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.
De acordo com o relatório de 2014 da Organização Mundial da Saúde, 39% da população adulta do mundo está acima do peso, e 13% é obesa 1. Num futuro próximo, as pessoas com excesso de peso será composto por uma proporção significativa da população idosa. Uma característica importante da obesidade e envelhecimento é desregulação de gordura em relação a mortalidade e morbidade 2. Adipocinas, as proteínas segregadas pelo tecido adiposo (TA), pode desencadear síndromes metabólicas, tais como obesidade e diabetes do tipo 2 3. As doenças metabólicas são na sua maioria causadas por acumulação de energia excessiva nas gotículas lipídicas dos adipócitos, o que resulta em pelo expansão 4. É, portanto, de interesse para determinar as causas e os mecanismos moleculares de expansão a fim de encontrar possibilidades para controlá-lo.
Over-nutrição leva à expansão AT, que é regulada por dois eventos: o armazenamento excessivo de energia para as gotículas lipídicas de adipócitos, um processolevando a hipertrofia (aumento no tamanho dos adipócitos), e aumentou a adipogénese, também conhecida como hiperplasia 5 adipócito. Adipogênese é um processo de diferenciação de células estaminais multipotentes mesenquimais (MSC) em adipócitos. Em primeiro lugar, MSCs desenvolver em pré-adipócitos durante a fase de compromisso. Em segundo lugar, pré-adipócitos diferenciar ainda mais para adquirir as características de adipócitos maduros e funcionais 6. Vários factores de transcrição foram identificados como reguladores mestre para a determinação de pré-adipócitos, tais como a proteína de dedo de zinco 423 (Zfp423) e factor de células B precoce 1 (Ebf1). Considerando que induz Zfp423 compromisso inicial, Ebf1 é necessário para a geração de células progenitoras de adipócitos 6. Diferenciação terminal é rigorosamente controlada por uma cascata de transcrição, através do qual γ PPAR (PPARy) é o factor de transcrição essencial 7. Outros factores de transcrição chave são o / proteína de ligação potenciador CCAAT (CMembros da família / EBP) (ou seja, C / EBPα, C / EBP, e C / EBPδ), fatores Krüppel-like (KLFs), cAMP elemento de resposta a ligação às proteínas (CREB) e da resposta inicial de crescimento de 20 (Krox20) 6.
Recentemente, tem sido demonstrado que a proteína-1 (AP-1) a família activador está envolvido no processo de diferenciação de adipocitos 8,9. A família de AP-1 é formado por um complexo de proteína dimérica, constituída por Fos, Jun e / ou activação de factor de transcrição (ATF) membros. antigénio relacionado com Fos-1 e 2 (Fra-1 e Fra-2) são capazes de regular a diferenciação de adipocitos. Fra-1 prejudica a diferenciação de adipocitos por inibição da C / EBPα 8, enquanto que Fra-2 rotatividade controlos adipócito 9. Fra-2, assim, não só diminui o número de adipócitos reprimindo a expressão PPARγ2 durante a diferenciação dos adipócitos, mas também diminui adipócitos apoptose através da repressão direta dos fatores de hipoxia-induzida expressão (HIFs). A família de HIF é um heterodimeric complexo de factor de transcrição, composto de HIF-1α, HIF-2α e HIF-1β. Os heterodímeros constituídos por uma proteína sensível ao oxigénio HIF-α (HIF-1α ou HIF-2α) e a subunidade HIF-1β oxigénio-10 insensível. Durante a normoxia, proteínas HIF-α são poli-ubiquitinylated e finalmente são degradadas por proteassomas 11. Sob condições hipóxicas, ocorrendo em pelo durante a expansão, proteínas HIF-α não são hidroxilados. Eles, portanto, tornam-se estabilizados e formar dímeros com o HIF-1β constitutivamente expresso. Activação da transcrição de genes controlados por os elementos de resposta do HIF está envolvido na regulação da angiogénese, metabolismo, e inflamação 12. Com efeito, o HIF-1α promove AT disfunção através da indução de tolerância à glicose, inibindo o gasto de energia e da utilização periférica de lípidos, bem como pelo aumento do nível de leptina e HFD-induzida esteatose hepática 13. Além disso, o HIF-1α regula adipocyte a apoptose in vivo e in vitro 9.
