Dieses Protokoll beschreibt verschiedene Methoden, die bei der Untersuchung der ATG9A-Biologie hilfreich sein können, einschließlich Immunfluoreszenz, gefolgt von Bildanalyse, Überexpressionsüberlegungen zu transienten und der Untersuchung des ATG9A-Glykosylierungsstatus mittels Western Blot.
Autophagie ist ein hochkonservierter Weg, den die Zelle nutzt, um die Homöostase aufrechtzuerhalten, beschädigte Organellen abzubauen, eindringende Krankheitserreger zu bekämpfen und pathologische Zustände zu überleben. Eine Reihe von Proteinen, ATG-Proteine genannt, bilden den Kern der Autophagie-Maschinerie und arbeiten in einer definierten Hierarchie zusammen. Studien der letzten Jahre haben unser Wissen über den Autophagie-Signalweg verbessert. Zuletzt wurde vorgeschlagen, dass ATG9A-Vesikel das Herzstück der Autophagie sind, da sie die schnelle De-novo-Synthese einer Organelle namens Phagophor steuern. Die Untersuchung von ATG9A hat sich als schwierig erwiesen, da ATG9A ein Transmembranprotein ist und in verschiedenen Membrankompartimenten vorhanden ist. Daher ist das Verständnis des Transports ein wichtiges Element für das Verständnis der Autophagie. Hier werden detaillierte Methoden vorgestellt, mit denen ATG9A und insbesondere seine Lokalisation mittels Immunfluoreszenztechniken untersucht, bewertet und quantifiziert werden können. Die Fallstricke der transienten Überexpression werden ebenfalls angesprochen. Die korrekte Charakterisierung der ATG9A-Funktion und die Standardisierung von Techniken zur Analyse ihres Transports sind entscheidend für die weitere Charakterisierung der Ereignisse, die die Autophagie-Initiierung steuern.
ATG9A ist das einzige Transmembranprotein der zentralen Autophagie-Maschinerie und wird zwischen dem Golgi und einem zytosolischen ATG9A-Vesikelkompartikel, das durch das endosomale Kompartiment1 transportiert wird. ATG9A, das lange Zeit rätselhaft war, wurde kürzlich als Lipid-Scramblase beschrieben, da es Lipide über Membrandoppelschichten hinweg ausgleicht 2,3. Es ist nun klar, dass ATG9A bei der Autophagosomenbildung an der Spitze der Hierarchie steht, und seine Untersuchung ist daher für das Verständnis der Autophagie von entscheidender Bedeutung 4,5. Daher wurden kürzlich ATG9A-Vesikel als “Keim” des Autophagosoms 6,7 vorgeschlagen. Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass ATG9A nur vorübergehend mit dem bildenden Autophagosom in verschiedenen Stadien seiner Reifung interagiert und sich nicht in die autophagische Membran integriert 6,8,9,10,11. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Rolle und die möglichen Mehrfachfunktionen von ATG9A bei der Autophagosomenbildung vollständig zu entschlüsseln. Die Diskrepanz zwischen den aktuellen Modellen und den bisherigen Daten kann jedoch nur durch gezielte Experimente aufgelöst werden, die sich mit dem Transport von ATG9A unter Verwendung validierter quantitativer Ansätze und intrazellulärer Marker befassen.
