本文介绍了生成、纯化和量化卡内哈卜迪炎细胞外囊泡的方法。
将小膜结合囊泡分泌到外部环境是所有细胞的基本生理过程。这些细胞外囊泡(EV)在细胞外发挥作用,通过在组织之间转移蛋白质、核酸、代谢物和脂质来调节全球生理过程。EV反映其原细胞的生理状态。电动汽车在人类健康的几乎每一个方面都发挥着基础性作用。因此,EV蛋白和遗传货物正越来越多地被分析为健康和疾病的生物标志物。然而,EV领域仍然缺乏一种可处理的无脊椎动物模型系统,可以研究EV货物成分。C. elegans非常适合 EV 研究,因为它主动将身体外部的 EV 分泌到外部环境中,从而允许容易的隔离。本文提供了生成、纯化和量化这些环境分泌的 C. elegans EV 所需的所有信息,包括如何定量地处理大量年龄同步蠕虫、纯化 EV,以及直接测量纯化样品中完整 EV 数量的流式细胞学方案。因此,可用于C.elegans研究的遗传试剂库可用于研究遗传途径和生理过程对EV货物组合的影响。
膜结合细胞外囊泡(EV)的分泌通过主动在细胞1之间运输特定蛋白质、核酸、代谢物和脂质货物,促进全球生理过程。细胞分泌的EV,其大小范围从2μm或更大到小至20nm2不等。小型EV(<200 nm)由于在病理过程中的影响,包括代谢紊乱、癌症、心血管疾病和神经退行性疾病33、4、5,4,5因此越来越受到研究。这些病理也已被证明影响小EV货物的EV蛋白和遗传成分。因此,通过诸如LC-MS-MS,和RNA酶体6、7、8、97,等EV货物发现方法,不断发现病理学的生物标志物6特征。89
C. elegans是一个有用的无脊椎动物模型,用于识别进化保护的 EV 信令通路。例如,一个C.elegans翻转酶首次被显示诱导EV生物发生在C.elegans胚胎,和人类同源作用显示影响EV释放在人类细胞10,11。10,11据报道,Elegans EV 携带了角质体发育所必需的刺猪信号。刺猪和其他形态原的传递表明对EV具有重要的发育作用,在斑马鱼、小鼠和人类中保存着12、13、14、15。12,13,14,15C. elegans非常适合 EV 生物标志物的发现,因为它分泌在身体外的 EV,在动物与动物的通信中发挥作用16,,17 (图1A)。然而,通过以前的研究建立的方法不能使用,因为线虫的大肠杆菌食物来源也分泌EV18。在这种方法中,大多数样品由大肠杆菌污染组成,限制了蛋白酶或RNA酶酶的功率,从而发现C.elegans EV货物。本文描述的方法旨在以典型细胞培养实验的丰度水平产生高纯C.elegane EV,从而促进EV生物标志物的发现。
需要大量的蠕虫来生成足够数量的电动汽车进行货物分析。因此,还列入了对大量发育同步的C.elegan进行定量培养的方法。通常,当实验需要大量的蠕虫时,它们被培养在液体介质中。虽然这能有效产生大量蠕虫,但动物的生理与在线虫生长介质(NGM)阿加板的标准条件下培育的蠕虫有很大不同。在液体中培养的动物生长得更慢,更薄,表现出发育异质性,并受到高度的批次变异性。因此,我们提出了一种简单而有效的方法,用于使用10厘米高生长板定量培养大量发育同步的C.elegan。高生长板的介质成分比普通NGM板多的肽,由大肠杆菌菌株NA22播种,比OP50生长更强劲。
流式细胞学技术(FACS)的进步使得对单个EV20、21,21有了直接分析,从而可以量化电动汽车,而不需要其他方法的固有限制。先前的研究表明,蛋白质不是EV丰度的有用代理,因为不同的纯化方法导致EV蛋白比22明显不同。极其纯的EV分数含有相对较少的蛋白质,因此很难用BCA或库马西凝胶来量化样品。西方分析可以识别单个蛋白质的相对差异,但不能识别样本中有多少 EV。通过纳米粒子跟踪分析对EV数进行强强量化,其信号噪声范围狭窄,无法区分EV和固体聚合体,以及不同规格的仪器之间缺乏可转移性的方法23。因此,本文还包含一种可通用的流细胞测量过程,用于区分和量化电动汽车。
EV 场的一个基本挑战是分离各种 EV 子类型2。这里描述的方法使用过滤、差分离心和大小排除色谱法来产生纯小EV,因为100纳米EV以前被证明分泌到外部环境中,并在生理相关的通信途径中发挥作用16。通过大小排除色谱法纯化的EV可能仍然是外泌体和小微囊的混合物,因为这些EV子类的大小相似。脊椎动物EV子类通常通过免疫沉淀分离,因为这种方法通过结合选择性膜蛋白标记物分离EV。所述方法有助于识别C.elegans EV膜标记蛋白。因此,将来有可能通过类似的免疫沉淀方法进一步分离小EV子类。理论上,免疫沉淀可以分离出EEv与喂养良好的蠕虫,因为大肠杆菌EV不应该与抗体相互作用。有兴趣识别较大EV亚类(>200 nm)的蛋白质和遗传货物的研究人员可以通过跳过0.22μm过滤步骤,然后分析颗粒而不是上清液来做到这一点。发现大型EV的蛋白质和遗传货物丰度,将建立一个更全面的理解生理过程,通过C.elegans分泌物发挥作用。除了被分泌到环境中外,C. elegans EV 在组织之间内部传输。因此,这些方法仅隔离总C. elegans EV 的子集。但是,由于没有将 EV 与被分离蠕虫分离的方法,因此无法发现内部 EV。这种外部分泌的EV子集的货物分析提供了一种识别能够标记内部EV的潜在通用EV蛋白标记的方法。