O presente protocolo descreve métodos para estudar AT status para desvendar as características moleculares da homeostase dos adipócitos em ratos adultos. Ele mostra como a apoptose, proliferação e diferenciação de adipócitos in vivo e in vitro pode ser regulado por hipoxia. Para fazer isso, usamos ratos com adipócitos eliminação específica de Fra-2 gerado pelo cruzamento de ratinhos que transportam as Fra-2 alelos floxed com FABP4-CreERT ratos 9. Ao utilizar ratinhos ERT FABP4-Cre, a supressão é específico de adipocitos e induzível por injecção 14 tamoxifeno. Para o modelo de adulto, as injecções intra-peritoneal de tamoxifeno são realizadas ao longo de 5 dias consecutivos, começando com a idade de 6 semanas. Assim, os ratos são submetidos a uma dieta rica em gordura ou-dieta normal durante 6 semanas antes da análise é feita. Os ratos utilizados neste estudo eram do sexo masculino com base em um fundo C57BL6 para evitar hormonas femininas, tais como estrogénios, Mostrado para regular a distribuição de gordura corporal 15. Usando um outro fundo genético também pode alterar o fenótipo metabólico, devido a diferenças relacionadas com a tensão em gestão lipídico 16.
Este protocolo demonstra como analisar AT sob hipóxia usando histologia e como quantificar a apoptose dos adipócitos, proliferação e diferenciação in vivo utilizando imunohistoquímica e gene análises de perfis. O estudo é completado por experiências in vitro, que mostram como a analisar a diferenciação de adipócitos primários e apoptose alterada por exposição a hipoxia.
Adipócitos são caracterizados fenotipicamente pelo seu tamanho, números e área, revelando hiperplasia dos adipócitos e hipertrofia, induzida pelo armazenamento excessivo de energia devido ao excesso de nutrição 5. Estes eventos que levam a desregulação de ácidos graxos e subsequentes síndromes metabólicas são também afirma de aumento da massa gorda com metabolismos preservadas, que também é referido como a expansão de gordura "saudável". Por exemplo, Kusminski et al. 21 mostraram que ratos com expansão de gordura enorme permanecem metabolicamente saudáveis, sugerindo que a expansão de gordura não está necessariamente ligada a síndromes metabólicas e precisa ser cuidadosamente determinados para avaliar as características dos adipócitos. O tecido adiposo (TA) desempenha um papel central na regulação do metabolismo do corpo. AT é o maior órgão endócrino que possa influenciar dislipidemia, aterosclerose, hiperinsulinemia e hiperglicemia 3. Avaliando AT homeostase e da m molecularecanismos regulam que poderia permitir uma melhor compreensão dos distúrbios do sistema metabólico. Portanto, desvendar os mecanismos que regulam a diferenciação dos adipócitos, o tamanho dos adipócitos e massa almofada de gordura iria ajudar a desenvolver novos tratamentos terapêuticos para transtornos de obesidade. Usando in vivo e in vitro, é possível determinar o papel de impactos de alimentos e de expressão de genes em diferenciação de adipocitos e actividade. Para determinar a homeostase AT, determinação do equilíbrio entre a diferenciação de adipócitos, proliferação e apoptose, tal como sugerido pelo nosso protocolo é tão importante como a analisar a glucose e insulina resposta metabólica 22-24.
