Summary

טיהור בקנה מידה גדולה של מגזרי בשר חזירים או שור קולטי אור חיצוני למבחני phagocytosis על תאי הרשתית פיגמנט אפיתל

Published: December 12, 2014
doi:

Summary

This article describes the protocol for the purification of photoreceptor outer segment fragments (POS) via ultracentrifugation from porcine/bovine retinae using homogenization and sucrose gradient centrifugation. This protocol allows the preparation of large stocks of POS aliquots, labeled or unlabeled, that can then be stored at -80 °C.

Abstract

ניתוח של אחד מתפקידיה החיוניים של אפיתל של רשתית פיגמנט (RPE) תאים, phagocytosis של שברי דיסטלי גילאים בילו של מגזרים חיצוניים קולטי אור (POS) יכול להתבצע במבחנה. מגזרים חיצוניים קולטי אור עם ערימות של דיסקים קרומיים המכילים את מכונות phototransduction מתחדשות ללא הרף ברשתית. POS בילה בוטלו מדי יום על ידי תאי RPE. מכרסמים חזירי / שור ותאי RPE אנושיים, להכיר POS ממינים שונים באופן דומה. כדי להקל על ביצוע סדרה גדולה של ניסויים עם שונות קטנות, מלאי גדול של קופה יכולה להיות מבודד מעיניים חזיריות ומאוחסן קפוא בaliquots. פרוטוקול זה מנצל את המאפיין של photopigments המציג צבע כתום כאשר כל הזמן בחושך. תחת אור אדום עמום, רשתיות נאספים במאגר מeyecups פתח לחתוך בחצי. ההשעיה תא הרשתית הומוגני, מסונן והועמסה על שיפוע סוכרוז רציף. לאחר CENtrifugation, POS נמצא בלהקה בדידה בחלק העליון של השיפוע שיש לו צבע כתום אופייני. POS נאסף אז, הסתובב, resuspended ברצף במאגרים לשטוף, נספר וaliquoted. קופה השיגה בדרך זו יכולה לשמש למבחני phagocytosis וניתוח של הפעלת חלבון, לוקליזציה או אינטראקציה בזמנים שונים לאחר אתגר POS. לחלופין, POS יכול להיות מתויג עם fluorophores, דואר. G., FITC, לפני aliquoting לכימות שלאחר מכן הקרינה של POS מחייב או בליעה. יישומים אפשריים נוספים כוללים שימוש באתגר קופה או קופה שונה בשילוב עם תנאי לחץ כדי לחקור את ההשפעה של סטרס חמצוני או הזדקנות על תאי RPE.

Introduction

ברשתית, ראייה מופעלת על ידי isomerization של מולקולות רגישות לאור הנקראות opsins, לפני שהפך לאות שניתן להעביר בין הנוירונים עד לאזורים החזותיים במוח. מולקולות אלה מוטבעים בערימות של דיסקים קרומיים הדומים פנקייק, המהווה את החלקים החיצוניים קטע של תאי קולטי אור (PRS). נתון חשיפה מתמדת לאור ולכן רמות ניכרות של סטרס חמצונים, הפורטוריקנים ברציפות לחדש מגזרים החיצוניים שלהם כדי להגביל את נזק חמצוני פוטנציאלי. מגזרים חיצוניים קולטי אור נמצאים בקשר הדוק עם microvilli הפסגה של התאים השכנים אפיתל הפיגמנט ברשתית (RPE). תאי RPE מהווים חלק החיצוני של מחסום הדם-רשתית ולהבטיח שורה ארוכה של משימות שהם חיוניים לבריאות קולטנית אור ופונקצית 1, כגון מרווה קרני אור באמצעות פיגמנטים המלנין, מחדש isomerization של רשתית מרכיב opsin photoreactive, חומרים מזינים ומתן growth גורמים, משתתף ברשות המטבוליט יחסי הציבור.