Es gibt verschiedene Werkzeuge, die verwendet werden, um ATG9A zu untersuchen, jedes mit Vor- und Nachteilen, und die Verwendung dieser Werkzeuge wird durch die Struktur von ATG9A, seine molekulare Funktion und den zellulären Transport erschwert 2,8,12. ATG9A bildet ein Homotrimer, ist glykosyliert und wird durch die Zelle zu Kompartimenten wie dem Golgi, den Endosomen und der Plasmamembran transportiert13,14. Angesichts seiner komplexen Reiseroute gibt es mehrere Herausforderungen bei der Interpretation von Messwerten, wie z. B. der Ausbreitung von ATG9A aus dem Golgi bei bestimmten Behandlungen oder Reizen (wie Nährstoff- und Serummangel). ATG9A ist extrem dynamisch in Bezug auf den vesikulären Transport; In der Tat wurden ATG9A-haltige Vesikel im Zusammenhang mit hungerinduzierter Autophagie als ATG9A-Kompartiment definiert. Das ATG9A-Kompartiment, das von diesen dynamischen Vesikeln gebildet wird, interagiert vorübergehend mit mehreren intrazellulären Organellen 8,15,16,17. Die hier beschriebenen Techniken, einschließlich Immunfluoreszenz, Live-Bildgebung und Glykosylierungsassays, sollten zum Nachweis und Verständnis der ATG9A-Biologie beitragen. Insbesondere werden die in diesem Artikel beschriebenen Ansätze dazu beitragen, Fragen zur Lokalisierung in bestimmten zellulären Kompartimenten und Interaktionen mit spezifischen Proteinpartnern und/oder Membrankompartimenten zu beantworten. Da die hydrophob konservierte Kerndomäne (PFAM-Domäne PF04109) ATG9A eine einzigartige Topologie aufweist und ATG9A-Zyklen zwischen mehreren Membrankompartimenten aufweist, sollten sich Forscher bestimmter Fallstricke und Artefakte bewusst sein, wenn ATG9A vorübergehend überexprimiert wird, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Retention des endoplasmatischen Retikulums (ER). Andere mögliche Probleme können aufgrund einer Fehlfaltung des Proteins, einer künstlichen Aggregation unter normalen Wachstumsbedingungen oder einer unzureichenden Detektion des vesikulären Kompartiments aufgrund suboptimaler Permeabilisierungsprotokolle für die Immunfluoreszenz auftreten.
Bei der Bildgebung von endogenem ATG9A muss bei der Probenvorbereitung und Bildaufnahme darauf geachtet werden, die Qualität der anschließenden quantitativen Analyse und die korrekte Interpretation der Daten zu gewährleisten. Die Kombination der in diesem Artikel beschriebenen Techniken mit biochemischen Standardansätzen (wie Immunpräzipitation oder Pull-Down-Experimenten, die hier nicht beschrieben sind) sollte unser Verständnis der Funktion von ATG9A verbessern. Dieses experimentelle Toolkit soll neuen Forschern helfen, sich in einigen der Assays zurechtzufinden, die zur Bestimmung der Funktion von ATG9A in ihrem biologischen System erforderlich sind.
Diese Studie veranschaulicht die verschiedenen Werkzeuge, mit denen die Lokalisierung von ATG9A untersucht werden kann. Zunächst wird in dieser Studie beschrieben, wie ATG9A durch Immunfluoreszenz sichtbar gemacht und quantifiziert werden kann. Zweitens werden Strategien verglichen, mit denen ATG9A mit einem fluoreszierenden Marker markiert werden kann, um es entweder in fixierten oder lebenden Zellen sichtbar zu machen. Abschließend wird in dieser Arbeit beschrieben, wie der Glykosylierungszustand von ATG9A untersucht und genutzt werden kann, um festzustellen, ob ATG9A das ER verlassen hat und durch den Golgi transportiert wurde.
Bei der Charakterisierung der endogenen ATG9A-Lokalisation durch Immunfluoreszenz ist bei den für das Experiment verwendeten Fixierungs- und Permeabilisierungsmethoden Vorsicht geboten. Nach den hier beschriebenen Standardverfahren sind die Paraformaldehydfixierung in Verbindung mit der Digitonin-Permeabilisierung gute Voraussetzungen, um sowohl Golgi-assoziierte ATG9A- als auch ATG9A-positive Vesikel sichtbar zu machen7. Neben der Fixierung und Permeabilisierung ist auch der Zeitpunkt der Inkubation mit der primären Antikörperlösung entscheidend. Wir haben beobachtet, aber nicht dokumentiert, dass höhere Konzentrationen der primären Antikörperlösung und längere Inkubationszeiten zu einem falsch repräsentativen Anstieg der Golgi-Färbung von ATG9A führen können, was schließlich den Nachweis der ATG9A-Umverteilung in andere Membrankompartimente beeinträchtigt. Da ATG9A in vielen intrazellulären Kompartimenten 1,13,17,22,23,24,27,28 vorhanden ist, ist es außerdem wichtig, spezifische Membranmarker zusammen mit ATG9A zu verwenden, um zu identifizieren, wo sich ATG9A befindet. In der Vergangenheit wurden mehrere Ansätze zur Quantifizierung der ATG9A-Lokalisierung verwendet, darunter der Pearson-Korrelationskoeffizient für die Kolokalisierung29. Die partielle Überlappung von ATG9A mit dem Golgi und dem ausgeprägten vesikulären Kompartiment führt jedoch zu einer hohen Anzahl von Pixelausreißern, was die Interpretation des Korrelationskoeffizienten verzerren könnte. Aus diesem Grund wird ein einfacherer Ansatz bevorzugt, der auf dem Verhältnis der mittleren Fluoreszenz in den beiden zu analysierenden Kompartimenten basiert, und dieser Ansatz ist weniger empfindlich gegenüber der Variabilität von Zelle zu Zelle. Weitere Informationen zur Bildanalyse durch Mikroskopie finden Sie in diesem Buch Kapitel30.
