 ° C vandbad og ryst kontinuerligt til 1 – 2 min. Tilføje 10 ml ækvilibreret vækstmedium (Dulbeccos modificerede Eagles medium (DMEM), 10% føtalt bovint serum (FBS) og 1% penicillin-streptomycin-opløsning) til en 10 cm celledyrkningsskål. Forsigtigt tilføje de optøede celler til den ækvilibrerede vækstmedium. …

Representative Results

Figur 1 viser et eksempel på et konfokalt mikroskop system. Figur 2 viser ekspressionen af pEGFP-N1 i HEK293-celler. GFP signal blev påvist i cytoplasmaet og kernen. Figur 3 viser den subcellulære lokalisering af GnRH-R fra S. japonica i HEK293-celler, i overensstemmelse med vores tidligere offentliggjorte resultater 15. Fusionsproteinet med EGFP-tag ved C-terminalen af Sj GnRH-R (Sj …

Discussion

Protokollen præsenteres her tilvejebringer en effektiv og let fortolkelige metode til at påvise den subcellulære lokalisering og internalisering af udtrykt GPCR fusionsprotein i HEK293-celler. Teknikken kan let tilpasses til mange forskellige gener og celletyper, såsom til den cellulære lokalisering og internalisering af corazonin receptoren fra Bombyx mori i HEK293 og BMN celler 16.

Den vellykkede anvendelse af denne kraftfulde analyse bygger på et par…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors of this paper would like to thank Prof. Jiayan Xie for technical assistance and equipment usage. This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (41406137).

Materials

HEK293 cell line 
DMEM/High glucose Hyclone SH30022.01 High glucose 4.0 mM L-glutamine
Foetal Bovine Serum (FBS) PuFei 1101-100
Phosphate Buffered Saline (PBS) Genom GNM10010
Penicillin-Streptomycin Genom GNM15140
0.25% Trypsin & 0.02% EDTA Genom GNM25200
Opti-MEM (1X) GIBCO, by Life Technologies 31985-062 reduced serum media
Lipofectamine 2000 Transfection Reagent Invitrogen 11668027 Reagent 1
X-tremeGENE HP DNA Transfection Reagent Roche 6366236001 Reagent 2
DAPI Staining Solution Beyotime C1006
DiI Beyotime C1036
Antifade Mounting Medium Beyotime P0126
Paraformaldehyde Sinopharm Chemical Reagent Co.(SCRC) 80096618
100 mm cell culture CORNING 430167
6-well plate  ExCell Bio CS016-0092
12-well plate  ExCell Bio CS016-0093
Cover Glass NEST 801007
Microscope Slides Citoglas 10127105P-G
Thermo Scientific Forma CO2 Incubator Thermo 3111
TCS SP5II laser scanning confocal microscope Leica  5100001311

References

  1. Mellman, I. Endocytosis and molecular sorting. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 12, 575-625 (1996).
  2. Hausott, B., Klimaschewski, L. Membrane turnover and receptor trafficking in regenerating axons. Eur J Neuro. 43, 309-317 (2016).
  3. Kallal, L., Benovic, J. L. Using green fluorescent proteins to study G-protein-coupled receptor localization and trafficking. Trends Pharmacol Sci. 21, 175-180 (2000).
  4. Prasher, D. C., Eckenrode, V. K., Ward, W. W., Prendergast, F. G., Cormier, M. J. Primary structure of the Aequorea victoria green-fluorescent protein. Gene. 111, 229-233 (1992).
  5. Spector, D. L., Goldman, R. D. Constructing and Expressing GFP Fusion Proteins. CSH protocols. 2006, (2006).
  6. Drew, D. E., von Heijne, G., Nordlund, P., de Gier, J. W. Green fluorescent protein as an indicator to monitor membrane protein overexpression in Escherichia coli. FEBS Lett. 507, 220-224 (2001).
  7. von Arnim, A. G., Deng, X. W., Stacey, M. G. Cloning vectors for the expression of green fluorescent protein fusion proteins in transgenic plants. Gene. 221, 35-43 (1998).
  8. Webb, C. D., Decatur, A., Teleman, A., Losick, R. Use of green fluorescent protein for visualization of cell-specific gene expression and subcellular protein localization during sporulation in Bacillus subtilis. J Bacteriol. 177, 5906-5911 (1995).
  9. Kain, S. R., et al. Green fluorescent protein as a reporter of gene expression and protein localization. BioTechniques. 19, 650-655 (1995).
  10. Fukunaga, S., Setoguchi, S., Hirasawa, A., Tsujimoto, G. Monitoring ligand-mediated internalization of G protein-coupled receptor as a novel pharmacological approach. Life Sci. 80, 17-23 (2006).
  11. Yang, J., et al. Agonist-Activated Bombyx Corazonin Receptor Is Internalized via an Arrestin-Dependent and Clathrin-Independent Pathway. Biochemistry. 55, 3874-3887 (2016).
  12. Kohout, T. A., Lefkowitz, R. J. Regulation of G protein-coupled receptor kinases and arrestins during receptor desensitization. Mol Pharmacol. 63, 9-18 (2003).
  13. Ferguson, S. S., et al. Role of beta-arrestin in mediating agonist-promoted G protein-coupled receptor internalization. Science. 271, 363-366 (1996).
  14. Stojilkovic, S. S., Reinhart, J., Catt, K. J. Gonadotropin-releasing hormone receptors: structure and signal transduction pathways. Endocr Rev. 15, 462-499 (1994).
  15. Yan, Y. J., et al. Identification and Expression Profile of the Gonadotropin-Releasing Hormone Receptor in Common Chinese Cuttlefish, Sepiella japonica. J Exp Zool A Ecol Genet Physiol. , (2016).
  16. Yang, J., et al. Specific activation of the G protein-coupled receptor BNGR-A21 by the neuropeptide corazonin from the silkworm, Bombyx mori, dually couples to the G(q) and G(s) signaling cascades. J Biol Chem. 288, 11662-11675 (2013).
  17. Lu, Z. M., et al. Cloning, Characterization, and Expression Profile of Estrogen Receptor in Common Chinese Cuttlefish, Sepiella japonica. J Exp Zool A Ecol Genet Physiol. 325, 181-193 (2016).
check_url/55514?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Yang, J., Yan, Y., Xiang, X., Xu, Y., Zhou, N., Wang, T. Detection of Ligand-activated G Protein-coupled Receptor Internalization by Confocal Microscopy. J. Vis. Exp. (122), e55514, doi:10.3791/55514 (2017).

View Video