Adipose tissue (AT) can influence whole body homeostasis, therefore understanding the molecular mechanisms of adipocyte differentiation and function is of importance. We provide a protocol for gaining new insights into these processes by analyzing adipocyte homeostasis, differentiation and hypoxia exposure as a model for induced adipocyte apoptosis.
Considering that adipose tissue (AT) is an endocrine organ, it can influence whole body metabolism. Excessive energy storage leads to the dysregulation of adipocytes, which in turn induces abnormal secretion of adipokines, triggering metabolic syndromes such as obesity, dyslipidemia, hyperglycemia, hyperinsulinemia, insulin resistance and type 2 diabetes. Therefore, investigating the molecular mechanisms behind adipocyte dysregulation could help to develop novel therapeutic strategies. Our protocol describes methods for evaluating the molecular mechanism affected by hypoxic conditions of the AT, which correlates with adipocyte apoptosis in adult mice. This protocol describes how to analyze AT in vivo through gene expression profiling as well as histological analysis of adipocyte differentiation, proliferation and apoptosis during hypoxia exposure, ascertained through staining of hypoxic cells or HIF-1α protein. Furthermore, in vitro analysis of adipocyte differentiation and its responses to various stimuli completes the characterization of the molecular pathways behind possible adipocyte dysfunction leading to metabolic syndromes.
ووفقا لتقرير 2014 من منظمة الصحة العالمية، 39٪ من سكان العالم البالغين من زيادة الوزن، و 13٪ يعانون من السمنة المفرطة 1. في المستقبل القريب، والناس سوف يعانون من زيادة الوزن يشكلون نسبة كبيرة من السكان المسنين. سمة هامة من السمنة والشيخوخة هي التقلبات من الدهون بالنسبة للمراضة والوفيات 2. Adipokines والبروتينات التي يفرزها الأنسجة الدهنية (AT)، يمكن أن تؤدي إلى متلازمة أيضية مثل البدانة والسكري من النوع 2 3. هي سبب الأمراض الاستقلابية في الغالب من قبل التخزين المفرط للطاقة في قطرات الدهون من الخلايا الشحمية، مما يؤدي إلى التوسع 4. ولذلك من مصلحة لتحديد الأسباب والآليات الجزيئية للتوسع AT من أجل إيجاد فرص للسيطرة عليها.
الإفراط في التغذية يؤدي إلى AT التوسع، الذي ينظمه حدثين: التخزين المفرط للطاقة في قطرات الدهون من الخلايا الشحمية، وهي عمليةمما يؤدي إلى تضخم (الزيادة في حجم خلية شحمية)، وزيادة تكون الشحم، المعروف أيضا باسم خلية شحمية تضخم 5. تكون الشحم هو عملية تمايز الخلايا متعددة القدرات الجذعية الوسيطة (MSC) في الخلايا الشحمية. أولا، اللجان الدائمة تتطور إلى preadipocytes خلال مرحلة الالتزام. ثانيا، preadipocytes يفرق أيضا على اكتساب خصائص الخلايا الشحمية ناضجة وظيفية 6. وقد تم تحديد عدة عوامل النسخ كجهة تنظيمية رئيسية لتحديد preadipocyte، مثل البروتين إصبع الزنك 423 (Zfp423) وأوائل B عامل خلية 1 (Ebf1). في حين Zfp423 يدفع الالتزام المبكر، مطلوب Ebf1 للجيل الأسلاف خلية شحمية 6. يتم التحكم التمايز النهائي بإحكام من قبل تتالي النسخي، حيث بيروكسية γ المستقبلات التي تنشط ناشر (PPARγ) هو عامل النسخ أساسيا 7. مزيد من العوامل النسخي الرئيسية هي CCAAT / ملزم محسن بروتين (C/ EBP) أفراد الأسرة (أي، C / EBPα، C / EBPβ، وC / EBPδ)، عوامل مثل kruppel (KLFs)، مخيم عنصر استجابة ملزمة البروتين (CREB) واستجابة النمو في وقت مبكر 20 (Krox20) 6.
