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自噬。2011年12月1日;7(12): 1448–1461.
数字对象标识:10.4161/自动7.127802
预防性维修识别码:PMC3288019
PMID:22082875

白藜芦醇介导的自噬在没有诱导的吞噬体形成的情况下需要WIPI-1调节的LC3脂质化

关联数据

补充资料

摘要

典型自噬受Beclin 1/磷脂酰肌醇3-激酶III类(PtdIns3KC3)复合物的正向调节,该复合物产生一种必需的磷脂,即磷脂酰肌糖3-磷酸(PtdIns(3)P),用于形成自噬体。此前,我们鉴定了人类WIPI蛋白家族,发现WIPI-1特异性结合PtdIns(3)P,在吞噬细胞聚集并成为自噬体生成的膜蛋白。将siRNA-介导的蛋白质下调与PtdIns(3)依赖P的WIPI-1自噬体膜定位的自动高通量分析相结合,我们发现WIPI-1在Atg7和Atg5的上游发挥作用,并在营养缺乏时刺激LC3-II的增加。白藜芦醇介导的自噬以非经典方式进入自噬降解,独立于Beclin 1,但依赖于Atg7和Atg5。通过使用电子显微镜、LC3脂质化和GFP-LC3斑点形成测定,我们证实了这些结果,并发现这种作用部分对沃特曼宁不敏感。与此一致,白藜芦醇在基础水平以上不促进WIPI-1、WIPI-2或Atg16L复合物的吞噬体定位。事实上,白藜芦醇在无营养条件下的存在抑制了WIPI-1的吞噬细胞定位。然而,我们发现白藜芦醇介导的自噬功能依赖于经典驱动的LC3-II生成,如siRNA介导的WIPI-1或WIPI-2下调所示。由此,我们很容易推测,白藜芦醇通过参与LC3-II的一个独特亚群,促进PtdIns(3)P-WIPI-Atg7-Atg5途径下游的非经典自噬降解,LC3-II可能是在细胞膜起源处产生的,而不是典型的吞噬体结构。

关键词:WIPI-1、Atg18、PtdIns(3)P、LC3、白藜芦醇、非经典自噬

介绍

大自噬(以下简称自噬)是一种进化的、高度保守的体降解机制,负责细胞质物质(包括长寿命蛋白质和细胞器)的结构性周转。1,2自噬过程的核心是至少18个核心自噬蛋白的活性(Atg蛋白)在功能上参与自噬体的生成,自噬体是一种独特的多膜小泡,可隔离细胞质货物。4自噬体的形成是从预先形成的结构(吞噬细胞)开始的,需要两个专一于自噬的泛素样结合系统的活性,即Atg12-5(Atg16L复合物)和LC3(Atg8)结合系统,这两个系统都需要Atg7。5完整的自噬体通过与溶酶体融合获得酸性水解酶,随后,细胞质物质在称为自溶体的小泡中降解。6

严格控制基础自噬对维持细胞内环境稳定至关重要,因为自噬水平的降低和升高最近都与年龄相关的人类病理学有关,如癌症和神经退行性变。1,7然而,对控制自噬水平的信号传导事件的复杂性还不够了解。即使如此,磷脂酰肌醇3-激酶III类(PtdIns3KC3)与Beclin 1(Atg6)、Atg14和p150复合物的活性,8产生磷脂酰肌醇PtdIns(3)P,代表进化上保守的正调控电路,控制自噬体的形成(典型自噬)。同样,在广泛的真核细胞系统中,TOR复合物活性被证明可以抑制自噬的开始。9PtdIns3KC3对自噬的正调控与TOR的负调控之间的串扰应涉及连接氨基酸信号和TOR活性的RAG GTPases。10,11

在这种情况下,白藜芦醇,一种主要集中在红葡萄中的抗氧化剂,被证明可以诱导不依赖于Beclin 1的自噬12最有可能是通过AMPK介导的mTOR抑制。13据报道,有更多Beclin 1独立的自噬降解条目,14-22然而,关于这种非经典的自噬途径如何刺激自噬小体形成的分子细节尚未进一步详细分析。为了对这一讨论作出贡献,我们在此调查了我们早先确定的PtdIns(3)P效应器WIPI-1(和WIPI-2)的参与情况23在自噬体形成开始期间,在PtdIns(3)P生成事件的下游发挥作用,例如Beclin 1/PtdIns3KC3复合体的活性。23-27通过冷冻断裂免疫电镜,我们最近发现WIPI-1在诱导自噬时定位于内质网(ER)和质膜(PM)的膜上,这表明这些膜为自噬体膜提供了来源。28进一步的自噬因子,如Atg14、DFCP1和WIPI-2,已被确定定位于内质网附近,24,26,29,30表明ER膜位点代表哺乳动物的吞噬细胞结构。此外,WIPI-1(和WIPI-2)成为生成的自噬小泡的膜蛋白,很可能是通过其与PtdIns(3)P的特异性结合。28

通过基于siRNA的分析,我们发现LC3的脂质化依赖于PtdIns(3)P效应器WIPI-1的功能,WIPI-1作用于自噬体泛素样结合系统的上游,通过调节Atg7和Atg5蛋白水平进行评分。显示WIPI-1和WIPI-2点的细胞数量(取决于细胞系,约占细胞总数的5-30%)反映了基础自噬,标记吞噬细胞和自噬体,显示Atg12点,仅标记吞噬细胞结构。营养饥饿后,WIPI-1、-2B、-2D和Atg12点状阳性细胞的数量显著增加,但白藜芦醇处理并未促进高于基础水平的点状形成。然而,在白藜芦醇治疗后,脂质LC3(LC3-II)和膜定位GFP-LC3的数量显著增加,并且通过定量电子显微镜对自噬小泡(AVi)的数量进行评分。根据溶酶体抑制试验,这种情况不应反映自噬的抑制,而应反映自吞噬的诱导,正如以前的报告所建议的那样。12,31在白藜芦醇暴露的细胞反应过程中,典型的PtdIns(3)P-WIPI-Atg7-Atg5通路成分可能参与产生LC3-II,用于非典型的自噬体生成。

