Trasporto dell'elettrone di miotubi C2C12 Trans-Plasma membrana di misura
Summary
L’obiettivo del presente protocollo è di monitorare spettrofotometricamente trans-plasma membrana elettrone trasporto utilizzando accettori extracellulari e di analizzare le interazioni enzimatiche che possono verificarsi con questi accettori extracellulari.
Abstract
Trans-plasma membrana electron transport (tPMET) svolge un ruolo nella protezione delle cellule dallo stress riduttivo intracellulare così come protezione da danni da ossidanti extracellulari. Questo processo di trasporto di elettroni da riducenti intracellulare agli ossidanti extracellulari non è ben definito. Qui vi presentiamo le analisi spettrofotometriche di miotubi C2C12 per monitorare tPMET utilizzando gli accettori extracellulari: sale di tetrazolio solubile in acqua-1 (WST-1) e 2,6-dichlorophenolindophenol (DPIP o DCIP). Attraverso la riduzione di questi accettori, siamo in grado di monitorare questo processo in un’analisi in tempo reale. Con l’aggiunta di enzimi come la superossido dismutasi (SOD) per l’analisi e l’ascorbato ossidasi (AO), possiamo determinare quale parte del tPMET è a causa della produzione di superossido o esportazione dell’ascorbato, rispettivamente. Mentre WST-1 è stato indicato per produrre risultati stabili con fondo basso, DPIP è stato in grado di essere ri-ossidato dopo l’aggiunta di AO e SOD, che è stata dimostrata con analisi spettrofotometriche. Questo metodo dimostra un’analisi spettrofotometrica in tempo reale, multi-pozzetto e veloce con vantaggi rispetto ad altri metodi utilizzati per il monitoraggio tPMET, come ferricianuro (FeCN) e ferricitocromo c riduzione.
Introduction
La capacità delle membrane plasmatiche purificate per ridurre accettori ha condotto alla vista che la membrana plasmatica ha un redox intrinseca capacità1. Precedentemente visto in funghi, piante e animali, tPMET è un processo comune a più organismi2,3,4,5. In particolare, questo processo è stato dimostrato in Saccharomyces cerevisiae, cellule di carota, eritrociti, linfociti, osteosarcoma, il melanoma, macrofagi, muscolo scheletrico e neutrofili2,3, 4 , 5 , 6 , 7. in un processo che trasporta gli elettroni attraverso la membrana plasmatica per ridurre extracellulari ossidanti, tPMET è coinvolto in molte funzioni cellulari tra cui: cella crescita5,8, cellula attuabilità9, Ferro da stiro metabolismo10,11,12,13e protezione da ossigeno reattivo specie12,14,15di segnalazione delle cellule. A causa del coinvolgimento di tPMET in molte funzioni cellulari, uno squilibrio di tPMET è stata supposta per contribuire allo sviluppo di alcune condizioni di salute gravi, tra cui cancro16, malattia cardiovascolare17e metabolica la sindrome18.
Ci sono diversi modi per monitorare il trasferimento di elettroni attraverso la membrana plasmatica, ma la tecnica più ampiamente usata è quello di valutare la riduzione di accettori extracellulari attraverso saggi colorimetrici. Accettori extracellulari comunemente utilizzati sono sali di tetrazolio, DPIP e FeCN ferricitocromo c19,20. Il sale di tetrazolio più comunemente usato è un noto sale seconda generazione come WST-119. Questo composto è più facile da utilizzare in saggi colorimetrici rispetto ai sali di tetrazolio di prima generazione a causa di due gruppi solfonato, che aumentano la sua acqua solubilità21. WST-1, in concomitanza con l’intermedio elettrone accettore 1-metossi-fenazina methosulfate (MPM), è ridotto in eventi di due trasferimento singolo elettrone. Questa riduzione cambia la forma ossidata debolmente colorato di WST-1 a un più intenso, giallo formazan20,22. WST-1 ha un coefficiente di estinzione molare alta di 37 x 103 M-1cm-1, portando a un dosaggio ad alta sensibilità21,22. DPIP viene anche utilizzato come un ricettore dell’elettrone extracellulare per monitorare tPMET. È stato dimostrato che DPIP può essere ridotto extracellularly di tPMET senza l’ausilio di intermedi elettroni accettori23,24. A causa della mancanza di accettori intermedi, DPIP può direttamente gli elettroni di pick-up dalla membrana del plasma, a differenza di WST-124. Simile a DPIP, FeCN ha dimostrato di essere ridotto extracellularly a ferrocianuro di tPMET senza l’ausilio di intermedi elettroni accettori19,24. A differenza di WST-1 e DPIP, FeCN ha un coefficiente di estinzione molare basso che conduce a un più basso dosaggio sensibilità9. Un altro accettore di elettroni extracellulare comunemente usate per monitorare tPMET è ferricitocromo c. simile a WST-1, ferricitocromo c riduzione aumenta con l’uso di accettore di elettroni intermedi, mPMS22. A differenza di WST-1 però, il metodo di ferricitocromo c è meno sensibile a causa di un’alta priorità bassa e un coefficiente di estinzione molare basso22.
