포유류 세포의 박테리아 감염 후 스트레스 과립 형성의 면역 형광 분석
Summary
우리는 세포가 박테리아와 여러 가지 스트레스에 도전을받은 후 포유류 세포에서 스트레스 과립 형성의 정성 및 정량 분석 방법을 설명합니다. 이 프로토콜은 광범위한 호스트 – 박테리아 상호 작용에서 세포 스트레스 과립 반응을 조사하는 데 적용 할 수 있습니다.
Abstract
세포 구성 요소의 형광 이미징은 숙주 – 병원체 상호 작용을 조사하는 효과적인 도구입니다. 병원균은 세포 소기관의 초 미세 구조, 세포 골격 네트워크 조직 및 스트레스 과립 (SG) 형성과 같은 세포 과정을 포함하여 감염된 세포의 다양한 특성에 영향을 줄 수 있습니다. 어떻게 병원균이 숙주 과정을 파괴하는지에 대한 특성 규명은 발병 기전의 중요하고 필수적인 부분이다. 다양한 표현형이 쉽게 볼 수 있지만, 병원균 공격에 의해 유발 된 세포 구조의 질적 및 양적 차이에 대한 정확한 분석은 실험 및 대조군 시료간에 통계적으로 중요한 차이를 정의하는 데 필수적입니다. SG 형성은 항 바이러스 반응을 유도하는 진화론 적으로 보전 된 스트레스 반응이며, 바이러스 감염을 이용하여 오랫동안 연구되어왔다. SG 형성은 또한 신호 계통에 영향을 미치고 다른 아직 알려지지 않은 conseq2 . 박테리아 병원균과 같은 바이러스 이외의 병원균에 대한 스트레스 반응의 특성화는 현재 연구의 새로운 영역 3 입니다. 현재 바이러스 성 시스템에서도 SG 형성에 대한 정량 분석과 정성 분석은 아직 일상적으로 사용되지 않고 있습니다. 여기서 우리는 다양한 외인성 응력에 대응하여 SGs의 형성에 영향을주는 세포 독성 세균 병원체에 감염된 세포 및 감염되지 않은 세포에서 SG 형성을 유도하고 특징 화하기위한 간단한 방법을 기술한다. SG 생성 및 구성 분석은 다양한 SG 마커와 오픈 소스 이미지 분석 도구 인 ICY의 스팟 디텍터 플러그인을 사용하여 이루어집니다.
Introduction
세포 수준에서 숙주 – 병원체 상호 작용을 시각화하는 것은 병원성 전략에 대한 통찰력을 얻고 주요 세포 경로를 확인하는 강력한 방법입니다. 사실 병원균은 중요한 세포 표적이나 구조를 정확히 찾아내는 도구로 사용될 수 있습니다. 병원균은 생존이나 번식을위한 전략으로 중앙 세포 과정을 파괴하기 위해 진화했습니다. 형광 성분을 가진 숙주 단백질을 재조합 적으로 발현시킴으로써 세포 성분의 시각화를 달성 할 수 있습니다. 이것은 실시간 분석을 가능하게하지만, 특이 적으로 표지 된 숙주 단백질을 갖는 세포주의 생성은 매우 힘들고 바람직하지 않은 부작용을 초래할 수있다. 다중 항원 인자를 동시에 분석 할 수 있고 특정 세포 유형에만 국한되지 않기 때문에 특정 항체를 사용하여 세포 인자를 검출하는 것이 더 편리합니다. 단점은 immunofluorescence 분석은 숙주 세포 고정을 필요로하기 때문에 고정보기 만 캡처 할 수 있다는 것입니다이온. 그러나, immunofluorescence 이미징의 중요한 장점은 쉽게 질적 및 양적 분석 모두에 도움이된다는 것입니다. 이것은 차례로 호스트 – 병원체 상호 작용에 대한 새로운 통찰력을 제공하기 위해 통계적으로 중요한 차이를 얻는 데 사용될 수 있습니다.