في الآونة الأخيرة، وقد تبين أن البروتين 1 (AP-1) أسرة المنشط تشارك في 8،9 خلية شحمية عملية التمايز. يتم تشكيل عائلة AP-1 من قبل مجمع البروتين مثنوي، تتألف من فوس، يونيو و / أو تفعيل عامل النسخ (ATF) أعضاء. مستضد المتعلقة فو-1 و 2 (فرنسا-1 وفرا-2) قادرون على تنظيم خلية شحمية التمايز. فرا-1 يضعف خلية شحمية التمايز عن طريق تثبيط C / EBPα 8، بينما فرا-2 ضوابط خلية شحمية دوران 9. فرا-2 وبالتالي لا ينقص سوى عدد خلية شحمية من قمع التعبير PPARγ2 خلال التمايز خلية شحمية، ولكن أيضا يقلل خلية شحمية موت الخلايا المبرمج من خلال القمع المباشر من عوامل نقص الأكسجين محرض التعبير (HIFs). الأسرة هي مؤسسة الحرمين HETErodimeric مجمع عامل النسخ، ويتألف من مؤسسة الحرمين، 1α، مؤسسة الحرمين، 2α ومؤسسة الحرمين، 1β. تتألف heterodimers من البروتين حساسة للأكسجين مؤسسة الحرمين، α (مؤسسة الحرمين، 1α أو مؤسسة الحرمين، 2α) و-مؤسسة الحرمين 1β الوحيدات الأكسجين حساسة 10. خلال normoxia، البروتينات مؤسسة الحرمين ألفا هي بولي-ubiquitinylated والمتدهورة أخيرا جسيم بروتيني 11. تحت ظروف نقص الأوكسجين، والتي تحدث في AT خلال التوسع، البروتينات مؤسسة الحرمين ألفا لم تعد الهيدروكسيلية. وبالتالي تصبح استقرت وشكل dimers مع أعربت جوهري مؤسسة الحرمين، 1β. تفعيل النسخي من الجينات التي تسيطر عليها عناصر استجابة مؤسسة الحرمين وتشارك في تنظيم الأوعية الدموية، والتمثيل الغذائي، والتهاب 12. في الواقع، مؤسسة الحرمين، 1α يعزز AT الخلل عن طريق حفز تحمل الغلوكوز، مما يعوق استهلاك الطاقة واستخدام الطرفية من الدهون، وكذلك عن طريق زيادة مستوى هرمون الليبتين وHFD التي يسببها تشحم الكبد 13. وعلاوة على ذلك، مؤسسة الحرمين، 1α ينظم adipocyالشركة المصرية للاتصالات الخلايا في الجسم الحي في المختبر 9.
يصف هذا البروتوكول طرق للدراسة في وضع لكشف الخصائص الجزيئية للخلية شحمية التوازن في فئران بالغة. فإنه يدل على مدى الخلايا وانتشارها وتمايز الخلايا الشحمية في الجسم الحي في المختبر يمكن أن ينظمها نقص الأكسجين. للقيام بذلك، ونحن نستخدم الفئران مع خلية شحمية حذف معين من فرا-2 الناتجة عن عبور الفئران تحمل فرا-2 الأليلات floxed مع الفئران Fabp4-CreERT 9. باستخدام Fabp4-لجنة المساواة العرقية الفئران ERT، والحذف خلية شحمية محددة ومحرض عن طريق الحقن تاموكسيفين 14. لنموذج بالغ، يتم تنفيذ الحقن البريتوني داخل عقار تاموكسيفين على مدى 5 أيام متتالية بدءا من سن 6 أسابيع. وهكذا، وتعرض الفئران لنظام غذائي طبيعي أو ارتفاع الدهون في النظام الغذائي لمدة 6 أسابيع قبل إجراء التحليل. كانت الفئران المستخدمة في هذه الدراسة من الذكور بناء على خلفية C57Bl6 لتجنب الهرمونات الأنثوية، مثل هرمون الاستروجين، كما هو موضح لتنظيم هيئة توزيع الدهون 15. قد باستخدام خلفية وراثية أخرى أيضا تغيير النمط الظاهري الأيض، بسبب الخلافات المتعلقة السلالة في إدارة الدهون 16.
