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PH vacuolaire et cytosolique peut être mesurée en levures vivantes ( S. cerevisiae) Cellules en utilisant des colorants fluorescents ratiométriques localisés dans des compartiments cellulaires spécifiques. Nous décrivons les procédures pour mesurer le pH vacuolaire avec BCECF-AM, qui se localise dans la vacuole de la levure, et le pH cytosolique avec une GFP sensible au pH quotientométrique cytosolique (levure pHluorin).
Vacuolar et pH cytosolique sont très réglementés dans les cellules de levure et d'occuper un rôle central dans l'homéostasie globale du pH. Nous décrivons les protocoles de mesure radiométrique de pH in vivo en utilisant des fluorophores sensibles au pH localisés dans la vacuole ou cytosol. PH vacuolaire est mesurée en utilisant BCECF, qui se localise dans la vacuole dans la levure lors de son introduction dans les cellules, sous sa forme d'ester d'acétoxyméthyle. PH cytosolique est mesuré avec une GFP sensible au pH exprimé sous le contrôle d'un promoteur de levure, la levure pHluorin. Les méthodes de mesure des ratios de fluorescence dans des suspensions de cellules de levure dans un fluorimètre sont décrits. Grâce à ces protocoles, des mesures ponctuelles de temps simples de pH dans des conditions différentes ou dans différents mutants de levure ont été comparées et les variations de pH au cours du temps ont été surveillés. Ces méthodes ont également été adaptés au format du lecteur de plaque à fluorescence pour des expériences à haut débit. Avantages de mesures de pH ratiométriques par rapport aux autres apapproches en cours d'utilisation, les problèmes potentiels et les solutions expérimentales, et les perspectives pour le futur usage de ces techniques sont également décrites.
homéostasie du pH est un processus dynamique et très réglementé dans tous les organismes 1,2. Processus biochimiques sont strictement réglementées par le pH et les environnements intracellulaires sont accordés sur des gammes de pH étroite pour permettre une activité optimale des enzymes résidentes. Cependant, l'homéostasie du pH intracellulaire peut être contestée par des changements rapides dans l'environnement pH, les changements métaboliques et certaines voies de signalisation. En outre, le pH intracellulaire peut se servir comme un signal important. Enfin, de nombreux organites maintenir des valeurs de pH luminales qui sont distincts du cytosol environnante et indispensable au bon fonctionnement des organites spécifiques.
Saccharomyces cerevisiae actions d'un certain nombre de mécanismes d'homéostasie du pH avec eucaryotes supérieurs 2. Dans les organites acides de la voie d'endocytose / lysosomale, le pH est principalement contrôlée par l'ATPase vacuolaire translocation de protons hautement conservée (V-ATPase), agissant de concert avec de nombreux échangers dépendant du gradient de pH. Toutes les cellules eucaryotes ont aussi des mécanismes d'exportation de protons. Chez les champignons et les plantes, une seconde, la pompe à protons distinct à la membrane plasmique, PMA1, les exportations protons métaboliques et l'on croit être le déterminant majeur de pH cytosolique et du potentiel de membrane plasmique. La flexibilité génétique de S. cerevisiae et son importance commerciale, en ont fait un modèle très intéressant et important pour l'étude de l'homéostasie du pH 2.
En plus d'être les principaux moteurs de organite acidification, V-ATPase sont très réglementés et enzymes de notre laboratoire s'intéresse aux mécanismes de régulation V-ATPase comprendre. Pour atteindre cet objectif, nous avons eu recours à des mesures de pH in vivo de pH vacuolaire et cytosolique: 1) suivre les réponses à l'évolution des conditions extracellulaires, comme la privation de glucose et readdition, 2) d'examiner les effets des mutations qui compromettent l'activité V-ATPase, et 3) d'explorer la coornation des organelles et la membrane plasmique pompes à protons 3-5. Ces expériences ne sont devenus possibles grâce à l'élaboration d'indicateurs de pH ratiométriques robustes qui se prêtent à utiliser dans les cellules de levure. . Plant et al ont d'abord montré que BCECF (2'7'-bis-(2-carboxyéthyl) -5 - (et 6)-carboxyfluorescéine), qui a été largement utilisé pour mesurer le pH cytosolique dans les cellules de mammifères, s'accumule dans la vacuole de la levure au lieu de le cytosol 6. Cette différence de BCECF localisation a été attribué aux nombreuses enzymes hydrolytiques dans la vacuole, qui sont susceptibles responsable du clivage de l'ester méthylique de BCECF acétoxy-AM (ester acétoxyméthylique de BCECF) et vacuolaire rétention 6. Ali et al. 7 développées mesure du pH vacuolaire utilisant BCECF et adapté ces mesures à un format de lecteur de plaques à fluorescence. Brett et al. Introduit pHluorin de levure en tant que moyen de mesure du pH cytosolique dans la levure par l'expression d'un r plasmidiqueatiometric GFP sensible au pH 8 sous le contrôle d'un promoteur spécifique de levure 9.
