Aquí, describimos algunos métodos establecidos para determinar el estrés del retículo endoplásmico (RE) y la activación de la respuesta proteica desplegada (UPR), con especial énfasis en la infección por VIH-1. Este artículo también describe un conjunto de protocolos para investigar el efecto del estrés del RE/UPR en la replicación del VIH-1 y la infectividad del virión.
Las infecciones virales pueden causar estrés en el retículo endoplásmico (RE) debido a la acumulación anormal de proteínas, lo que conduce a la respuesta de proteínas desplegadas (UPR). Los virus han desarrollado estrategias para manipular la UPR del huésped, pero en la literatura hay una falta de comprensión detallada de la modulación de la UPR y su importancia funcional durante la infección por VIH-1. En este contexto, el presente artículo describe los protocolos utilizados en nuestro laboratorio para medir los niveles de estrés del RE y la UPR durante la infección por VIH-1 en células T y el efecto de la UPR sobre la replicación viral y la infectividad.
La tinción con tioflavina T (ThT) es un método relativamente nuevo que se utiliza para detectar el estrés del RE en las células mediante la detección de agregados de proteínas. Aquí, hemos ilustrado el protocolo para la tinción de ThT en células infectadas por VIH-1 para detectar y cuantificar el estrés del RE. Además, el estrés del RE también se detectó indirectamente mediante la medición de los niveles de marcadores UPR como BiP, IRE1, PERK y eIF2α fosforilados, el empalme de XBP1, la escisión de ATF6, ATF4, CHOP y GADD34 en células infectadas por VIH-1, utilizando inmunotransferencia convencional y reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa cuantitativa (RT-PCR). Hemos encontrado que la fluorescencia de ThT se correlaciona con los indicadores de activación de UPR. Este artículo también muestra los protocolos para analizar el impacto del estrés del RE y la modulación de UPR en la replicación del VIH-1 mediante experimentos de derribo, así como el uso de moléculas farmacológicas. El efecto de la UPR sobre la expresión/replicación del gen VIH-1 y la producción del virus se analizó mediante ensayos de luciferasa y ELISA de captura de antígeno p24, respectivamente, mientras que el efecto sobre la infectividad del virión se analizó mediante la tinción de células reporteras infectadas. En conjunto, este conjunto de métodos proporciona una comprensión completa de las vías de respuesta de proteínas desplegadas durante la infección por VIH-1, revelando su intrincada dinámica.
El síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) se caracteriza por una reducción gradual del número de linfocitos T CD4+, lo que conduce al fracaso progresivo de la respuesta inmunitaria. El virus de inmunodeficiencia humana-1 (VIH-1) es el agente causal del SIDA. Es un virus de ARN monocatenario con envoltura, de sentido positivo, con dos copias de ARN por virión y pertenece a la familia retroviridae. La producción de altas concentraciones de proteínas virales dentro de la célula huésped ejerce una presión excesiva sobre la maquinaria de plegamiento de proteínas de la célula1. El RE es el primer compartimento de la vía secretora de las células eucariotas. Se encarga de producir, alterar y entregar proteínas a la vía secretora y a los sitios diana del espacio extracelular. Las proteínas experimentan numerosos cambios postraduccionales y se pliegan en su conformación natural en el RE, incluida la glicosilación ligada a la asparagina y la creación de enlaces disulfuro intra e intermoleculares2. Por lo tanto, hay altas concentraciones de proteínas en el lumen del RE y estas son muy propensas a la agregación y al plegamiento incorrecto. Diversas condiciones fisiológicas, como el choque térmico, las infecciones microbianas o virales, que exigen una mayor síntesis de proteínas o una mutación de proteínas, conducen al estrés del RE debido al aumento de la acumulación de proteínas en el RE, lo que altera la homeostasis del lúmene del RE. El estrés del RE activa una red de vías de transducción de señales adaptativas altamente conservadas, la Respuesta de Proteína Desplegada (UPR)3. La UPR se emplea para restablecer la condición fisiológica normal del RE mediante la alineación de su carga proteica desplegada y su capacidad de plegamiento. Esto se produce al aumentar el tamaño del RE y las chaperonas y pletasas moleculares residentes en el RE, lo que resulta en una elevación de la capacidad de plegamiento del RE. La UPR también disminuye la carga proteica del RE a través de la atenuación global de la síntesis de proteínas a nivel traslacional y aumenta la eliminación de proteínas desplegadas del RE mediante la regulación positiva de la degradación asociada al RE (ERAD)4,5.
