Een kwantitatieve meting van reactieve zuurstof soorten en senescentie-geassocieerde secretoire fenotype in normale menselijke fibroblasten tijdens oncogen-geïnduceerde senescentie
Summary
Intracellulaire ROS heeft aangetoond dat een belangrijke rol spelen in de inductie van cellulaire senescentie. Hier beschrijven we een gevoelige assay voor het kwantificeren van ROS niveaus tijdens cellulaire senescentie. We bieden ook protocollen voor de beoordeling van het senescentie-geassocieerde secretoire fenotype, die naar verluidt aan verschillende leeftijdsgebonden disfuncties bijdraagt.
Abstract
Cellulaire senescentie is beschouwd als een staat van onomkeerbare groei arrestatie na uitputting van de proliferatieve capaciteit of blootstelling aan verschillende benadrukt. Recente studies hebben uitgebreid de rol van cellulaire senescentie naar verschillende fysiologische processen, met inbegrip van de ontwikkeling, wondgenezing, immuun toezicht en leeftijdsgebonden weefsel dysfunctie. Hoewel celcyclus arrestatie een essentieel kenmerk van cellulaire senescentie is, heeft een verhoogde intracellulaire reactieve zuurstof soorten (ROS) productie ook aangetoond dat een belangrijke rol spelen in de inductie van cellulaire senescentie. Recente studies bleek bovendien dat verouderend cellen krachtige paracrine activiteiten op naburige cellen en weefsels via een senescentie-geassocieerde secretoire fenotype (SASP exposeren). De scherpe stijging van de rente met betrekking tot therapeutische strategieën tegen cellulaire senescentie onderstreept de noodzaak van een nauwkeurig inzicht in senescentie mechanismen, met inbegrip van intracellulaire ROS en de SASP. We beschrijven hier protocollen voor de beoordeling van kwantitatief intracellulaire ROS niveaus tijdens H-Ras-geïnduceerde cellulaire senescentie met behulp van ROS-gevoelige fluorescente kleurstof en stroom cytometry. Daarnaast introduceren we gevoelige technieken voor de analyse van de inductie van mRNA uitdrukking en secretie van SASP factoren. Deze protocollen kunnen worden toegepast op verschillende cellulaire senescentie modellen.
Introduction
Meer dan 50 jaar geleden, bleek Hayflick en Moorhead dat normale cellen onomkeerbare groei arrestatie op de uitputting van hun proliferatieve potentieel na een bepaald aantal celdelingen1 invoeren. Dit fenomeen is nu bekend als Dr. senescentie en gelooft te sterk correleren met organisch veroudering2. Hoewel de geleidelijke erosie van de telomeren wordt beschouwd als een belangrijke oorzaak van Dr. senescentie, zijn diverse cellulaire benadrukt, zoals DNA schade oncogene activering en oxidatieve stress, voor het opwekken van een ander type van cellulaire senescentie gemeld “voorbarig senescentie” of “stress-induced senescentie” genoemd. Interessant, speelt voortijdige senescentie een potente tumor-onderdrukkende rol bij de activering van oncogenen zoals H-Ras en BRAF. Studies van Muismodellen en menselijke weefsels hebben sterke aanwijzingen dat biomarkers voor cel senescentie waren voornamelijk aanwezig in Premaligne laesies waar oncogene Ras en BRAF worden geactiveerd maar werden afgenomen in kwaadaardige kanker die ontwikkeld op basis van Deze letsels3,4,5. Naast haar rol in veroudering en onderdrukking van de tumor, is cellulaire senescentie aangetoond in eerdere studies een rol te spelen in verschillende fysiologische processen, met inbegrip van wondgenezing, weefselherstel, immuun toezicht en embryonale ontwikkeling6.