Qui presentiamo un metodo per l’analisi in tempo reale di tPMET attraverso analisi spettrofotometriche. Il metodo utilizzato l’accettori extracellulari WST-1 e DPIP, dato che entrambi hanno un coefficiente di estinzione molare alta mentre essendo meno costoso rispetto agli altri comunemente usato accettori extracellulari quali ferricitocromo c. Abbiamo utilizzato fenazina methosulfate (PMS) invece di mPMS hanno una composizione chimica simile e PMS è molto meno costoso. mPMS è fotochimicamente stabile che è una caratteristica importante per un kit commerciale che ha bisogno di una lunga shelf life. Tuttavia, facciamo PMS fresco per ogni dosaggio, quindi stabilità non dovrebbe essere un problema. Presentiamo anche un metodo per valutare le possibili interazioni enzimatiche (Vedi Figura 1) tra il ricettore dell’elettrone extracellulare ed enzimi che possono essere utilizzati per caratterizzare ulteriormente il processo di tPMET. In particolare, gli enzimi AO e SOD può essere usato determinano quale parte del tPMET è dovuto al trasporto dell’ascorbato o rilascio extracellulare del superossido, due metodi comuni per gli elettroni essere trasportato attraverso la membrana plasmatica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo presentato due metodi per utilizzare extracellulare accettori, WST-1 e DPIP, nelle analisi spettrofotometriche per monitorare tPMET in miotubi C2C12. Con la crescita di linee cellulari nelle procedure standard di cultura e di un lettore di piastra spettrofotometro, è possibile monitorare tPMET con questi accettori in un’analisi semplice micropiastra. WST-1 riduzione è riproducibile dal pozzetto a altro all’interno di un test, ma non c’è variabilità giorno per giorno. Il quotidiano coefficiente di variazione (…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare Thomas Bell, Lyn Mattathil, Mark Mannino e Neej Patel per il loro supporto tecnico. Questo lavoro è stato supportato dal premio United States Public Health Service R15DK102122 dall’Istituto nazionale di diabete e digestivo e malattie renali (NIDDK) a Jonathan Fisher. Il contenuto del manoscritto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresentano necessariamente il punto di vista ufficiale il NIDDK o il National Institutes of Health.
Materials
| C2C12 myoblasts | American Type Culture Collection | CRL-1772 | |
| Dulbecco's modified eagle's medium – low glucose | Sigma | D6046 | |
| Fetal Plex animal serum complex | Gemini Bio-Products | 100-602 | |
| penicillin-streptomycin | Sigma | 516106 | |
| horse serum | Gibco Technologies | 16050-130 | |
| Dulbecco's phosphate buffered saline | Sigma | D8537 | |
| trypsin-EDTA | Sigma | T4049 | |
| 15 cm culture dishes | TPP | 93150 | |
| 96 well culture plates | TPP | 92096 | |
| 2-(4-Iodophenyl)-3-(4-nitrophenyl)-5-(2,4-disulfophenyl)-2H-tetrazolium Sodium Salt (WST-1) | Accela ChemBio Inc | SY016315 | |
| phenazine methosulfate | Sigma | P9625 | |
| L-ascorbic acid | Sigma | A5960 | |
| ascorbate oxidase | Sigma | A0157 | |
| superoxide dismutase | Sigma | S5395 | |
| 2,6-dichloroindophenol sodium salt | ICN Biomedicals | 215011825 | |
| D-(+)-glucose | Sigma | G7528 | |
| HEPES sodium salt | Sigma | H3784 | |
| sodium chloride | Sigma | S7653 | |
| potassium chloride | Fisher Scientific | BP366 | |
| magnesium sulfate heptahydrate | Sigma | M5921 | |
| calcium chloride dihydrate | Sigma | C7902 | |
| potassium phosphate | Fisher Scientific | BP363 | |
| Pierce BCA Protein Assay Kit | Thermo Scientific | 23225 | |
| Powerwave X-I spectrophotometer | Biotek Insturments | discontinued | |
| Spectronic Genesys 5 Spectrophotometer | Thermo Scientific | 336001 | |
| PureGrade 96-well microplate, F-bottom, clear, untreated, non-sterile | MidSci | 781602 | |
| Iron (II) chloride tetrahydrate | Sigma | 220299 | |
| Iron (II) sulfate heptahydrate | Sigma | 215422 | |
| hypoxanthine | Sigma | H9636 | |
| xanthine oxidase | Sigma | X4500 | |
| Excel | Microsoft | ||
| R Studio | Rstudio | https://www.rstudio.com/products/rstudio/ | |
| KC4 | Biotek Insturments | discontinued |
References
- Kilberg, M. S., Christensen, H. N. Electron-transferring enzymes in the plasma membrane of the Ehrlich ascites tumor cell. Biochimie. 18 (8), 1525-1530 (1979).