형광 이미지 분석 프로그램은 3D 및 4D 분석을 수행하는 강력한 분석 도구입니다. 그러나 소프트웨어 및 유지 보수 비용이 높기 때문에 무료 오픈 소스 소프트웨어를 기반으로 한 방법이 더 널리 알려집니다. 생체 분석 소프트웨어를 사용하여 신중한 이미지 분석은 시각적 분석을 실체화하고 통계적 유의성을 부여 할 때 주어진 표현형의 정확성에 대한 신뢰도를 높이기 때문에 가치가 있습니다. 이전에는 SG가 무료 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 분석되었으므로 개별 SG를 수동으로 식별해야했습니다 4 . 여기에 우리는 bac의 맥락에서 세포 SG 형성의 유도와 분석을위한 프로토콜을 제공한다.(http://icy.bioimageanalysis.org)를 사용하여 테리아 (terial) 감염을 예방할 수 있습니다. 바이오 이미지 분석 소프트웨어에는 SG 분석에 매우 적합한 스팟 디텍터 프로그램이 내장되어 있습니다. 지정된 관심 영역 (ROI)에서 자동화 된 탐지 프로세스를 미세 조정할 수 있습니다. 이는 개별 SG에 대한 수동 분석의 필요성을 극복하고 샘플링 편차를 제거합니다.
많은 환경 적 스트레스는 직경이 0.2 – 5 μm 인 상 고밀도 세포질, 비막 성 구조 인 SGs의 형성을 유도한다. 이 세포 반응은 효모, 식물 및 포유 동물에서 진화 적으로 보존되며 전 세계 단백질 번역이 금지 될 때 발생합니다. SG 로의 stalled translation initiation complex의 응집을 포함하며, SG는 translationally-inactive mRNA의 보유 장소로 간주되어 세포 mRNA의 일부를 선택적으로 번역 할 수있다.스트레스를 제거하면 SG가 분해되고 단백질 합성의 전체 속도가 재개됩니다. SG는 정확한 신랄한 구성이 적용되는 응력에 따라 달라질 수 있지만 번역 신생 개시 인자, RNA 대사에 관여하는 단백질, RNA 결합 단백질, 그리고 스 캐 폴딩 단백질 및 숙주 세포 신호 전달에 관련된 인자로 구성된다. SG 형성을 유도하는 환경 요인으로는 아미노산 결핍, 자외선 조사, 열 쇼크, 삼투압 쇼크, 소포체 세균 스트레스, 저산소증 및 바이러스 감염 2 , 7 , 8이있다 . 박테리아, 곰팡이 또는 원충 병원체와 같은 다른 병원체가이 세포 성 스트레스 반응에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서는 아직 거의 알려지지 않았지만 바이러스가 유도하는 방법과 SG 형성을 파괴하는 방법에 대한 많은 진전이있었습니다.
시게lla flexneri는 사람의 그람 음성 음성 매개 성 세포질 병원체이며 심한 설사 또는 세균성 경화증의 원인균이다. 이질균증은 주요 공중 보건 부담이며 5 세, 9 세 이하의 어린이에서 매년 2 만 8 천명의 사망자를 발생시킵니다. S. flexneri 는 결장 상피를 감염시키고 숙주의 세포 골격 구성 요소 11 , 12 를 하이재킹하여 세포 대 세포를 퍼집니다. 상피의 감염은 세포질 내에서의 플레 서 네리 ( flexneri) 의 복제를지지하지만, 감염된 대식 세포는 열광 증 (pyroptosis)이라 불리는 염증 세포 사멸 과정을 통해 사망한다. 감염은 호중구와 열, 산화 스트레스 및 조직 파괴를 동반하는 심한 염증의 대규모 모집으로 이어집니다. 따라서, 감염된 세포는 골지사 파괴, 유전 독성 스트레스 및 세포 골격 재 배열과 같은 감염에 의해 유도 된 내부 스트레스를받는 반면감염된 세포는 또한 염증 과정으로 인해 환경 스트레스를받습니다.
다수의 SG 마커를 사용하여 환경 스트레스에 반응하는 세포의 능력에 대한 S. flexneri 감염의 특성화는 감염이 SG 조성 3의 질적 및 양적 차이를 유도한다는 것을 입증했다. 그러나 다른 박테리아 병원균에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기에서 우리는 cytosolic 병원체 S. flexneri , 다른 환경 스트레스와 세포의 스트레스, SG 구성 요소의 표시 및 감염의 맥락에서 SG 형성과 구성의 질적 및 정량 분석과 숙주 세포의 감염에 대한 방법론을 설명합니다 및 비 감염 세포. 이 방법은 다른 세균 병원균에 널리 적용 할 수 있습니다. 또한, SG 형성의 이미지 분석은 바이러스 또는 다른 병원균에 의한 감염에 사용될 수있다. SG를 분석하는 데 사용할 수 있습니다.감염시의 형성 또는 외인성 응력에 대한 SG 형성에 대한 감염의 효과.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 설명 된 프로토콜은 외인성 스트레스의 존재 또는 부재 하에서 cytosolic 병원체 S. flexneri 에 감염된 세포 및 감염되지 않은 세포에서 SG의 유도, 국소화 및 분석을 설명합니다. 자유 이미징 소프트웨어를 사용하여 프로토콜은 주어진 phenotypes의 차이를 식별하고 통계적으로 처리하기 위해 SG 형성에 대한 정확한 질적 및 양적 분석을 허용합니다.
