In questo studio, presentiamo strategie basate su inibitori e siRNA per interferire con il flusso autofagico nel virus Herpes simplex di tipo 1 (HSV-1) -infettato monocite-derivato cellule.
Il virus herpes simplex di tipo 1 (HSV-1) induce l’autofagia in entrambe le cellule dendritiche immature (iDC) e le cellule dendritiche mature (mDC), mentre il flusso autofagico è osservato solo negli iDC. Per ottenere informazioni meccanicistiche, abbiamo sviluppato strategie efficienti per interferire con il turnover autofagico indotto da HSV-1. Una strategia basata sugli inibitori, per modulare l’autofagia indotta da HSV-1, costituisce la prima scelta, poiché è un metodo facile e veloce. Per aggirare potenziali effetti fuori bersaglio non specifici di tali composti, abbiamo sviluppato una strategia alternativa basata sul siRNA, per modulare il turnover autofagico negli iDC in caso di infezione da HSV-1. Infatti, l’elettroporazione degli iDC con siRNA FIP200-specifico prima dell’infezione da HSV-1 è un metodo molto specifico e efficace per ablate l’espressione della proteina FIP200 e quindi per inibire il flusso autofagico. Entrambi i metodi presentati si traducono nell’efficiente inibizione del turnover autofagico indotto da HSV-1 negli iDC, per cui la tecnica basata sul siRNA è più specifica del target. È stato sviluppato un ulteriore approccio basato sul siRNA per silenziare selettivamente l’espressione proteica di KIF1B e KIF2A, facilitando il turnover autofagico in caso di infezione da HSV-1 negli mDC. In conclusione, la tecnica dell’elettroporazione del siRNA rappresenta una strategia promettente, per ablate selettivamente l’espressione di proteine distinte e per analizzare la loro influenza su un’infezione da HSV-1.
La generazione di cellule dendritiche derivate da monciti umani costituisce un modello in vitro appropriato per studiare le funzioni e la biologia di questo importante tipo di cellule immunitarie. L’isolamento e la differenziazione dei monociti nei controller di dominio sono stati ben consolidati negli ultimi anni1,2. L’infezione di DCs con il virus dell’herpes simplex di tipo 1 (HSV-1) funge da sistema modello per studiare modulazioni mediate da HSV-1 della biologia DC2,3,4,5,6 . Ciò è particolarmente importante per chiarire come l’herpesvirus smorzare o inibire le potenti risposte immunitarie antivirali, per stabilire la latenza nelle nicchie immuno-privilegiate all’interno dell’ospite7,8. A questo proposito, gli herpesvirus sono patogeni di grande successo che si diffondono in tutta la popolazione raggiungendo una sieroprevalenza fino al 90 % secondo la regione geografica9. Per comprendere ed eventualmente prevenire questo, sono necessarie ulteriori informazioni sulle modulazioni mediate da HSV-1 del sistema immunitario dell’ospite, e in particolare delle cellule immunitarie come i DC.
Un’osservazione completamente nuova per quanto riguarda l’interazione di DC con HSV-1 è stata recentemente pubblicata da Turan et al.10. Gli autori hanno dimostrato che la realizzazione della replica HSV-1 dipende strettamente dallo stato di maturazione dei controller di dominio. Negli iDC, la replica completa dell’HSV-1 è facilitata da meccanismi dipendenti dall’autofagia. Mentre HSV1 induce l’autofagia in entrambi, iDC e mDC, il flusso autofagico è osservato solo negli iDC. Questo a sua volta facilita l’uscita nucleare di capsidi virali attraverso la degradazione autofagica delle lamins nucleari negli iDC. Per ottenere informazioni meccanicistiche su questo percorso di degradazione indotta da HSV-1 negli iDC rispetto agli MDC, nuove ed efficienti strategie sono fondamentali per studiare il flusso autofagico.