Les spectres d'excitation des deux BCECF et la levure pHluorin sont sensibles au pH, si elles sont utilisées comme indicateurs de pH ratiométriques dans lequel le rapport de fluorescence à deux longueurs d'onde d'excitation, mesurée à une longueur d'onde d'émission, fournit une mesure de pH 8,10. Ces levures capteurs de pH vacuolaire et cytosolique ont été utilisées pour les deux mesures unicellulaires et basée sur la population. Mesures monocellulaires 6,11 sont réalisées par microscopie à fluorescence et une analyse d'image. Fluorescence vacuolaire ou cytosolique à deux longueurs d'onde est mesurée pour chaque cellule. Les mesures basées sur la population sont réalisées soit dans un lecteur de microplaques avec des capacités de fluorescence appropriés ou dans un fluorimètre. Nous avons généralement fait nos mesures dans un fluorimètre, car il permet un accès facile pour l'ajout d'éléments tels que le glucose au cours de conmesures cinétiques continue. Nos protocoles de laboratoire courants pour la mesure du pH vacuolaire et cytosolique sont énumérés ci-dessous, les deux sont également facilement adapté aux essais en microplaques.
1. Mesure du pH Vacuolar in vivo en utilisant BCECF-AM
2. Mesure du pH cytosolique in vivo en utilisant pHluorin de levure
La figure 1 présente les données de pH vacuolaire obtenus sur des cellules de levure de type sauvage cultivées dans un milieu riche (extrait de levure-peptone-dextran; YEPD) tamponnée à pH 5 avec 50 mM MES. Nous cultivons souvent les cellules dans un milieu tamponné parce que le pH du milieu peut changer de façon spectaculaire au cours de la croissance pendant la nuit, surtout pour un milieu minimal, et nous avons constaté que le pH du milieu de croissance peut influencer les réponses de pH vacuolaire 3. Cependant, il est également acceptable pour de nombreuses expériences de cultiver les cellules dans un milieu tampon. Figure 1A montre une courbe d'étalonnage pour les cellules incubées avec BCECF-AM par le protocole ci-dessus. Bien que la relation entre le rapport de fluorescence BCECF et pH vacuolaire est non linéaire dans une gamme de pH large 7, il est presque linéaire dans la plage correspondant à ces mesures expérimentales, et une courbe de tendance linéaire est représentée et utilisée pour calculer des valeurs de pH pour l'expérience. Des changements de pH vacuolaire résultant de glOutre ucose aux cellules le glucose-privés sont présentés dans la figure 1B. PH augmente vacuolaires pendant BCECF-Am étiquettent parce que les cellules sont privées glucose, mais diminue après readdition de glucose, probablement en raison de l'activation V-ATPase par remontage 3,4. Une légère augmentation du pH vacuolaire est observée lors de l'addition de 50 mM de KCl, soit trois minutes après l'addition de glucose. Dans une étude plus vaste, nous courons généralement au moins trois expériences indépendantes (biologiques réplique) et montrons le pH moyen ± écart-type pour chaque état 3-5.
La cinétique de changement de pH cytosolique avec ajout de glucose sont présentés dans la figure 2. Pour cette expérience, les cellules de levure de type sauvage ont été cultivées dans un milieu complet synthétique dépourvu d'uracile (SC-uracile), tamponnée à pH 5 avec 50 mM MES. Ce milieu est approprié pour le maintien du plasmide contenant pHluorin de levure sous le contrôle du promoteur de la phosphoglycérate kinase (PGK),que nous avons utilisé récemment 3,5; autres plasmides peuvent nécessiter des conditions de sélection. La courbe d'étalonnage (figure 2A) montre que la réponse ratiométrique du pHluorin de pH est linéaire sur une large gamme de pH; généralement couvrant toute pH cytosolique physiologiquement pertinent. La réponse des cellules de type sauvage montrées ici est très caractéristique, il ya une diminution immédiate du pH suivie d'une augmentation de pH 7,2-7,4.
