* Questi autori hanno contribuito in egual misura
aderenze superficie cellulare sono centrali in meccanotrasduzione, in quanto trasmettono tensione meccanica e avviare le vie di segnalazione coinvolte nella omeostasi dei tessuti e lo sviluppo. Qui, vi presentiamo un protocollo per sezionare i percorsi biochimici che si attivano in risposta a tensione, utilizzando microsfere magnetiche rivestite ligando e di applicazione della forza di recettori di adesione.
Meccanosensibili complessi di adesione cellulare, consentono alle cellule di percepire le proprietà meccaniche del loro ambiente. Recenti studi hanno identificato due molecole di forza-sensing in siti di adesione, e fattori di trascrizione della forza-dipendente che regolano l'espressione genica specifica per lignaggio e guidano uscite fenotipici. Tuttavia, le reti di segnalazione di conversione della tensione meccanica in percorsi biochimici sono rimasti sfuggente. Per esplorare le vie di segnalazione impegnate su tensione meccanica applicata al recettore sulla superficie cellulare, microsfere superparamagnetiche possono essere utilizzati. Qui vi presentiamo un protocollo per l'utilizzo di sfere magnetiche per applicare forze di proteine di adesione della superficie cellulare. Usando questo approccio, è possibile indagare non solo forza-dipendente percorsi citoplasmatica segnalazione di vari approcci biochimici, ma anche l'adesione rimodellamento isolamento magnetico di complessi di adesione attaccate alle perline rivestite ligando. Questo protocollo include la preparazione di ligando-coATED perline superparamagnetiche, e l'applicazione di definiscono forze di trazione seguita da analisi biochimiche. Inoltre, forniamo un campione rappresentativo di dati che dimostrino che la tensione applicata ad adesione integrina-based innesca adesione rimodellamento e altera la proteina fosforilazione della tirosina.
In metazoi, tensione meccanica dirige lo sviluppo dei tessuti e l'omeostasi attraverso la regolazione di una miriade di processi cellulari quali la proliferazione, il differenziamento e la sopravvivenza 1, 2. tensione meccanica può derivare dalla matrice extracellulare o può essere generato da cellule aderenti, quale campione loro ambiente extracellulare attraverso l'apparato contrattile actomyosin che tira sulla matrice extracellulare e sonde sua rigidità attraverso molecole sensibili alla tensione. In risposta alla tensione, proteine di adesione meccanosensibili subiscono cambiamenti conformazionali che si innescano cascate di segnalazione complessi. A loro volta, queste vie di segnalazione orchestrano un mechanoresponse comprende proliferazione, differenziazione e sopravvivenza che regola il comportamento cellulare per l'ambiente extracellulare. Tali processi possono essere risolte in un periodo di tempo breve termine (secondi o minuti) per alimentare rapidamente indietro sul ciclo di mecha notransduction modificando le strutture meccanosensibili. Per esempio, aderenze integrine basato rafforzano in risposta alla tensione attraverso Rho GTPasi mediata citoscheletro rimodellamento 3, 4, 5. In parallelo, altre vie di segnalazione sono attivati nel giro di ore e giorni per controllare programmi genetici che alla fine influenzano il destino della cellula 6. Considerando che, molti studi hanno messo in evidenza l'effetto della matrice di rigidezza sul determinismo cellulare e lo sviluppo della malattia 1 2, i precisi meccanismi molecolari della meccanotrasduzione adesione mediata rimangono ancora sfuggente.