结果

白藜芦醇促进LC3-II、GFP-LC3点和多层自噬小泡的增加

脂质体LC3的细胞内定位32与磷脂酰乙醇胺结合的LC3-II被广泛用于荧光显微镜观察自噬体膜(LC3点状形成)或通过LC3-II蛋白丰度监测溶酶体抑制剂存在或不存在情况下治疗的自噬体流量,与微管蛋白或gapdh等负荷控制相关。32-34我们研究了白藜芦醇对四种不同人类肿瘤细胞系(U2OS、HeLa、G361、MCF-7)中LC3-II蛋白丰度的影响。为了控制典型的自噬诱导,我们通过使用EBSS(一种低葡萄糖水平的无氨基酸和无血清培养基)使细胞饥饿。为了控制自噬流量,我们用巴非霉素A阻断了LC3-II的溶酶体降解1(Baf A1). 我们发现,白藜芦醇治疗增加了所有四种测试肿瘤细胞系中LC3-II的丰度(图1A). 此外,通过GFP-LC3在U2OS细胞中的瞬时表达,我们证实了白藜芦醇治疗导致每个细胞的GFP-LC3puncta增加,正如之前在MCF-7细胞中所证明的那样12(图1B). 接下来,我们使用定量WIPI-1点形成分析,这是一个通过荧光显微镜评估高等真核生物自噬的新机会。27由于WIPI-1特异性结合主要由Beclin 1/PtdIns3KC3复合物产生的PtdIns(3)P,并随后定位在自噬体膜上,因此可以通过量化WIPI-1的亚细胞定位来研究自噬体形成的典型PtdIns(3)P需求。我们观察到,与图1A和1B,1B年,白藜芦醇没有增加U2OS细胞中显示GFP-WIPI-1点的细胞数量(图1C)表明白藜芦醇的自噬刺激并不涉及PtdIns(3)P效应器WIPI-1。作为支持,与对照组G361细胞中WIPI-1点状阳性细胞的基本数量相比,白藜芦醇治疗也没有刺激内源性WIPI-1形成更多的点状结构(数据未显示)。为了进一步阐明这些结果的性质,我们通过对用对照培养基、白藜芦醇或EBSS处理的稳定GFP-WIPI-1细胞进行定量电子显微镜(EM),在存在(+)或不存在(-)溶酶体抑制(Baf A1). 为了控制LC3的脂质化,我们在细胞接受EM处理之前监测了LC3-II蛋白的丰度(数据未显示)。我们确定了多层自噬小泡结构(AVi)(图1D),并通过点计数显微镜量化AVi数量35(图1E). 当比较溶酶体降解被Baf A阻断的条件时1)与非Baf A相比1条件下,只观察到自噬体数量略有增加。然而,营养素饥饿(EBSS)后AVs的增加与之前使用等效技术的报告相当。36,37显然,白藜芦醇治疗也导致AVi增加(图1E).

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白藜芦醇促进自噬体的增加。用64µM白藜芦醇(Res)、无营养培养基(EBSS)或对照培养基(CM)处理U2OS、HeLa、G361和MCF-7细胞3 h1(Baf A1)2小时后添加,如所示(+)。测定LC3-II蛋白丰度,并将其归一化为微管蛋白或gapdh。一个代表性实验(每个细胞系的n=3)的量化如(A)所示。用GFP-LC3(B)或GFP-WIPI-1(C)瞬时转染U2OS细胞,并用64µM白藜芦醇(Res)、无营养培养基(EBSS)或对照培养基(CM)处理3 h,通过共焦显微镜获得图像。通过使用Z堆栈投影和ImagePro Plus 4.1分析软件(B,上面板),从33–36个单个细胞(n=3)中确定每个细胞的GFP-LC3点数量。每个处理的GFP-WIPI-1点状阳性细胞数由400个单个细胞(n=4)通过荧光显微镜(C,上面板)测定。结果表示为平均值±SD p值:*p<0.05**p<0.01***p<0.001;ns:不显著。比例尺:20µm。用对照培养基(CM)、64µM白藜芦醇(Res)或无营养培养基(EBSS)处理稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞,在有(+)或无(-)巴非霉素A的情况下1(Baf A1). 对于EM分析,使用了不同样品的超薄树脂切片,并显示了代表性图像(D)。比例尺:400 nm。每平方微米的多层自噬小泡结构(AVi)的数量是针对每个治疗(E)确定的。

白藜芦醇不促进WIPI-1点的增加,这对典型的自噬很重要

为了更详细地分析白藜芦醇处理对WIPI-1定位的影响,我们使用了一种专门用于自动获取(表荧光)和GFP-WIPI-1阳性自噬体结构图像分析(WIPI-1斑点形成测定)的自动高通量程序。38使用稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞,我们使用无营养培养基(EBSS)或白藜芦醇(32μM、64μM、128μM)进行3、24或48小时的治疗(图2A). 对来自三个独立实验的每个处理的多达3899个单个细胞的分析表明,白藜芦醇在3、24或48小时后不会诱导GFP-WIPI-1点形成(图2B). 在较高浓度或更长时间的白藜芦醇处理中,与对照组相比,GFP-WIPI-1点状阳性细胞的基础数量显著减少(图2B). 正如预期的那样,营养素缺乏显著增加了显示GFP-WIPI-1点的细胞数量(图2A和B)和Baf A对溶酶体的抑制1治疗进一步显著增加了GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量(图2C)以及每个单元格中GFP-WIPI-1点的数量(未显示数据)。在白藜芦醇处理的细胞中未观察到这种作用(图2C). 然而,我们证实,营养饥饿和白藜芦醇都能促进GFP-WIPI-1 U2OS细胞系中LC3-II的增加(图S1A S1B级). 为了进一步证实此处使用的GFP-WIPI-1 U2OS细胞系中适当的典型自噬活性,我们监测了EBSS或雷帕霉素自噬刺激后LC3-II蛋白丰度和WIPI-1点的形成(图S1B S1C系列). 正如预期的那样,当对照治疗与EBSS或雷帕霉素治疗进行比较时,LC3-II蛋白丰度增加(图S1B). 总之,与对照细胞(CM:26.2%点状阳性细胞)的基础自噬活性相比,雷帕霉素治疗(RM:64.1%点状阳性)和营养饥饿(EBSS:75.6%点状阳性电池)后,GFP-WIPI-1点状阳性的细胞增加,而沃特曼给药(WM:9.1%点状阳电池)后减少 (图S1C). 进一步的化合物,足叶乙甙和staurosporine,被证明可以刺激自噬,也可以增加暴露3小时后显示GFP-WIPI-1的细胞数量(图S1D). 重要的是,依托泊苷是一种通过抑制拓扑异构酶II诱导DNA链断裂的化疗化合物,它可以诱导依赖于PtdIns3KC3复合物活性的非经典Atg5非依赖性自噬降解途径。17足叶乙甙的使用增加了显示GFP-WIPI-1点的细胞水平(至48.7%)和多蛋白激酶抑制剂和强烈的凋亡诱导剂staurosporine,也导致显示GFP-WIPI-1点细胞的细胞增加(至73.9%)(图S1D). 因此,这些被发现调节自噬的促凋亡化合物也刺激WIPI-1点的形成。

