Cuantificación a nivel global de modificaciones post-traduccionales de histonas en un modelo de cultivo celular 3D de tejido hepático
Summary
Este protocolo describe cómo se puede utilizar un sistema de cultivo celular tridimensional para modelar, tratar y analizar modificaciones de cromatina en un estado casi fisiológico.
Abstract
Los cultivos planos de células de mamíferos son un enfoque in vitro ampliamente utilizado para comprender la fisiología celular, pero este sistema está limitado en el modelado de tejidos sólidos debido a la replicación celular anormalmente rápida. Esto es particularmente desafiante cuando se modela la cromatina madura, ya que las células de replicación rápida están frecuentemente involucradas en la replicación del ADN y tienen una población poliploide heterogénea. A continuación se presenta un flujo de trabajo para modelar, tratar y analizar modificaciones de cromatina inactivas utilizando un sistema de cultivo celular tridimensional (3D). Usando este protocolo, las líneas celulares de carcinoma hepatocelular se cultivan como esferoides 3D reproducibles en una incubadora que proporciona difusión activa de nutrientes y bajas fuerzas de cizallamiento. El tratamiento con butirato de sodio y succinato de sodio indujo un aumento en la acetilación y succinilación de histonas, respectivamente. Los aumentos en los niveles de acetilación y succinilación de histonas se asocian con un estado de cromatina más abierto. Luego se recolectan esferoides para el aislamiento de núcleos celulares, de los cuales se extraen proteínas histonas para el análisis de sus modificaciones post-traduccionales. El análisis de histonas se realiza a través de cromatografía líquida junto con espectrometría de masas en línea, seguida de una tubería computacional interna. Finalmente, se muestran ejemplos de representación de datos para investigar la frecuencia y ocurrencia de marcas de histonas combinatorias.
Introduction
Desde finales delsiglo 19, los sistemas de cultivo celular se han utilizado como modelo para estudiar el crecimiento y desarrollo de las células fuera del cuerpo humano 1,2. Su uso también se ha extendido para estudiar cómo funcionan los tejidos y órganos tanto en contextos sanos como enfermos 1,3. Las células de suspensión (por ejemplo, células sanguíneas) crecen en placas de Petri o matraces sin problemas e indistintamente, ya que no se ensamblan en estructuras tridimensionales (3D) in vivo. Las células derivadas de órganos sólidos pueden crecer en sistemas de cultivo bidimensionales (2D) o 3D. En cultivo 2D, las células se cultivan en una monocapa que se adhiere a una superficie plana 2,4. Los sistemas de cultivo celular 2D se caracterizan por un crecimiento exponencial y un rápido tiempo de duplicación, típicamente de 24 h a unos pocos días5. Las células en los sistemas 3D crecen para formar intrincadas interacciones célula-célula modelando conglomerados similares a tejidos más de cerca, y se caracterizan por su capacidad para alcanzar un equilibrio dinámico donde su tiempo de duplicación puede alcanzar 1 mes o más5.
En este trabajo se presenta una metodología innovadora para cultivar esferoides 3D en sistemas de cultivo celular rotativo que simulan la gravedad reducida6. Este es un derivado simplificado de un sistema de cultivo celular introducido por la NASA en la década de 19907. Este enfoque minimiza las fuerzas de cizallamiento, que ocurren en métodos existentes como los matraces giratorios, y aumenta la reproducibilidad de los esferoides6. Además, el biorreactor giratorio aumenta la difusión activa de nutrientes, minimizando la formación necrótica que se produce en sistemas como el cultivo de células de gota colgante donde el intercambio de medios no es práctico6. De esta manera, las células crecen en su mayoría sin ser molestadas, lo que permite la formación de características estructurales y fisiológicas asociadas con las células que crecen en el tejido. Los hepatocitos C3A (HepG2/C3A) cultivados de esta manera no solo tenían orgánulos ultraestructurales, sino que también producían cantidades de ATP, adenilato quinasa, urea y colesterol comparables a los niveles observados in vivo 1,2. Además, las células cultivadas en sistemas de cultivo celular 2D vs.3D exhiben diferentes patrones de expresión génica8. El análisis de la expresión génica de los hepatocitos C3A cultivados como esferoides 3D mostró que estas células expresaban una amplia gama de proteínas específicas del hígado, así como genes involucrados en vías clave que regulan la función hepática8. Publicaciones anteriores demostraron las diferencias entre proteomas de células de crecimiento exponencial en cultivo 2D vs. células en equilibrio dinámico en cultivos esferoides 3D5. Estas diferencias incluyen el metabolismo celular, que a su vez afecta la estructura, función y fisiología de la célula5. El proteoma de las células cultivadas en cultivo 2D estaba más enriquecido en proteínas implicadas en la replicación celular, mientras que el proteoma de los esferoides 3D estaba más enriquecido en la funcionalidad hepática5.