Diversi approcci sono stati sviluppati per studiare gli effetti delle forze di cellule generate o forze esterne sul comportamento delle cellule, compresi i sistemi di flusso, di trasferimento di fluorescenza di energia di risonanza (FRET) sensori -tensione 7,lass = "xref"> 8, substrati compliant 9, pinzette magnetico, pinzette ottiche 10 e a forza atomica microscopia (AFM) 11. Qui vi presentiamo un protocollo utilizzando perline superparamagnetici per caratterizzare le vie meccanotrasduzione in risposta alle forze tensionali applicati ai recettori di adesione specifici. perline superparamagnetiche sono particelle che magnetizzare reversibilmente quando posto in un campo magnetico. Dopo rivestita con un ligando per un recettore specifico, queste perle forniscono un potente strumento per studiare gli effetti di applicazione della forza extracellulare. Questo metodo è stato convalidato da diversi studi 3, 5, 12 - 17 e presenta il vantaggio di facilitare ampiamente analisi biochimiche su cellule aderenti. Utilizzando sfere magnetiche rivestite di collagene simili seguiti da analisi biochimica, primi lavori ha registrato un aumentoproteina tirosina fosforilazione e dell'attivazione RhoA in risposta alla tensione 5, 18, 19. Il metodo descritto qui di seguito è stato utilizzato anche con fibronectina (FN) perline Rivestiti di caratterizzare le vie di segnalazione a valle dalla tensione applicata al integrine 3. In questo studio, Guilluy et al. ha dimostrato che la tensione attiva RhoA attraverso il reclutamento dei due fattori di scambio guanina nucleotide (GEFs), larg e GEF-H1, a complessi di adesione integrine. Dato che, altri studi hanno dimostrato che GEF-H1 è reclutato a complessi di adesione in risposta alla tensione cellule generate utilizzando metodi differenti 20, 21, dimostrando la robustezza della metodologia descritta QUI. Come risultato, attivato RhoA stato mostrato per promuovere l'adesione rinforzo, attraverso il rimodellamento del citoscheletro. Questo sistema è stato utilizzato anche per esplorare tensione applicata to recettori di adesione cellulare / cellula. Applicazione di forze su biglie magnetiche rivestite con il dominio extracellulare di E-caderina induceva un aumento delle assunzioni vinculin analogamente a integrine associato complessi di adesione 12. Collins e colleghi hanno osservato che l'applicazione della tensione di PECAM-1 promuove integrina e l'attivazione RhoA 13. Un altro approccio sperimentale utilizzando biglie magnetiche è lo studio della tensione applicata nuclei isolati. Utilizzando perle rivestite con anticorpi contro le proteine dell'involucro nucleare nesprin-1, complessi dell'involucro nucleare sono stati purificati per dimostrare che essi sono regolati in modo dinamico in risposta alle tensioni meccaniche 22. Questi risultati supportano la potenza del metodo nello studio dei percorsi meccanotrasduzione. Inoltre, mentre i sistemi di flusso o forza di trazione stimolare processi cellulari generale, sfere magnetiche si rivolgono specificamente un recettore di adesione cellulare utilizzando uno ligandi del recettore 3 o anticorpi monoclonali contro recettore sulla superficie cellulare 13, 15.
Un altro vantaggio di questo metodo è l'isolamento di complessi di adesione mediante una procedura di purificazione di affinità ligando semplice. È ben noto che l'aggiunta di perline ligando intonacato cellule lega recettori di adesione e induce il reclutamento di diverse proteine di adesione 23. Ulteriore applicazione di forze di sfere magnetiche rivestite ligando trasforma questi complessi di adesione in piattaforme macromolecolari che media diverse vie di segnalazione di tensione dipendente dal 4, 24. lisi cellulare seguita da concentrazione tallone utilizzando un magnete consente l'isolamento delle piattaforme di adesione. Altri metodi utilizzati per purificare complessi di adesione sono già stati utilizzati in cellule aderenti. Essi combinano reticolazione chimica per conservare interazioni proteina-proteinaed una fase di lisi cellulare mediante detergente e flusso di taglio o sonicazione 20, 21, 25, 26, 27, 28. Il passo finale è la raccolta delle membrane plasmatiche ventrali risultanti contenenti i complessi di adesione. A differenza di questi metodi, perline magnetiche consentono un maggiore livello di purificazione di complessi di adesione cellulare orientando selettivamente una specifica famiglia di recettori di adesione. Perline magnetiche sono già stati utilizzati per depurare complessi di adesione in cellule non aderenti collegati a microsfere ligando rivestite 29, 30. Il metodo descritto qui di seguito imita situazioni biologiche in cui si applica una forza per un breve periodo prolungato (secondi ad alcuni minuti). Esso fornisce pertanto un potente strumento per studiare sia la composizione molecolare di complessi di adesione purificati ele vie a valle meccanosensibili di segnalazione.