- Crane, F. L., Roberts, H., Linnane, A. W., Low, H. Transmembrane ferricyanide reduction by cells of the yeast Saccharomyces cerevisiae. J Bioenerg Biomembr. 14 (3), 191-205 (1982).
- Craig, T. A., Crane, F. L. Evidence for trans-plasma membrane electron transport system in plact cells. Proc. Indiana Acad. Sci. 90, 150-155 (1981).
- Mishra, R. K., Passow, H. Induction of intracellular ATP synthesis by extracellular ferricyanide in human red blood cells. J Membr Biol. 1 (1), 214-224 (1969).
- Crane, F. L., Sun, I. L., Clark, M. G., Grenbing, C., Low, H. Transplasma-membrane redox systems in growth and development. Biochim Biophys Acta. 811, 233-264 (1985).
- Berridge, M. V., Tan, A. S. Trans-plasma membrane electron transport: a cellular assay for NADH- and NADPH-oxidase based on extracellular, superoxide-mediated reduction of the sulfonated tetrazolium salt WST-1. Protoplasma. 205 (1-4), 74-82 (1998).
- Eccardt, A. M., et al. Trans-plasma membrane electron transport and ascorbate efflux by skeletal muscle. Antioxidants. 6 (4), 89 (2017).
- Sun, I. L., Navas, P., Crane, F. L., Morre, D. J., Low, H. NADH diferric transferrin reductase in liver plasma membrane. J Biol Chem. 262 (33), 15915-15921 (1987).
- Larm, J. A., Vaillant, F., Linnane, A. W., Lawen, A. Up-regulation of the plasma membrane oxidoreductase as a prerequisite for the viability of human Namalwa rho 0 cells. J Biol Chem. 269 (48), 30097-30100 (1994).
- Inman, R. S., Coughlan, M. M., Wessling-Resnik, M. Extracellular ferrireductase activity of K562 cells is coupled to transferrin-independent iron transport. Biochimie. 33, 11850-11857 (1994).
- Castillo-Olivares, A., Esteban del Valle, A., Marquez, J., Nunez de Castro, I., Medina, M. A. Ehrlich cell plasma membrane redox system is modulated through signal transduction pathways involving cGMP and Ca2+ as second messengers. J Bioenerg Biomembr. 27 (6), 605-611 (1995).
- Medina, M. A., del Castillo-Olivares, A., Nunez de Castro, I. Multifunctional plasma membrane redox systems. Bioessays. 19 (11), 977-984 (1997).
- Medina, M. A., del Castillo-Olivares, A., Schweigerer, L. Plasma membrane redox activity correlates with N-myc expression in neuroblastoma cells. FEBS Lett. 311 (2), 99-101 (1992).
- Diaz-Gomez, C., Villalba, J. M., Perez-Vicente, R., Crane, F. Ascorbate Stabilization Is Stimulated in rho(0)HL-60 Cells by CoQ10 Increase at the Plasma Membrane. Biochem Biophys Res Commun. 234, 79-81 (1997).
- Navarro, F., et al. Protective role of ubiquinone in vitamin E and selenium-deficient plasma membranes. Biofactors. 9 (2-4), 163-170 (1999).
- Herst, P. M., Berridge, M. V. Cell surface oxygen consumption: a major contributor to cellular oxygen consumption in glycolytic cancer cell lines. Biochim Biophys Acta. 1767 (2), 170-177 (2007).
- Baoutina, A., Dean, R. T., Jessup, W. Trans-plasma membrane electron transport induces macrophage-mediated low density lipoprotein oxidation. FASEB J. 15 (9), 1580-1582 (2001).
