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稳定长效活细胞动态成像解锁 LC3 蛋白核转运调控机制
Introduction
NEWS
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细胞内蛋白转运、亚细胞定位改变属于随时间持续演变的动态过程,固定细胞静态荧光成像只能捕捉某一个瞬时时间节点的静态快照,无法捕捉蛋白移位、聚集、解离的完整时序变化与速率差异;尤其在机械牵拉、药物梯度干预这类具备时间依赖性刺激的实验体系中,静态取样容易错过关键转变时点、无法量化动态过程。而长时间活细胞延时动态成像能够在培养环境下无干扰持续观测同一批活细胞,完整记录蛋白分布随刺激时长的连续变化趋势,精准捕捉入核、滞留、回流等动态行为,为揭示蛋白转运调控机制提供连续、可量化的时序可视化证据,是静态成像无法替代的关键实验手段。
美国约翰霍普金斯大学的研究团队刊发于Autophagy期刊的研究The autophagic protein LC3 translocates to the nucleus and localizes in the nucleolus associated to NUFIP1 in response to cyclic mechanical stress
在探究机械应激诱导小梁网细胞 LC3 蛋白核转运机制的实验中,全程借助 CELENA® S 全自动活细胞延时成像系统完成动态观测。这套成像设备配备稳定多通道荧光采集组件与原位细胞培养温控体系,能够对 GFP-LC3 标记的人小梁网细胞实现数小时不间断连续拍摄;研究利用它完整记录莱普霉素 B 给药、撤药阶段 LC3 在细胞核内聚集、解离的形态动态变化,采集的时序荧光图像可直接用于量化分析,直观佐证 XPO1 通路调控 LC3 核输出的关键结论,是这篇论文动态可视化实验部分的核心仪器。

Figure 2B:延时观测 LC3 蛋白在 LepB 干预下的核内聚集时序变化

目的:利用活细胞延时成像排除免疫染色伪影,并观测莱普霉素 B( LepB )干预下 GFP-LC3 在细胞核内聚集的时序变化规律。
方法:细胞与转染准备选用人眼小梁网 hTM 细胞,分两组腺病毒转染:对照组:转染空载体腺病毒 AdGFP(仅表达游离绿色荧光蛋白 GFP)实验组:转染融合蛋白腺病毒 AdGFP-LC3(表达带 GFP 荧光标签的 LC3 自噬蛋白)。两组细胞转染完成后,统一施加 LepB 孵育处理,LepB 作用靶点为 XPO1/CRM1 核输出通路,用来阻断蛋白从细胞核向细胞质转运。依托 CELENA® S 活细胞成像系统搭载的恒温活细胞培养环境与多通道荧光模块,对两组细胞进行长时序连续追踪成像,持续24小时捕捉 GFP 荧光信号变化。
结果:施加 LepB 抑制核输出通路后,GFP 标记的 LC3 蛋白随时间推移不断在细胞核内堆积,核内荧光斑点逐步变大、信号持续增强;仅 GFP 空载对照组细胞核内无荧光聚集,证明信号来自 LC3 蛋白本身。

Video S1:LepB 处理后 GFP-LC3 核内斑点形成延时动态记录
Figure 2C:WGA 共处理验证 LepB 诱导 LC3 核聚集不依赖经典主动核输入通路

目的:探究肌钙蛋白 (Wheatgermagglutinin,WGA),阻断经典主动核输入通路是否会抑制 LepB 引发的 LC3 核内斑点生成,判断 LC3 进入细胞核是否依赖 WGA 敏感型主动转运途径。
方法:对转染 AdGFP-LC3 的 hTM 细胞,同时加入 LepB 与 WGA共同孵育处理,使用活细胞荧光成像观测核内 GFP-LC3 斑点生成情况。
结果:即便存在 WGA 阻断核输入,细胞内依旧能形成明显的 GFP-LC3 核内荧光斑点;WGA 无法抵消 LepB 带来的 LC3 核蓄积效应。LepB 诱导产生的核内 LC3 斑点,不依靠 WGA 所抑制的经典主动核输入通路,LC3 进入细胞核存在其他转运方式(如被动扩散)。