El estrés del RE es detectado por tres proteínas transmembrana residentes en el RE: la proteína quinasa del retículo endoplásmico similar a la R (PKR) (PERK), el factor de transcripción activador 6 (ATF6) y la enzima requirente de inositol tipo 1 (IRE1). Todos estos efectores se mantienen inactivos al unirse al miembro 5 (HSPA5) de la familia de proteínas de choque térmico chaperona A (Hsp70), también conocida como proteína de unión (BiP)/proteína regulada por glucosa de 78 kDa (GRP78). Tras el estrés del RE y la acumulación de proteínas desplegadas/mal plegadas, HSPA5 se disocia y conduce a la activación de estos efectores, que a su vez activan una serie de objetivos posteriores que ayudan a resolver el estrés del RE y, en condiciones extremas, promueven la muerte celular6. Al disociarse de HSPA5, PERK se autofosforila y se activa su actividadquinasa 7. Su actividad quinasa fosforila eIF2α, lo que conduce a la atenuación traduccional, disminuyendo la carga proteica del RE8. Sin embargo, en presencia del factor de iniciación fosfoeucariota 2α (eIF2α), los marcos de lectura abiertos no traducidos en ARNm específicos se traducen preferentemente, como ATF4, regulando los genes inducidos por el estrés. ATF4 y la proteína homóloga C/EBP (CHOP) son factores de transcripción que regulan los genes inducidos por el estrés y regulan las vías de apoptosis y muerte celular 9,10. Uno de los objetivos de ATF4 y CHOP es la proteína inducible por el daño del ADN y la detención del crecimiento (GADD34), que, junto con la proteína fosfatasa 1 desfosforila peIF2α y actúa como un regulador de retroalimentación para la atenuación traduccional11. Bajo estrés ER, ATF6 se disocia de HSPA5 y su señal de localización de Golgi queda expuesta, lo que lleva a su translocación al aparato de Golgi. En el aparato de Golgi, ATF6 es escindido por la proteasa del sitio-1 (S1P) y la proteasa del sitio-2 (S2P) para liberar la forma escindida de ATF6 (ATF6 P50). A continuación, ATF6 p50 se transloca al núcleo, donde induce la expresión de genes implicados en el plegamiento, maduración y secreción de proteínas, así como en la degradación de proteínas12,13. Durante el estrés del RE, IRE1 se disocia de HSPA5, se multimeriza y se autofosforila14. La fosforilación de IRE1 activa su dominio RNasa, mediando específicamente el splicing de 26 nucleótidos de la parte central del ARNm de la proteína de unión a X-box 1 (XBP1)15,16. Esto genera un nuevo C-terminal que confiere una función de transactivación, generando la proteína funcional XBP1s, un potente factor de transcripción que controla varios genes inducidos por el estrés del RE17,18. La actividad combinada de estos factores de transcripción activa programas genéticos destinados a restaurar la homeostasis del RE.
Existen varios métodos para detectar el estrés del RE y la UPR. Estos incluyen los métodos convencionales de análisis de los marcadores UPR 19,20. Varios métodos no convencionales incluyen la medición del estado redox de la UPR y la distribución de calcio en el lumen del RE, así como la evaluación de la estructura del RE. La microscopía electrónica se puede utilizar para ver cuánto se agranda el lumen del RE en respuesta al estrés del RE en las células y los tejidos. Sin embargo, este método requiere mucho tiempo y depende de la disponibilidad de un microscopio electrónico, que puede no estar disponible para todos los grupos de investigación. Además, la medición del flujo de calcio y el estado redox del RE es un desafío debido a la disponibilidad de reactivos. Además, la lectura de estos experimentos es muy sensible y podría verse afectada por otros factores del metabolismo celular.
Una técnica potente y sencilla para monitorizar las salidas del UPR es medir la activación de las diferentes vías de señalización del UPR y se ha utilizado durante décadas en diversos escenarios de estrés. Estos métodos convencionales para medir la activación de UPR son económicos, factibles y proporcionan la información en menos tiempo en comparación con otros métodos conocidos. Estos incluyen inmunotransferencia para medir la expresión de marcadores UPR a nivel de proteína, como la fosforilación de IRE1, PERK y eIF2α y la escisión de ATF6 midiendo la forma P50 de ATF6 y la expresión de proteínas de otros marcadores como HSPA5, XBP1 empalmado, ATF4, CHOP y GADD34, así como RT-PCR para determinar los niveles de ARNm, así como el empalme de ARNm de XBP1.