בנוסף, תאי RPE לחסל בילו POS ולמחזר מרכיביהם, כיבוש יומי שמוסדר על ידי מקצב צירקדי ברשתית יונקים 2,3. האישור של קופה סככה הוא הכרחי להישרדות יחסי ציבור. כאשר הוא ביטל לחלוטין, לצבור פסולת קופה והפורטוריקנים להידרדר גורמים 4,5 אובדן ראייה מהיר. אם הפרופיל הקצבי הולך לאיבוד והוחלף על ידי פעילות מתמדת, פגמי יחסי הציבור והרשתית לצבור עם גיל 6. לכן, חשוב מאוד לאפיין את הרגולציה המולקולרית של phagocytosis הרשתית במבחנה כדי להבין פנוטיפים הקשורים לבעיות בתפקודה. מעניין, את המנגנון המולקולרי בתאי הרשתית הוא מאוד דומה לזה המשמש על ידי מקרופאגים כדי לנקות תאים אפופטוטיים ושניהם תלויים בהכרה של phosphatidylserine נחשף בפסולת phagocytic 7-9. ובכל זאת, תאי הרשתית ומקרופאגים להסדיר phagocytosis שונה, כמו מקרופאגים לבחור לחיסול מיידי של תאים אפופטוטיים בזמן מפגש בזמן שתאי RPE בקצב לבלוע POS רק פעם ביום למרות הקשר הקבוע שלהם עם מגזרים חיצוניים. הדבר מצביע על מנגנוני רגולציה ספציפיים שעדיין אינם מובנות במלואו.

רב של המולקולות מעורבות במכונות phagocytic הרשתית זוהו או תוקף הודות לשימוש בקופה מבודדת ומבחני phagocytosis תרבית תאים. קולט integrin alphavbeta5 ממוקם על פני תא פסגת הרשתית, בתיאום עם יגנד MFG-E8, נקשר באופן ספציפי ל10-12 POS, אשר לאחר מכן הם הפנימו באמצעות קולטן טירוזין קינאז MerTK 13-15. קולט נבלות CD36 הוכח להשתתף בצריכת קופה ולהשפיע על המהירות שלו 16,17, ועשוי לשמש כחיישן של פוספוליפידים חמצון על פני השטח POS 18. הפנמה צריכה הגיוס של שלד תא-התחת F- אקטיןחלבוני ociated כגון Annexin 2 19, שרירן II 20 ושרירן VIIA 21,22. POS Native או מתחמצן במבחנה גם מנוצלים להבין פנוטיפים הזדקנות של תאי RPE in vivo קשורים להצטברות של POS מתעכל בצורה גרועה חמצון 23-28. הדור של תאי RPE שמקורם בתאי גזע יזם בקשה חדשה לקופה מבודדת המשמשים להוכחה פונקציונלי של תאים לפני שהם מושתלים לבעלי חיים או חולים 29,30,27.

תואר לראשונה על ידי Molday ועמיתים בשינה 1987 31, הפרוטוקול לבידודה של קופה שור משלב צעד ultracentrifugation של homogenates רשתית במילויי סוכרוז רציפים עם תצפית של המראה הכתום האופייני לphotopigment רשתית מולבן (ביצוע 11- רשתית cis). בעבר 10 השנים, בשל אמצעי זהירות שננקטה על מנת לצמצם את הסיכון של מחלת פרה משוגעת, שימוש בעיניים חזיריות הפכו increasingly בולט. הפרוטוקול המתואר כאן מראה כיצד להשיג כמויות גדולות של POS מחזירי או עיני שור שניתן aliquoted ומאוחסנים לפרקי זמן ממושכים. זו מבטלת את הצורך להכין POS מעיני מכרסם, המחייב שימוש במספר רב של בעלי חיים להכנת POS וassay 32,33,21,22. בנוסף, פרטים על תיוג POS לפני האחסון באמצעות מולקולות ניאון ניתנים, לכמת ולחזות POS באופן פשוט ובר-השוואה ליישומים מסוימים בהשוואה לקופת תיוג לאחר assay phagocytosis 32,10. לכן, מניות הגדולות אלה מאפשרים לשחזור וקלות שימוש בסוגים רבים ושונים של ניסויים.

Protocol

ניסוי בידוד POS זה זמן רב ועשוי לדרוש עד 12 שעות כדי להשלים אם POS מסומנים לפני האחסון. הפרוטוקול הותאם ממאמר שפורסם על ידי RS Molday ועמיתים בשנת 1987 31 ושונים על ידי SC Finnemann ועמיתים בשינה 1997 10. בעלי חיים טופלו על פי האגודה לחקר ח?…

Representative Results

השילוב של השיפוע סוכרוז ליניארי וultracentrifugation מאפשר ההפרדה של המרכיבים השונים של ההשעיה הרשתית על ידי צפיפות. תאי פסולת ורשתית רשתית גדולים יותר כבדים לשקוע או קרוב לתחתית של השיפוע (איור 2 א). קופה קלה יותר וקלים יותר תאים בודדים או פסולת תא מהרשתית להעביר להק?…