Expression profiling análises de genes envolvidos na adipogénese, a lipogénese, a lipólise, absorção de ácidos gordos, hipoxia, apoptose e a proliferação em adipócitos primários e TA visceral é um método de alto rendimento para a obtenção de uma visão geral sobre a homeostase de adipócitos e a sua possibilidade de disfunção.candidatos interessantes deve ser ainda analisada ao nível proteico por western blot ou coloração imuno-histológica. Para obter os melhores resultados através do sistema de PCR em tempo real com corantes de cianina não simétricos, as concentrações de ADNc que variam de 1 a 10 ng de iniciadores e as concentrações óptimas variando de 50 a 900 nm, deve ser testado para minimizar a amplificação não específica. Os componentes críticos são os iniciadores; para cada ensaio, as curvas de fusão têm de ser rigorosamente controladas para assegurar a especificidade e exclui a formação de dimeros de iniciadores. Portanto, utilizando-se um controlo negativo com H2O em vez de cDNA é recomendado. Além disso, comerciais disponíveis corantes de cianina não simétricas são fornecidos como misturas principais que contêm um corante de referência passiva (tais como ROX) para proporcionar um sinal de referência interno. O sinal de ADNc é normalizada durante a análise de dados para os sinais de ROX para corrigir as flutuações do sinal bem-a-poço. Outro ponto a ser considerado, a fim de estabelecer um good qPCR sistema é a escolha do gene de manutenção. Para cada condição, vários genes de manutenção são utilizados, por exemplo, HPRT, β-actina, GAPDH, β-2-MG ou HSP90.
Proteínas HIF estabilizados por meio de condições de hipóxia são master reguladores que determinam não só adipócitos sobrevivência, mas também alterações metabólicas, tais como glucose, tolerância à insulina e do metabolismo lipídico 11,25,26. Para determinar áreas de hipóxia na almofada de gordura, HIF-1α é determinado no AT secções por imuno-histoquímica. Desde proteínas HIF são rapidamente degradados dentro de 5 a 10 minutos, sob condições de normóxia, o processo e a fixação da almofada de gordura para análise histológica deve ser rigorosamente controladas para evitar um tempo de latência. Portanto, para assegurar a hipoxia não só através de coloração de HIF, pimonidazole é utilizado para determinar as áreas hipóxicas em AT. Pimonidazole é capaz de distribuir em tecidos, tal como já foi mostrado na ossos 27, E efectivamente marcar as áreas hipóxicas através da ligação a proteínas contendo tiol especificamente em células hipóxicas, que é ainda detectados em secções histológicas de ligação do anticorpo específico 28. No entanto, outros marcadores e métodos podem ser utilizados para analisar a via de hipóxia. Por exemplo, o envolvimento da enzima prolil hidroxilase (PHD), que induzem a hidroxilação de resíduos de prolina sob normoxia, bem como a proteína de von Hippel-Lindau (VHL), que reconhecem prolinas hidroxilados e induzir o poli-ubiquitinação de mediar proteossómica HIF degradação, precisam ser analisados para obter uma visão completa da via de 29,30. Além disso, a detecção de ubíqua HIFs também iria determinar a estabilidade da proteína e degradação que podem ser alterar 31,32.
Além disso, a proliferação de Ki67 e apoptose por coloração TUNEL são determinados in vivo através da coloração de cortes histológicos AT. A quantificação da proliferação de Ki67 e umpoptosis por TUNEL ou V coloração Anexina através de análise de citometria de fluxo é também levada a cabo 33. A proliferação pode, evidentemente, ser medido por outras técnicas, tais como as análises do ciclo celular dos adipócitos, o que não é tratado na medição das células positivas Ki67. Além disso, o estudo apoptose por TUNEL pode ser completado por FACS análise de anexina V e TOP-PR-3, que vai determinar os níveis de necrose versus o processo de morte celular apoptose. A apoptose é um processo fundamental para o programa de morte celular, o que é importante para a AT homeostase. Com efeito, a desregulação da apoptose de adipócitos tem sido implicado anteriormente em processos que contribuem para a obesidade e lipodistrofia 34. Além disso, em 2011, Keuper et ai. Ligada a inflamação do tecido adiposo a apoptose de adipócitos. Eles mostraram que os macrófagos induziu apoptose em pré-adipócitos e adipócitos, que por sua vez atrair macrófagos. O recrutamento de macrófagos acelera a inflamação, que contributes a síndromes metabólicas, tais como glicose e insulina tolerância 35. No entanto, a apoptose de adipócitos ainda é um fenómeno pouco estudada, apesar da hipótese de que a apoptose induzida por adipócitos pode causar a redução de peso.