Qui vi presentiamo un protocollo sperimentale dettagliata per l'utilizzo di sfere magnetiche per applicare forze tensionali di proteine di superficie l'adesione. Un magnete al neodimio permanente è posto sulla parte superiore della superficie coltura piatto. La faccia polare del magnete è posto ad un'altezza di 6 mm in modo che la forza una singola 2,8 micron branello magnetico è costante (circa 30-40 pN) 31. La durata della stimolazione tensione viene determinato dall'operatore a seconda della molecola di interesse e la sua scala di attivazione. Le cellule sono poi lisate, complessi di adesione sono purificati dalla separazione perline usando un magnete e analisi biochimiche vengono elaborate. Questo protocollo comprende la preparazione di perle superparamagnetici ligando-rivestito, e applicazione di tensione attraverso magnete seguita da analisi biochimiche. Inoltre, forniamo un campione rappresentativo di dati che dimostrino che la tensione applicata al adh integrina-basedesions induce adesione rimodellamento e altera la proteina fosforilazione della tirosina.
1. Ligand coniugazione di biglie magnetiche
Nota: coniugazione Ligand viene eseguita utilizzando superparamagnetiche perline tosyl-attivato con un 2,8 micron di diametro (concentrazione della soluzione 10 8 perline / mL, 30 mg perline / ml). Il seguente protocollo si basa su campioni di circa 2 x 10 5 cellule, che corrispondono alle MRC-5 cellule cresciute al 80% di confluenza in una piastra di coltura tissutale 60mm. Regolare il volume di perline e reagenti di conseguenza se si utilizza lastre di dimensioni diverse o cellule in diverse confluenze. Utilizzare una quantità di perline superparamagnetici per avere 2 perle per cella. Pertanto, 4 x 10 5 perline sono necessari per una piastra 60 mm.
2 applicazione di forze tensionali sulle Beads Ligand rivestite Bound di Adesione recettori presenti sulla dorsaleSuperficie delle cellule
Lo schema della tecnica è illustrata in Figura 1a. Dopo coniugazione ligando, sfere magnetiche vengono incubate con le cellule per 20 minuti, e quindi un magnete permanente è utilizzato per applicare forze di trazione di circa 30-40 pN per vario tempo. La figura 1b mostra 2,8 micron sfere magnetiche FN-rivestiti legati ai recettori di adesione cellulare MRC5.
Le fasi di lavaggio di perline superparamagnetiche dopo la lisi cellulare sono cruciali e determinano il grado di purificazione. Si raccomanda un minimo di tre lavaggi. Immunoblot GADPH con lunghe esposizioni può essere utile per verificare la purezza di complessi di adesione (Figura 2a).
perline FN-rivestiti sono stati usati per studiare i processi meccanotrasduzione che avvengono nel tempo a complessi di adesione in risposta alla tensione. Dopo separazione magnetica della frazione complesso aderenza, il lisato e la frazione complesso adesione sono stati analizzati medianteWestern Blot. Come previsto, abbiamo osservato talin, vinculin e paxillin, ma non GAPDH nella frazione complessi adesione anche in assenza di stimolazione meccanica (Figura 2b). In linea con le precedenti relazioni 32, 33, la tensione innescata vinculin assunzioni a complessi di adesione. Mentre la tensione non ha influenzato il reclutamento paxillina a complessi di adesione, sua fosforilazione in tirosina 31 è stato migliorato in risposta alla tensione meccanica sia nel lisato cellulare totale e nella frazione complesso adesione.
Figura 1. Descrizione del metodo. (A) Rappresentazione schematica della tecnica. Le cellule vengono dapprima coltivate in terreno di coltura fino a raggiungere la confluenza desiderata. Poi, perline superparamagnetiche sono aggiunti per 15-20 minuti. forze tensionali circa 30-40 pN sonopoi applicato usando il magnete calibrata per diverso tempo. (B) fibronectina rivestite perline superparamagnetici si legano ai recettori di adesione cellulare. Le cellule vengono esposte per contrasto di fase in luce trasmessa al microscopio 15 minuti dopo aver aggiunto le perline superparamagnetiche (freccia bianca) in mezzo. (Top immagine: Barra di scala = 25 micron, immagine in basso: Scala bar = 100 micron) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. tensione meccanica induce l'adesione di maturazione. (A) Purificazione di complessi di adesione. GAPDH immunoblotting è impiegato come controllo di caricamento per lisato cellulare totale e per verificare la purezza di complessi di adesione. La membrana di nitrocellulosa è stato ripreso con una lunga esposizione per dimostrare °e assenza di segnale in adesione frazione complessa. (B) La tensione induce l'adesione di maturazione. Controllo delle sollecitazioni (GAPDH) e candidati (vinculina, Talin e paxillin) noti per essere reclutati o fosforilata in complessi di adesione in risposta alla tensione meccanica sono immunoblotted. Questo esperimento è stato effettuato su MRC5 cellule. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Il metodo descritto qui costituisce un approccio semplice da applicare tensione ai recettori di adesione cellulare, e consentire loro purificazione successiva. Tuttavia, alcuni passi sono fondamentali per eseguire efficiente purificazione adesione e potenziale di ottimizzazione può essere fatto a seconda delle recettori di adesione mirati. Vi presentiamo i potenziali problemi che si possono riscontrare in basso.