Discussion

שלושה שלבים או תנאים חיוניים לטיהור מותאמת: איכות ליהוק שיפוע ומניפולציה צינורות שיפוע עדינה, שמירה על רקמות מצוננות ובחושך עד שלב האיסוף, כוח של טלטול של homogenates הרשתית להשיג בידוד POS ראוי משאר יחסי הציבור תא. אם כמה בעיות מתעוררות ברואה הלהקה הכתומה כראוי, הם ככל הנרא…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי סוכנות הידיעות לאומי דה לה משוכלל ונדיר (Jeunes Chercheuses / Chercheurs Jeunes לEFN), Fondation Voir et Entendre וFondation טנקור שולר (מענקים לחוקר צעיר לEFN), המרכז הלאומי דה לה משוכלל ונדיר Scientifique (CNRS, משרה קבועה לEFN) , והעין הלאומית של המכון הלאומי לבריאות (R01-EY13295 לSCF). בנוסף, Institut de la החזון ממומן על ידי המכון הלאומי דה לה סנטה et de la משוכלל ונדיר Medicale, Université פייר et מארי קירי בפריז 6, המרכז הלאומי דה לה משוכלל ונדיר Scientifique ומחלקת de Paris.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Specific Material/Equipment
2-chamber gradient maker gradient maker with 30-ml chambers
3-mm diameter silicone tubing tubing for gradient casting
small size magnetic stir bar stir bar fitting the gradient maker chamber
red safelight lamp inactinic lamp for dissection in the dark
Ultra Clear 25×89 cm tubes Beckman 344058 ultracentrifugation tubes
PP Oak Ridge tubes Nalgene 3119-0050 30-mL centrifugation tubes 
Optima LE-80K  Beckman Coulter  365668 ultracentrifuge
SW 32Ti swing rotor Beckman Coulter  369694 swing rotor for ultracentrifuge
Avanti J-26 XP Beckman Coulter  393124 centrifuge
JA-25.50 rotor Beckman Coulter  363058 rotor for Avanti J-26 XP centrifuge
FITC Isomer I Life Technologies  F-1906 fluorescent dye
Other Material/Equipment
counting chamber (such as Neubauer or Malassez)
dark ice buckets with lids
scales
magnetic stirrer and upholding pole
refrigated microcentrifuge
37 °C water bath
-80 °C freezer
Consumables
labcoat Health and safety
gloves
sleeve protectors
googles
absorbent pads
biohazard trash bags and bins
Weck-Prep blades (60-mm/2.25-in wide razor blades) Dissection
15-cm plastic dish
sterile gauze sheets
15- and 50-mL tubes Common consumables
microtubes
aluminum foil