EV制备的规模将取决于实验的要求。共有 500,000 名年轻人提供了足够的 EV,用于同时进行流细胞测量、LC-MS-MS 和 RNAseq 分析。根据实验需求,可以放大或缩小此数字。扩展的最大实际因素是所需的 10 厘米高生长板的数量。高生长板制备的500μL20倍浓缩过夜NA22培养物将支持从L1幼虫阶段到成年第一天50,000名成年人。因此,要对50万成年人进行实验,需要13个高生长板:一个板产生L1的人口,两个板产生成人的漂白,10个板用于实验动物的生长。这些指标取决于高生长板的播种和细菌生长条件。因此,建议以标准化的方式制作所有板,然后用已知数量的动物进行校准。
蠕虫在种植过程中分为两个阶段:1)在盘上播种蠕虫之前,2)在产生条件介质之前。动物养殖密度已被证明会影响行为、发育和压力反应15、16、17、18,,17,18因此也可能影响电动汽车货物。15,因此,为了一致的培养密度,有必要准确估计蠕虫种群。在九滴中量化蠕虫的数量,可以统计人口估计的信心。必须单独处理每个滴,在每个滴之间涡旋,并将移液器插入相同的距离到蠕虫悬浮液中。采取这些预防措施将确保S.E.M.值占总人口的±5-10%。如果蠕虫种群的S.E.M.高于20%,那么事情就出了问题。
在24小时无细菌潜伏期后,年轻的野生C型Elegans在加入细菌草坪后立即爬行。这表明孵化不会严重影响他们的健康。然而,这一步确实影响动物的生理,因此可能会影响EV货物的组成。因此,当与病得很重的基因型或较老的动物一起工作时,在孵育步骤后必须检查生存能力。如果所有动物在孵育中不能存活,则增加实验种群规模并缩短孵育时间。当使用大量有条件介质时,使用具有再生硝基纤维素过滤器的搅拌细胞集中器更为实用。EV 与其他过滤器类型14的不如这种滤芯的化学特性紧密相连。
从条件介质中回收的总蛋白质与孵化用于制备的动物数量的比率是一个有用的指标。如果这个比例比预期高得多,那么有可能人口估计被关闭,或者动物在有条件的媒体上死亡和恶化。如果这个比例比预期低得多,那么在浓缩过程中,过滤器上可能丢失了一些蛋白质。虽然 FACS 方法将直接量化制备中的 EV,但此指标非常有用,因为它可以在流程的早期突出显示样本异常。另一种验证EV制备质量的有用方法是传输电子显微镜,如图4D所示。虽然由于长度的原因,传输电子显微镜的协议没有正式列入该方法,但可以通过标准方法进行。建议至少最初对FACS进行此类分析,作为评估电动汽车准备质量的免费方法。为获得最佳效果,请使用新鲜排出的形态-碳网格,用2%磷酸代替醋酸的醋酸对样品进行染色。
DI-8-ANEPPS之所以被选中,是因为它已被证明能定量地标记EV膜,优于其他一般EV染料,具有人类活检样本和脂质体25。测量速度很快,每个样品只需 3 分钟的收集时间。对洗涤剂敏感的EV的定量具有直接的功能意义,因为它利用了电动汽车和固体脂蛋白聚合物之间的基本物理区别。重要的是,这种方法不受总蛋白质量或非EV聚合体数量的影响,因此可以不偏不倚的方式量化通过不同纯化方法获得的EV。我们在这里描述的 FACS 验证的 EV 指标对于证明纯化 EV 的生理影响的研究特别有用。将 FACS 方法确立为通用指标,以便在整个研究中直接比较绝对 EV 丰度,也有利于 EV 领域。活力染料也可以标记C. elegans EV,但它们不像标有 Di-8-ANEPPS 的 EV 那样明亮。
这种纯化方法利用了在完整活虫尸体外的EV的主动分泌。这使得C.elegans EV能够从细胞培养的可比纯度和丰度下分离出来,这些规格足以通过LC-MS-MS和RNA分析26来识别数百种蛋白质和RNA货物。因此,可用于C.elegans研究的大型试剂库可用于研究遗传和生理扰动对EV货物成分的影响。
The authors have nothing to disclose.
我们感激地感谢尼克·特佐普洛斯的蠕虫板和试剂;国家卫生研究院研究基础设施项目办公室(P40 OD010440)的Caenorhabdis遗传学中心(CGC)用于N2线虫线;Lucia Vojtech 博士,协助纳米粒子跟踪分析;杰西卡·杨博士和玛丽·克莱尔,医学博士,博士,用于hiPSC衍生的神经元条件细胞培养基;伟鹏协助TEM成像。这项工作得到了NIH授予MkP30AG013280的支持,NIH向JCR授予AG054098。