Hoewel groei arrestatie heeft uitvoerig bestudeerd als een stempel van cellulaire senescentie7, suggereert een aanzienlijke hoeveelheid bewijs dat intracellulaire reactieve zuurstof soorten (ROS) draagt ook bij tot cellulaire senescentie8. De hoogte van ROS niveaus tijdens verschillende soorten cellulaire senescentie, met inbegrip van Dr. senescentie en oncogen-geïnduceerde senescentie (OIS), werd oorspronkelijk gemeld decennia geleden9,10. Een meer direct, exogene behandeling met een subletale dosis H2O2 induceert senescentie11,12. De remming van ROS-opruiming enzymen, zoals SOD1, veroorzaakt ook voorbarig senescentie13. In tegenstelling, lage omgevingstemperatuur zuurstof voorwaarden en het vergroten van ROS opruiming vertraging het intreden van senescentie10,14,15. Deze resultaten geven ongetwijfeld dat ROS belangrijk bemiddelaars of determinanten van cellulaire senescentie inductie zijn. Echter hoe ROS bijdragen tot de inductie van cellulaire senescentie en hoe ROS niveaus zijn verheven tijdens cellulaire senescentie nader onderzoek.
Recente studies is gebleken dat verouderend cellen potente paracrine activiteiten op naburige cellen en weefsels door een SASP16,17 hebben. In leeftijd weefsel bevorderen verouderend cellen leeftijdsgebonden weefsel disfuncties via vele paden door SASP naast een autonome uitputting van de proliferatieve cellen. Verschillende proinflammatoire factoren, zoals IL-6, IL-8, TGFβ en matrix metalloproteinasen (MMP), uitgescheiden door verouderend cellen, veroorzaken de dysfuncties van de leeftijdsgebonden weefsel door de verslechtering van de weefsel homeostase, vernietiging van het weefsel architectuur, senescentie van naburige cellen en steriele ontsteking18,19. Echter kan SASPs hebben gunstige effecten afhankelijk van de biologische context. Bovendien, hangt de aard van de heterogenetic van de SASPs af van het celtype verouderend en de cel fase, nadruk op de noodzaak van verder onderzoek19.
Hier beschrijven we snelle en gevoelige cytometry gebaseerde technieken voor de beoordeling van intracellulaire ROS niveaus tijdens OIS. Bovendien, de methoden voor de analyse van SASP factoren met behulp van kwantitatieve real-time polymerasekettingreactie (qPCR) en ELISA zijn ingevoerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier hebben we methoden voor controle van intracellulaire ROS niveaus tijdens H-Ras-geïnduceerde senescentie in WI-38 normale menselijke fibroblasten gepresenteerd. Intracellulaire ROS niveaus in levende cellen kunnen worden gemeten met behulp van de cel-permeabele reagens DCF-DA kwantitatief en stroom cytometry. Op cellulaire opname, is DCF-DA door intracellulaire esterasen deacetylated en vervolgens geoxideerd door ROS te vormen zeer fluorescerende 2′, 7′-dichlorofluorescein (DCF). DCF-fluorescentie kan worden gedetec…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door een subsidie van de National Research Foundation Korea (2015R1D1A1A01060839) (voor de jonge Yeon Kim) en door een subsidie van de National Research Foundation van Korea (NRF) gefinancierd door de regering van Korea (MSIT) (nr. 2016R1A2B2008887, nr. 2016R1A5A2007009) (tot op Jeanho Yun).