La macroautofagia (autofagia) è un processo multifase ben conservato che si rivolge a proteine intracellulari o organelli interi per la digestione lsosomica11. In modo semplicistico, l’autofagia può essere divisa nella (i) iniziazione, nella nucleazione della membrana (ii), nell’espansione (iii) della vescica e nella (iv) fase di fusione autofagosomi-lisonia-lisonzo-lisonia12. Durante l’iniziazione (i), componenti come il complesso di chinasi ULK1/2 attivato, contenente la proteina della famiglia di annessione focale di 200 kD (FIP200), sono fondamentali per attivare il complesso beclin-1-Vps34-AMBRA1. Successivamente, la nucleazione della membrana (ii) avvia la formazione dei fagofori13, che avvolge carichi citoplasmici che sono contrassegnati da molecole come p6214. Durante l’espansione del vescicolo e la maturazione dell’autofagoforo (iii) la catena di luce proteica associata ai microtubuli 3 (LC3)-I viene convertita nella sua forma lipidata LC3-II che viene inserita nella membrana autophagosomica. Così, i tassi di conversione da LC3-I a -II sono un indicatore per l’induzione dell’autofagia rispecchiando la formazione di autofagosomi maturi15,16. Al momento della fusione autofagosomia-lisosoma (iv), non solo il carico autofagico, ma anche le proteine p62 e LC3-II associate subiscono una degradazione (ad esempio, per idrolisi). Così, la perdita di p62 e LC3-II servono come marcatori per il flusso autofagico17. La fusione degli autofagosomi con i lisosomi, e quindi dopo il turnover autofagico, è fortemente dipendente dalla localizzazione lisosomica intracellulare. Questo è, tra gli altri, regolato dai membri della famiglia kinesin KIF1B e KIF2A, che hanno dimostrato di influenzare negativamente autofasome-lysososome fusion18. È interessante notare che l’espressione proteica di KIF1B e KIF2A è indotta dalla maturazione DC ed è quindi responsabile dell’inefficiente flusso autofagico negli mDC infettati da HSV-1, che ostacola la replica HSV-11.
I tentativi sperimentali di modulare l’autofagia includono l’uso di composti noti per indurre o inibire questo particolare percorso19,20,21. In questo studio, descriviamo due strategie basate sugli inibitori per bloccare il turnover autofagico negli iDC infettati da HSV-1. Il primo composto utilizzato nei nostri esperimenti è specifico e potente autofagia inibitore-1 (spautin-1), che è stato descritto per promuovere beclin-1-Vps34-AMBRA1 complesso degradazione durante la fase di avvio di autofagia22. Il secondo composto utilizzato nel presente studio è la bafilomicina-A1 (BA1), un inibitore di V-ATPase che blocca gli eventi tardi autofagici (cioè, la fusione autofagososo-lysososoo così come l’acidificazione autolimposo)23, 24. L’uso di uno di questi due inibitori prima dell’infezione da iDC con HSV-1 inibisce potentemente l’autofagia, ma non disturba l’espressione genica virale efficiente. Così, questa strategia basata su inibitori prima dell’infezione da HSV-1 offre un potente strumento per inibire il flusso autofagico indotto da HSV-1 che può essere facilmente ampliato per una pletora di diversi tipi di cellule e virus, che potenzialmente inducono anche l’autofagia.
Per superare un importante svantaggio di un approccio basato sugli inibitori (cioè effetti non specifici fuori bersaglio), abbiamo sviluppato un metodo basato sul siRNA per bloccare gli iDC autofagici (infettati da HSV-1). La tecnica dell’elettroporazione del siRNA rappresenta una potente strategia alternativa, attraverso l’ablazione selettiva dell’espressione di proteine distinte (cioè componenti autofagici). Nei nostri esperimenti gli iDC sono stati elettroporate con siRNA specifico FIP200 utilizzando l’apparato di elettroporazione I (vedi Tabella dei materiali)e un protocollo modificato descritto da Gerer et al. (2017) e Prechtel et al. (2007), per inibire l’autofagia fase di avvio25,26. Questa tecnica ci ha permesso di abbattere specificamente l’espressione FIP200 negli iDC, senza interferire con la vitalità cellulare e il loro fenotipo immaturo due giorni dopo l’elettroporazione. Degno di nota, l’infezione da HSV-1 è stata stabilita in questi iDC elettroporate rispecchiati da un’efficiente espressione proteica virale. Questa tecnica basata sul siRNA offre un vantaggio unico (cioè, che una varietà di diversi componenti autofagici, anche in combinazione), può essere specificamente mirata per l’ablazione della loro espressione.
