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.
Selon le rapport 2014 de l'Organisation mondiale de la Santé, 39% de la population adulte du monde est en surpoids, et 13% est obèse 1. Dans un avenir proche, les personnes en surpoids comprendront une proportion importante de la population âgée. Une caractéristique importante de l' obésité et le vieillissement est dysrégulation de la graisse par rapport à la morbidité et la mortalité 2. Adipokines, des protéines sécrétées par le tissu adipeux (AT), peuvent déclencher des syndromes métaboliques tels que l' obésité et le diabète de type 2 3. Les maladies métaboliques sont le plus souvent causés par le stockage d'énergie excessive dans les gouttelettes de lipides des adipocytes, ce qui se traduit par l' expansion AT 4. Il est donc intéressant de déterminer les causes et les mécanismes moléculaires de l'expansion AT afin de trouver des opportunités pour le contrôler.
Over-nutrition conduit à l'expansion AT, qui est régie par deux événements: le stockage d'énergie excessive dans les gouttelettes lipidiques des adipocytes, un processusconduisant à une hypertrophie (augmentation du volume des adipocytes), et l' augmentation de l' adipogenèse, également connu sous adipocytes hyperplasie 5. Adipogenèse est un processus de différenciation des cellules multipotentes souches mésenchymateuses (MSC) en adipocytes. Tout d'abord, MSCs se développent en préadipocytes au cours de la phase d'engagement. Deuxièmement, préadipocytes différencier davantage pour acquérir les caractéristiques des adipocytes matures et fonctionnels 6. Plusieurs facteurs de transcription ont été identifiés en tant que régulateurs de base pour la détermination de pré-adipocyte, telles que la protéine à doigt de zinc 423 (Zfp423) et au début de B cell factor 1 (EBF1). Considérant que Zfp423 induit engagement précoce, EBF1 est nécessaire pour la génération de progéniteurs adipocytaires 6. La différenciation terminale est étroitement contrôlée par une cascade de transcription, dans lequel γ des récepteurs activés par les proliférateurs de peroxysomes (PPARy) est le facteur de transcription essentiel 7. D'autres facteurs de transcription essentiels sont les CCAAT / protéine activatrice de liaison (C/ EBP) membres de la famille (c. -à- C / EBPα, C / EBPß et C / EBPδ), les facteurs de Kruppel-like (KLFs), AMPc élément sensible de liaison aux protéines (CREB) et d' intervention précoce de croissance 20 (Krox20) 6.
Récemment, il a été montré que l'activateur de la protéine-1 (AP-1) de la famille est impliquée dans le processus de 8,9 différenciation adipocytaire. L'AP-1 famille est constituée par un complexe protéique dimère, composé de Fos, juin et / facteur d'activation de la transcription (ATF) ou des membres. antigène Fos lié 1 et 2 (Fra-1 et Fra-2) sont capables de réguler la différenciation des adipocytes. Fra-1 altère la différenciation des adipocytes en inhibant C / EBPα 8, alors que Fra-2 le chiffre d' affaires des contrôles adipocytaire 9. Fra-2 ainsi non seulement diminue le nombre des adipocytes en réprimant l'expression PPARy2 lors de la différenciation adipocytaire, mais diminue également l'apoptose des adipocytes par la répression directe des facteurs inductibles par l'hypoxie (HIF) expression. La famille de HIF est un heterodimeric complexe de facteur de transcription, composé de HIF-1α, 2α et HIF-HIF-1β. Les hétérodimères sont constitués d'une protéine sensible à l'oxygène HIF-α (HIF-1α ou HIF-2α) et la sous – unité HIF-1β en oxygène non photosensible 10. Au cours de normoxie, les protéines HIF-α sont poly-ubiquitinylée et sont finalement dégradées par protéasomes 11. Dans des conditions hypoxiques, survenant chez au cours de l'expansion, les protéines HIF-α ne sont plus hydroxylé. donc ils deviennent stabilisés et forment des dimères avec le HIF-1β constitutivement exprimé. L' activation transcriptionnelle des gènes contrôlés par des éléments de réponse de HIF est impliqué dans la régulation de l' angiogenèse, le métabolisme et l' inflammation 12. En effet, HIF-1α AT favorise le dysfonctionnement en induisant une tolérance au glucose, l' inhibition de la dépense énergétique et l' utilisation périphérique du lipide, ainsi que par l' augmentation du niveau de la leptine et SIH induite stéatose hépatique 13. En outre, HIF-1α régule adipocyte apoptose in vivo et in vitro 9.