Nous construisons des courbes d'étalonnage pour chaque souche et dans chaque expérience. Nous utilisons un mélange de d'étalonnage in situ décrit par Brett et al. 9 pour les deux mesures pHluorin BCECF et. Ce mélange comprend l'acétate d'ammonium cellule-agent de perméation capable de provoquer la désintégration des gradients de pH à travers plusieurs membranes, de l'azoture de sodium et le désoxyglucose pour stopper la production d'ATP et inhibent la H +-pompes, et monensin et nigéricine, ionophores impliquée dans effondrement des gradients de pH dans la levure sécrétoire / VACtransports uolar voies 12 et mitochondrial membrane interne 13, respectivement. Il est à noter que nous n'avons pas soustrait une valeur de fond de cellules non marquées pour les mesures de pH vacuolaire ou cytosolique. Bien que les cellules ont une certaine auto-fluorescence intrinsèque, nous avons comparé directement les mesures de pH avec et sans correction de fond sur les échantillons expérimentaux d'étalonnage et et n'avons constaté aucune différence dans les valeurs finales. Soustraction de fond se traduira par des courbes d'étalonnage plus raides, et il peut être souhaitable dans des conditions où les signaux de fluorescence sont faibles et le rapport signal sur bruit devient un problème. Par exemple, en mesurant à partir d'un appareil de Golgi / endosome-localisée pHluorin 5, ce qui donne un signal global inférieur, nous avons soustraire le signal de fond de toutes les mesures.
Figure 1. Measurement des réponses de pH vacuolaire dans les cellules de type sauvage cultivées dans YEPD, pH 5. cellules de type sauvage (SF838-5Aα) ont été cultivés à la phase mi-log puis incubés avec BCECF-AM comme décrit ci-dessus. A. courbe d'étalonnage montrant mesuré rapport de l'intensité de fluorescence à partir de l'excitation à 490 nm (I490) à partir de l'intensité d'excitation à 450 nm (I450) à la fois (mesurée à une longueur d'onde d'émission de 535 nm) à pH variée. Une courbe de tendance linéaire est représenté. B. Vacuolar pH après une brève privation de glucose a été mesurée dans une portion de la même, de la suspension cellulaire étiqueté (pas de glucose). Le glucose est ensuite ajoutée à une concentration finale de 50 mM et le ratio de fluorescence a été mesurée après 5 min (5 '+ glucose). 50 mM KCl a été ensuite ajoutée et le ratio de fluorescence a été mesurée après 3 min et convertie en pH (3 '+ KCl).
Figure 2. Cinétique de cytréponse au pH osolic à l'addition de glucose dans les cellules de type sauvage. cellules de type sauvage ont été transformées avec pHluorin de levure sous le contrôle de la phosphoglycérate kinase (PGK) du promoteur et les transformants cultivés comme décrit ci-dessus. A. courbe d'étalonnage montrant rapport mesuré l'intensité de fluorescence à 405 nm (I405) à l'intensité à 485 nm (I485) en fonction du pH. B. pH cytosolique a été dérivée à partir des mesures d'intensité de fluorescence prises toutes les 6 sec. plus de 6 min. Glucose (50 mM final) a été ajouté aux cellules dans la cuve à l'heure indiquée.
Nous avons utilisé ces protocoles pour répondre à un certain nombre d'aspects de l'homéostasie du pH. Par exemple, nous avons comparé les réponses cytosolique et le pH des cellules mutantes et de type sauvage V-ATPase déficient 4,5. Nous avons également examiné les effets des conditions de croissance modifiées, le pH extracellulaire, en particulier sur la réponse du pH vacuolaire de glucose 3. Surtout, les réponses que nous observons sont cohérents avec d'autres méthodes de mesure quantitative du pH et des données biochimiques décrivant les activités altérés de la pompe à protons.
Les deux éléments les plus importants du type de mesures de pH dans vivo décrites ici sont la localisation du fluorophore et le niveau de signal; problèmes avec l'une de ces nécessitent une modification de la méthode d'application spécifique ou mutant. La localisation vacuolaire de BCECF est quelque peu fortuite 6, mais est conservé dans un certain nombre de différents mutants, y compris lemutants vma 4, qui ont réduit les niveaux de hydrolases vacuolaires. vacuoles de levures sont facilement visualisées par microscopie optique sous Nomarski, et nous confirment la localisation vacuolaire du colorant pour chaque souche. pHluorin est plus polyvalent que d'un capteur de pH, en particulier compte tenu de sa réactivité plus grande partie de la gamme de pH physiologique (figure 2A). Le pHluorin de levure que nous avons utilisé semble être exclusivement cytosolique, sans doute parce qu'il n'a pas d'autres informations de ciblage. Toutefois, pHluorin a été ciblé pour l'appareil de Golgi par marquage avec des séquences à partir du chlorure de Golgi GEF1 transporteur, avec une insertion supplémentaire de segments de la membrane à partir halorhodopsine pour donner topologie appropriée (pH GEF1; 14). Orij et al. Ont réussi à cibler pHluorin à la matrice mitochondriale et mesuré les changements de pH mitochondriales avec le métabolisme 15. Ces résultats suggèrent que les protéines de fusion bien conçus peuvent rendre possible de surveiller les réponses de pH dans de nombreux organites. Le signal au niveau de bruit de vacuolar BCECF est assez élevé dans la plupart des souches de levures que nous avons examinés. Signal de protéines exprimées pHluorin peut être manipulé par le promoteur dirigeant l'expression de pHluorin. Dans l'original cytosolique pHluorin construction 9, l'expression a été tirée par le promoteur élément contenant un choc thermique et n'était pas très élevé. Cependant, plus tard, des constructions d'expression à partir du promoteur PGK, le promoteur TEF1 et promoteur de l'actine semblent donner des niveaux plus élevés d'expression 3,15,16. L'appareil de Golgi-spécifique pHluorin pH GEF1 est exprimé à partir d'un promoteur inductible 14. Induction transitoire de l'expression peut être particulièrement utile pour les petits compartiments des sécrétoires et d'endocytose voies, où l'expression soutenue de haut niveau pourrait conduire à pHluorin mauvaise localisation ou même des perturbations dans le compartiment pH, qui se manifeste par une croissance lente ou mauvaise localisation d'autres protéines.