- Furukawa, S., et al. Increased oxidative stress in obesity and its impact on metabolic syndrome. J Clin Invest. 114 (12), 1752-1761 (2004).
- Del Principe, D., Avigliano, L., Savini, I., Catani, M. V. Trans-plasma membrane electron transport in mammals: functional significance in health and disease. Antioxid Redox Signal. 14 (11), 2289-2318 (2011).
- Berridge, M. V., Tan, A. S. High-Capacity Redox Control at the Plasma Membrane of Mammalian Cells Trans-Membrane, Cell Surface, and Serum NADH-Oxidases. Antioxidants & Redox Signaling. 2 (2), 231-242 (2000).
- Ishiyama, M., Shiga, M., Sasamoto, K., Mizoguchi, M., He, P. G. A New Sulfonated Tetrazolium Salt That Produces a Highly Water-Soluble Formazan Dye. Chemical & Pharmaceutical Bulletin. 41 (6), 1118-1122 (1993).
- Berridge, M. V., Herst, P. M., Tan, A. S. Tetrazolium dyes as tools in cell biology: New insights into their cellular reduction. Biotechnology Annual Review. 11, 127-152 (2005).
- Gurtoo, H. L., Johns, D. G. On the interaction of the electron acceptor 2,6-dichlorophenolindophenol with bovine milk xanthine oxidase. J Biol Chem. 246 (2), 286-293 (1971).
- Tan, A. S., Berridge, M. V. Distinct trans-plasma membrane redox pathways reduce cell-impermeable dyes in HeLa cells. Redox Rep. 9 (6), 302-306 (2004).
- . . R: A language and environment for statistical computing. , (2013).
- Peskin, A. V., Winterbourn, C. C. A microtiter plate assay for superoxide dismutase using a water-soluble tetrazolium salt (WST-1). Clinica Chimica Acta. 293 (1-2), 157-166 (2000).
- Higaki, Y., et al. Oxidative stress stimulates skeletal muscle glucose uptake through a phosphatidylinositol 3-kinase-dependent pathway. Am J Physiol Endocrinol Metab. 294 (E889-E897), (2008).
- Zuagg, W. Spectroscopic characteristics and some chemical propertiesof N-methylphenazinium methyl sulfate (phenazine methosulfate) and pyocyanine at the oxidation level. J Biol Chem. 239 (11), 3964-3970 (1964).
- Dayan, J., Dawson, C. R. Substrate specificity of ascorbate oxidase. Biochem Biophys Res Commun. 73 (2), 451-458 (1976).
- Bellavite, P., della Bianca, V., Serra, M. C., Papini, E., Rossi, F. NADPH oxidase of neurtrophils forms superoxide anion but does not reduce cytochrome c and dichlorophenolindophenol. FEBS. 170 (1), 157-161 (1984).
- Berridge, M. V., Tan, A. S., McCoy, K. D., Wang, R. The biochemical and cellular basis of cell proliferation assays that use tetrazolium salts. Biochemica. 4, 15-20 (1996).
- Tan, A. S., Berridge, M. V. Superoxide produced by activated neutrophils efficiently reduces the tetrazolium salt, WST-1 to produce a soluble formazan: a simple colorimetric assay for measuring respiratory burst activation and for screening anti-inflammatory agents. J Immunol Methods. 238 (1-2), 59-68 (2000).
- Phillips, P. A., et al. Myricetin induces pancreatic cancer cell death via the induction of apoptosis and inhibition of the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) signaling pathway. Cancer Letters. 308 (2), 181-188 (2011).
- Altundag, E., et al. Quercetin-induced cell death in human papillary thyroid cancer (B-CPAP) cells. Journal of thyroid research. 2016 (8), (2015).
- Ukeda, H., Kawana, D., Maeda, S., Sawamura, M. Spectrophotometric Assay for Superoxide Dismutase Based on the Reduction of Highly Water-soluble Tetrazolium Salts by Xanthine-Xanthine Oxidase. Biosci Biotechnol Biochem. 63 (3), 485-488 (1999).
- Halaka, F. G., Babcock, G. T., Dye, J. L. Properties of 5-methylphenazinium methyl sulfate. Reaction of the oxidized form with NADH and of the reduced form with oxygen. J Biol Chem. 257 (3), 1458-1461 (1982).
- Maghzal, G. J., Krause, K. H., Stocker, R., Jaquet, V. Detection of reactive oxygen species derived from the family of NOX NADPH oxidases. Free Radic Biol Med. 53 (10), 1903-1918 (2012).