Le présent protocole décrit les méthodes pour l'étude AT état de démêler les caractéristiques moléculaires des adipocytes homéostasie chez les souris adultes. Elle montre comment l' apoptose, la prolifération et la différenciation des adipocytes in vivo et in vitro peuvent être régulés par l' hypoxie. Pour ce faire, nous utilisons des souris avec des adipocytes deletion spécifique de Fra-2 produite par le croisement des souris portant les Fra-2 allèles floxés avec des souris FABP4-CreERT 9. En utilisant des souris ERT FABP4-Cre, la suppression est adipocyte spécifique et inductible par injection tamoxifène 14. Pour le modèle adulte, les injections intra-péritonéale du tamoxifène sont effectuées sur 5 jours consécutifs à partir de l'âge de 6 semaines. Ainsi, les souris sont soumises à un régime alimentaire normal de régime ou riche en graisses pendant 6 semaines avant l'analyse est effectuée. Les souris utilisées dans cette étude mâle étaient fondées sur un fond C57BL6 pour éviter les hormones femelles, telles que les oestrogènes, Montré pour réguler la distribution de la graisse corporelle 15. En utilisant un autre fond génétique pourrait également modifier le phénotype métabolique, en raison des différences liées à la souche-dans la gestion des lipides 16.
Ce protocole montre comment analyser AT sous hypoxie en utilisant l' histologie et comment quantifier l' apoptose des adipocytes, la prolifération et la différenciation in vivo par immunohistochimie et le gène analyse le profilage. L'étude est complétée par des expériences in vitro, montrant comment analyser la différenciation des adipocytes primaires et l' apoptose modifié par l' exposition à l' hypoxie.
Les adipocytes sont caractérisés phénotypiquement par leur taille, leur nombre et la superficie, révélant l' hyperplasie des adipocytes et de l' hypertrophie, induite par le stockage d'énergie excessive due à la surnutrition 5. Ces événements menant à la dysrégulation d'acides gras et les syndromes métaboliques subséquents sont indique également l'augmentation de la masse grasse avec des métabolismes conservés, qui est aussi appelé que l'expansion de la graisse "en bonne santé". Par exemple, Kusminski et al. 21 ont montré que les souris avec l' expansion de la graisse massifs restent métaboliquement sains, ce qui suggère que l' expansion de la graisse est pas nécessairement liée à des syndromes métaboliques et doit être soigneusement déterminé à évaluer les caractéristiques des adipocytes. Le tissu adipeux (AT) joue un rôle central dans la régulation du métabolisme du corps. AT est le plus grand organe endocrine qui pourrait influer sur la dyslipidémie, l' athérosclérose, l' hyperinsulinémie et l' hyperglycémie 3. Évaluation AT homéostasie et la m moléculaireECANISMES régulation il pourrait permettre une meilleure compréhension des troubles du système métabolique. Par conséquent, démêler les mécanismes de régulation de la différenciation des adipocytes, la taille des adipocytes et la graisse pad masse contribuerait à développer de nouveaux traitements thérapeutiques pour les troubles de l'obésité. L' utilisation in vivo et des méthodes in vitro, il est possible de déterminer le rôle des effets de l' alimentation et l' expression des gènes et l' activité sur la différenciation adipocytaire. Pour déterminer l'homéostasie AT, la détermination de l'équilibre entre la différenciation des adipocytes, la prolifération et l' apoptose comme suggéré par notre protocole est aussi important que l' analyse du glucose et de l' insuline métabolique réponse 22-24.