Figure 2D:洗脱 LepB 验证 LC3 核蓄积效应具有可逆性

目的:验证 LepB 造成的 LC3 核蓄积效应是否具备可逆性,反向证明 XPO1 核输出通路是调控 LC3 核质分布的核心开关。
方法:① 先用 LepB 处理 AdGFP-LC3 转染的 hTM 细胞,充分诱导细胞核内大量 GFP-LC3 荧光斑点形成;
② 处理 72 小时后,彻底更换新鲜培养液洗脱移除 LepB 抑制剂;
③ 采用CELENA S延时成像持续追踪核内 LC3 斑点的动态变化,全程影像同步录制为 Video S2、S3。
结果:撤去 LepB 后的 7–12 小时:细胞核里的 LC3 斑点开始逐步解体消散;洗脱 24 小时后:核内荧光斑点完全消失;动态视频可见:核内 LC3 蛋白向外转运至细胞质,和胞质里原有 LC3 聚点融合,最终均匀弥散分布在细胞质中。

Video S2|洗脱 LepB 后核内 GFP-LC3 斑点解离转运动态
Video S3|解离的核源 GFP-LC3 转运至胞质并与胞质 LC3 斑点融合扩散完整动态记录
通过 Figure 2D 的延时成像结果已经证实,hTM 细胞内 LC3 的核质分布由 XPO1 依赖的核输出通路精准调控,LepB 抑制通路会造成 LC3 滞留细胞核,解除抑制后蛋白又可顺利回流至细胞质。明确了 LC3 具备完整核转运能力后,研究进一步探究 LC3 进入细胞核后会产生何种分子互作行为,于是借助 CELENA® S 成像系统开展了 Figure 6A 的共定位实验,观察生理应激条件下 LC3 在核内的结合靶点。
Figure 6A:SIRT1 抑制剂干预下 hTM 细胞 LC3 核定位荧光成像

目的:既往研究表明饥饿环境下核仁富集的 SIRT1 可通过对 LC3 去乙酰化,促进核内 LC3 转运至细胞质并启动自噬,本实验旨在探究在 hTM 细胞周期性机械拉伸(CMS)应激体系中,SIRT1 是否同样依靠调控 LC3 核质分布来介导机械应力诱导的自噬,同时验证阻断 SIRT1 活性是否会造成 LC3 在细胞核内蓄积。
方法:一方面先复刻文献中的饥饿对照实验验证细胞体系可靠性,另一方面使用 SIRT1 特异性抑制剂 EX527 处理细胞以抑制 SIRT1 功能;细胞表达 tfLC3 荧光标记蛋白。借助 CELENA® S 分别录制饥饿组动态 Video S4、EX527 处理组动态 Video S5。
结果:饥饿处理可成功驱动 tfLC3 的 GFP 荧光信号从细胞核转移至细胞质,和已发表文献结论一致,证明本次实验体系稳定可信;而经 EX527 抑制 SIRT1 活性后,Figure 6A 成像与 Video S5 动态画面均显示细胞没有出现 LC3 核内堆积的情况, Figure 6B WB结果也证实 EX527 无法削弱机械拉伸引发的自噬,说明 CMS 诱导 hTM 细胞自噬的调控通路并不依赖 SIRT1 介导的 LC3 核质转运机制。

Video S4|饥饿诱导 tfLC3 从细胞核向细胞质重分布延时影像
Video S5|SIRT1 抑制剂 EX527 干预下 LC3 核定位活细胞观测动态
实验全程实时录制的动态影像素材均由 CELENA® S 同步生成导出;设备成像文件可直接用于荧光强度半定量分析,全程无需频繁移动样本、人工值守干预,稳定的长时间活细胞拍摄能力,完整还原 XPO1 通路调控 LC3 核输出的动态规律,提供了直观、连续、可量化的可视化支撑依据。
原文链接:https://doi.org/10.1080/15548627.2019.1662584




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