يوضح هذا البروتوكول كيفية تحليل AT تحت نقص الأكسجين باستخدام الأنسجة وكيفية تحديد الخلايا خلية شحمية، وانتشار والتمايز في الجسم الحي باستخدام المناعية والجينية ويحلل التنميط. الانتهاء من دراسة قام بها في التجارب المختبرية، والتي تبين كيفية تحليل التمايز خلية شحمية الابتدائي وموت الخلايا المبرمج تعديلها من قبل التعرض لنقص الأكسجين.
وتتميز الخلايا الشحمية ظاهريا من حجمها، وأرقام والمنطقة، وكشف عن تضخم خلية شحمية وتضخم، الناجمة عن تخزين الطاقة المفرط بسبب الإفراط في التغذية 5. هذه الأحداث التي أدت إلى التقلبات الأحماض الدهنية ومتلازمة أيضية اللاحقة ينص أيضا على زيادة كتلة الدهون مع الأيض الحفاظ عليها، والذي يشار إليه أيضا باسم التوسع الدهون "بصحة جيدة". على سبيل المثال، Kusminski وآخرون. 21 أظهرت أن الفئران مع التوسع الهائل الدهون تبقى صحية عملية الأيض، مما يشير إلى أن التوسع الدهون ليست مرتبطة بالضرورة إلى متلازمات الأيض ويجب أن يكون مصمما بعناية لتقييم خصائص الخلايا الشحمية. الأنسجة الدهنية (AT) تلعب دورا محوريا في تنظيم التمثيل الغذائي في الجسم. ايه هو أكبر جهاز الغدد الصماء التي يمكن أن تؤثر اضطراب شحوم الدم، وتصلب الشرايين، فرط وارتفاع السكر في الدم 3. تقييم AT التوازن وم الجزيئيechanisms تنظيم يمكن أن تسمح لفهم أفضل للاضطرابات الجهاز الأيضية. ولذلك، كشف آليات تنظيم خلية شحمية التمايز، وحجم خلية شحمية والدهون وسادة كتلة شأنه أن يساعد على تطوير علاجية جديدة لمعالجة اضطرابات السمنة. استخدام في الجسم الحي وفي أساليب المختبر، فمن الممكن لتحديد دور التأثيرات الغذائية والتعبير الجيني على التمايز خلية شحمية والنشاط. لتحديد التوازن AT، تحديد التوازن بين التمايز خلية شحمية وانتشارها وموت الخلايا المبرمج على النحو الذي اقترحه بروتوكول لدينا لا يقل أهمية عن تحليل الجلوكوز والأنسولين الأيض استجابة 22-24.
يحلل التنميط التعبير عن جينات لها دور في تكون الشحم، تكون الدهون، تحلل الدهون، امتصاص الأحماض الدهنية، نقص الأكسجين، وموت الخلايا المبرمج وتكاثر في الخلايا الشحمية الابتدائية والحشوية AT هو أسلوب إنتاجية عالية للحصول على نظرة عامة على توازن خلية شحمية واختلال وظيفي في إمكانية.وينبغي مواصلة تحليل المرشحين للاهتمام على مستوى البروتين لطخة غربية أو تلطيخ immunohistological. للحصول على أفضل النتائج من خلال الوقت الحقيقي نظام PCR باستخدام cyanine الأصباغ غير متماثل، يجب اختبار تركيزات كدنا] تتراوح ما بين 1 إلى 10 نانوغرام وتركيزات التمهيدي المثلى تتراوح 50-900 نانومتر للحد من التضخيم غير محددة. العناصر الأساسية هي الاشعال. لكل شوط، تحتاج إلى رقابة صارمة لضمان خصوصية واستبعاد تشكيل dimers التمهيدي منحنيات ذوبان. لذلك، وذلك باستخدام السيطرة السلبية مع H 2 O بدلا من كدنا] ينصح. وعلاوة على ذلك، يتم توفير التجارية المتاحة cyanine الأصباغ غير متماثل كما يمزج الرئيسية التي تحتوي على صبغة إشارة سلبية (مثل ROX) لتوفير إشارة المرجعية الداخلية. وتطبيع إشارة [كدنا خلال تحليل البيانات إلى إشارات ROX لتصحيح تقلبات إشارة جيدة إلى جيدة. وثمة نقطة أخرى للنظر من أجل إنشاء غود نظام QPCR هو اختيار الجينات التدبير المنزلي. لكل حالة، وتستخدم العديد من الجينات التدبير المنزلي، وعلى سبيل المثال، HPRT، بيتا الأكتين، GAPDH، β-2-MG أو HSP90.