In questo studio, descriviamo ulteriormente un metodo basato su siRNA per indurre il flusso autofagico anche negli mDC infettati da HSV-1. In questo caso, gli IDC sono stati elettroporati con siRNA mirati contro KIF1B e KIF2A prima della maturazione DC utilizzando l’apparato di elettroporazione II (vedi Tabella dei materiali). Poiché entrambe le proteine sono regolate durante la maturazione DC e sono note per regolare negativamente la fusione degli autofagosomi con linfonosi10,18, il loro abbattimento del flusso autofagico fortemente indotto in mDC su infezione da HSV-1. Pertanto, la tecnica basata sul siRNA ci ha permesso di indurre specificamente il turnover autofagico interferendo con l’espressione della proteina KIF nei mDC, e potrebbe quindi imitare i loro livelli di espressione negli iDC.
In sintesi, presentiamo due metodi distinti per inibire il flusso autofagico negli iDC infettati da HSV-1. Mentre il primo approccio basato sugli inibitori costituisce un modo semplice, economico e veloce per interferire con la degradazione autofagica, la seconda tecnica basata su siRNA è più specifica e un metodo molto adatto per sostenere e verificare i risultati della Esperimenti. Inoltre, descriviamo un metodo per indurre il flusso autofagico anche negli MDC infettati da HSV-1, attraverso il knockdown mediato dal siRNA di due proteine KIF.
L’ambito del presente protocollo comprende (i) la gestione degli iDC derivati dai monociti umani e degli mDC, (ii) la loro infezione da HSV-1, (iii) il loro trattamento con composti noti per inibire l’autofaginismo e (iv) la loro elettroporazione con siRNA utilizzando due diverse configurazioni tecniche. Utilizzando il protocollo attuale, il flusso autofagico può essere bloccato negli iDC infettati da HSV-1 o indotto negli mDC infettati da HSV-1.
Poiché i DC, e in particolare gli IDC, sono cellule molto vulnerabili, lavorare con queste cellule comporta passaggi piuttosto delicati. Per la generazione di DC, si consiglia di utilizzare PBC appena isolati e di evitare la loro crioconservazione, al fine di ottenere rendimenti cellulari più elevati. Inoltre, quando si tratta di iDC durante gli esperimenti, compresa la loro successiva coltivazione, prevenire alterazioni di temperatura dure o prolungate. In caso contrario, gli iDC potrebbero subire cambiamenti fenotipici e quindi è necessario verificare il loro fenotipo immaturo per citometria di flusso. Si noti che, a differenza delle loro controparti mature, gli iDC non dispongono di marcatori distinti, ad esempio CD80, CD83 e CD8628,29. L’infezione di iDC e mDC con HSV-1 è un metodo consolidato2,3,4,5,6,10. Noi e altri hanno dimostrato che i controller di dominio sono altamente suscettibili per l’infezione da HSV-1, quando è stato utilizzato un MOI pari a 1 o 2 (Figura 2). Nelle nostre mani, mantenere il volume del mezzo di infezione a bassi livelli (1-3 x 106 cellule in 250-350 l) porterà a migliori efficienze di infezione.