Materials
| REAGENTS | |||
| poly-L-lysine | Sigma-Aldrich | P2636 | |
| BOSC 23 | ATCC | CRL-11269 | |
| FBS | GIBCO | 16000-044 | |
| penicillin/streptomycin | wellgene | LS202-02 | |
| PBS | Hyclone | SH30013.02 | |
| DMEM | GIBCO | 12800-082 | |
| OPTI-MEM | GIBCO | 31985-070 | |
| pBabe puro-H-RasV12 | Addgene | 1768 | |
| pGAG/pol | Addgene | 14887 | |
| pVSVG | Addgene | 1733 | |
| Turbofect | Thermo Fisher Scientific | R0531 | |
| polybrene | Sigma-Aldrich | H9268 | 8 mg/ml |
| puromycin | Sigma-Aldrich | P8833 | 2 mg/ml |
| formaldehyde | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| 5-bromo-4-chloro-3-indolyl β D-galactopyranoside (X-gal) | Sigma-Aldrich | B4252 | |
| potassium ferrocyanide | Sigma-Aldrich | B4252 | |
| potassium ferricyanide | Sigma-Aldrich | P9387 | |
| trypsin-EDTA | wellgene | LS015-01 | |
| DCF-DA | Sigma-Aldrich | D6883 | 10 mM |
| Trizol | Thermo Fisher Scientific | 15596026 | |
| MMLV Reverse transcriptase | Promega | M1701 | |
| SYBR Green PCR master 2X mix | Takara | PR820A | |
| Random Primer | Promega | C118A | |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416 | |
| Ultra-pure distilled water | Invitrogen | 10977015 | |
| Human IL-6 ELISA assay | PeproTech | #900-TM16 | |
| Human IL-8 ELISA assay | PeproTech | #900_TM18 | |
| EQUIPMENTS | |||
| 0.45 μm syringe filter | sartorius | 16555 | |
| Parafilm | BEMIS | PM-996 | |
| Microscope | NIKON | TS100 | |
| Flow cytometer | BD Bioscience | LSR Fortessa | |
| Amicon Ultra-4ml | Merk Millipore | UFC800324 | |
| NanoDrop spectrophotometer | BioDrop | 80-3006-61 | |
| Real-time PCR System | Applied Biosystems | ABI Prism 7500 | |
| ELISA Reader | Molecular Devices | EMax microplate reader |
References
- Hayflick, L., Moorhead, P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains. Experimental Cell Research. 25, 585-621 (1961).
- Campisi, J. Aging, cellular senescence, and cancer. Annual Review of Physiology. 75, 685-705 (2013).
- Braig, M., et al. Oncogene-induced senescence as an initial barrier in lymphoma development. Nature. 436 (7051), 660-665 (2005).
- Michaloglou, C., et al. BRAFE600-associated senescence-like cell cycle arrest of human naevi. Nature. 436 (7051), 720-724 (2005).
- Collado, M., et al. Tumour biology: senescence in premalignant tumours. Nature. 436 (7051), 642 (2005).
- Malaquin, N., Martinez, A., Rodier, F. Keeping the senescence secretome under control: Molecular reins on the senescence-associated secretory phenotype. Experimental Gerontology. 82, 39-49 (2016).
- Kuilman, T., Michaloglou, C., Mooi, W. J., Peeper, D. S. The essence of senescence. Genes & Development. 24 (22), 2463-2479 (2010).
- Lu, T., Finkel, T. Free radicals and senescence. Experimental Cell Research. 314 (9), 1918-1922 (2008).
- Furumoto, K., Inoue, E., Nagao, N., Hiyama, E., Miwa, N. Age-dependent telomere shortening is slowed down by enrichment of intracellular vitamin C via suppression of oxidative stress. Life Sciences. 63 (11), 935-948 (1998).
- Lee, A. C., et al. Ras proteins induce senescence by altering the intracellular levels of reactive oxygen species. The Journal of Biological Chemistry. 274 (12), 7936-7940 (1999).
- Chen, Q., Ames, B. N. Senescence-like growth arrest induced by hydrogen peroxide in human diploid fibroblast F65 cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (10), 4130-4134 (1994).
- Dumont, P., et al. Induction of replicative senescence biomarkers by sublethal oxidative stresses in normal human fibroblast. Free Radical Biology & Medicine. 28 (3), 361-373 (2000).
- Blander, G., de Oliveira, R. M., Conboy, C. M., Haigis, M., Guarente, L. Superoxide dismutase 1 knock-down induces senescence in human fibroblasts. The Journal of Biological Chemistry. 278 (40), 38966-38969 (2003).
- Packer, L., Fuehr, K. Low oxygen concentration extends the lifespan of cultured human diploid cells. Nature. 267 (5610), 423-425 (1977).