البروتينات مؤسسة الحرمين استقرت ظروف نقص الأوكسجين والمنظمين سيد تحديد ليس فقط الخلايا الشحمية البقاء على قيد الحياة، ولكن أيضا تغيرات التمثيل الغذائي، مثل الجلوكوز والتسامح الأنسولين واستقلاب الشحوم 11،25،26. للتأكد من مناطق ميتة في لوحة الدهون، ويتم تحديد مؤسسة الحرمين، 1α في AT أقسام المناعية. منذ تدهورت البروتينات مؤسسة الحرمين السريع في غضون 5 إلى 10 دقيقة في ظل ظروف normoxic والداخلي وتثبيت لوحة الدهون للتحليل النسيجي يجب أن تخضع لرقابة مشددة لتجنب الوقت الكمون. لذلك، لضمان نقص الأكسجة ليس فقط من خلال تلطيخ مؤسسة الحرمين، ويستخدم pimonidazole لتحديد مناطق ميتة في AT. Pimonidazole قادر على توزيع في الأنسجة، كما تبين بالفعل في العظام 27احتفال، وفعالية مناطق ميتة من قبل ملزم للبروتينات التي تحتوي على ثيول تحديدا في خلايا ميتة، الذي هو مزيد من الكشف في أقسام النسيجية بواسطة الأجسام المضادة المحددة ملزمة 28. ومع ذلك، علامات وأساليب أخرى يمكن استخدامها لتحليل مسار نقص الأكسجة. على سبيل المثال، وإشراك prolyl هيدروكسيلاز (PHD) الإنزيم، مما يحفز الهيدروكسيل من بقايا البرولين تحت normoxia، وكذلك البروتين فون هيبل لينداو (VHL)، والتي تعترف prolines الهيدروكسيلية وحمل بولي ubiquitination للتوسط proteasomal مؤسسة الحرمين تدهور، تحتاج إلى تحليل لمحة كاملة من 29،30 المسار. وعلاوة على ذلك، فإن الكشف في كل مكان من HIFs أيضا تحديد استقرار البروتين وتدهور التي يمكن تغيير 31،32.
وعلاوة على ذلك، يتم تحديد انتشار من قبل Ki67 وموت الخلايا المبرمج من قبل النفق تلطيخ في الجسم الحي من خلال تلطيخ أقسام النسيجية AT. الكمي الانتشار من قبل Ki67 وويتم poptosis من النفق أو Annexin V تلطيخ من خلال تحليل التدفق الخلوي أيضا إلى 33. يمكن بالطبع أن يقاس الانتشار من خلال تقنيات أخرى مثل تحليل دورة الخلية خلية شحمية، والتي لم يتم تناولها من قبل قياس خلايا إيجابية Ki67. وعلاوة على ذلك، يمكن إكمال الدراسة موت الخلايا المبرمج من قبل النفق من قبل نظام مراقبة الأصول الميدانية تحليل Annexin الخامس وTOP-PR-3 والتي ستحدد مستويات نخر مقابل عملية موت الخلايا المبرمج. موت الخلايا المبرمج هو عملية أساسية لبرنامج موت الخلية، وهو أمر مهم لشركة AT التوازن. في الواقع، وقد تورط التقلبات موت الخلايا المبرمج خلية شحمية سابقا في العمليات التي تسهم في البدانة والحثل الشحمي 34. وعلاوة على ذلك، في عام 2011، Keuper آخرون مرتبطة الدهنية التهاب الأنسجة إلى موت الخلايا المبرمج خلية شحمية. وأظهر الباحثون أن الضامة التي يسببها موت الخلايا المبرمج في preadipocytes والخلايا الشحمية، والذي بدوره جذب الضامة. تجنيد الضامة يسرع الالتهاب، والتي مقاولاتibutes لمتلازمة أيضية مثل الجلوكوز والأنسولين التسامح 35. ومع ذلك، خلية شحمية الخلايا لا تزال ظاهرة دراستها ضعيفة، على الرغم من فرضية أن يسببها موت الخلايا المبرمج خلية شحمية يمكن أن يؤدي إلى انخفاض الوزن.