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WIPI-1点状体的形成在营养缺乏时受到刺激,但在白藜芦醇治疗后不会受到刺激。用对照培养基(CM)、32μM、64μM或128μM白藜芦醇(Res)或无营养培养基(EBSS)处理稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞3、24或48小时。自动采集和分析GFP-WIPI-1荧光图像(A)。测定了GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量,每个条代表1732–3899个单独分析的细胞的平均值(n=3)±SD(B)。用对照培养基(CM)或64μM白藜芦醇(Res)处理稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞,并加入或不加入巴非霉素A1(Baf A1)或无营养培养基(EBSS)培养3 h。进行自动GFP-WIPI-1点状形成分析(n=516044-22479个单独分析的细胞),并表示为GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量±SD(C)。用GFP-WIPI-1 U2OS细胞系和以下处理进行时间进程实验:对照培养基(CM)、64μM白藜芦醇(Res)、无营养培养基(EBSS)、对照培养基中的100μM LY294002、无营养介质中的64μM白藜醇(EBSS/Res)或无营养介质(EBSS/LY294001)中的100µM LY29.4002。每个处理(n=3)多达5000个单个细胞的GFP-WIPI-1点状形成自动分析表示为GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量±SD(D)或每个细胞的GFP WIPI-1点状细胞的数量(E)。p值:*p<0.05**p<0.01***p<0.001;ns=不显著。比例尺:20µm。

基于此,我们重新探讨了白藜芦醇对WIPI-1点形成的抑制作用(图2B)并进行了超过6小时的时程实验(图2D和E). 我们使用EBSS诱导自噬,并使用LY294002抑制PtdIns(3)P的产生,从而形成WIPI-1点状。此外,我们还包括白藜芦醇或LY294002在无营养培养基(EBSS)中的联合治疗。事实上,我们证明白藜芦醇可以对抗营养缺乏诱导的GFP-WIPI-1点状细胞形成,这可以通过测量GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量来衡量(图2D)或每个细胞的GFP-WIPI-1点数量(图2E). 由于EBSS治疗用于通过氨基酸和血清剥夺使细胞饥饿,我们也使用含有氨基酸但缺乏血清的对照培养基(CM w/o FCS)进行了此实验。在CM w/o血清中也观察到白藜芦醇对抗GFP-WIPI-1斑点形成的趋势(图S2),但与EBSS相比,这种效果并不显著(图2D和E)表明白藜芦醇可对抗氨基酸饥饿诱导的典型自噬。

WIPI-1和WIPI-2B/2D在自噬中显示冗余功能的证据

我们的研究结果有必要调查人类WIPI-2,即WIPI-1的最接近的人类同源物23白藜芦醇治疗会产生点刺。因此,我们在U2OS细胞和定量细胞(来自七个独立实验的至少600个细胞)中瞬时表达了四种GFP-WIPI-2亚型(WIPI-2A,-2B,-2C,-2D)中的任意一种,通过共焦显微镜观察,在存在或不存在溶酶体抑制的情况下,白藜芦醇处理后显示了WIPI斑点。显然,白藜芦醇治疗后WIPI-2点状阳性细胞的存在并没有增加(图S3). 重要的是,我们确定了两个被测试的WIPI-2变异体,WIPI-2B和WIPI-2D,对营养缺乏的反应是形成相当于WIPI-1的细胞质斑点(图3A-D,左侧面板)。此外,我们监测了共表达的WIPI-1(GFP-WIPI-1)与任一WIPI-2亚型的细胞内定位(myc公司-通过共焦显微镜观察白藜芦醇给药后标记的WIPI-2A、-2B、-2C、-2D)。同样,当在同一细胞中共表达白藜芦醇时,WIPI-1和WIPI-2均未显示点状突起(图3A-D,中间面板)。通过在溶酶体抑制存在或不存在的情况下进行定量LC3脂质氧化分析,我们证明白藜芦醇处理可以在WIPI-1/WIPI-2共存细胞中适当诱导自噬(图3A-D,右侧面板)。据报道,用白藜芦醇处理细胞时,内源性WIPI-2点与GFP-LC3共定位。26我们对WIPI-2点状阳性细胞的量化表明,这可能反映了基础条件下WIPI-2点的形成,因为大约20%的细胞在对照培养基中显示WIPI-2的点状(图3A-D,左侧面板,CM=控制介质)。

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白藜芦醇处理不会诱导WIPI-2穿孔形成,但WIPI-2B和WIPI-2D在营养缺乏时会形成穿孔。用四种GFP-WIPI-2变异体(GFP-WIPI-2A、-2B、-2C、-2D)中的任何一种瞬时转染U2OS细胞,并用对照培养基(CM)或无营养培养基(EBSS)处理。GFP-WIPI-2点状阳性细胞的数量通过荧光显微镜测定,400–600个细胞(n=2–3)的平均值显示为±SD(A–D,左侧面板)。稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞瞬时转染myc公司-标记的WIPI-2(myc公司-WIPI-2A,-2B,-2C,-2D),在对照培养基(CM)中加入或不加入64µM白藜芦醇(Res)处理3 h,然后加入抗-myc公司/Alexa546免疫染色和共聚焦显微镜(代表性图像,n=2)。细胞核用TO-PRO-3染色(A–D,中间面板)。同时,U2OS细胞共存myc公司-标记的WIPI-2变体(myc公司-WIPI-2A、-2B、-2C、-2D)和GFP-WIPI-1,在有或无巴非霉素A的情况下,在对照培养基(CM)中使用或不使用64µM白藜芦醇(Res)处理3小时1(Baf A1)接受LC3-II蛋白监测(A–D,右侧面板)。每个条形代表三个独立实验的平均值±SD p值:*p<0.05**p<0.01。比例尺:20µm。