analyse du profil d'expression des gènes impliqués dans l'adipogenèse, la lipogenèse, la lipolyse, l'absorption des acides gras, l'hypoxie, l'apoptose et la prolifération dans les adipocytes primaires et viscéral est une méthode à haut débit pour obtenir une vue d'ensemble sur les adipocytes homéostasie et leur éventuel dysfonctionnement.candidats intéressants devraient être analysés plus au niveau des protéines par western blot ou coloration immunohistochimique. Pour obtenir des résultats optimaux à travers le système de PCR en temps réel en utilisant des colorants cyanines non symétriques, les concentrations d'ADNc allant de 1 à 10 ng et les concentrations d'amorces optimales allant de 50 à 900 nm devraient être testés pour réduire l'amplification non spécifique. Les composants critiques sont les amorces; pour chaque essai, les courbes de fusion doivent être strictement contrôlés pour garantir la spécificité et d'exclure la formation de dimères d'amorces. Par conséquent, en utilisant un témoin négatif avec H 2 O à la place de l' ADNc est recommandée. En outre, les colorants de cyanine disponibles dissymétriques commerciales sont fournies sous forme de mélanges maîtres qui contiennent un colorant de référence passive (comme ROX) pour fournir un signal de référence interne. Le signal d'ADNc est normalisé lors de l'analyse de données pour les signaux de ROX pour corriger les fluctuations du signal du puits à puits. Un autre point à prendre en considération afin d'établir un good système qPCR est le choix du gène de ménage. Pour chaque condition, plusieurs gènes de ménage sont utilisés, par exemple, HPRT, β-actine, la GAPDH, β-2-MG ou HSP90.
Protéines HIF stabilisées par des conditions hypoxiques sont les principaux régulateurs qui déterminent non seulement la survie des adipocytes, mais aussi des changements métaboliques tels que le glucose, la tolérance à l'insuline et du métabolisme des lipides 11,25,26. Pour déterminer les zones hypoxiques dans le coussinet adipeux, HIF-1α est déterminée au niveau des sections par immunohistochimie. Puisque les protéines HIF sont rapidement dégradées dans les 5 à 10 minutes dans des conditions normoxiques, la procédure et la fixation du coussinet adipeux pour l'analyse histologique doivent être étroitement contrôlées pour éviter le temps de latence. Par conséquent, pour assurer une hypoxie non seulement par HIF coloration, pimonidazole est utilisé pour déterminer les zones hypoxiques dans l'AT. Pimonidazole est en mesure de distribuer dans les tissus, comme il a déjà été montré dans les os 27Marquer, et efficacement les zones hypoxiques en se liant aux protéines contenant des thiols spécifiquement dans les cellules hypoxiques, qui est en outre détecté dans les coupes histologiques par liaison de l' anticorps spécifique 28. Cependant, d'autres marqueurs et procédés peuvent être utilisés pour analyser la voie de l'hypoxie. Par exemple, l'implication de l'enzyme prolyl-hydroxylase (PHD) qui induisent hydroxylation des résidus proline de moins de normoxie, ainsi que la protéine de von Hippel-Lindau (VHL), qui reconnaissent des prolines hydroxylés et induisent la poly-ubiquitination à médiation par le protéasome HIF la dégradation, doivent être analysés pour un aperçu complet de la 29,30 de la voie. En outre, la détection ubiquitaire de HIF également de déterminer la stabilité de la protéine et de la dégradation que l' on peut modifier 31,32.
En outre, la prolifération par Ki67 et de l' apoptose par coloration TUNEL sont déterminées in vivo grâce à la coloration des coupes histologiques AT. La quantification de la prolifération par Ki67 etpoptosis par TUNEL , ou par coloration à l' Annexine V par cytométrie en flux analyse est également effectuée 33. Prolifération pourrait bien entendu être mesurée par d'autres techniques telles que l'analyse du cycle cellulaire de l'adipocyte, qui est non traité par la mesure des cellules positives à Ki67. Par ailleurs, l'étude de l'apoptose par TUNEL peut être complétée par des analyses FACS de Annexin V et TOP-PR-3, qui permettra de déterminer les niveaux de nécrose par rapport au processus de mort cellulaire de l'apoptose. L'apoptose est un processus fondamental pour le programme de mort cellulaire, ce qui est important pour l'AT homéostasie. En effet, la dérégulation de l' apoptose des adipocytes a été impliquée précédemment dans les processus contribuant à l' obésité et la lipodystrophie 34. De plus, en 2011, keuper et al. , Une inflammation du tissu adipeux liées à l' apoptose des adipocytes. Ils ont montré que les macrophages induit l'apoptose dans les préadipocytes et adipocytes, qui à leur tour attirent les macrophages. Le recrutement des macrophages accélère l'inflammation, qui contributes de syndromes métaboliques tels que la tolérance au glucose et de l' insuline 35. Cependant, l'apoptose des adipocytes est encore un phénomène peu étudié, en dépit de l'hypothèse que l'apoptose induite par des adipocytes pourrait conduire à une diminution du poids.
