Summary

Visualização de Caspases Inflamatórias Induzidas proximidade em macrófagos derivados de monócitos humanos

Published: April 06, 2022
doi:

Summary

Este protocolo descreve o fluxo de trabalho para obter macrófagos derivados de monócitos (MDM) a partir de amostras de sangue humano, um método simples para introduzir eficientemente os repórteres de complementação de fluorescência bimolecular inflamatória (BiFC) em MDM humano sem comprometer a viabilidade e o comportamento celular, e uma abordagem baseada em imagens para medir a ativação inflamatória de caspase em células vivas.

Abstract

As caspases inflamatórias incluem caspase-1, -4, -5, -11 e -12 e pertencem ao subgrupo de caspases iniciadores. O Caspase-1 é necessário para garantir a correta regulação da sinalização inflamatória e é ativado pela dimerização induzida pela proximidade após o recrutamento para inflamações. Caspase-1 é abundante na linhagem celular monocítica e induz a maturação das citocinas pró-inflamatórias interleucina (IL)-1β e IL-18 a moléculas secretas ativas. As outras caspases inflamatórias, caspase-4 e -5 (e seu caspase-11 homólogo murino) promovem a liberação de IL-1β induzindo a piroptose. Caspase Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) é uma ferramenta usada para medir a proximidade induzida por caspase inflamatória como uma leitura da ativação do caspase. O caspase-1, -4, ou -5 prodomínio, que contém a região que se liga ao inflamatório, é fundido a fragmentos não fluorescentes da proteína fluorescente amarela Vênus (Venus-N [VN] ou Venus-C [VC]) que associam a reforma do complexo fluorescente de Vênus quando as caspas sofrem proximidade induzida. Este protocolo descreve como introduzir esses repórteres em macrófagos derivados do monócito humano primário (MDM) usando nucleofeipulsão, tratar as células para induzir ativação inflamatória de caspase e medir a ativação de caspase usando fluorescência e microscopia confocal. A vantagem dessa abordagem é que ela pode ser usada para identificar os componentes, requisitos e localização do complexo de ativação inflamatória de caspase em células vivas. No entanto, controles cuidadosos precisam ser considerados para evitar comprometer a viabilidade e o comportamento celular. Esta técnica é uma poderosa ferramenta para a análise de interações dinâmicas de caspase no nível inflamatório, bem como para o interrogatório das cascatas inflamatórias de sinalização em MDM vivos e monócitos derivados de amostras de sangue humano.

Introduction

As caspases são uma família de proteases de cisteína aspartate que podem ser agrupadas em caspases iniciadores e caspases carrascos. As caspases carrascos compreendem caspase-3, -6 e -7. Eles são naturalmente encontrados em células como dimers e são cortados pelas caspases iniciadores para executar apoptose1. As caspases iniciais incluem caspase humana-1, -2, -4, -5, -8, -9, -10 e -12. Eles são encontrados como zymogens inativos (pro-caspases) que são ativados pela dimerização induzida pela proximidade e estabilizados pelo decote auto-proteolítico 2,3. As caspases inflamatórias são um subconjunto das caspasesiniciadores 2 e englobam caspase-1, -4, -5 e -12 em humanos, e caspase-1, -11 e -12 no rato 4,5. Em vez de um papel apoptótico, eles desempenham um papel central na inflamação. Eles mediam o processamento proteolítico e a secreção de pró-interleucina (IL)-1β e pró-IL-18 6,7, que são os primeiros citocinas a serem liberados em resposta aos invasores patogênicos 8,9. O Caspase-1 é ativado após o recrutamento para sua plataforma de ativação; um grande complexo de proteína de peso molecular denominado inflamado (Figura 1A)10. A dimerização da caspase-4, -5 e -11 ocorre independentemente dessas plataformas através de uma via inflamamsome nãocanônica11,12.

Os inflamamossscópios canônicos são complexos de proteína multimédica citosolic que consistem em uma proteína sensormasome inflamada, a proteína adaptadora ASC (proteína associada à apoptose contendo um CARD), e o caspase de proteína effectora-110. Os inflamatórios canônicos mais bem estudados são a família receptora semelhante ao NOD contendo um domínio de pirina (NLRP), NLRP1 e NLRP3, a família NLR contendo um CARD (NLRC), NLRC4, e a ausência no melanoma 2 (AIM2). Cada um deles contém um domínio pirin, um CARD ou ambos os domínios. O domínio CARD media a interação entre as caixas contendo cartão e seus ativadores upstream. Portanto, a molécula de andaime ASC, que é composta por um domínio de pirina n-terminal (PYD) e um motivo de CARD terminal C13,14, é necessária para o recrutamento de caspase-1 para o NLRP110, NLRP315 e AIM216 inflamações.