白藜芦醇不促进内源性Atg12的吞噬细胞定位

Atg16L复合物,由与Atg5偶联并与Atg16相关的Atg12组成,5功能在WIPI-1的下游。24因此,我们询问在白藜芦醇治疗后,Atg16L复合物是否被激活以定位于吞噬细胞。我们用白藜芦醇处理U2OS细胞,并使用EBSS作为阳性对照。我们通过抗Atg12免疫荧光观察内源性Atg16L复合物(图4A). 对三个独立实验中600个细胞的定量分析清楚地表明,与对照细胞(CM)相比,通过营养饥饿(EBSS)典型诱导自噬后,Atg12点状阳性细胞的数量显著增加(增至85.3%)。然而,在白藜芦醇治疗3小时后,Atg12点阳性细胞没有增加(图4B; 在GFP-WIPI-1 U2OS细胞中获得了相同的结果,数据未显示)。

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营养素缺乏时Atg12 punta和WIPI-1/DFCP1共定位增加,但在白藜芦醇治疗时不增加。用64µM白藜芦醇(Res)、无营养培养基(EBSS)或对照培养基(CM)处理U2OS细胞3 h,然后进行抗Atg12/Alexa488免疫染色,以便通过共焦显微镜(A)观察内源性Atg16L复合物。测定了Atg12点状阳性细胞的数量(600个细胞,n=3),每个条代表平均值±SD(B)。p值:***p<0.001;ns=不显著。稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞瞬时转染myc公司-DFCP1,用无营养培养基(EBSS)或64µM白藜芦醇(Res)处理3 h,然后用抗-myc公司/Alexa546免疫染色。显示了单个光学部分(上面板)的典型共焦显微镜图像(n=3)以及相应的强度剖面(下面板)(C和D)。比例尺:20µm。

WIPI-1在无营养条件下与DFCP1共定位,但在白藜芦醇处理后不共定位

由于白藜芦醇处理后WIPI-1和WIPI-2均未被刺激显著定位于吞噬细胞,因此我们询问是否有进一步的PtdIns(3)P-结合蛋白参与吞噬细胞形成的早期步骤DFCP1,29可能对这种治疗有反应。我们发现myc公司-U2OS细胞或GFP-WIPI-1细胞系中标记的DFPC1导致DFCP1点定位(图4C和D). 营养缺乏诱导WIPI-1点形成后,DFCP1和WIPI-1在大多数细胞中部分共定位(图4C). 在白藜芦醇处理后,没有观察到这种部分共定位,因为WIPI-1点状阳性细胞的数量没有因处理而增加(图4D). 然而,在对照培养基(CM)或白藜芦醇处理后的少数GFP-WIPI-1点状阳性细胞中,GFP-WIPI-1和DFCP1点状也部分共定位(数据未显示)。

白藜芦醇治疗后,细胞PtdIns(3)P的可用性不受抑制

接下来,我们询问白藜芦醇是否影响细胞内PtdIns(3)P的整体可用性。我们使用稳定的GFP-2xFYVE标记内体PtdIns(3)P池39,40白藜芦醇、沃特曼或LY294002处理3 h的U2OS细胞株(图S4). 使用自动荧光图像采集和分析,我们发现与对照细胞相比,白藜芦醇处理后每个细胞的GFP-2xFYVE阳性信号量没有显著差异,但LY294002处理后的GFP-2阳性信号量与预期的相同(图S4A). 这强烈表明,白藜芦醇不会阻止PtdIns(3)P的生成。总之,内源性EEA1(早期内体的标记)的共定位,39而GFP-2xFYVE在白藜芦醇治疗后没有改变(图S4B). GFP-2xFYVE信号占对照细胞和白藜芦醇处理细胞早期内体的84%(图S4B). 因此,我们的结果表明,白藜芦醇不会阻止PtdIns(3)P的生成和可用性。然而,在营养饥饿和白藜芦醇处理后,观察到每个细胞的GFP-2xFYVE斑点数量减少(图S4C).

白藜芦醇介导的LC3反应的部分沃特曼不敏感

接下来,我们研究了当PtdIns(3)P生成被阻断时,白藜芦醇介导的LC3-II和GFP-LC3点状增加是否发生。我们将稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞与沃特曼和白藜芦醇或EBSS联合治疗(图5A). 来自六个独立实验的LC3蛋白丰度定量显示,在含有巴非霉素A的情况下,与白藜芦醇和沃特曼联合处理的细胞中,LC3-II水平显著增加1相反,在巴非霉素A存在下使用沃特曼治疗1并没有像预期的那样导致LC3-II蛋白的增加,EBSS和沃特曼联合治疗也完全消除了LC3-II的增加(图5A). 然而,与单独使用白藜芦醇相比,联合使用白藜醇和沃特曼素的细胞也显示出LC3-II水平的显著降低(图5A). 为了证实LC3-II蛋白监测的结果,我们生成了一个稳定的GFP-LC3 U2OS细胞系,并将该细胞系用于自动高通量GFP-LC3puncta分析。同样,我们在存在或不存在溶酶体抑制的情况下,用沃特曼和白藜芦醇或EBSS共同处理GFP-LC3 U2OS细胞(用Baf A1) (图5B). 与单独或EBSS与沃特曼联合治疗相比,联合治疗白藜芦醇和沃特曼显著增加每个细胞的GFP-LC3点(图5B和C). 然而,在白藜芦醇/沃特曼联合治疗后,与单独治疗相比,每个细胞中GFP-LC3点的数量显著减少(图5C). 此外,与相同条件下溶酶体降解被阻断(Baf A1)没有白藜芦醇单独刺激细胞的强度大(图5C). 因此,我们的结果提供了白藜芦醇介导的自噬是部分沃特曼敏感的证据。然而,白藜芦醇仍能刺激LC3-II和GFP-LC3在沃特曼中的增加。