- Serra, V., von Zglinicki, T., Lorenz, M., Saretzki, G. Extracellular superoxide dismutase is a major antioxidant in human fibroblasts and slows telomere shortening. The Journal of Biological Chemistry. 278 (9), 6824-6830 (2003).
- Rodier, F., Campisi, J. Four faces of cellular senescence. The Journal of Cell Biology. 192 (4), 547-556 (2011).
- Munoz-Espin, D., Serrano, M. Cellular senescence: from physiology to pathology. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 15 (7), 482-496 (2014).
- Tchkonia, T., Zhu, Y., van Deursen, J., Campisi, J., Kirkland, J. L. Cellular senescence and the senescent secretory phenotype: therapeutic opportunities. The Journal of Clinical Investigation. 123 (3), 966-972 (2013).
- van Deursen, J. M. The role of senescent cells in ageing. Nature. 509 (7501), 439-446 (2014).
- Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Methods. 25 (4), 402-408 (2001).
- Kim, Y. Y., et al. Cooperation between p21 and Akt is required for p53-dependent cellular senescence. Aging Cell. 16 (5), 1094-1103 (2017).
- Serrano, M., Lin, A. W., McCurrach, M. E., Beach, D., Lowe, S. W. Oncogenic ras provokes premature cell senescence associated with accumulation of p53 and p16INK4a. Cell. 88 (5), 593-602 (1997).
- Wu, D., Yotnda, P. Production and detection of reactive oxygen species (ROS) in cancers. Journal of Visualized Experiments. (57), (2011).
- Wojtala, A., et al. Methods to monitor ROS production by fluorescence microscopy and fluorometry. Methods in Enzymology. 542, 243-262 (2014).
- Duncan, F. E., et al. Age-associated dysregulation of protein metabolism in the mammalian oocyte. Aging Cell. 16 (6), 1381-1393 (2017).
- Yang, L., Song, T., Chen, L., Soliman, H., Chen, J. Nucleolar repression facilitates initiation and maintenance of senescence. Cell Cycle. 14 (22), 3613-3623 (2015).
- Coppe, J. P., et al. Senescence-associated secretory phenotypes reveal cell-nonautonomous functions of oncogenic RAS and the p53 tumor suppressor. PLoS Biology. 6 (12), 2853-2868 (2008).
- Kosar, M., et al. Senescence-associated heterochromatin foci are dispensable for cellular senescence, occur in a cell type- and insult-dependent manner and follow expression of p16(ink4a). Cell Cycle. 10 (3), 457-468 (2011).
- Sharpless, N. E., Sherr, C. J. Forging a signature of in vivo senescence. Nature Reviews. Cancer. 15 (7), 397-408 (2015).
- Baker, D. J., et al. Opposing roles for p16Ink4a and p19Arf in senescence and ageing caused by BubR1 insufficiency. Nature Cell Biology. 10 (7), 825-836 (2008).
- Baker, D. J., et al. Clearance of p16Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders. Nature. 479 (7372), 232-236 (2011).
- Baar, M. P., et al. Targeted Apoptosis of Senescent Cells Restores Tissue Homeostasis in Response to Chemotoxicity and Aging. Cell. 169 (1), 132-147 (2017).
- Farr, J. N., et al. Targeting cellular senescence prevents age-related bone loss in mice. Nature Medicine. 23 (9), 1072-1079 (2017).
- Chang, J., et al. Clearance of senescent cells by ABT263 rejuvenates aged hematopoietic stem cells in mice. Nature Medicine. 22 (1), 78-83 (2016).
- Yosef, R., et al. Directed elimination of senescent cells by inhibition of BCL-W and BCL-XL. Nature Communications. 7, 11190 (2016).
- Jeon, O. H., et al. Local clearance of senescent cells attenuates the development of post-traumatic osteoarthritis and creates a pro-regenerative environment. Nature Medicine. 23 (6), 775-781 (2017).