감염, SG 유도 및 영…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
PS는 Bill and Melinda Gates 그랜드 챌린지 그랜트 OPP1141322의 수령자입니다. PV는 스위스 국립 과학 재단 Early Postdoc Mobility 펠로우쉽과 Roux-Cantarini 박사후 연구원의 후원으로 지원되었습니다. PJS는 HHMI 보조금 및 ERC-2013-ADG 339579-Decrypt에서 지원됩니다.
Materials
| Primary Antibodies | |||
| eIF3b (N20), origin goat | Santa Cruz | sc-16377 | Robust and widely used SG marker. Cytosolic staining allows cell delineation. Dilution 1 in 300 |
| eIF3b (A20), origin goat | Santa Cruz | sc-16378 | Same target as eIF3b (N20) and in our hands was identical to eIF3b (N20). Dilution 1 in 300 |
| eIF3A (D51F4), origin rabbit (MC: monoclonal) | Cell Signaling | 3411 | Part of multiprotein eIF3 complex with eIF3b . Dilution 1 in 800 |
| eIF4AI, origin goat | Santa Cruz | sc-14211 | Recommended by (Ref # 13). Dilution 1 in 200 |
| eIF4B, origin rabbit | Abcam | ab186856 | Good stress granule marker in our hands. Dilution 1 in 300 |
| eIF4B, origin rabbit | Cell Signaling | 3592 | Recommended by Ref # 13. Dilution 1 in 100 |
| eIF4G, origin rabbit | Santa Cruz | sc-11373 | Widely used SG marker. (Ref # 13): may not work well in mouse cell lines. Dilution 1 in 300 |
| G3BP1, origin rabbit (MC: monoclonal) | BD Biosciences | 611126 | Widely used SG marker. Dilution 1 in 300 |
| Tia-1, origin goat | Santa Cruz | sc-1751 | Widely used SG marker. Can also be found in P bodies when SG are present (Ref # 13). Dilution 1 in 300 |
| Alexa-conjugated Secondary Antibodies | |||
| A488 anti-goat , origin donkey | Thermo Fisher | A-11055 | Cross absorbed. Dilution 1 in 500 |
| A568 anti-goat, origin donkey | Thermo Fisher | A-11057 | Cross absorbed. Dilution 1 in 500 |
| A488 anti-mouse, origin donkey | Thermo Fisher | A-21202 | Dilution 1 in 500 |
| A568 anti-mouse, origin donkey | Thermo Fisher | A10037 | Dilution 1 in 500 |
| A647 anti-mouse, origin donkey | Thermo Fisher | A31571 | Dilution 1 in 500 |
| A488 anti-rabbit, origin donkey | Thermo Fisher | A-21206 | Dilution 1 in 500 |
| A568 anti-rabbit, origin donkey | Thermo Fisher | A10042 | Dilution 1 in 500 |
| Other Reagents | |||
| Shigella flexneri | Available from various laboratories by request | ||
| Tryptone Casein Soya (TCS) broth | BD Biosciences | 211825 | Standard growth medium for Shigella, application – bacterial growth |
| TCS agar | BD Biosciences | 236950 | Standard growth agar for Shigella, application – bacterial growth |
| Congo red | SERVA Electrophoresis GmbH | 27215.01 | Distrimination tool for Shigell that have lost the virulence plasmid, application – bacterial growth |
| Poly L lysine | Sigma-Aldrich | P1274 | Useful to coating bacteria to increase infection, application – infection |
| Gentamicin | Sigma-Aldrich | G1397 | Selective killing of extracellular but not cytosolic bacteria, application – infection |
| HEPES | Life Technologies | 15630-056 | PH buffer useful when cells are incubated at room-temperature, application – cell culture |
| DMEM | Life Technologies | 31885 | Standard culture medium for HeLa cells, application – cell culture |
| Fetal calf serum | Biowest | S1810-100 | 5% supplementation used for HeLa cell culture medium, application – cell culture |
| Non-essential amino acids | Life Technologies | 11140 | 1/100 dilution used for HeLa cell culture medium, application – cell culture |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | Reagent diluent, application – cell culture |
| Sodium arsenite | Sigma-Aldrich | S7400 | Potent stress granule inducer (Note: highly toxic, special handling and disposal required), application – stress inducer |
| Clotrimazole | Sigma-Aldrich | C6019 | Potent stress granule inducer (Note:health hazard, special handling and disposal required), application – stress inducer |
| PFA | Electron Microscopy Scences | 15714 | 4% PFA is used for standard fixation of cells, application – fixation |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Used at 0.03% for permeabilizationof host cells before immunofluorescent staining, application – permeabilization |