يستخدم هذا البروتوكول النهج المناعى لدراسة ظاهرة مختلفة مثل انتشار الأسلحة النووية، موت الخلايا المبرمج ونقص الأكسجين في الجسم الحي. لذلك، تم إصلاح الأنسجة مع 4٪ الفورمالديهايد، وهو خطوة حاسمة. وقت تثبيت الأنسجة الموسعة يؤدي إلى تغيير في الحواتم، والتي أصبحت غير متاحة للأجسام المضادة. في المقابل، وقت التثبيت قصيرة يزيد من حساسية الحواتم إلى الكواشف. وأوصى الوقت الأمثل للتثبيت هو 24 ساعة. وعلاوة على ذلك، سمك أقسام أيضا يؤثر على الأجسام المضادة ملزمة لالحواتم بها؛ سمك الأمثل ما بين 2 و 5 ميكرون. سوف أقسام سمكا من 5 ميكرون تعطي نتائج إيجابية كاذبة بسبب زيادة مواقع الربط. في المقابل، قections أرق من 2 ميكرون يحتوي على مواقع أقل ملزمة ولم يتم تعريف المناطق إيجابية أيضا. وعلاوة على ذلك العوامل الحاسمة هي الأجسام المضادة نفسها، فترة حضانة والتركيز وحتى درجة الحرارة، والتي تؤثر على نوعية محددة ملزمة لالحواتم. ولذلك، التحقق من صحة الأجسام المضادة التركيز وحضانة الوقت الضروري لكل حالة.
لاستكمال الدراسة، ونحن نقدم في المختبر بروتوكول التمايز خلية شحمية، والتي يمكن أن تمتد من العلاجات المختلفة، وتحفيز أو المشترك الثقافات. باستخدام في الثقافات خلية شحمية المختبر، فمن الممكن لتحديد العيوب في التمايز خلية شحمية وظائف. للحصول على نتائج موثوقة، كما لجميع الخلايا الأولية، والسلوك الصحي ومظهر من ADSCs والخلايا الشحمية مهم جدا. وتحبب، vacuolations هيولية و / أو انفصال هي علامات التدهور، مما يشير إلى عدم كفاية المتوسطة، التلوث الميكروبي أو الشيخوخة من المرحلة الابتدائيةالخلايا. هذا البروتوكول يستخدم الخلايا الشحمية معزولة عن الأنسجة منصة الدهون، في حين أنه من الممكن كذلك استخدام الخلايا الجذعية الوسيطة معزولة عن نخاع العظام كما وصفها البروتوكولات الأخرى 36. أحدث يتضمن الخلايا الاولية اللحمية، والتي قد تعكس مشاكل التمايز إضافية التي تحدث في خطوة مبكرة جدا من التمايز خلية شحمية، وهذا قد يكون غاب في البروتوكول الحالي. وعلاوة على ذلك، ADSCs يمكن توسيعها بسرعة (أكثر من 10 مرات في غضون أسبوع واحد)، وADSCs مثقف على المدى الطويل بعد بعض المقاطع لا تزال تحتفظ الوسيطة تعدد القدرات على 37،38. ميزة أخرى باستخدام ADSCs هو أن واحدة يمكن ان تتحول بسهولة إلى الإنسان، منذ ADSCs يمكن أن تحصد من المرضى عن طريق شفط الدهون وهي طريقة بسيطة والغازية الحد الأدنى.