Cada inflamatório é nomeado após sua proteína sensorada única que reconhece distintos estímulos pró-inflamatórios (Figura 1B). Ativadores desta via são denominados estímulos canônicos. Os inflamatórios servem como sensores para componentes microbianos e estresse tecidual, e montam-se para desencadear uma resposta inflamatória robusta através da ativação das caspases inflamatórias17. A montagem inflamada inicia a ativação caspase-1 para mediar a maturação e a secreção de seus substratos principais pró-IL-1β e pró-IL-18. Esse processo ocorre através de um mecanismo de duas etapas. Primeiro, um estímulo de priming regula a expressão de certas proteínas inflamadas e pró-IL-1β através da ativação da via NF-κB. Em segundo lugar, um estímulo intracelular (canônico) induz a montagem inflamada e o recrutamento de procaspase-1 6,7.

Caspase-4 e caspase-5 são os ortopedes humanos da caspase murina-1111. Eles são ativados de forma inflamada e independente por lipopolysacarídeo intracelular (LPS), uma molécula encontrada na membrana externa das bactérias Gram-negativas18,19,20, e por heme extracelular, um produto da hemólise de glóbulos vermelhos21. Foi proposto que o LPS se liga diretamente ao motivo card dessas proteínas e induz sua oligomerização20. A ativação do caspase-4 ou caspase-5 promove a liberação do IL-1β induzindo uma forma inflamatória de morte celular chamada piroptose através do decote da proteína gasdermin D (GSDMD)18,19. Além disso, o efflux de íons de potássio resultantes da morte piropopótica mediada por caspase-4 e GSDMD induz a ativação do inflamador NLRP3 e posterior ativação do caspase-122,23. Portanto, caspase-4, -5 e -11 são considerados sensores intracelulares para LPS que são capazes de induzir piroptose e ativação caspase-1 em resposta a estímulos específicos11,24.

Figure 1
Figura 1: Caspases inflamatórias e ensaio de complementação de fluorescência caspase-bimolecular (BiFC). (A) Diagrama mostrando o sistema caspase-BiFC, onde dois prodomínios caspase-1 (C1-pro) ligados a cada fragmento não fluorescente de Vênus (Venus-C ou Venus-N) são recrutados para a plataforma de ativação NLRP3, forçando Vênus a se repatar e fluorescer. Este complexo aparece como uma mancha verde sob o microscópio e serve como uma leitura para a proximidade inflamatória induzida por caspase, que é o primeiro passo na ativação do caspase iniciador. (B) Esquema mostrando a organização do domínio de componentes inflamatórios e caspases inflamatórias. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Medir a ativação específica de caspases iniciadores é difícil, e não há muitos métodos disponíveis para fazê-lo por abordagens de imagem. A Complementação da Fluorescência Bimolecular Caspase (BiFC) pode ser usada para visualizar a ativação inflamatória de caspase diretamente em células vivas (Figura 1A)25. Esta técnica foi recentemente adaptada para uso em macrófagos derivados de monócitos humanos (MDM)21. Caspase BiFC mede o primeiro passo na ativação inflamatória de caspase, induzida proximidade para facilitar a dimerização. A expressão de plasmídeos que codificam o caspase prodomínio contendo card fundido a fragmentos não fluorescentes da proteína fluorescente amarela fotostável Vênus (Venus-C [VC]) e Venus-N [VN]) são usados. Quando os dois prodomínios caspase são recrutados para sua plataforma de ativação ou sofrem proximidade induzida, as duas metades de Vênus são trazidas de perto e forçadas a se reabastecer e fluoresce (ver Figura 1A,B). Isso fornece uma leitura em tempo real da ativação específica de caspase inflamatória.

O MDM humano expressa abundantemente genes inflamados e receptores de reconhecimento de padrões que identificam sinais de perigo e produtos patógenos. Isso fornece um tipo de célula ideal para o interrogatório de vias inflamatórias caspase. Além disso, podem ser derivados do sangue periférico e até mesmo de amostras de pacientes para avaliar a ativação inflamatória de caspase em um estado específico da doença. Este protocolo descreve como introduzir os repórteres de caspase BiFC no MDM usando nucleofecção, um método de transfecção baseado em eletroporação, como tratar as células para induzir a ativação inflamatória do caspase e como visualizar os complexos ativos de caspase usando abordagens de microscopia. Além disso, essa metodologia pode ser adaptada para determinar a composição molecular desses complexos, localização subcelular, cinética e tamanho dessas estruturas altamente ordenadas 25,26,27.

Protocol

Este protocolo segue as diretrizes do comitê de ética em pesquisa humana da Baylor College of Medicine para a manipulação de amostras humanas. As amostras de sangue são tratadas seguindo as diretrizes institucionais de segurança para amostras humanas. As amostras de sangue são obtidas em um banco de sangue regional, onde são coletadas com solução de fosfato dextrose citrato (CPD). No entanto, o sangue coletado com outros anticoagulantes como heparina de sódio, heparina de lítio ou EDTA também pode ser usado …

Representative Results

O esquema mostrado na Figura 2 dá uma visão geral de como obter, transfetar e imagem humana MDM. Após a incubação dos monócitos CD14+ selecionados com GM-CSF por 7 dias, a morfologia celular muda ao longo do período de diferenciação (Figura 3A), passando de células de suspensão esféricas para spindly e totalmente anexadas (dias 3 e 4), e, por último, para células mais difundidas quando totalmente diferenciadas (dia 7). As células totalmente difer…

Discussion

Este protocolo descreve o fluxo de trabalho para obter macrófagos de monócitos isolados de amostras de sangue humano e um método para introduzir eficientemente os repórteres de Caspase Inflamatório BiFC em MDM humano sem comprometer a viabilidade e o comportamento celular.