Un approccio classico per interferire con un determinato percorso cellulare distinto è l’uso di composti specifici. Una varietà di diversi modulatori di autofagia, cioè attivatori e inibitori, sono attualmente disponibili30. Per quanto riguarda l’autofagia indotta da HSV-1 nei DC, Turan et al., (2019) ha recentemente mostrato gli effetti inibitori di spautin-1 e bafilomycin-A1 (BA1) sul fatturato autofagico negli iDC10. Questa tecnica per l’inibizione dell’autofagia è adatta per la combinazione con una successiva infezione da HSV-1, poiché né il tasso di infezione né lo stato di maturazione dei DC (in particolare gli IDC) sono compromessi. Nelle applicazioni future, questo approccio basato sugli inibitori potrebbe essere applicato anche in combinazione con altri agenti infettivi, condizioni di stress, come la fame, nonché per diversi tipi di cellule. Tuttavia, quando si utilizzano inibitori, sorgono limitazioni nel determinare la concentrazione adatta per un’efficiente inibizione dell’autofagia, senza compromettere gravemente la vitalità cellulare. La principale limitazione quando si utilizzano inibitori è, tuttavia, il verificarsi di potenziali effetti negativi o off-target, che potrebbero portare a risultati fuorvianti31,32.
Il secondo approccio per interferire con l’autofagia, coperto nel presente protocollo, è il knockdown specifico utilizzando siRNA33,34,35. Da un lato, abbiamo usato l’apparato di elettroporazione I per ablate specificamente l’espressione di FIP200, inibendo così il turnover autofagico indotto da HSV-1 negli iDC. D’altra parte, abbiamo messo a tacere due diverse proteine KIF (ad esempio, KIF1B e KIF2A), utilizzando l’apparato di elettroporazione II, per facilitare il flusso autofagico negli MDC infettati da HSV-1. Entrambi i protocolli di elettroporazione hanno portato ad un’ablazione quasi completa di FIP200 negli iDC e KIF1B/KIF2A nelle mDC, che è stata verificata tramite analisi delle macchie occidentali (Figura 4A, Figura 5A). A differenza dell’apparato di elettroporazione I, che non influisce sulla fattibilità dei DC, l’elettroporazione degli mDC che utilizzano l’apparato di elettroporazione II determina tassi leggermente più elevati di cellule morte(Figura 4B, Figura 5B ). Quindi, nelle applicazioni future, l’apparato di elettroporazione I dovrebbe essere preferibilmente utilizzato per entrambi, iDC e mDC. Sorprendentemente, entrambe le tecniche basate su siRNA, per modulare il flusso autofagico, sono compatibili con la successiva infezione Da HSV-1 di iDC o mDC. Inoltre, né il fenotipo immaturo degli iDC né il fenotipo maturo degli mDC vengono alterati dopo l’elettroporazione.
L’elettroporazione degli iDC che utilizzano il siRNA specifico di FIP200 è un metodo efficiente e altamente specifico per il knockdown genico e l’inibizione del flusso autofagico sull’infezione da HSV-1. Oltre al silenziamento specifico di FIP200, questo protocollo può essere adattato per silenziare altri componenti autofagici, partecipando a diversi passaggi durante la cascata autofagica. Tuttavia, l’identificazione dell’obiettivo appropriato per un’efficace inibizione mediata da siRNA dell’autofagia include diversi aspetti di preoccupazione. In primo luogo, l’efficienza knockdown dei geni correlati all’autofagia (ATG) non è necessariamente correlata positivamente all’inibizione efficiente dell’autofagia ed è altamente dipendente dalla proteina ATG specifica che viene silenziata36. In secondo luogo, proteine ATG distinte sono inoltre coinvolte in percorsi distinti dall’autofagia, quindi la loro ablazione potrebbe anche portare a effetti collaterali negativi37,38,39. In terzo luogo, diversi ATG possono avere funzioni ridondanti, quindi il knockdown di un componente potrebbe non essere sufficiente a inibire l’autofagia (adesempio,, beclin-1 e beclin-2)40.