En plus des caractéristiques des fluorophores, il est important de reconnaître que, dans la mesure du pH in vivo sont sensibles à la croissance et les conditions métaboliques des cellules de levure eux-mêmes. Cette sensibilité est physiologiquement pertinente et potentiellement intéressant, mais peut aussi être une source de variabilité entre les mesures. Nous prenons soin de comparer les mesures des cellules de levure dans la même phase de croissance, généralement début au milieu de phase logarithmique. Parce que les réponses de pH vacuolaires peuvent être sensibles au pH extracellulaire 3, nous surveillons pH du milieu de croissance, en particulier pour les cellules cultivées dans un milieu tampon. Même s'il est clair que beaucoup de milieux de croissance différents sont compatibles avec la mesure du pH quotientométrique, les différences dans la composition du milieu peuvent certainement une incidence sur le pH 17. En outre, après que les cellules sont récoltées et préparées pour la mesure, nous avons constaté que la privation de glucose prolongée (heures) ne diminue pas seulement la première CYTpH osolic et augmente le pH vacuolaire initial, mais aussi ralentit de manière significative les réponses au glucose. Par conséquent, nous lançons généralement expériences dans les 30 minutes. ou moins du début de la privation de glucose.
Accumulation des amines lysosomotropiques fluorescents, tels que la quinacrine et l'acridine orange, a été largement utilisé pour évaluer l'acidification du compartiment des cellules de levure vivante. Ces méthodes sont rapides et simples, mais doivent être considérées comme beaucoup plus qualitative que les mesures ratiométriques de pH. En général, les méthodes telles que l'absorption quinacrine s'appuient sur la perméabilité de la membrane de la forme de base du fluorophore, qui sont piégées quand il est protoné dans un compartiment acide et peut être visualisé sous un microscope à fluorescence 18. L'accumulation du colorant repose sur la séparation en fonction du gradient de pH à travers la membrane, de sorte que l'absorption dans les organites acides peut être affaibli par l'une alcalinisation de l'organite ou acidificatisur le cytosol. Ces méthodes resteront utiles, mais devraient probablement être interprété comme offrant un niveau relatif de l'acidification.
Les applications de mesures de pH fluorescents ratiométriques dans la levure continuent à se développer. Brett et al. Récemment mesuré pH vacuolaire dans la collection de plus de 4500 mutants non essentiels suppression levure et découvert un certain nombre de nouveaux mécanismes de régulation pH 17. BCECF et pHluorin 19,20 ont aussi été adaptés pour un cellulaire activé par fluorescence tri format à faciliter le dépistage de nouveaux inhibiteurs de la V-ATPase. 11 microfluidique utilisé en combinaison avec la microscopie à fluorescence Dechant et al. Pour surveiller assemblée V-ATPase et pH cytosolique simultanément à travers de multiples cycles de privation de glucose et readdition. Ces résultats suggèrent que les mesures ratiométriques de pH dans la levure sont suffisamment robustes et polyvalents pour être utilisés dans de nombreux types d'expériences.
Les auteurs n'ont aucun conflit d'intérêts à déclarer.
Ce travail a été soutenu par le NIH R01 GM50322 à PM Kane. Les auteurs remercient le Dr Rajini Rao, de l'Université Johns Hopkins de fournir les levures pHluorin plasmides et des conseils sur les mesures de pH ratiométriques, et le Dr Gloria A. Martinez Munoz pour travailler sur ces protocoles pour notre laboratoire.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Spectrofluorometer | Horiba Jobin Yvon | Model Fluoromax-4 | Temperature control and stirring capability are desirable. |
BCECF-AM | Invitrogen/Molecular Probes | B1150 | Prepare a 12 mM stock in dry DMSO, store as aliquots at -20 °C |
monensin | Sigma | M5273 | Toxic. |
nigericin | Sigma | N7143 | Toxic. |
MES | Sigma | M8250 |
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