0.22 filters units | Genesee | 25-233 | For clairifying the conditioned media from debris |
1% solution of Triton X-100 | ThermoFisher | HFH10 | Add this to 0.05 % to lyse EVs |
10 cm high growth plates | N/A | N/A | For cultivating large populations of worms |
2-liter bottom baffled flasks | ThermoFisher | 4110-2000PK | For conducting size exclusion separation of EVs |
40 μm mesh | Amazon | CMY-0040-C/5PK-05 | Use this to separate adult worms from larval stages |
5 μm mesh | Amazon | CMN-0005-C | Use this to separate L1s from other worm stages |
6 cm normal growth medium worm cultivation plate | N/A | N/A | For cultivating small populations of worms |
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter 10 kD mwco | MilliporeSigma | C7715 | For concentrating the size exclusion elute |
Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter 10 kD mwco | MilliporeSigma | C78144 | For concentrating the conditioned media |
Apogee A50 flow cytometer | Apogee | This flow cytometer is specialized for resolving nanometer size particles | |
ApogeeMix | Apogee | 1493 | Assess light scatter and fluorescence performance of FACS |
DI-8-ANEPPS | ThermoFisher | D3167 | Add this at 20 uM to label EVs |
Disposable chromatography Column | BioRad | 7321010 | For conducting size exclusion separation of EVs |
Geletin | MilliporeSigma | G9391-100G | To treat pipette tips so that worms do not stick |
HALT protease inhibitor | ThermoFisher | 87785 | Add to EV sample to prevent protein degradation |
Low-protein binding collection tubes | ThermoFisher | 90410 | Use these for EV samples |
NaCl | Sigma | S7653-1KG | For sucrose floatation of worms |
S Basal buffer | N/A | N/A | Recipe in WormBook |
Sepharose CL-2B resin | MilliporeSigma | CL2B300-100ML | For conducting size exclusion separation of EVs |
Small orbital shaker | ABC Scientific | 83211301 | Use this for worm S Basal incubation |
Sucrose | Sigma | S8501-5KG | For sucrose floatation of worms |