كما AT يؤثر عدة أجهزة أخرى بطريقة الغدد الصماء، وينبغي تمديد بروتوكول لadipokines. Adipokines، مثل هرمون الليبتين، اديبونيكتين، عامل نخر الورم α (TNF) لومن المعروف الثانية رزيستين، التي يفرزها الخلايا الشحمية أن تؤثر على أمراض التمثيل الغذائي عن طريق التحكم في التمثيل الغذائي للدهون، توازن الطاقة والحساسية للانسولين 39. لذلك، يجب أن يتم تنفيذ المصل وsecretome خلية شحمية التحليلات. في حالة AT الخلل، adipokines والسيتوكينات الموالية للالتهابات، مثل IL-6، يمكن أن يؤدي إلى التقلبات الأعضاء مثل الكبد والبنكرياس، وظيفة العضلات 4. من أجل استبعاد ضعف الجهاز النظامية، ويمكن اختبار نماذج حيوانية أو مزارع الخلايا لاستجابتها إلى جلوكوز التحفيز وامتصاص.
نحن هنا نقدم بروتوكول لتحليل الحالة الأساسية للAT والخلايا الشحمية في الجسم الحي في المختبر للكشف عن الآليات الجزيئية للخلية شحمية التوازن والأداء الوظيفي.
The authors have nothing to disclose.
فإن الكتاب أود أن تتكرم شكرا الدكتور J. لوثر وك Ubieta لإعداد البيانات والدكتور B. Grötsch لتنقيح الكتابة المخطوطة. وأيد هذا العمل من قبل جمعية الألمانية للبحوث (BO3811 / 1-1-إيمي نويثر).
RNAlater solution | Ambion | AM7021 | RNA stabilization solution |
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystems | 4368813 | |
SYBR Select Master Mix | 4472908 | ||
Purified Mouse Anti-Human Ki-67 | BD Biosciences | 550609 | Clone B56 (RUO) |
Purified Mouse Anti-Human Ki-67 Clone B56 (RUO) | 550609 | Proliferation marker | |
FITC Annexin V | BioLegend | 640906 | |
Cleaved Caspase-3 Rabbit mAb | Cell signalling | 9664S | Clone 5A1E |
Cleaved Caspase-3 (Asp175) (5A1E) Rabbit mAb | 9664 | Apoptosis marker | |
Hypoxyprobe-1 Plus Kit | Hypoxyprobe | HP2-200Kit | Hypoxia marker, Solid pimonidazole HCl (Hypoxyprobe-1), FITC conjugated to mouse IgG₁ monoclonal antibody (FITC-MAb1), Rabbit anti-FITC conjugated with horseradish peroxidase |
Lipofectamine2000 Reagent | Invitrogen | 11668-027 | |
TO-PRO-3 Iodide | T3605 | Nuclear counterstain, Monomeric cyanine nucleic acid stain, Excitation⁄Emission: 642⁄661 nm | |
Mayer’s hemalum | Merck | 109249 | hematoxylin |
pegGOLD TriFast | Peqlab | 30-2030 | TRIzol, single-phase solution of guanidinisothiocyanat and phenol |
Percellys Ceramic Kit 1.4 mm | 91-PCS-CK14 | tubes containing ceramic beads (1.4 mm) | |
Precellys 24 | 91-PCS24 | homogenizer | |
HIF-1 alpha Antibody | Pierce | PA1-16601 | |
HIF-1 alpha Antibody, 16H4L13 | 700505 | Hypoxia marker | |
In Situ Cell Death Detection Kit, Fluorescein | Roche | 11 684 795 001 | TdT-mediated dUTP-biotin nick end labeling (TUNEL) |
Eosin | Sigma | 318906 | |
DNase I Solution (1 unit/µL) | Thermo Scientific | EN0525 | |
biotinylated anti mouse IgG (H+L) | Vector Laboratories | BA-9200 | |
biotinylated anti mouse IgG (H+L) | BA-1000 | ||
Vectastain ABC Kit | PK-4000 | ||
VECTASHIELD Mounting Medium with DAPI | H-1200 |