La tasa de replicación más lenta de las células cultivadas como esferoides 3D modela con mayor precisión fenómenos específicos asociados con el estado y las modificaciones de la cromatina (por ejemplo, recorte de histonas9). El recorte de histonas es una modificación post-traduccional de histonas (PTM) irreversible que causa la escisión proteolítica de parte de la cola N-terminal de la histona. Si bien su función biológica aún está en discusión 10,11,12,13, está claro que su presencia en células primarias y tejido hepático está modelada por células HepG2/C3A cultivadas como esferoides, pero no como células planas 9. Esto es crítico, ya que el estado de la cromatina y las modificaciones regulan la lectura del ADN principalmente modulando la accesibilidad a los genes y, por lo tanto, su expresión14. Los PTM de histonas influyen directamente en el estado de la cromatina al afectar la carga neta de los nucleosomas donde se ensamblan las histonas, o indirectamente al reclutar escritores, lectores y borradores de cromatina14. Cientos de PTM de histonas han sido identificados hasta la fecha15, reforzando la hipótesis de que la cromatina alberga un “código de histonas” utilizado por la célula para interpretar el ADN16. Sin embargo, la identificación de una miríada de combinaciones de PTM15, y el descubrimiento de que las combinaciones de PTM de histonas con frecuencia tienen funciones biológicas diferentes de las PTM presentes de forma aislada (por ejemplo, Fischle, et al.17), pone de relieve que se requiere más trabajo para descifrar el “código de histonas”.
Actualmente, el análisis de histona PTM se basa en técnicas que utilizan anticuerpos (por ejemplo, western blots, inmunofluorescencia o inmunoprecipitación de cromatina seguida de secuenciación [ChIP-seq]) o espectrometría de masas (MS). Las técnicas basadas en anticuerpos tienen una alta sensibilidad y pueden proporcionar información detallada sobre la localización de las marcas de histonas en todo el genoma, pero con frecuencia son limitadas en el estudio de PTM raros o PTM presentes en combinaciones 18,19,20. La EM es más adecuada para la identificación y cuantificación imparcial y de alto rendimiento de modificaciones de proteínas únicas y coexistentes, en particular proteínas histonas 18,19,20. Por estas razones, este y varios otros laboratorios han optimizado la tubería de EM para el análisis de péptidos de histonas (EM de abajo hacia arriba), colas de histonas intactas (EM de medio hacia abajo) y proteínas de histonas de longitud completa (EM de arriba hacia abajo)21,22,23.
A continuación se detalla un flujo de trabajo para cultivar esferoides HepG2 / C3A y prepararlos para el análisis de péptidos de histonas (EM de abajo hacia arriba) a través de cromatografía de nanolíquidos, junto con espectrometría de masas en tándem (nLC-MS / MS). Se cultivó un cultivo celular 2D y las células se cosecharon y se transfirieron a un biorreactor donde comenzarían a formar esferoides (Figura 1). Después de 18 días en cultivo, los esferoides se trataron con butirato de sodio o succinato de sodio para aumentar las abundancias relativas de acetilación y succinilación de histonas. En particular, los cultivos 3D se pueden tratar con compuestos genotóxicos tan bien como sus equivalentes de cultivo plano; de hecho, publicaciones recientes destacan que la respuesta toxicológica de las células en cultivo 3D es más similar a las de los tejidos primarios que a las del cultivo plano 2D24,25. Las células se recogieron en puntos de tiempo específicos y se realizó el aislamiento nuclear. Luego, las histonas fueron extraídas y derivatizadas con anhídrido propiónico antes y después de la digestión de tripsina de acuerdo con un protocolo desarrollado por primera vez por Garcia et al.26. Este procedimiento genera péptidos de un tamaño adecuado para la separación en línea con cromatografía de fase inversa (C18) y la detección con EM. Finalmente, se identificaron y cuantificaron los péptidos de histonas, y los datos generados se representaron de múltiples maneras para una interpretación biológica más completa.
Protocol
Representative Results
Discussion
El análisis de los PTM de histonas es fundamentalmente diferente de la tubería típica de análisis proteómico. La mayoría de los PTM de histonas todavía tienen funciones biológicas enigmáticas; como resultado, no se dispone de anotaciones como Gene Ontology o bases de datos de vías. Existen varios recursos que asocian las modificaciones de histonas con la enzima responsable de su catálisis o proteínas que contienen dominios que se unen a estos PTM (por ejemplo, HISTome36). Además, es p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El laboratorio sidoli agradece a la Leukemia Research Foundation (Hollis Brownstein New Investigator Research Grant), AFAR (Sagol Network GerOmics award), Deerfield (Xseed award), Relay Therapeutics, Merck y la Oficina del Director de los NIH (1S10OD030286-01).
