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Gérard LIZARD - Inserm

EA7270 - Equipe ‘Biochimie du Peroxysome, inflammation et Métabolisme Lipidique’

Faculté des Sciences Gabriel

6, Bd Gabriel, 21000 Dijon - FRANCE

Caractérisation et méthodes d’études de la mort cellulaire

par cytométrie en flux

Université de Bourgogne

Gérard Lizard

Rabat, 29 novembre 2018

CytoMagh 2018

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Two pathways of cell death leading to necrosis and apoptosis. At the top is shown a normal cell.

1A: Swelling. 1B: Vacuolization, blebbing, and increased permeability. 1C: Necrotic changes. ie,

coagulation, shrinkage, and karyolysis. 2A: Shrinkage and pyknosis. 2B: Budding and karyorhexis.

2C: Necrotic changes, ie, breakup into a cluster of apoptotic bodies.

Majno G & Joris I Am J Pathol 1995, 146: 3 - 15. Gérard Lizard,

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ORGANELLES INVOLVED IN CELL DEATH

Organelles Apoptosis Autophagy Necrosis /

Necroptosis

- Mitochondria + +

(mitophagy) +

- Lysosomes + / - + + / -

- Endoplasmic-

reticulum (ER) + / - +

+ / -

- peroxisome ? +

(pexophagy)

?

Bröker LE et al. Clin Cancer Res 2005, 11: 3155-3162. Gérard Lizard,

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4

Relations peroxysome / mitochondrie

Implication dans le contrôle de l’équilibre RedOx et l’activation de la mort cellulaire

Lismont C, Nordgren M, Van Veldhoven PP, Fransen M. Front Cell Dev Biol. 2015, 27;3:35.

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Cell Death (initial concept)

Apoptosis apoptotic morphology

Active programmed cell death

Caspase-dependent cell death

• Mitochondrial pathway

(Associated or not with reticulum stress)

• Death receptor pathway

Necrosis necrotic morphology

Passive unprogrammed cell death

Classical /Canonical Necrosis

Cell Death Independent of Caspases

Kitanaka C & Kuchino Y Cell Death Differ 1999, 6: 508-515. Gérard Lizard,

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Cell death

Apoptosis Autophagy Necrosis

Active programm cell death

Caspase-dependent

Type-1 cell death

Active programm cell death

Caspase-independent

Type-2 cell death

Active programm cell death

Caspase-independent cell death

Necroptosis (RIP1, RIP3)

Passive programm cell death

Caspase-independent cell death

Classical necrosis (primary necrosis)

Type-3 cell death

Secondary necrosis

Gérard Lizard,

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AVAILABLE METHODS ALLOWING THE CHARACTERIZATION

OF APOPTOSIS, NECROSIS / NECROPOTOSIS, AND AUTOPHAGY

Gérard Lizard,

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FUNCTIONNAL CRITERIA ASSOCIATED WITH APOPTOSIS,

NECROSIS, AND NECROPTOSIS

• Microscopy, flow cytometry, biochemistry

- enhanced permeability of cytoplasmic membrane (trypan blue, fluorescent probes, LDH)

- externalization of phosphatidylserine

double staining with AnnexinV /propidium iodide (PI) (or aminoactinomycine D (AAD))

to distinguish between normal (AnnexinV-/PI -), necrotic (AnnexinV+/PI+),

and apoptotic (AnnexinV+/PI-) cells

- Coloration SYTO16 - IP

- Sub-G1 peak (not present in normal and necrotic cells)

- loss of transmembrane mitochondrial potential: numerous fluorescent probes available.

Currently, DioC6(3) and JC1 are the most reliable.

- FLICA (fluorochromes labeled inhibitors of caspases): in situ identification of activated

caspases (does not permit to distinguish between necrosis and caspase-independent cell death)

- TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling): in situ identification

of internucleosomal DNA fragmentation

Gérard Lizard,

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Electron microscopy A: Control. B: Cells treated by VP-16; apoptotic cells with condensed and perinuclear

chromatin are observed, cytoplasmic and nuclear membrane integrity are preserved as well as morphology of

mitochondria (arrow). C: Cells treated by NaN3; necrotic cells are characterized by a loss of integrity of

cytoplasmic and nuclear membranes, degradation of cytoplasm and chromatin.

Fluorescence microscopy after staining with Hoechst 33342 D: Control cells. Nuclei show regular contours. E:

Cells treated by VP-16; cell with fragmented (f) nucleus. F: Cells treated by VP-16; cell with condensed (c)

nucleus. G: Necrotic (n) cells observed under treatment by NaN3;

the nucleus is diffuse and irregular. (Lizard G et al. Cytometry 1995, 21: 275-283)

APOPTOSIS / NECROSIS: MORPHOLOGICAL CRITERIA

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MORPHOLOGICAL CRITERIA ASSOCIATED WITH APOPTOSIS,

NECROSIS AND NECROPTOSIS

* Phase contrast microscopy: loss of refringence; loss or not of cell

adhesion?