O presente protocolo utiliza abordagens imuno-histoquímica para estudar fenómeno diferente, como a proliferação, apoptose e hipóxia in vivo. Portanto, o tecido foi fixada com formaldeído a 4%, o que é um passo crítico. Um tempo de fixação do tecido prolongado leva à mudança dos epitopos, que se tornam não acessíveis para o anticorpo. Em contraste, um curto tempo de fixação aumenta a sensibilidade dos epítopos para os reagentes. O tempo óptimo é recomendado de fixação 24 h. Além disso, a espessura das secções também influencia os anticorpos que se ligam aos seus epitopos; espessura óptima situa-se entre 2 e 5 um. As secções mais espessas do que 5 um se obter resultados falsos positivos devido a locais de ligação aumentadas. Em contraste, sexões mais fino do que 2 um conter locais de ligação e menos áreas positivas não são bem definidas. Outros factores importantes são o próprio anticorpo, tempo de incubação, concentração e temperatura, mesmo, que influenciam a qualidade da ligação para os epitopos específicos. Portanto, a validação concentração e tempo de incubação de anticorpo é necessário para cada condição.
Para concluir o estudo, nós fornecemos uma in vitro adipócitos protocolo de diferenciação, o que poderia ser prorrogado por tratamentos diferentes, a estimulação ou co-culturas. Ao usar em culturas de adipócitos in vitro, é possível determinar defeitos de diferenciação de adipócitos e funções. Para obter resultados confiáveis, como para todas as células primárias, o comportamento saudável e aparência das ADSCs e adipócitos é muito importante. A granularidade, vacuolations e / ou descolamento citoplasmática são sinais de deterioração, indicando meio inadequado, contaminação microbiana ou senescência das primáriascélulas. Este protocolo é utilizando adipócitos isolados a partir do tecido almofada de gordura, que é também possível utilizar células estaminais mesenquimais isoladas da medula óssea, como descrito por outros protocolos 36. A mais recente inclui células progenitoras do estroma, o que pode refletir problemas de diferenciação adicionais que ocorrem na fase muito inicial de diferenciação dos adipócitos, isso pode ser desperdiçada em nosso protocolo atual. Além disso, ADSCs pode ser expandido rapidamente (mais de 10 vezes dentro de uma semana), e ADSCs cultivadas a longo prazo após algumas passagens ainda mantêm a sua pluripotência mesenquimais 37,38. Outra vantagem usando ADSCs é que se pode facilmente mudar para humana, uma vez que ADSCs podem ser colhidas de pacientes por lipoaspiração, que é um método simples e minimamente invasivo.
Como AT influencia vários outros órgãos de forma endócrina, o protocolo deve ser alargado a adipocinas. Adipocinas, tais como leptina, adiponectina, factor de necrose tumoral-α (TNF), umaND resistina, segregada por adipócitos são conhecidos por afectar as doenças metabólicas, controlando o metabolismo da gordura, homeostase energética e 39 da sensibilidade à insulina. Por conseguinte, as análises do soro e secretoma adipócito deve ser realizada. No caso da EM, disfunção adipocitoquinas e citocinas pró-inflamatórias, tais como IL-6, pode levar a distúrbios de órgãos tais como o fígado e o pâncreas, e da função do músculo 4. A fim de excluir a disfunção de órgãos sistémica, modelos animais ou culturas de células podem ser testadas quanto à sua resposta à glicose estimulação e absorção.
Aqui nós fornecemos um protocolo para analisar o estado básico da AT e adipócitos in vivo e in vitro para revelar os mecanismos moleculares da homeostase dos adipócitos e funcionalidade.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer amavelmente Dr. J. Luther e K. Ubieta para preparar os dados e Dr. B. Grötsch pela revisão do manuscrito. Este trabalho foi apoiado pelo 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 |