References

  1. Strauss, O. The retinal pigment epithelium in visual function. Physiol. Rev. 85 (3), 845-881 (2005).
  2. Young, R. W., Bok, D. Participation of the retinal pigment epithelium in the rod outer segment renewal process. J. Cell Biol. 42 (2), 392-403 (1969).
  3. LaVail, M. M. Rod outer segment disk shedding in rat retina: relationship to cyclic lighting. Science. 194 (4269), 1071-1074 (1976).
  4. Mullen, R. J., LaVail, M. M. Inherited retinal dystrophy: primary defect in pigment epithelium determined with experimental rat chimeras. Science. 192 (4241), 799-801 (1976).
  5. Nandrot, E., et al. Homozygous deletion in the coding sequence of the c-mer gene in RCS rats unravels general mechanisms of physiological cell adhesion and apoptosis. Neurobiol. Dis. 7 (6 pt B), 586-599 (2000).
  6. Nandrot, E. F., Kim, Y., Brodie, S. E., Huang, X., Sheppard, D., Finnemann, S. C. Loss of synchronized retinal phagocytosis and age-related blindness in mice lacking alphavbeta5 integrin. J. Exp. Med. 200 (12), 1539-1545 (2004).
  7. Finnemann, S. C., Rodriguez-Boulan, E. Macrophage and retinal pigment epithelium phagocytosis: apoptotic cells and photoreceptors compete for alphavbeta3 and alphavbeta5 integrins, and protein kinase C regulates alphavbeta5 binding and cytoskeletal linkage. J. Exp. Med. 190 (6), 861-874 (1999).
  8. Savill, J., Dransfield, I., Hogg, N., Haslett, C. Vitronectin receptor-mediated phagocytosis of cells undergoing apoptosis. Nature. 343 (6254), 170-173 (1990).
  9. Ruggiero, L., Connor, M. P., Chen, J., Langen, R., Diurnal Finnemann, S. C. localized exposure of phosphatidylserine by rod outer segment tips in wild-type but not Itgb5-/- or Mfge8-/- mouse retina. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109 (21), 8145-8148 (2012).
  10. Finnemann, S. C., Bonilha, V. L., Marmorstein, A. D., Rodriguez-Boulan, E. Phagocytosis of rod outer segments by retinal pigment epithelial cells requires alphavbeta5 integrin for binding but not for internalization. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94 (24), 12932-12937 (1997).
  11. Lin, H., Clegg, D. O. Integrin alphavbeta5 participates in the binding of photoreceptor rod outer segments during phagocytosis by cultured human retinal pigment epithelium. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 39 (9), 1703-1712 (1998).
  12. Nandrot, E. F., Anand, M., Almeida, D., Atabai, K., Sheppard, D., Finnemann, S. C. Essential role for MFG-E8 as ligand for alphavbeta5 integrin in diurnal retinal phagocytosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104 (29), 12005-12010 (2007).
  13. Feng, W., Yasumura, D., Matthes, M. T., LaVail, M. M., Vollrath, D. Mertk triggers uptake of photoreceptor outer segments during phagocytosis by cultured retinal pigment epithelial cells. J. Biol. Chem. 277 (19), 17016-17022 (2002).
  14. Finnemann, S. C. Focal adhesion kinase signaling promotes phagocytosis of integrin-bound photoreceptors. EMBO J. 22 (16), 4143-4154 (2003).
  15. Nandrot, E. F., Silva, K. E., Scelfo, C., Finnemann, S. C. Retinal pigment epithelial cells use a MerTK-dependent mechanism to limit the phagocytic particle binding activity of αvβ5 integrin. Biol. Cell. 104 (6), 326-341 (2012).
  16. Ryeom, S. W., Sparrow, J. R., Silverstein, R. L. CD36 participates in the phagocytosis of rod outer segments by retinal pigment epithelium. J. Cell Sci. 109 (2), 387-395 (1996).
  17. Finnemann, S. C., Silverstein, R. L. Differential roles of CD36 and alphavbeta5 integrin in photoreceptor phagocytosis by the retinal pigment epithelium. J. Exp. Med. 194 (9), 1289-1298 (2001).
  18. Sun, M., et al. Light-induced oxidation of photoreceptor outer segment phospholipids generates ligands for CD36-mediated phagocytosis by retinal pigment epithelium: a potential mechanism for modulating outer segment phagocytosis under oxidant stress conditions. J. Biol. Chem. 281 (7), 4222-4230 (2006).
  19. Law, A. L., et al. Annexin A2 regulates phagocytosis of photoreceptor outer segments in the mouse retina. Mol. Biol. Cell. 20 (17), 3896-3904 (2009).
  20. Strick, D. J., Feng, W., Vollrath, D. Mertk drives myosin II redistribution during retinal pigment epithelial phagocytosis. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 50 (5), 2427-2435 (2009).
  21. Gibbs, D., Kitamoto, J., Williams, D. S. Abnormal phagocytosis by retinal pigmented epithelium that lacks myosin VIIa, the Usher syndrome 1B protein. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100 (11), 6481-6486 (2003).
  22. Gibbs, D., Diemer, T., Khanobdee, K., Hu, J., Bok, D., Williams, D. S. Function of MYO7A in the human RPE and the validity of shaker1 mice as a model for Usher syndrome 1B. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 51 (2), 1130-1135 (2010).