| A647-phalloidin | Thermo Fisher | A22287 | Dilution is at 1/40, best added during 2ary antibody staining, application – staining |
| DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 | Nucleid acid stain used to visualize both the host nucleus and bacteria, application – staining |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | BR701501 | Paraffin film useful for immunofluorescent staining of coverslips, application – staining |
| Prolong Gold | Thermo Fisher | 36930 | Robust mounting medium that works well for most fluorophores , application – mounting |
| Mowiol | Sigma-Aldrich | 81381 | Cheap and robust mounting medium that works well for most fluorophores, application – mounting |
| 24-well cell culture plate | Sigma-Aldrich | CLS3527 | Standard tissue culture plates, application – cell culture |
| 12-mm glass coverslips | NeuVitro | 1001/12 | Cell culture support for immunofluorescent applications, application – cell support |
| forceps | Sigma-Aldrich | 81381 | Cheap and obust mounting medium that works well for most fluorophores, application – mounting |
| Programs and Equipment | |||
| Prism | GraphPad Software | Data analysisand graphing program with robust statistical test options, application – data analysis | |
| Leica SP5 | Leica Microsystems | Confocal microsope, application – image acquisition | |
| Imaris | Bitplane | Professional image analysis program, application – data analysis | |
| Excel | Microsoft | Data analysis and graphing program, application – data analysis | |
Riferimenti
- Reineke, L. C., Lloyd, R. E. Diversion of stress granules and P-bodies during viral infection. Virology. 436 (2), 255-267 (2013).
- Kedersha, N., Ivanov, P., Anderson, P. Stress granules and cell signaling: more than just a passing phase. Trends Biochem Sci. 38 (10), 494-506 (2013).
- Vonaesch, P., Campbell-Valois, F. -. X., Dufour, A., Sansonetti, P. J., Schnupf, P. Shigella flexneri modulates stress granule composition and inhibits stress granule aggregation. Cell Microbiol. 18 (7), 982-997 (2016).
- Kolobova, E., Efimov, A., et al. Microtubule-dependent association of AKAP350A and CCAR1 with RNA stress granules. Exp Cell Res. 315 (3), 542-555 (2009).
- Anderson, P., Kedersha, N. Stress granules: the Tao of RNA triage. Trends in biochemical sciences. 33 (3), 141-150 (2008).
- Anderson, P., Kedersha, N. Stressful initiations. J Cell Sci. 115, 3227-3234 (2002).
- Mohr, I., Sonenberg, N. Host translation at the nexus of infection and immunity. Cell Host Microbe. 12 (4), 470-483 (2012).
- Hu, S., Claud, E. C., Musch, M. W., Chang, E. B. Stress granule formation mediates the inhibition of colonic Hsp70 translation by interferon- and tumor necrosis factor. Am J Physiol Gastointest Liver Physiol. 298 (4), 481-492 (2010).
- Barry, E. M., Pasetti, M. F., Sztein, M. B., Fasano, A., Kotloff, K. L., Levine, M. M. Progress and pitfalls in Shigella vaccine research. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 10 (4), 245-255 (2013).
- Lanata, C. F., Fischer-Walker, C. L., et al. Global Causes of Diarrheal Disease Mortality in Children. PloS One. 8 (9), 72788 (2013).
- Ashida, H., Ogawa, M., et al. Shigella deploy multiple countermeasures against host innate immune responses. Curr Opin Microbiol. 14 (1), 16-23 (2011).
- Ashida, H., Ogawa, M., Mimuro, H., Kobayashi, T., Sanada, T., Sasakawa, C. Shigella are versatile mucosal pathogens that circumvent the host innate immune system. Curr Opin Immunol. 23 (4), 448-455 (2011).
- Kedersha, N., Anderson, P. Mammalian stress granules and processing bodies. Methods Enzymol. 431, 61-81 (2007).
- Ray, K., Marteyn, B., Sansonetti, P. J., Tang, C. M. Life on the inside: the intracellular lifestyle of cytosolic bacteria. Nat Re. Micro. 7 (5), 333-340 (2009).