Abbiamo usato sfere magnetiche 2,8 micron di diametro, ma perle più grandi possono essere utilizzati come 4,5 micron di diametro. Tuttavia, il diametro tallone dovrebbe essere limitato a 2-5 micron dal fagocitosi potrebbe verificarsi più rapidamente durante 30-60 min di incubazione e perline più grandi hanno più forte adesione in modo che lo spostamento tallone sarebbe limitato sotto il campo magnetico 34, 35. Pertanto, è importante limitare il tempo di incubazione per brevi periodi e utilizzare il formato del branello corretta. Il numero di perline incubato per cella avrà un impatto sulla quantità di fesperienza Orce da una singola cellula. Mentre si vuole stimolare in modo efficace le cellule con la tensione, troppe perle per cellulare può portare alla attivazione di vie di segnalazione irrilevanti. Solitamente incubare una media di due talloni per cellula per perline FN-rivestite, ma questa quantità può essere regolata [da 1 a 5 branelli per cella] a seconda del tipo di cellula e il recettore sulla superficie cellulare. Per quanto riguarda il magnete, il metodo descritto qui utilizzato un magnete per cui la forza risultante su un 2,8 micron è stato misurato (circa 30-40 pN misurando lo spostamento delle sfere magnetiche in glicerolo puro, un liquido newtoniano con viscosità nota 31, sebbene è possibile utilizzare magneti più grandi di applicare maggiore quantità di forza, se necessario. e 'importante notare che questi magneti sono molto potenti e manipolare con attenzione.
Dopo 12-24 ore di incubazione con ECM ligando (passo 1.7) e dopo 1 h di incubazione (passo 1.9) con PBS / 0.2% BSA pH 7,6 tampone, il mmicrosfere agnetica potrebbero formare aggregati. È quindi importante separare perline quanto possibile rispettare il rapporto di 2 perline per cella. Tuttavia, è ancora accettabile avere un rapporto 5: 1. Perline separazione può essere perseguito mediante miscelazione e pipettaggio o utilizzando sonicazione, anche se per un breve periodo (20-30 s).
Varie proteine possono essere coniugati ai talloni, tra integrina ligando (FN, collagene), proteine ricombinanti o anticorpi rivolti recettori della superficie cellulare specifici. L'attacco di perline magnetiche ligando intonacato superficie cellulare dorsale può essere indebolito dalla bassa efficienza di accoppiamento del legante sulle perline. Si consiglia di verificare per il legame ai talloni raccogliendo una aliquota della soluzione legante diluita prima di aggiungere le perline e un'aliquota di perline al termine del processo di accoppiamento ligando. Queste aliquote possono essere elaborate per l'analisi SDS-PAGE e Coomassie blue colorazione.
Se nessun cambiamento nellavie di segnalazione o processi mechanosensing attesi sono rilevate, è importante prendere in considerazione diverse possibilità. Un modo per identificare il problema è quello di modulare la durata dell'esperimento con il magnete. E 'noto che la velocità di processi cellulari variano a seconda del tipo cellulare utilizzato. Un'altra opzione sarebbe quella di testare molecole di tensione-sensibili noti e controllare le loro modificazioni post traslazionali mediante Western blotting (per esempio paxillina fosforilazione o FAK fosforilazione possono essere analizzati). La quantità di forza può essere anche critico e utilizzando perline di un magnete più spessa (stesso grado N52) o più grandi può essere un'opzione. Inoltre, ligando / recettore efficienza di legame può essere esplorato attraverso l'analisi complessa adesione e cercare recettori di superficie delle cellule (come caderina o integrina). La confluenza delle cellule può anche influenzare la risposta cellulare alla tensione. Come è stato osservato che l'adesione cellulare / cellulare può influenzare il comportamento cellulare e precompressione cystokeletal, è important da notare che la confluenza può influenzare la risposta cellulare alla tensione. Anche se si consiglia 80% di confluenza per l'applicazione di tensione di aderenze integrine base, condizioni diverse possono essere testati per ottimizzare il sistema sperimentale.