  23. Kennedy, C. J., Rakoczy, P. E., Constable, I. J. Lipofuscin of the retinal pigment epithelium: a review. Eye (Lond.). 9 (Pt 6), 763-771 (1995).
  24. Finnemann, S. C., Leung, L. W., Rodriguez-Boulan, E. The lipofuscin component A2E selectively inhibits phagolysosomal degradation of photoreceptor phospholipid by the retinal pigment epithelium). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99 (6), 3842-3847 (2002).
  25. Sugano, E., Tomita, H., Ishiguro, S., Isago, H., Tamai, M. Nitric oxide-induced accumulation of lipofuscin-like materials is caused by inhibition of cathepsin. S. Curr. Eye Res. 31 (7-8), 607-616 (2006).
  26. Vives-Bauza, C., et al. The age lipid A2E and mitochondrial dysfunction synergistically impair phagocytosis by retinal pigment epithelial cells. J. Biol. Chem. 283 (36), 24770-24780 (2008).
  27. Singh, R., et al. Functional analysis of serially expanded human iPS cell-derived RPE cultures. Invest. Ophthalmol. Vis Sci. 54 (10), 6767-6778 (2013).
  28. Lei, L., Tzekov, R., McDowell, J. H., Smith, W. C., Tang, S., Kaushal, S. Formation of lipofuscin-like material in the RPE Cell by different components of rod outer segments. Exp. Eye Res. 112, 57-67 (2013).
  29. Carr, A. J., et al. Protective effects of human iPS-derived retinal pigment epithelium cell transplantation in the retinal dystrophic rat. PLoS One. 4 (12), 8152 (2009).
  30. Lustremant, C., et al. Human induced pluripotent stem cells reveal early developmental molecular correlates with a probable Leber congenital amaurosis type I. Cell. Reprogram. 15 (3), 233-246 (2013).
  31. Molday, R. S., Hicks, D., Peripherin Molday, L. A rim-specific membrane protein of rod outer segment discs. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 28 (1), 50-61 (1987).
  32. Chaitin, M. H., Hall, M. O. Defective ingestion of rod outer segments by cultured dystrophic rat pigment epithelial cells. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 24 (7), 812-820 (1983).
  33. Tsang, S. H., et al. Role for the target enzyme in deactivation of photoreceptor G protein in vivo. Science. 282 (5386), 117-121 (1998).
  34. Carr, A. J., et al. Molecular characterization and functional analysis of phagocytosis by human embryonic stem cell-derived RPE cells using a novel human retinal assay. Mol. Vis. 15, 283-295 (2009).
  35. Dun, Y., Vargas, J., Brot, N., Finnemann, S. C. Independent roles of methionine sulfoxide reductase A in mitochondrial ATP synthesis and as antioxidant in retinal pigment epithelial cells. Free Radic. Biol. Med. 65, 1340-1351 (2013).
  36. Xu, Y. T., Wang, Y., Chen, P., Xu, H. F. Age-related maculopathy susceptibility 2 participates in the phagocytosis functions of the retinal pigment epithelium. Int. J. Ophthalmol. 5 (2), 125-132 (2012).
  37. Mao, Y., Finnemann, S. C. Essential diurnal Rac1 activation during retinal phagocytosis requires αvβ5 integrin but not tyrosine kinases focal adhesion kinase or Mer tyrosine kinase. Mol. Biol. Cell. 23 (6), 1104-1114 (2013).
  38. Mao, Y., Finnemann, S. C. Analysis of photoreceptor outer segment phagocytosis by RPE cells in culture. Methods Mol. Biol. 935, 285-295 (2013).
  39. Mazzoni, F., Safa, H., Finnemann, S. C. Understanding photoreceptor outer segment phagocytosis: Use and utility of RPE cells in culture. Exp Eye Res. 126, 51-60 (2014).
  40. Hall, M. O., Abrams, T. Kinetic studies of rod outer segment binding and ingestion by cultured rat RPE cells. Exp. Eye Res. 45 (6), 907-922 (1987).
  41. Bulloj, A., Duan, W., Finnemann, S. C. PI 3-kinase independent role for AKT in F-actin regulation during outer segment phagocytosis by RPE cells. Exp. Eye Res. 113, 9-18 (2013).
  42. Chowers, I., et al. Changes in retinal pigment epithelial gene expression induced by rod outer segment uptake. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 45 (7), 2098-2106 (2004).
  43. Edwards, R. B., Szamier, R. B. Defective phagocytosis of isolated rod outer segments by RCS rat retinal pigment epithelium in culture. Science. 197 (4307), 1001-1003 (1977).
  44. Philp, N. J., Bernstein, M. H. Phagocytosis by retinal pigment epithelium explants in culture. Exp. Eye Res. 33 (1), 47-53 (1981).
  45. Burstyn-Cohen, T., Lew, E. D., Través, P. G., Burrola, P. G., Hash, J. C., Lemke, G. Genetic dissection of TAM receptor-ligand interaction in retinal pigment epithelial cell phagocytosis. Neuron. 76 (6), 1123-1132 (2012).

Play Video

Cite This Article
Parinot, C., Rieu, Q., Chatagnon, J., Finnemann, S. C., Nandrot, E. F. Large-Scale Purification of Porcine or Bovine Photoreceptor Outer Segments for Phagocytosis Assays on Retinal Pigment Epithelial Cells. J. Vis. Exp. (94), e52100, doi:10.3791/52100 (2014).

View Video