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白藜芦醇促进LC3-II蛋白丰度增加,GFP-LC3点状物对沃特曼治疗部分不敏感。稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞用对照培养基(CM)、白藜芦醇(Res)、沃特曼蛋白(WM)、白黎芦醇加沃特曼肽(Res/WM)、无营养培养基(EBSS)或无营养培养液加沃特曼宁(EBSS/WM)处理3 h。巴非霉素A1(Baf A1)2小时后添加,如所示(+)。测定LC3-II蛋白丰度,并将其归一化为微管蛋白。每个条代表平均值±SD(n=6)(A)。如上所述处理稳定的GFP-LC3 U2OS细胞,并进行自动荧光图像采集(B)和分析(C)。每个条形代表1553–3207个单个细胞(n=3)分析的平均值±SD。p值:*p<0.05**p<0.01***p<0.001;ns:不显著。比例尺:20µm。

Atg7和Atg5依赖的LC3对营养饥饿和白藜芦醇治疗的反应

接下来,我们分析了LC3-II和GFP-LC3斑点的增加是否需要规范的LC3脂质沉积。我们使用了m5-7细胞,即来自Atg5基因敲除小鼠的小鼠胚胎成纤维细胞,其中含有强力霉素可抑制的整合Atg5 cDNA。41显然,在没有多西环素的情况下使用该细胞系,形成了Atg12-5结合物,随后形成了LC3-II(图6A). 正如预期的那样,在营养缺乏(EBSS)时,LC3-II的数量增加(图6A). 与我们之前在这项研究中的发现一致,白藜芦醇治疗也导致LC3-II的增加(图6A). 当强力霉素介导的Atg5表达停止后,无论溶酶体抑制是否存在,这种作用几乎无效(图6B). 为了进一步研究白藜芦醇介导的LC3应答中对Atg5的依赖性,我们通过瞬时siRNA转染下调Atg5,并量化LC3-II蛋白丰度(图6C). 正如预期的那样,当Atg5下调时,营养缺乏诱导的LC3-II生成减少。与中显示的结果一致图6B在siAtg5存在的情况下,白藜芦醇处理的细胞中LC3-II水平也降低(图6C). 在下调Atg7后,Atg12–5共轭物的水平也降低了(请注意,Atg5主要以Atg12-5共轭形式检测到)(图6C)如预期。5因此,无论是使用对照治疗(CM)、无营养培养基(EBSS)还是白藜芦醇(Res),在siAtg7存在的情况下,LC3-II蛋白丰度都会降低(图6C). 由此可见,规范驱动的Atg7/Atg5依赖性LC3-II的产生是白藜芦醇对LC3产生作用的先决条件。然而,白藜芦醇治疗并没有促进Atg12的显著吞噬细胞定位,这反映了Atg12–5/Atg16L复合物的定位,但Atg5是白藜芦醇介导的LC3反应的功能所必需的。

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白藜芦醇介导的自噬依赖于Atg7和Atg5。用64µM白藜芦醇(Res)、无营养培养基(EBSS)或对照培养基(CM)处理小鼠胚胎成纤维细胞(m5-7细胞)3 h,并进行定量抗LC3蛋白印迹(n=7)(A)。将多西环素(1µg/ml)添加到培养基中,以关闭m5-7细胞中Atg5的表达。显示了用对照培养基(CM)、64µM白藜芦醇(Res)或无营养培养基(EBSS)处理3 h后检测Atg5(Atg12-5结合物)、LC3或微管蛋白的代表性western blot(n=3);巴菲尔霉素A1(Baf A1)如(B)所示,在2小时后添加。用对照、Atg5或Atg7 siRNA转染稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞72小时,并用对照培养基(CM)、64µM白藜芦醇(Res)或无营养培养基(EBSS)处理3小时或显示Atg7蛋白,LC3-II蛋白丰度通过微管蛋白标准化并量化(n=3)(C)。p值:*p<0.05***p<0.001。

WIPI-1在Atg7和Atg5的上游发挥作用,是营养缺乏和白藜芦醇介导的LC3-II增加所必需的

尽管缺乏诱导吞噬细胞定位,但我们解决了WIPI-1或WIPI-2是否也可能是LC3反应的功能所必需的问题。使用表达显著水平内源性WIPI-1和WIPI-2的人类G361细胞,我们通过siRNA-介导的转染暂时下调WIPI-1或WIPI-2,并从三个独立实验中提供了一个代表性结果(图7A). 值得注意的是,WIPI-1下调后,基础LC3-II蛋白水平降低,对照培养基(CM)处理在溶酶体抑制存在和不存在的情况下发现(图7A). 总之,当WIPI-1被下调时,营养素饥饿(EBSS)引起的LC3-II的增加也降低了,进一步证明WIPI-1在功能上是规范化LC3脂质氧化所必需的(图7A和B,右侧面板)。显然,当用白藜芦醇处理siWIPI-1转染细胞时,LC3-II蛋白水平也降低,这表明WIPI-1确实是白藜芦醇介导的LC3反应的功能所必需的(图7A和B,左侧面板)。这一结果也是通过使用siWIPI-2实现的;此外,随着WIPI-2的下调,WIPI-1的下调可能会对LC3脂质过氧化产生更显著的影响(图7A和B,右侧面板)。这一结果表明,WIPI-1在正常和白藜芦醇介导的自噬中都是功能性必需的。

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营养缺乏和白藜芦醇处理后,WIPI-1和WIPI-2对LC3脂质化的功能要求。用对照、WIPI-1或WIPI-2 siRNA转染人G361细胞72 h,用对照培养基(CM)、64µM白藜芦醇(Res)或无营养培养基(EBSS)处理3 h1(Baf A1)2小时后添加,如所示(+)。显示了具有代表性的western blot结果(A)以及EBSS和白藜芦醇治疗的量化结果(B)。用对照、Atg5或Atg7 siRNA转染稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞72 h,按上述方法处理并进行GFP-WIPI-1图像自动采集和分析(C)。每个条形代表GFP-WIPI-1点状阳性细胞(多达2500个单个细胞,n=3)的平均值±SD p值:*p<0.05**p<0.01***p<0.001;ns=不显著。