Bei der Untersuchung des Glykosylierungsstatus von ATG9A ist die Auswahl der Gele für die Western Blots wichtig. Für dieses Protokoll werden 3%-8% Trisacetat-Gele bevorzugt, da sie die höchste Auflösung für größere Proteine bieten, aber auch alternative Gelzusammensetzungen oder Laufpuffer, die eine gute Trennung von Proteinen mit hohem Molekulargewicht bieten, können verwendet werden. Der Versuchsleiter kann die maximale Trennung von Proteinen sicherstellen, indem er die Zeit der Elektrophorese verlängert.
Bei der Vorbereitung der Proben zur Visualisierung von ATG9A auf Western Blot sollte darauf geachtet werden, dass die Proben nach Zugabe des Laemmli-Puffers nicht gekocht werden. Das Sieden bei 95 °C induziert die Bildung von ATG9A-Aggregaten, und in der Folge migriert ATG9A nicht effizient in das Gel1. Es wird empfohlen, die Proben 5 Minuten lang auf 65 °C zu erhitzen27.
Eine hohe Transfektion führt in der Regel zu einer höheren Akkumulation von ATG9A im ER, während moderate Expressionsniveaus die physiologische Lokalisierung des Proteins unterstützen. Anekdotisch tragen Inkubationszeiten von 72 h statt 48 h oft dazu bei, ER-Lokalisationsartefakte zu reduzieren. Insbesondere kann mRFP-ATG9A genau über den Transport und die Funktion von ATG9A berichten, wenn die Konzentrationen durch Expressionsniveaus oder durch die Verwendung stabiler Zelllinienkontrolliert werden 8,9,22,27.
Das Versagen einer Population von überexprimiertem ATG9A, reife N-verknüpfte Glykane zu erwerben, kann als Auslese für einen gestörten ATG9A-Transport verwendet werden. Beim Mutieren oder Löschen bestimmter Regionen von ATG9A besteht das Risiko einer erhöhten ER-Retention, was dazu führen kann, dass reife N-verknüpfte Glykane nicht erworben werden und somit eine schneller migrierende ATG9A-Bande auf dem Western Blot entsteht. Forscher, die mit verkürzten ATG9A-Konstrukten arbeiten, sollten die ER-Retention, die Glykosylierungszustände und die Golgi-Lokalisierung überprüfen.
Für die Bildgebung von lebenden Zellen von ATG9A bietet ein Airyscan-Mikroskop, das auf der schnellen Airyscan-Funktion basiert, eine optimale Auflösung von typischerweise etwa 120 nm. Für die Lokalisierungsgenauigkeit sind Bildraten von etwa 1-2 Bildern pro Sekunde (fps) im Super-Resolution-Modus optimal, je nachdem, wie viele Kanäle abgebildet werden. Ähnliche konfokale Mikroskope, die mit hoher Geschwindigkeit abbilden können, können auch für die Abbildung von ATG9A-Vesikeln verwendet werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Bildgebungsgeschwindigkeit die Erkennung von Ereignissen und damit die Interpretation der Daten direkt beeinflussen kann.
Zusammenfassend beschreiben die vorgestellten Protokolle Möglichkeiten zur Quantifizierung und Charakterisierung der ATG9A-Lokalisation durch Immunfluoreszenz, Lebendzellmikroskopie und ihren Glykosylierungsstatus. Diese Protokolle können Forschern, die mit ATG9A arbeiten, helfen und helfen, einige Fallstricke zu vermeiden.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken Rocco D’Antuono für das Korrekturlesen des Manuskripts sowie allen gegenwärtigen und ehemaligen Mitgliedern des Labors für Molekulare Zellbiologie der Autophagie (MCBA) für die Diskussionen, die zur Verfeinerung dieser Protokolle geführt haben. A. v.V., S.d.T., E.A., S.A.T. wurden vom Francis Crick Institute unterstützt, das seine Grundfinanzierung von Cancer Research UK (CC2134) und dem UK Medical Research Council (CC2134) erhält. Diese Forschung wurde ganz oder teilweise vom Wellcome Trust (CC2134) finanziert. Zum Zwecke des Open Access hat der Autor eine CC BY-Lizenz für das öffentliche Urheberrecht auf jede vom Autor akzeptierte Manuskriptversion angewendet, die aus dieser Einreichung hervorgeht.