Materials
| 0.05% trypsin-EDTA solution | Gibco | 25300054 | |
| 0.5-20 µL pipet tips | BRAND | 13-889-172 (Fisher Scientific) | |
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | Bio-Rad | 2239480 | |
| 10 µL multi-channel pipette | BRAND | BR7059000 (Millipore Sigma) | |
| 10 mL syringe | Henke Sass Wolf | 14-817-31 (Fisher Scientific) | Luer lock tip, graduated to 12 mL |
| 10, 20, 200, and 1000 µL single-channel pipettes | Eppendorf | 14-285-904 (Fisher Scientific) | |
| 1000 µL pipet tips | Rainin | 30389164 | |
| 18 G syringe needle | Air-Tite | 14-817-100 (Fisher Scientific) | 3" length, 0.05" diameter |
| 200 µL multi-channel pipette | Corning | 4082 | |
| 2-200 µL pipet tips | BRAND | Z740118 (Millipore Sigma) | |
| 24-well ultra-low attachment microplate | Corning | 07-200-602 | |
| 75 cm2 U-shaped cell culture flask | Corning | 461464U | Untreated, with vent cap |
| 96-well skirted plate | Axygen | PCR-96-FS-C (Corning) | |
| Acetone | Fisher Scientific | A949-1 | Acetone should be used cold |
| Ammonium bicarbonate (NH4HCO3) | Sigma-Aldrich | A6141-25G | |
| Ammonium hydroxide solution | Fisher Scientific | AC423300250 | |
| Cell culture grade water | Corning | 25-055-CV | |
| ClinoReactor | CelVivo | 10004-12 | Bioreactor for 3D cell culture |
| ClinoStar | CelVivo | N/A | Clinostat CO2 incubator for 3D cell culture |
| Control unit | CelVivo | N/A | Tablet for ClinoStar settings |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Corning | 17-205-CV | 1X solution with 4.5 g/L glucose and sodium pyruvate, without L-glutamine and phenol red |
| Fetal bovine serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | |
| Formic acid | Thermo Scientific | 28905 | |
| Fume hood | Mott | N/A | Model 7121000 |
| Glass Pasteur pipette | Fisher Scientific | 13-678-8B | 9", cotton-plugged, borosilicate glass, non-sterile |
| Glutagro supplement | Corning | 25-015-CI | 200 mM L-ananyl-L-glutamine |
| Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS) | Corning | 21-022-CV | 1X solution without calcium, magnesium, and phenol red |
| HPLC grade acetonitrile | Fisher Scientific | A955-4 | |
| HPLC grade water | Fisher Scientific | W6-1 | |
| Hydrochloric acid (HCl) | Fisher Scientific | A481-212 | |
| Ice | N/A | N/A | |
| MEM non-essential amino acids | Corning | 25-025-CI | 100X solution |
| Oasis HLB resin | Waters | 186007549 | Hydrophilic-Lipophilic-Balanced (HLB) Resin with 30µm particle size |
| Orbitrap Fusion Lumos Tribrid mass spectrometer | Thermo Fisher Scientific | IQLAAEGAAPFADBMBHQ | High resolution mass spectrometer |
| Oro-Flex I polypropylene filter plate | Orochem | OF1100 | 96-well polypropylene filter plate w/ 10 µM PE frit |
| Penicillin-Streptomycin | Corning | 30-002-CI | 100X solution |
| pH paper | Hydrion | Z111848 (Sigma-Aldrich) | 0-13 pH test paper |
| Pipette gun | Eppendorf | Z666467 (Millipore Sigma) | |
| Polymicro capillary | Molex | 50-110-7740 (Fisher Scientific) | Flexible fused silica capillary tubing with polymide coating, 75 µM ID x 363 µM OD |
| Polystyrene 10 mL serological pipets, sterile | Fisher Scientific | 1367549 | |
| Propionic anhydride | Sigma-Aldrich | 240311-50G | |
| Refrigerated centrifuge | Thermo Scientific | 75-217-420 | |
| Reprosil-Pur resin | MSWIL | R13.AQ.0003 | 120 Å pore size, C18-AQ phase, 3 µM bead size |
| Rotator | Clay Adams | 25477 (American Laboratory Trading) | Nutator Mixer 1105 |
| Sequencing grade modified trypsin | Promega | V5111 | |
| Sodium butyrate | Thermo Scientific | A11079 | |
| Sodium succinate dibasic | Sigma-Aldrich | 14160-100G | |
| SpeedVac vacuum concentrator (1.5 mL microcentrifuge tubes) | Savant | 20249 (American Laboratory Trading) | |
| SpeedVac vacuum concentrator (96-well) | Thermo Scientific | 15308325 | Savant SPD1010 |
| Sterile hood | Thermo Scientific | 1375 | Class II, Type A2 |
| Sulfuric acid (H2SO4) | Fisher Scientific | 02-004-375 | Baker Analyzed ACS reagent |
| Tissue-culture treated 100 mm x 20 mm dish | Fisher Scientific | 08-772-23 | |
| Trichloroacetic acid (TCA) | Thermo Scientific | AC421451000 | Resuspend 100% w/v in HPLC grade water |
| Trifluoroacetic acid (TFA) | Fisher Scientific | PI28904 | Sequencing grade |
| Vacuum manifold 96-well | Millipore | MAVM0960R | |
| Vortex | Sigma-Aldrich | Z258415 | |
| Water bath | Fisher Scientific | FSGPD10 | |
| Wide bore pipet tips 1000 µL | Axygen | 14-222-703 (Fisher Scientific) | |
| Wide bore pipet tips 200 µL | Axygen | 14-222-730 (Fisher Scientific) |
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