因为已经表明WIPI-1应该在Atg5上游运行,24我们下调了GFP-WIPI-1细胞系中的Atg5或Atg7,并以自动方式测量GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量。值得注意的是,在对照培养基(CM)和无营养培养基(EBSS)中,当Atg5或Atg7下调时,GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量显著增加(图7C)表明WIPI-1阳性初始吞噬细胞样结构的自噬体形成被阻断。白藜芦醇治疗不会促进转染siAtg5或siAtg7的细胞中GFP-WIPI-1点的形成(图7C)事实上,GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量如上图所示减少(图2). 这些结果提供了证据,表明WIPI-1通过作用于Atg7和Atg5上游,在功能上是LC3脂质氧化所必需的,但WIPI-1(和WIPI-2)对白藜芦醇治疗的诱导吞噬细胞定位没有反应,因为它发生在典型的自噬触发治疗中(图2 图S1).

讨论

磷脂酰肌醇PtdIns(3)P的产生对自噬过程至关重要。人类PtdIns(3)P效应蛋白WIPI-1在自噬途径启动时特异性结合PtdIns3 P,随后在吞噬细胞聚集,初始自噬体膜对Atg16L复合物和LC3呈阳性。23,24,27因此,WIPI-1成为多层自噬体的膜蛋白,定位于内外膜。28我们开始研究PtdIns(3)对人类WIPI-1在自噬细胞膜上的P-依赖性定位(WIPI-1点状形成分析),该自噬是由自噬的规范诱导(例如营养缺乏和mTOR抑制)刺激的。15,23,27,38,42在这里,我们使用我们最近建立的自动高通量WIPI-1点状图像采集和分析程序进一步描述了WIPI-1的特征38并发现WIPI-1在两个自噬体泛素样结合系统上游调节LC3脂质化。由此可知,WIPI-1的PtdIns(3)P依赖性膜定位在功能上应该是典型吞噬体和自噬体形成所必需的,可能是通过定义自噬体膜源和允许LC3脂质化(LC3-II)的泛素样结合系统的募集。

主要通过监测LC3脂质过氧化,提供了白藜芦醇诱导肿瘤细胞自噬的早期证据。12,13在这里,我们研究了白藜芦醇在进一步的人类肿瘤细胞系(U2OS、G361、HeLa、MCF-7)中的自噬诱导特性,还发现白藜醇促进LC3-II的增加。此外,通过定量电子显微镜我们发现,白藜芦醇处理3小时后,自噬体数量增加,因为有报道称,白藜醇处理诱导Beclin 1/PtdIns3KC3非依赖性自噬12我们询问PtdIns(3)P效应器WIPI-1和下游Atg16L复合物是否参与白藜芦醇介导的自噬。

显然,我们的结果表明,白藜芦醇不会触发PtdIns(3)P依赖性WIPI-1在自噬体膜上的积累,而高于基础水平。与此一致,我们还发现,在白藜芦醇治疗后,Atg16L复合物没有被促进定位于自噬体膜。我们证实,这一观点并不是由于白藜芦醇治疗后细胞PtdIns(3)P减少所致,而WIPI-2,最接近的人类WIPI-1同源物,并不能弥补这种情况下WIPI-1在自噬体膜上定位增加的不足。然而,通过分析在白藜芦醇存在下给药沃特曼的效果,揭示了白藜芦醇介导的自噬过程中PtdIns(3)P的依赖性,该作用减少了LC3-II蛋白的数量和每个细胞中GFP-LC3点的数量。然而,在PtdIns(3)P抑制的情况下(白藜芦醇/沃特曼联合治疗),白藜芦醇仍然促进自噬流量的增加,这可以通过LC3-II蛋白增加和GFP-LC3点状形成来测量。因此,白藜芦醇介导的自噬在一定程度上对PtdIns(3)P抑制敏感,但PtdIns(3)P抑制并不能消除白藜芦》介导的自噬。

在本研究过程中,这些结果最初表明,在PtdIns(3)P信号传导阻断的情况下,白藜芦醇介导的自噬可能通过靶向尚未确定的因子而部分诱导自噬体的形成,从而绕过WIPI-1/WIPI-2和Atg16L复合物。此外,通过分析共表达的WIPI-1和DFCP1的定位,我们发现当WIPI-1形成点状结构时,这两种蛋白部分地共定位;在大多数饥饿的细胞中,这种部分共定位是显著的,因为WIPI-1点的形成是诱导的,在对照组和白藜芦醇处理后,大多数细胞缺乏WIPI-1点状突起,这里只有少数显示WIPI-1斑点(基础水平)的细胞与DFCP1部分共定位。此外,我们没有发现白藜芦醇治疗后DFCP1点刺数量增加。由此看来,在白藜芦醇治疗期间,WIPI-2或DFCP1似乎无法补偿WIPI-1 PtdIns(3)P效应器在吞噬细胞的活性。

基于上述结果,我们希望解决白藜芦醇介导的自噬是否需要WIPI-1的问题,尽管缺乏诱导的吞噬细胞积累。显然,WIPI-1下调导致LC3脂质沉积减少,我们进一步表明WIPI-1作用于Atg7和Atg5的上游,以允许LC3脂质堆积。重要的是,当WIPI-1被瞬时siRNA转染下调时,饥饿诱导的和白藜芦醇介导的LC3-II增加均减少,这强烈表明WIPI-1在功能上需要产生LC3-II以实现白藜芦醇反应。发现白藜芦醇介导的自噬依赖于Atg7和Atg5,12,31与此相一致,我们还提供了证据表明,白藜芦醇治疗后的LC3-II脂质过氧化依赖于Atg7和Atg5。由此可以清楚地看出,尽管白藜芦醇给药并未促进诱导的吞噬细胞结构的形成,但WIPI-1-Atg7/5途径在功能上是产生LC3-II所必需的。这一结果解释了白藜芦醇治疗对沃特曼的部分敏感性,因为它阻止了在自噬体膜上定位WIPI-1所需的PtdIns(3)P的生成。