Este artículo describe un conjunto validado y fiable de protocolos para monitorizar el estrés del RE y la activación de la UPR en células infectadas por el VIH-1 y para determinar la relevancia funcional de la UPR en la replicación e infectividad del VIH-1. Los protocolos utilizan reactivos fácilmente disponibles y económicos y proporcionan información convincente sobre las salidas de la UPR. El estrés del RE es el resultado de la acumulación de proteínas desplegadas/mal plegadas, que son propensas a formar agregados proteicos21. Describimos un método para detectar estos agregados proteicos en células infectadas por VIH-1. La tinción con tioflavina T es un método relativamente nuevo que se utiliza para detectar y cuantificar estos agregados de proteínas22. Beriault y Werstuck describieron esta técnica para detectar y cuantificar los agregados de proteínas y, por lo tanto, los niveles de estrés del RE en células vivas. Se ha demostrado que la pequeña molécula fluorescente tioflavina T (ThT) se une selectivamente a los agregados de proteínas, especialmente a las fibrillas amiloides.
En este artículo, describimos el uso de ThT para detectar y cuantificar el estrés del RE en células infectadas por VIH-1 y correlacionarlo con el método convencional de monitorización de la UPR mediante la medición de la activación de diferentes vías de señalización de la UPR.
Dado que también hay una falta de información completa sobre el papel de la UPR durante la infección por VIH-1, proporcionamos un conjunto de protocolos para comprender el papel de la UPR en la replicación del VIH-1 y la infectividad del virión. Estos protocolos incluyen la eliminación mediada por lentivirus de los marcadores UPR, así como el tratamiento con inductores farmacológicos del estrés del RE. Este artículo también muestra los tipos de lectura que se pueden utilizar para medir la expresión génica del VIH-1, la producción viral y la infectividad de los viriones producidos, como el ensayo de luciferasa basado en repetición terminal larga (LTR), el ensayo de inmunoabsorción enzimática (ELISA) p24 y el ensayo de tinción β-gal reportero, respectivamente.
Utilizando la mayoría de estos protocolos, recientemente hemos reportado la implicación funcional de la infección por VIH-1 en UPR en células T23, y los resultados de ese artículo sugieren la confiabilidad de los métodos aquí descritos. Por lo tanto, este artículo proporciona un conjunto de métodos para obtener información completa sobre la interacción del VIH-1 con el estrés del RE y la activación de la UPR.
El alcance del presente protocolo incluye (i) el manejo de las reservas del virus VIH-1 y la medición de la concentración del virus y la infectividad del virión, (ii) la infección de las células T con el VIH-1 y la evaluación de su efecto sobre el estrés del RE y diferentes marcadores de UPR, (iii) el efecto de la eliminación de los marcadores de UPR y su efecto sobre la actividad génica impulsada por el VIH-1 LTR, producción del virus y la infectividad del virión y (iv) Sobr…
The authors have nothing to disclose.
Damos las gracias al Centro Nacional de Ciencia Celular del Departamento de Biotecnología del Gobierno de la India por su apoyo interno. AT y AD están agradecidos por el apoyo a la investigación de doctorado recibido del Centro Nacional de Ciencia Celular, Departamento de Biotecnología, Gobierno de la India. DM agradece la beca nacional JC Bose de SERB, Gobierno de la India.
Acrylamamide | Biorad, USA | 1610107 | |
Agarose | G-Biosciences, USA | RC1013 | |
Ammonium persulphate | Sigma-Aldrich, USA | A3678 | |
anti-ATF4 antibody | Cell Signaling Technology, USA | 11815 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-ATF6 antibody | Abcam, UK | ab122897 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-CHOP antibody | Cell Signaling Technology, USA | 2897 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-eIF2α antibody | Santa Cruz Biotechnology, USA | sc-11386 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
anti-GADD34 antibody | Abcam, UK | ab236516 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-GAPDH antibody | Santa Cruz Biotechnology, USA | sc-32233 | Western blot detection Dilution-1:3000 |
anti-HSPA5 antibody | Cell Signaling Technology, USA | 3177 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-IRE1 antibody | Cell Signaling Technology, USA | 3294 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