Inoltre, l’apparato di elettroporazione I-based protocollo di DC è adatto anche per mRNA, e potrebbe essere utilizzato per una varietà di tipi di cellule primarie aggiuntive, come PBMC25. Questo sistema fornisce quindi una strategia generale per fornire specie di RNA distinte in diversi tipi di cellule primarie. In conclusione, presentiamo due protocolli per inibire il flusso autofagico, utilizzando un approccio basato su inibitori o siRNA combinato con la successiva infezione da HSV-1 degli iDC. Inoltre, descriviamo un approccio di elettroporazione di siRNA per indurre il flusso autofagico nelle mDC in seguito all’infezione da HSV-1.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto dal Consiglio tedesco delle ricerche (DFG) attraverso il progetto STE 432/11-1 assegnato all’AS e dal programma ELAN della Facoltà di Medicina (Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Norimberga) attraverso il progetto 18-12-21-1, concesso a LG.
4D-Nucleofector Core Unit (electroporation apparatus II) | Lonza (Basel, Switzerland) | AAF-1002B | |
AB-Serum | Sigma Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | H4522 | Dendritic cell cultivation |
ACD-A | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | 9007281 | |
Amaxa P3 Primary Cell 4D-Nucleofector X Kit L (electroporation kit apparatus II) | Lonza (Basel, Switzerland) | V4XP-3024 | |
Amersham ECL Prime Western Blotting Detection Reagent | GE Healthcare (Solingen, Germany) | RPN2232 | Western Blot Detection |
Ammonium persulfate (APS) | Sigma Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | A3678 | |
anti-mouse-IgG (mouse, polyclonal, HRP) | Cell Signaling (Leiden, Netherlands) | 7076 | Western Blot detection |
anti-rabbit-IgG (goat, polyclonal, HRP) | Cell Signaling (Leiden, Netherlands) | 7074 | Western Blot detection |
Bafilomycin A1 | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | tlrl-baf1 | inhibition of autophagy and lysosomal degradation |
BD FACS Canto II Flow Cytometer | BD Biosciences (Heidelberg, Germany) | 338962 | |
Benzonase | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | E1014 | |
Blotting Chamber Fastblot B44 | Biometra (Göttingen, Germany) | 846-015-100 | |
CCR7 (mouse, Pe-Cy7) | BioLegend (Fell, Germany) | 557648 | Flow cytometry Dilution: 1:100 Clone: G043H7 |
CD11c (mouse, Pe-Cy5) | BD Biosciences (Heidelberg, Germany) | 561692 | Flow cytometry Dilution: 1:100 Clone: B-ly6 |
CD14 (mouse, PE) | BD Biosciences (Heidelberg, Germany) | 555398 | Flow cytometry Dilution: 1:100 Clone: M5E2 |
CD3 (mouse, FITC) | BD Biosciences (Heidelberg, Germany) | 555332 | Flow cytometry Dilution: 1:100 Clone: UCHT1 |
CD80 (mouse, V450) | BD Biosciences (Heidelberg, Germany) | 560442 | Flow cytometry Dilution: 1:100 Clone: L307.4 |
CD83 (mouse, APC) | eBioscience Thermo Fisher Scientific (Langenselbold, Germany) | 17-0839-41 | Flow cytometry Dilution: 1:200 Clone: HB15e |
CD86 (mouse, PE) | BD Biosciences (Heidelberg, Germany) | 553692 | Flow cytometry Dilution: 1:100 |
EVOS FL Cell Imaging | System AMG/Life Technologies (Carlsbad, USA) | AMF4300 | |
FIP200 (rabbit) | Cell Signaling (Leiden, Netherlands) | 12436 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: D10D11 |
GAPDH (mouse) | Merck Millipore (Massachusetts, USA) | AB2302 | Western Blot detection Dilution: 1:5000 Clone: MAB374 |
Gene Pulser II apparatus (electroporation apparatus I) | BioRad Laboratories GmbH (München, Germany) | 165-2112 | |
GM-CSF (4×104 U/mL) | Miltenyi Biotec (Bergisch Gladbach, Germany) | 130-093-868 | |