由此,我们认为白藜芦醇可能利用PtdIns(3)P-WIPI-Atg7-Atg5途径生成的LC3-II来形成非经典自噬体。考虑到WIPI-1在自噬、ER、质膜和自噬体上的不同膜定位,28一个有吸引力的解释可能是,白藜芦醇介导的非经典自噬利用通过WIPI-1途径在不同于典型吞噬细胞结构(例如,质膜)的膜上产生的LC3-II。我们还发现,白藜芦醇显著降低了新形成的WIPI-1阳性吞噬细胞/自噬体的诱导,表明白藜芦醇介导的反应抵消了典型自噬小体的形成。这可以解释为什么白藜芦醇治疗的细胞反应在某些情况下会触发自噬体形成和细胞死亡。31事实上,白藜芦醇对寿命的影响43可能是由于通过将典型的自噬重新定向到导致细胞死亡的非典型蛋白水解而早期消除转化细胞(图S5). 在这方面,重要的是要了解白藜芦醇等化合物是否可以用于抑制肿瘤细胞自噬的细胞保护功能。此外,更详细地研究PtdIns(3)P对自噬体形成的供应将成为一个重要的问题,因为我们的结果表明,在某些情况下,可能会克服Beclin 1介导的PtdIns3KC3结合。

材料和方法

化合物

白藜芦醇、雷帕霉素、沃特曼宁、LY294002、staurosporine和etoposide购自Sigma-Aldrich(分别为R5010、R0395、W1628、L9908、S4400、E1383)、巴非霉素A1来自AppliChem(A7823)。

抗体和染料

本研究中使用了以下主要抗体:抗WIPI-1(Abnova,H00055062-M02)、抗WIPI-2(Abgent,AP9559b)、抗LC3(NanoTools,0231-100/LC3-5F10)、抗Atg5(Cosmo Bio Co.,CAC-TMD-PH-AT5)、抗Attg12(Abgen,AP1816a)、抗Atg7(Cell Signaling Technology,2631)、抗-myc公司在小鼠或兔子中饲养(Santa Cruz,sc-40和sc-789)、抗EEA1(BD Biosciences,610456)、抗GAPDH(Hytest,5G4)、抗微管蛋白(Sigma-Aldrich,T5168)。抗小鼠IgG Alexa Fluor 546、抗兔IgG Alexa Fluor 488、抗兔IgG Alexa Fluor 546购自Molecular Probes(分别为A11003、A11008、A11010)。来自Cell Signaling Technology(7074)的抗兔IgG-HRP和来自GE Healthcare(NA931V)的抗鼠IgG-HRP。TO-PRO-3从Invitrogen(T3605)购买,DAPI从Applichem(A4099)购买。

cDNA构建物

GFP-LC3由大阪大学Tamotsu Yoshimori提供。GFP-WIPI-1如前所述。27GFP-WIPI-2A和-2C是从最初的GFP-WIPI-2(GFP-WIBI-2B,GFP-WIPID-2D)分离物中产生的23根据NCBINP_056425号,NP_057087型,NP_001028690号,NP_001028691号.Myc公司-通过将WIPI-2 cDNA变体亚克隆到pCMV-Tag3(HindIII/EcoRI)中,生成WIPI-2(-2A、-2B、-2C、-2D)结构体。Myc公司-DFCP1是通过将DFCP1 cDNA(imaGenes,IRATp970A0374D)克隆到pCMV-Tag3b(BamHI/XhoI)中而产生的。通过PCR、自动DNA测序和蛋白质表达分析确认结构完整性。

siRNA

Atg5 siRNA、Atg7 siRNA和相应的对照siRNA分别来自细胞信号技术(6345、6604、6568)。WIPI-1 siRNAs(SR310458A,B,C)、WIPI-2 siRNA(SR308719A,B和C)和相应的对照siRNA(SR30004)购自Origene。

媒体和补充

DMEM和OPTI。MEM来自Invitrogen(分别为31966、51985),EBSS来自Sigma Aldrich(E2888)。使用了以下DMEM补充剂:胎牛血清(PAA,A15-043)、青霉素/链霉素(Invitrogen,15140)、血浆素(Invivogen,ant-mpp)、强力霉素(Sigma-Aldrich,D9891)、G418(Invit罗gen,11811)。

细胞培养

人类U2OS、G361和HeLa细胞(分别来自ATCC、HTB-96、CRL-1424、CCL-2)、MCF-7细胞(Evelyne May/CEA、CNRS)和m5-7细胞(Noboru Mizushima、东京医科和牙科大学)在DMEM、10%FCS、100 U/ml青霉素/100μg/ml链霉素、5μg/ml胞浆蛋白中培养。在培养基中使用1µg/ml多西环素可降低m5-7细胞中Atg5蛋白的表达。41稳定GFP-WIPI-1 U2OS38或GFP-2xFYVE U2OS细胞系(GE Healthcare)在0.6 mg/ml G418存在的上述培养基中培养。

转染

本研究中使用了以下转染试剂:Lipofectamine 2000(Invitrogen,11668)、Promofectin(Promokene,PK-CT-2000-100)或DEAE-Dextran(Sigma-Aldrich,D9885)。根据制造商的方案,使用3µg DNA和5µl Promofectin在六孔板中进行常规瞬时转染。通过使用4µg DNA和10µl Lipofectamine 2000在六孔板中转染U2OS细胞,然后选择G418(1 mg/ml),生成稳定的GFP-LC3细胞系。瞬时转染myc公司-通过使用2µg DNA和15µl DEAE葡聚糖应用标准DEAE葡聚糖程序,将DFCP1质粒导入稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞。44

siRNA转染

根据制造商的方案,在24孔板中用20 nM对照siRNA、Atg5 siRNA或Atg7 siRNA和1µl Lipofectamine RNAiMAX(Invitrogen,11668)转染稳定的GFP-WIPI-1 U2OS细胞。48小时后,进行第二次转染,再进行24小时的孵育期。将60 nM对照siRNA、三种独特WIPI-1 siRNA的混合物(每个20 nM)或三种独特的WIPI-2 siRNA(每个20 nM)与5µl Lipofectamine RNAiMAX的混合物在六孔板中转染G361细胞。36小时后,进行第二次转染程序,并将细胞再培养36小时。