Anti-mouse HRP conjugate antibody | Biorad, USA | 1706516 | Western blot detection Dilution- 1:4000 |
anti-peIF2α antibody | Invitrogen, USA | 44-728G | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-PERK antibody | Cell Signaling Technology, USA | 5683 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
anti-pIRE1 antibody | Abcam, UK | ab243665 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
anti-pPERK antibody | Invitrogen, USA | PA5-40294 | Western blot detection Dilution-1:2000 |
Anti-rabbit HRP conjugate antibody | Biorad, USA | 1706515 | Western blot detection Dilution- 1:4000 |
anti-XBP1 antibody | Abcam, UK | ab37152 | Western blot detection Dilution-1:1000 |
Bench top high speed centrifuge | Eppendorf, USA | 5804R | Rotor- F-45-30-11 |
Bench top low speed centrifuge | Eppendorf, USA | 5702R | Rotor- A-4-38 |
Bis-Acrylamide | Biorad, USA | 1610201 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | MP biomedicals, USA | 160069 | |
Bradford reagent | Biorad, USA | 5000006 | |
CalPhos mammalian Transfection kit | Clontech, Takara Bio, USA | 631312 | Virus stock preparation |
CEM-GFP | NIH, AIDS Repository, USA | 3655 | |
Clarity ECL substrate | Biorad, USA | 1705061 | chemiluminescence detecting substrate |
Clarity max ECL substrate | Biorad, USA | 1705062 | chemiluminescence detecting substrate |
Confocal laser scanning microscope | Olympus, Japan | Model:FV3000 | |
Cytospin centrifuge | Thermo Fisher Scientific, USA | ASHA78300003 | |
DMEM | Invitrogen, USA | 11995073 | |
DMSO | Sigma-Aldrich, USA | D2650 | |
dNTPs | Promega, USA | U1515 | |
DTT | Invitrogen, USA | R0861 | |
EDTA | Invitrogen, USA | 12635 | |
EtBr | Invitrogen, USA | `15585011 | |
Fetal Bovine Serum | Invitrogen, USA | 16000044 | |
G418 | Invitrogen, USA | 11811023 | |
Glutaraldehyde 25% | Sigma-Aldrich, USA | G6257 | Infectivity assay |
Glycine | Thermo Fisher Scientific, USA | Q24755 | |
HEK-293T | NCCS, India | ||
HIV-1 infectious Molecular Clone pNL4-3 | NIH, AIDS Repository, USA | 114 | |
Inverted microscope | Nikon, Japan | Model: Eclipse Ti2 | |
iTaq Universal SYBR Green Supermix | Biorad, USA | 1715124 | |
Jurkat J6 | NCCS, India | ||
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich, USA | M8266 | Infectivity assay |
MMLV-RT | Invitrogen, USA | 28025013 | |
MTT reagent | Sigma-Aldrich, USA | M5655 | Cell viability assay |
N,N-dimethyl formamide | Fluka Chemika | 40255 | Infectivity assay |
NaCl | Thermo Fisher Scientific, USA | Q27605 | |
NaF | Sigma-Aldrich, USA | 201154 | |
NP40 | Invitrogen, USA | 85124 | |
P24 antigen capture ELISA kit | ABL, USA | 5421 | |
PageRuler prestained protein ladder | Sci-fi Biologicals, India | PGPMT078 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich, USA | P6148 | |
pEGFP-N1 | Clontech, USA | 632515 | |
Penicillin/Streptomycin | Invitrogen, USA | 151140122 | |
Phosphatase Inhibitor | Sigma-Aldrich, USA | 4906837001 | |
Phusion High-fidelity PCR mastermix with GC buffer | NEB,USA | M05532 | |
pLKO.1-TRC | Addgene, USA | 10878 | Lentiviral cloning vector |
pMD2.G | Addgene, USA | 12259 | VSV-G envelope vector |
PMSF | Sigma-Aldrich, USA | P7626 | |
Polyethylenimine (PEI) | Polysciences, Inc., USA | 23966 | |
Potassium ferricyanide | Sigma-Aldrich, USA | 244023 | Infectivity assay |
Potassium ferrocyanide | Sigma-Aldrich, USA | P3289 | Infectivity assay |
Protease Inhibitor | Sigma-Aldrich, USA | 5056489001 | |
psPAX2 | Addgene, USA | 12260 | Lentiviral packaging plasmid |
Puromycin | Sigma-Aldrich, USA | P8833 | Selection of stable cells |
PVDF membrane | Biorad, USA | 1620177 | |
Random primers | Invitrogen, USA | 48190011 | |
RPMI 1640 | Invitrogen, USA | 22400105 | |
SDS | Sigma-Aldrich, USA | L3771 | |
Steady-Glo substrate | Promega, USA | E2510 | Luciferase assay |
T4 DNA ligase | Invitrogen, USA | 15224017 | |
TEMED | Invitrogen, USA | 17919 | |
Thapsigargin | Sigma-Aldrich, USA | T9033 | |
Thioflavin T | Sigma-Aldrich, USA | 596200 | |
Tris | Thermo Fisher Scientific, USA | Q15965 | |
Triton-X-100 | Sigma-Aldrich, USA | T8787 | |
Trizol | Invitrogen, USA | 15596018 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich, USA | P1379 | |
TZM-bl | NIH, AIDS Repository, USA | 8129 | |
Ultracentrifuge | Beckman Optima L90K, USA | 330049 | Rotor-SW28Ti |
UltraPure X-gal | Invitrogen, USA | 15520-018 | Infectivity assay |