Le présent protocole utilise des approches immunohistochimique pour étudier différents phénomènes tels que la prolifération, l' apoptose et l' hypoxie in vivo. Par conséquent, le tissu a été fixé avec 4% de formaldehyde, qui est une étape critique. Un temps de fixation tissulaire prolongée conduit à modifier des épitopes, qui deviennent non-accessibles pour l'anticorps. En revanche, un temps de fixation court augmente la sensibilité des épitopes aux réactifs. Le temps optimal recommandé de fixation est 24 h. En outre, l'épaisseur des sections influe également sur les anticorps se liant à leurs épitopes; épaisseur optimale est comprise entre 2 et 5 um. Les articles plus épais que 5 um donneront des résultats faussement positifs en raison de l'augmentation des sites de liaison. En revanche, sexions plus mince que 2 um contiennent des sites moins contraignants et des zones positives ne sont pas bien définis. En outre les facteurs critiques sont les anticorps lui-même, le temps d'incubation, la concentration et la même température, qui influent sur la qualité de la liaison aux épitopes spécifiques. Par conséquent, la validation de l'anticorps concentration et la durée d'incubation est nécessaire pour chaque condition.
Pour compléter l'étude, nous fournissons une vitro adipocyte protocole de différenciation, qui pourrait être étendu par des traitements différents, la stimulation ou co-cultures. En utilisant des cultures d'adipocytes in vitro, il est possible de déterminer des défauts dans la différenciation et la fonction des adipocytes. Pour obtenir des résultats fiables, comme pour toutes les cellules primaires, le comportement sain et l'apparence des ADSCs et adipocytes est très important. La granularité, vacuolisations et / ou le détachement cytoplasmiques sont des signes de détérioration, indiquant moyen inadéquat, la contamination microbienne ou la sénescence de la primairecellules. Ce protocole utilise des adipocytes isolés à partir du tissu de coussinet adipeux, alors qu'il est ainsi possible d'utiliser les cellules souches mésenchymateuses isolées à partir de la moelle osseuse , comme décrit par d' autres protocoles 36. La dernière comprend des cellules progénitrices stromales, ce qui pourrait refléter des problèmes de différenciation supplémentaires qui se produisent à l'étape très précoce de la différenciation adipocytaire, cela pourrait manquer dans notre protocole actuel. En outre, ADSCs peut être étendu rapidement (plus de 10 fois en une semaine), et ADSCs cultivées à long terme après quelques passages conservent leur mésenchymateuses pluripotence 37,38. Un autre avantage en utilisant ADSCs est que l'on peut facilement passer à l'homme, puisque ADSCs peuvent être récoltées à partir de patients par liposuccion qui est une méthode simple et peu invasive.
Comme AT influence plusieurs autres organes de manière endocrinien, le protocole devrait être étendu à adipokines. Adipokines, tels que la leptine, l'adiponectine, le facteur onconécrosant-α (TNF) ae résistine, sécrétée par les adipocytes sont connus pour affecter les maladies métaboliques en contrôlant le métabolisme des lipides, l' homéostasie énergétique et la sensibilité à l'insuline 39. Par conséquent, les analyses du sérum et adipocytaire secrétome doivent être effectués. Dans le cas d' un dysfonctionnement, AT adipokines et des cytokines pro-inflammatoires, comme l' IL-6, peut conduire à un dérèglement des organes tels que le foie et le pancréas, et de la fonction musculaire 4. Afin d'exclure un dysfonctionnement systémique des organes, des modèles animaux ou des cultures cellulaires peuvent être testés pour leur réponse à la stimulation et l'absorption du glucose.
Ici , nous fournissons un protocole d'analyse de l'état de base de l'AT et des adipocytes in vivo et in vitro pour révéler des mécanismes moléculaires de l' homéostasie des adipocytes et de fonctionnalité.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier aimablement Dr. J. Luther et K. Ubieta pour la préparation des données et le Dr B. Grötsch pour la relecture du manuscrit. Ce travail a été soutenu par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (BO3811 / 1-1-Emmy Noether).
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 |