自噬试验

在添加或不添加10%FCS的对照培养基(DMEM)中进行分析,如文中所述。通过给药EBSS、白藜芦醇(32µM、64µM或128µM)、沃特曼(233 nM)、雷帕霉素(300 nM),staurosporine(100 nM)和依托泊甙(5μM)或LY294002(100μM或50μM),在指定的时间段(通常为3 h)内进行治疗。还进行了如下共处理:白藜芦醇(64µM)+麦芽甘露聚糖(233 nM)、EBSS+麦芽甘聚糖(233nM),EBSS+白藜芦醇(64μM),以及EBSS+LY294002(100µM)。为了抑制自噬通量,200 nM巴非霉素A1在整个治疗期间或治疗的最后一小时添加。

共焦显微镜

制备固定细胞(3.7%多聚甲醛)用于直接GFP荧光或间接免疫荧光(过度表达myc公司-如前所述,使用LSM 510显微镜(蔡司)和63×1.4 DIC Plan-Apochromat油浸物镜标记WIPI-2亚型或DFCP1或内源性Atg12)。23通常,采集10-20个光学切片(0.5µm),并根据1-5个光学切片的投影制备最终图像。为了获得强度分布,使用了单个光学切片。通过使用三个光学切片的投影和ImagePro-Plus 4.1软件确定每个细胞的GFP-LC3点数量。如前所述,GFP-WIPI-1或Atg12点状阳性细胞通过荧光显微镜进行计数(在三到四个独立实验中,每个处理最多400个细胞)。

自动GFP图像采集和分析。38

将稳定的GFP-WIPI-1、GFP-LC3或GFP-2xFYVE U2OS细胞镀在96孔(或24孔)板上,并按指示进行分析。使用细胞内分析仪1000(GE Healthcare)采集模式,使用尼康40x Planfluor物镜自动采集图像。为了可视化DAPI染色的细胞核,使用了激发过滤器D360/40和发射过滤器HQ460/40M,并使用了激发滤波器S475/20和发射过滤器HQ535/50M来可视化GFP。使用细胞内分析仪1000工作站3.4针对采集的荧光建立了特定于软件的分析协议,如下所示。应用双区域对象分析检测到GFP-WIPI-1点(灵敏度设置为5)包含内容多尺度顶帽算法,表示为每个单元的GFP-WIPI-1点数量。更严格的决策树包括强度(>200)和内含物/细胞密度应用(>1.15)并确定GFP-WIPI-1点状阳性细胞的数量。使用双区域对象分析GFP-LC3或GFP-2xFYVE点状物由包含内容多顶帽子算法。这里,灵敏度设置为40,并确定每个细胞的穿孔数。使用细胞内分析仪1000使用ImagePro-Plus 4.1软件对(GE Healthcare)和30个细胞(来自3-4个区域)进行分析。

免疫印迹法

用PBS洗涤细胞,并在TBS/1%Triton-X100中或在750 mM氨基己酸、50 mM Bis-Tris、0.5 mM EDTA、1%Triton-X100中溶解。将可溶部分(离心:14000 rpm,10 min,4°C)补充到Laemmli加载缓冲液中,进行SDS-PAGE并在PVDF膜上进行印迹(Millipore,IPVH00010)。或者,将煮沸的Laemmli缓冲液添加到细胞中,然后用23G针剪切染色质,从而生成总蛋白提取物。使用个人密度计SI(分子动力学)量化标准ECL检测的信号强度。为了量化蛋白质丰度,LC3-II信号强度在微管蛋白或gapdh上进行了标准化。

定量电子显微镜

在用对照培养基(CM)、64µM白藜芦醇(RM)或无营养培养基(EBSS)处理3 h后,将GFP-WIPI-1 U2OS细胞固定在2.5%戊二醛中2 h,包埋在琼脂糖中,并用1%四氧化锇和1%铁氰化钾在冰上处理90 min。在用1%醋酸铀酰水溶液洗涤和染色(60分钟)后,将afar块在分级系列乙醇中脱水并嵌入暴露树脂中。使用LEO 906透射电子显微镜分析超薄树脂切片。27分析两种不同环氧树脂块(每个样品)的切片(每个处理总共72–87个细胞)。在16700倍放大镜下识别并计数多层自噬小泡(AV),并拍摄代表性图像。生成计数细胞的概览(400倍放大)和光栅(25µm2)已应用于点数。35,37

统计分析

使用双尾异方差t检验评估统计显著性,并计算p值。

补充材料

其他材料

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致谢

我们感谢Noboru Mizushima提供m5-7细胞,感谢Tamotsu Yoshimori共享pEGFP-LC3结构。我们感谢Sabine Ruckerbauer和Boris Jakuschkin提供的技术援助。Codogno实验室获得了来自INSERM、巴黎南11大学机构基金的资助,以及来自ANR(国家癌症研究所)的资助。Proikas-Cezanne实验室得到了科学、研究和艺术部Baden-Wuertemberg的支持(Landesgraduiertenförderung,M.M.的博士前奖学金);以及联邦教育和科学部(BMBF,BioProfile)和德国研究学会(DFG,SFB 773)向T.P.-C提供的资助。

词汇表

缩写:

世界知识产权组织WD-重复蛋白与磷脂酰肌醇相互作用
铂族锡(3)P磷脂酰肌醇3-磷酸
生命周期3微管相关蛋白1轻链3
铂族锡3KC3磷脂酰肌醇3-激酶III类
mTOR公司雷帕霉素的哺乳动物靶点
RAG公司Ras相关GTP结合蛋白
FYVE公司Fab1 YOTB Vac1p EEA1域
欧洲经济区1早期内体抗原1
电子商务支持系统厄尔平衡盐溶液

潜在利益冲突的披露

没有披露潜在的利益冲突。

参考文献

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文章来自自噬由以下人员提供泰勒和弗朗西斯