24 multiwell plates | Falcon | 353047 | For tissue culture |
35 mm Dish | No. 1.5 Coverslip | 14 mm Glass Diameter | Uncoated | MATTEK | P35G-1.5-14-C | Cell culture dish for live-cell microscopy |
4x Laemmli Sample Buffer | Bio-Rad | 1610747 | |
60 mm tissue culture dish | Thermofischer Scientific | 10099170 | For tissue culture |
Alexa Fluor 647 Phalloidin | Thermofischer Scientific | A22287 | Actin stain |
anti-ATG9A antibody | home made | STO-215 | Rabbit anti N-terminal peptide ATG9A |
anti-Rabbit IgG, peroxidase-linked | Invitrogen | 10794347/NA934-1ml | Secondary antibody for rabbit polyclonal STO-215 |
anti-RFP antibody | Evrogen | AB233 | for Western Blot |
ATG9A Monoclonal Antibody (14F2 8B1), Invitrogen | Invitrogen | 15232826 | Antibody for immunofluorescence |
ATG9A-eGFP | home made | Construct which expresses tagged ATG9A | |
Bemis Parafilm | Thermofischer Scientific | 11747487 | self-sealing thermoplastic film |
Bio-Rad Protein Assay Dye Reagent Concentrate | Bio-Rad | 5000006 | For determining protein concentration |
Bovine serum albumin (BSA) | Merck | 10735086001 | For blocking non-specific labelling |
CaCl2.2H2O | / | For PBS and EBSS | |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 11697498001 | Supplement in lysis buffer to prevent protein degradation |
Cy3 AffiniPure Goat Anti-Armenian Hamster IgG | Jackson ImmunoResearch | 127-165-099 | Secondary antibody for i14F2 8B1 antibody for mmunofluorescence |
Cyclohexamide | Sigma Aldrich | 66-81-9 | To stop protein translation |
D-Glucose | / | For EBSS | |
Digitonin | Merck | 300410 | For permeabilizing cells |
DMEM | Merck | D6546-6x500ml | For tissue culture |
eGFP-ATG9A | home made | Construct which expresses tagged ATG9A | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 10270-106 | Supplement for DMEM for cell culture |
FIJI (ImageJ) | / | https:/fiji.sc/ | Open source image analysis software |
Hoechst | Thermofischer Scientific | H3570 | Stains the nucleus |
KCl | / | For EBSS | |
L-glutamine | Sigma | 67513 | For tissue culture |
Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668-019 | For Cell Transfection |
LSM880 Airyscan microscope | Zeiss | / | Confocal microscopy |
MgCl2 | / | For PBS | |
MgSO4.7H2O | / | For EBSS | |
Mowiol mounting solution | Millipore | 475904 | for permanent mounting glass coverslips |
NaCl | / | For EBSS | |
NaH2PO4.2H2O | / | For EBSS | |
NaHCO3 | / | For EBSS | |
NuPAGE 3 to 8%, Tris-Acetate, 1.5 mm, Mini Protein Gels | Thermofischer Scientific | EA0378BOX | for Western Blotting |
NuPAGE MES SDS Running Buffer (20x) | Life Tech | NP0002 | for Western Blotting |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Thermo | 31985062 | For Cell Transfection |
Paraformaldehyde | Agar Scientific | R1026 | For fixing cells |
pcDNA3.1-mCherry-3xFlag-ATG9A | home made | Construct which expresses tagged ATG9A | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | / | For tissue culture | |
PNGaseF | NEB | P0710S | To remove N-linked glycans |
Poly-D-lysine hydrobromide mol wt 70,000-150,000 | Merck | P0899 | For coating coverslips |
Rapid PNGase F enzyme | NEB | P07105 | To remove N-linked glycans |
RFP-ATG9A | home made | Construct which expresses tagged ATG9A | |
Triton X-100 | Thermofischer Scientific | 13454259 | Detergent for Cell lysis |
Trypsin-EDTA solution | Sigma | T4049 | For tissue culture |
Whatman Filter Paper | Merck | WHA1001325 | For Western Blot and IF |
XCell SureLock Mini-Cell Electrophoresis System | Invitrogen | EI0001 | For Western Blotting |
Zen Black edition | Zeiss | / | Used to operate the LSM 880 |