HLA‐DR (mouse, APC-Cy7) | BioLegend (Fell, Germany) | 307618 | Flow cytometry Dilution: 1:200 Clone: L243 |
HSV-1/17+/CMV-EGFP/UL43 | BioVex | DC infection |
|
ICP0 (mouse) | Santa Cruz Biotechnology (St. Cruz; Dallas, Texas, USA) | sc-53070 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: 11060 |
ICP5 (mouse) | Santa Cruz Biotechnology (St. Cruz; Dallas, Texas, USA) | sc-56989 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: 3B6 |
IL-1β (0.1×106 U/mL) | Cell Genix GmbH (Freiburg, Germany) | 1411-050 | |
IL-4 (1×106 U/mL) | Miltenyi Biotec (Bergisch Gladbach, Germany) | 130-093-924 | |
IL-6 (1×106 U/mL) | Cell Genix GmbH (Freiburg, Germany) | 1404-050 | |
ImageQuant LAS 4000 | GE Healthcare (Solingen, Germany) | 28955810 | |
KIF1B (mouse) | Santa Cruz Biotechnology (St. Cruz; Dallas, Texas, USA) | sc-376246 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: E-12 |
KIF2A (mouse) | Santa Cruz Biotechnology (St. Cruz; Dallas, Texas, USA) | sc-271471 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: D-7 |
LC3B (rabbit) | Cell Signaling (Leiden, Netherlands) | 3868 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: D11 |
L-glutamine | Lonza (Basel, Switzerland) | 17-605E | |
LIVE/DEAD Fixable Violet dead cell stain kit | Life Technologies (Carlsbad, CA, USA) | L34964 | L/D staining in Flow cytometry |
Lymphoprep | Alere Technologies AS (Oslo, Norway) | 04-03-9391/01 | |
Magnesiumchloride | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | A537.1 | |
Megafuge 2.0 RS | Heraeus (Hanau, Germany) | 75015505 | |
N, N, N', N'-Tetramethylethylendiamine (TEMED) | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | T9281 | |
Neubauer counting chamber | Brand (Wertheim, Germany) | 717805 | |
Nunc Cell culture flasks (175.0 cm2) | Thermo Scientific (Rockford, USA) | 159910 | |
p62 (rabbit) | Cell Signaling (Leiden, Netherlands) | 88588 | Western Blot detection Dilution: 1:1000 Clone: D5L7G |
PageRuler prestained protein ladder | Thermo Fisher Scientific (Langenselbold, Germany) | 26616 | |
Paraformaldehyde, 16 % | Alfa Aesar, Haverhill, USA | 43368.9M | |
PerfectSpin 24 Plus | Peqlab (Erlangen, Germany) | C2500-R-PL | |
PGE2 (1 mg/mL) | Pfizer (Berlin, Germany) | BE130681 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Lonza (Basel, Switzerland) | 17-512F | |
Protein gel system MiniProtean II | Bio-Rad Laboratories GmbH (München, Germany) | 1652960 | |
RestoreTM Western Blot Stripping Buffer | Thermo Scientific, Rockford, USA | 21059 | |
Rocking Platform wt 15 | Biometra (Göttingen, Germany) | 042-590 | |
RotiBlock | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | A151.4 | |
Roti-Load 1 (4x) | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | K929.3 | |
Rotiphorese Gel 30 (37.5:1) | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | 3029.1 | |
RPMI 1640 | Lonza (Basel, Switzerland) | 12-167F | |
Sodium dodecyl Sulfate (SDS) | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | 2326.2 | |
Thermomixer comfort | Eppendorf (Hamburg, Germany) | 5355 000.011 | |
TNF-α (10 μg/mL) | Peprotech (Hamburg, Germany) | 300-01A | |
Tris | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | 4855.3 | |
Trypan blue solution (0.4 %) | Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Steinheim, Germany) | T8154 | |
Tween 20 | Carl Roth GmbH (Karlsruhe, Germany) | 9127.1 | |
Whatman 0.2 μm nitrocellulose membrane | GE Healthcare (Solingen, Germany) | 10600001 | |
WhatmanTM Chromatography Paper 3 mm Chr | Fisher Scientific GmbH (Schwerte, Germany) | 3030917 |