Este protocolo aproveita a técnica BiFC35 para marcar as caspases inflamatórias no domínio de recrutamento caspase (CARD) com fragmentos não fluorescentes da proteína fluorescente dividida V…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos aos membros do laboratório passado e presente da LBH que contribuíram para o desenvolvimento dessa técnica. Este laboratório é suportado por NIH/NIDDK T32DK060445 (BEB), NIH/NIDDK F32DK121479 (BEB), NIH/NIGMS R01GM121389 (LBH). A Figura 2 foi desenhada usando o software Biorender.

Materials

48 well tissue culture2:34 plates Genesee Scientific 25-108
10 cm Tissue Culture Dishes VWR 25382-166
2 Mercaptoethanol 1000x Thermo Fisher Scientific 21985023
8 well chambered coverglass with 1.5 HP coverglass Cellvis c8-1.5H-N
AutoMACS columns Miltenyi (Biotec) 130-021-101 For automated separation using AutoMACS Pro Separator only
AutoMACS Pro Separator Miltenyi (Biotec) 130-092-545 For automated separation using AutoMACS Pro Separator only
AutoMACS Pro Washing Solution Miltenyi (Biotec) 130-092-987 For automated separation using AutoMACS Pro Separator only
AutoMACS Rinsing Solution Miltenyi (Biotec) 130-091-222 For automated separation using AutoMACS Pro Separator only
AutoMacs running buffer Miltenyi (Biotec) 130-091-221 For manual or automated separation using QuadroMACS or AutoMACS pro Separator
Axio Observer Z1 motorized inverted microscope equipped with a CSU-X1A 5000 spinning disk unit Zeiss Any confocal microscope equipped with a laser module fitted with laser lines of 568 nm (RFP) and 488 or 512 nm (GFP or YFP) wavelengths can be used
AxioObserver A1, Research Grade Inverted Microscope Zeiss Any epifluorescence microscope with fluorescence filters capable of exciting 568 nm (RFP) and 488 or 512 nm (GFP or YFP) wavelengths can be used
CD14+ MICROBEADS Miltenyi (Biotec) 130-050-201 For manual or automated separation using QuadroMACS or AutoMACS pro Separator
DPBS without calcium chloride and magnesium chloride Sigma D8537-6x500ML
DsRed mito plasmid Clontech 632421 Similar plasmids that can be used as fluorescent reporters can be found on Addgene
Fetal Bovine Serum Thermo Fisher Scientific 10437028
Ficoll-Paque PLUS 6 x 100 mL Sigma GE17-1440-02
GlutaMAX Supplement (100x) Thermo Fisher Scientific 35050079
GM-CSF Thermo Fisher Scientific PHC2011
Hemin BioXtra, from Porcine, ≥96.0% (HPLC) Sigma 51280-1G
HEPES Thermo Fisher Scientific 15630106
Inflammatory caspase BiFC plasmids Available by request from LBH lab
LPS-EB Ultrapure Invivogen TLRL-3PELPS
LS Columns Miltenyi (Biotec) 130-042-401 For manual separation using QuadroMACS Separator only
MACS 15 mL Tube Rack Miltenyi (Biotec) 130-091-052 For manual separation using QuadroMACS Separator only
MACS MultiStand Miltenyi (Biotec) 130-042-303 For manual separation using QuadroMACS Separator only
mCherry plasmid Yungpeng Wang Lab Similar plasmids that can be used as fluorescent reporters can be found on Addgene
Neon Transfection System Thermo Fisher Scientific MPK5000 Includes Neon electroporation device, pipette and pipette station
Neon Transfection System 10 µL Kit Thermo Fisher Scientific MPK1096 Includes resuspension buffer R, resuspension buffer T, electrolytic buffer E, 96 x 10 µL Neon tips and Neon electroporation tubes
Nigericin sodium salt, ready made solution Sigma SML1779-1ML
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Thermo Fisher Scientific 15140122
Poly-D-Lysine Hydrobromide Sigma P7280-5mg
QuadroMACS Separator Miltenyi (Biotec) 130-090-976 For manual separation using QuadroMACS Separator only
qVD-OPh Fisher (ApexBio) 50-101-3172
RPMI 1640 Medium Thermo Fisher Scientific 11875119
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red Thermo Fisher Scientific 25200072
UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 Thermo Fisher Scientific 15575020
Zeiss Zen 2.6 (blue edition) software Zeiss Any software used to operate the confocal microscope of choice

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Bolívar, B. E., Bouchier-Hayes, L. Visualization of Inflammatory Caspases Induced Proximity in Human Monocyte-Derived Macrophages. J. Vis. Exp. (182), e63162, doi:10.3791/63162 (2022).

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