两栖动物孔形成蛋白βγ-CAT在细胞营养缺乏下驱动细胞外营养清除

Amphibian pore-forming protein βγ-CAT drives extracellular nutrient scavenging under cell nutrient deficiency.

作者信息Ling-Zhen Liu, Long Liu, Zhi-Hong Shi, Xian-Ling Bian, Zi-Ru Si, Qi-Quan Wang, Yang Xiang, Yun Zhang
PMID37128610
期刊iScience
发布时间2023-04-07
DOI10.1016/j.isci.2023.106598

实验完整度

研究包含体外细胞模型(蟾蜍肝细胞、胃细胞、肠道细胞及HepG2细胞)、分子结合分析(BLI、SPR)、脂质体通道实验、功能验证(细胞存活、氨基酸及ATP检测)及机制验证(AMPK抑制、ATP调控),证据层级多样。

主要模型

蟾蜍肝细胞 蟾蜍胃细胞 蟾蜍肠道细胞 HepG2细胞

重点核对

营养缺乏条件:Glc+/Gln+/Pyr+、Glcˉ/Glnˉ/Pyrˉ、Glc+/Glnˉ/Pyrˉ AMPK抑制剂处理:compound C(2.5-5 μM)和SBI-0206965(5-10 μM) βγ-CAT浓度:100 nM用于蟾蜍细胞,40 nM用于HepG2细胞 细胞外蛋白浓度:BSA或OVA 500 μg/mL(蟾蜍细胞),OVA 5 mg/mL(HepG2细胞)

摘要

Nutrient acquisition is essential for animal cells. βγ-CAT is a pore-forming protein (PFP) and trefoil factor complex assembled under tight regulation identified in toad Bombina maxima. Here, we reported that B. maxima cells secreted βγ-CAT under glucose, glutamine, and pyruvate deficiency to scavenge extracellular proteins for their nutrient supply and survival. AMPK signaling positively regulated the expression and secretion of βγ-CAT. The PFP complex selectively bound extracellular proteins and promoted proteins uptake through endolysosomal pathways. Elevated intracellular amino acids, enhanced ATP production, and eventually prolonged cell survival were observed in the presence of βγ-CAT and extracellular proteins. Liposome assays indicated that high concentration of ATP negatively regulated the opening of βγ-CAT channels. Collectively, these results uncovered that βγ-CAT is an essential element in cell nutrient scavenging under cell nutrient deficiency by driving vesicular uptake of extracellular proteins, providing a new paradigm for PFPs in cell nutrient acquisition and metabolic flexibility.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
细胞在营养缺乏时如何通过分泌性孔形成蛋白获取细胞外营养以维持生存?
核心机制
βγ-CAT在AMPK信号正调控下表达和分泌,通过选择性结合细胞外蛋白并经内溶酶体途径促进蛋白摄取,提高细胞内氨基酸和ATP水平,支持细胞存活;高浓度ATP通过直接结合负调控βγ-CAT通道开放。
主要证据
在蟾蜍肝细胞、胃细胞及HepG2细胞中,βγ-CAT促进OVA和Bm-SA的摄取与降解,增加细胞内氨基酸和ATP含量,并在细胞外蛋白存在时提高细胞存活率;脂质体实验显示ATP抑制βγ-CAT通道的染料释放。
研究意义
该研究揭示了βγ-CAT作为孔形成蛋白在细胞营养获取和代谢灵活性中的必需作用,为理解细胞营养清除提供了新范式。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

营养缺乏条件下βγ-CAT表达和分泌的检测

验证营养缺乏是否诱导βγ-CAT的表达和分泌。

分离蟾蜍肝细胞、肠道细胞和胃细胞,在三种培养基(Glc+/Gln+/Pyr+、Glcˉ/Glnˉ/Pyrˉ、Glc+/Glnˉ/Pyrˉ)中培养1-5小时,通过qRT-PCR、Western blot和溶血活性检测βγ-CAT的表达和分泌。