Anche se questo metodo fornisce un potente strumento per decifrare il adhesome sensibile tensione e le vie di segnalazione associati, aveva anche alcune limitazioni. In primo luogo, dal momento che la preoccupazione principale l'utilizzo di tali sfere magnetiche di piccole dimensioni è il rischio della loro internalizzazione da parte delle cellule, questo metodo non può essere utilizzato per lo studio di segnalazione meccanosensibili risposte cellulari a lungo termine che modificano il destino della cellula, come la differenziazione e la proliferazione. Un'altra limitazione sta nel modo di come le forze sono applicate allo strato di cellule nella piastra di coltura. Infatti, poiché il campo magnetico è sempre superiore alla periferia del magnete, forze potrebbero variare alla superficie della piastra di coltura con un gradiente decrescente di celluleche si estende dalla periferia al centro e potrebbe portare a risposte cellulari eterogenee.
La procedura qui descritta costituisce un metodo efficace semplice e costo che permette studiando vie cellulari meccanosensibili nonché indagare la composizione molecolare di complessi di adesione sottoposti a tensione. Altri approcci, come dispositivo che applica ceppo ciclica alle cellule stretching, portano alla applicazione di tensione a tutti i recettori di superficie che interagiscono con la matrice extracellulare. Il metodo qui descritto ha il vantaggio di consentire la stimolazione forza di uno specifico sottoinsieme di recettori di superficie cellulare e una grande varietà di ligandi possono essere utilizzati, come ligandi delle integrine o anticorpi rivolti recettori della superficie cellulare, permettendo lo studio di molti sistemi meccanosensibili distinti. Un altro vantaggio di questo metodo è che porta alla purificazione delle proteine complessi che ha sperimentato tensione e di lavorare su portanti elemeNTS che sono noti per svolgere un ruolo centrale nella meccanotrasduzione 36. Il complesso adesione purificato può anche essere usato per vari approcci biochimici 14, come saggi chinasici investigare attività chinasica in risposta alla tensione, o dosaggio polimerizzazione actina. Inoltre, questo sistema sperimentale può essere accoppiato con pinzette magnetiche per esplorare la risposta meccanica cellulare e correlare questa risposta con le vie di segnalazione individuati. È interessante notare che le nanoparticelle magnetoplasmonic sono state utilizzate di recente per meccanicamente carico Notch ed E-caderina con un controllo preciso nel tempo e nello spazio 37. Questo recente sviluppo può aiutare a esplorare vie di segnalazione meccanosensibili con ingressi spaziali, temporali e meccaniche differenti.
Gli autori dichiarano interessi finanziari concorrenti.
CG è sostenuto da sovvenzioni dal Agence National de la Recherche (ANR-13-JSV1-0008), a titolo del Settimo programma quadro dell'Unione europea (Marie Curie integrazione carriera n˚8304162) e dal Consiglio europeo della ricerca (CER) nell'ambito di Orizzonte dell'Unione europea 2020 programma di ricerca e innovazione (ERC Starting Grant n˚639300).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Neodymium magnets (on the upper face of 60 mm dish) | K&J Magnetics, Inc | DX88-N52 | grade N52 dimension: 1 1/2" dia. x 1/2" thick |
Neodymium magnets (on the lower face of 60 mm dish) | K&J Magnetics, Inc | D84PC-BLK | grade N42 dimension: 1/2" dia. x 1/4" thick Black Plastic Coated |
Dynabeads M280 Tosylactivated | Thermofisher | 14203 | superparamagnetic beads |
DynaMag-2 Magnet | Thermofisher | 12321D | |
Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141-5MG | Fibronectin from bovine plasma |
Poly-D-Lysine | Sigma-Aldrich | P7280-5MG | |
Apo-Transferrin | Sigma-Aldrich | T1428-50MG | Bovine Apo-Transferrin |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A7906-500G | |
DMEM high glucose, GlutaMAX supplement, pyruvate | Life Technologies | 31966-021 | DMEM+GlutaMAX-I 500 ml |
60*15 mm culture dish | Falcon | 353004 |
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