2

AMPK信号对βγ-CAT调控的验证

验证AMPK信号是否正向调控βγ-CAT的表达和分泌。

在营养缺乏条件下,用AMPK抑制剂compound C和SBI-0206965处理蟾蜍肝细胞,检测βγ-CAT mRNA和蛋白水平及分泌。

3

βγ-CAT介导细胞外蛋白摄取和降解的检测

验证βγ-CAT是否能促进营养缺乏细胞对细胞外蛋白的摄取和降解。

用βγ-CAT处理蟾蜍肝细胞和HepG2细胞,加入OVA-DQ或FITC标记蛋白,通过共聚焦显微镜和流式细胞术检测摄取情况;使用EIPA抑制巨胞饮检验其参与。

4

βγ-CAT促进细胞内氨基酸和ATP升高的检测

验证βγ-CAT介导的细胞外蛋白摄取是否增加细胞内氨基酸和ATP水平。

在营养缺乏条件下,用BSA或OVA和βγ-CAT处理蟾蜍肝细胞,通过LC-MS检测氨基酸含量,通过ATP检测试剂盒检测ATP。

5

βγ-CAT支持细胞存活的检测

验证βγ-CAT在细胞外蛋白存在下是否能提高营养缺乏细胞的存活率。

用βγ-CAT处理蟾蜍肝细胞、胃细胞和HepG2细胞,加入BSA或OVA,通过PI染色或MTS检测细胞活力。

6

ATP对βγ-CAT通道活性的调控

验证高浓度ATP是否负调控βγ-CAT通道开放。

利用脂质体染料释放实验检测不同浓度ATP对βγ-CAT通道形成的影响,并利用SPR检测βγ-CAT与ATP的直接结合。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
胶原酶SolarbioC8140
DMEM/F-12培养基Biological Industries01-172-1A
胎牛血清Biological Industries04-001-1A
青霉素-链霉素溶液Biological Industries03-031-1B
EIPAMedChemExpressHY-101840
化合物CMedChemExpressHY-13418
SBI-0206965MedChemExpressHY-16966
卵清蛋白CoolaberCA1421
牛血清白蛋白Sigma-AldrichA9418
卵清蛋白-DQThermoFisherD12053
FITC标记卵清蛋白Biossbs-0283P-FITC
FITC标记蟾蜍血清白蛋白----
碘化丙啶ACMECP72320
MTS试剂PromegaG3580
Accucore-150-Amide-HILIC色谱柱Thermo Fisher Scientific16726–102130
三磷酸腺苷Sigma--
二磷酸腺苷Sigma--
一磷酸腺苷Sigma--
抗βγ-CAT多克隆抗体This paper--
抗BmTFF3多克隆抗体This paper--
抗AMPKα1/2抗体BioworldBS1009
抗磷酸化AMPKα1/2抗体BioworldBS5003
抗ACC1抗体Affinity BiosciencesAF6421
抗磷酸化ACC1抗体Affinity BiosciencesAF3421
抗β-actin抗体Proteintech66009-1-Ig
兔IgGProteintechB900610
ChamQ通用SYBR qPCR预混液试剂盒VazymeQ711-02
ATP检测试剂盒BeyotimeS0026
ATP酶活性检测试剂盒Sigma-AldrichMAK113-1
LDH细胞毒性检测试剂盒BeyotimeC0017
Octet R2蛋白质分析系统Sartorius--
BIAcore S200----
CM7传感芯片Cytiva28953828
LSR Fortessa流式细胞分析仪Becton Dickinson--
蔡司LSM 880显微镜系统Carl Zeiss--
Infinite 200 Pro酶标仪Tecan--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
营养缺乏处理
培养基成分:Glc+/Gln+/Pyr+、Glcˉ/Glnˉ/Pyrˉ、Glc+/Glnˉ/Pyrˉ;培养时间1-5小时
阅读提示:STAR★Methods 中 'Glucose and glutamine deprivation and treatment'
AMPK抑制
AMPK抑制剂浓度:compound C(2.5-5 μM)和SBI-0206965(5-10 μM);处理时间3小时
阅读提示:STAR★Methods 中 'Glucose and glutamine deprivation and treatment' 及 Figure 2 legend
蛋白质摄取和降解
βγ-CAT浓度:蟾蜍细胞100 nM,HepG2细胞40 nM;OVA-DQ浓度20或100 μg/mL;处理时间:摄取30分钟,孵育15分钟
阅读提示:STAR★Methods 中 'Extracellular protein intake and degradation' 及 Figure 3 legend
氨基酸和ATP检测
BSA或OVA浓度500 μg/mL;βγ-CAT浓度100 nM;处理时间7小时
阅读提示:STAR★Methods 中 'Amino acid analysis' 和 'ATP measurement' 及 Figure 3 legend
细胞存活检测
蟾蜍细胞:βγ-CAT 100 nM,BSA或OVA 500 μg/mL,培养0-11小时;HepG2细胞:βγ-CAT 40 nM,OVA 5 mg/mL,培养36小时
阅读提示:STAR★Methods 中 'Cell viability assays' 及 Figure 4 legend
脂质体通道实验
βγ-CAT浓度600 nM;ATP浓度0-5 mM;染料释放检测
阅读提示:STAR★Methods 中 'Liposome dye release assay' 及 Figure 5 legend