* Brightfield microscopy: after staining with GIEMSA,…

* Fluorescence microscopy: Hoechst staining allows to easily distinguish

between normal, necrotic and apoptotic cells (nuclear criteria)

* Transmission electron microscopy (nuclear criteria)

* Flow cytometry: changes of light scatter properties on non-fixed cells

(FSC ↓ ; SSC more or less ↑ )

Control 7-keto

40 µg/ml

U937 G

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http://www.amnis.com

Henery S et al. Apoptosis 2008, 13: 1054-1063

Annexin V-FITC / PI (Amnis technology)

Gérard Lizard,

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Phosphatidylserine externalization : Annexin V-FITC / PI test

Apoptosis

Necrosis

(phosphatidylserines)

V A

N

Annexin V - FITC

PI (o

r 7A

AD

)

Control Treated

PI: propidium iodide

7 AAD: 7 amino actinomycin D

Viable (V)

Apoptotic (A)

Necrotic (N)

Annexine V PI Cells

Gérard Lizard,

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Towards an Understanding of Apoptosis Detection by SYTO Dyes Donald Wlodkowic,1* Joanna Skommer,1 and Jukka Pelkonen1,2

1Institute of Clinical Sciences, Department of Clinical Microbiology, University of Kuopio, Kuopio, Finland

2Department of Clinical Microbiology, Kuopio University Hospital, Kuopio, Finland

Cytometry Part A 71A:61–72 (2007)

Necrotic cells

Viable cells Apoptotic cells

Gérard Lizard,

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Nu

mb

er

of

ce

lls

Sub-G1

control

cholesterol 7ß-hydroxycholesterol

7-ketocholesterol

HUVECs

Lizard G et al. Am J Pathol 1996, 148: 1625-1638

Sub-G1 (FCM)

apoptosis

primary or secondary necrosis

Gérard Lizard,

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0

20

40

60

80

100

0 6 12 18 24

Time of treatment (hours) % c

ell

s w

ith

dep

ola

rize

d m

ito

ch

on

dri

a

control

7-ketocholesterol (40 µg/ml)

7b-hydroxycholesterol (20 µg/ml)

Control 7-ketocholesterol 7-hydroxycholesterol

Mitochondrial potential (FCM)

Gérard Lizard,

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Grabarek J & Darzynkiewicz Z Exp Hematol 2002, 30: 982-989

FLICA / FLISP (Microscopy, Flow Cytometry)

Gérard Lizard,

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TUNEL (Flow Cytometry)

Gérard Lizard,

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TUNEL (Amnis technology)

Gérard Lizard,

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Lizard G et al., Arterioscler Thromb Vasc Biol 1999, 19: 1190-2000

Phase contrast microscopy, Hoechst 33342, GIEMSA, TUNEL

Apoptosis = TUNEL positive cells

Necrosis = TUNEL negative cells

Gérard Lizard,

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BIOCHEMICAL CRITERIA ASSOCIATED WITH

APOPTOSIS, NECROSIS, AND NECROPTOSIS

* Analysis of the DNA fragmentation pattern on agarose gel

- Apoptosis: DNA ladder, multiple of 150-200 base pairs

(internucleosomal DNA fragmentation)

- Necrosis: no DNA ladder, smears

* Enzymatic activities (LDH)

* Electrophoresis on acrylamide gel and Western Blotting

Gérard Lizard,

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Huang WC, Chen CL, Lin YS, Lin CF. Apoptotic sphingolipid ceramide in cancer

therapy.

J Lipids. 2011;2011:565316.

Anticorps anti-céramides

Hoechst

Cellule

normale

Cellule

pré-apoptotique

Cellule

apoptotique

Exp

res

sio

n d

e c

éra

mid

es

Stimuli apoptotique : génération de céramides

(détection par immunofluorescence)

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MCF-7 MCF-7/c3

Prunet C et al. Cell Death Differ, 2001; J Biochem Mol Toxicol, 2005

Caspase-3/7

Caspase-8

Caspase-6

DYm without caspase-3

Oncosis

AIF, EndoG

cytochrome-C

Caspase-9

Caspase-3

Caspase-7 Caspase-8

Bid

t-Bid

Apoptosis

PARP

ICAD CAD

Necrosis/Oncosis = no caspase activation

Gérard Lizard,

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Gérard Lizard,

CHARACTERIZATION OF AUTOPHAGY:

‘VISUAL’ CRITERIA

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7KC (50 µM, 24 h)

Control

EtOH (0.1%)

0.5 µm

1 µm

1 µm

1 µm

1 µm

ap

ap

ap: autophagosome; apl: autophagolysosome

1 µm

apl

0.1 µm

A

B

C

D

E

F

G

H apl

0.1 µm

Gérard Lizard

CHARACTERIZATION OF AUTOPHAGY:

ULTRASTRUCTURAL CRITERIA – Transmission Electron Microscopy

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CHARACTERIZATION OF AUTOPHAGY: BIOCHEMICAL CRITERIA Murine oligodendrocytes (158N) - autophagy and apoptosis (oxiapoptophagy)

Co

ntr

ol

EtO

H (

1%

)

α-c

yclo

dex

trin

(12

5 µ

M)

α-t

oco

ph

ero

l (4

00

µM

)

DH

A (

50

µM

)

7K

C (

50

µM

)

7K

C +

α-t

oco

7K

C +

DH

A

7K

C +α

-to

co+

DH

A

-OH

C (

50

µM

)

-OH

C +α

-to

co

-OH

C +

DH

A

-OH

C +

α-t

oco

+DH

A

24

S-O

HC

(5

M)

24

S-O

HC

-to

co

24

S-O

HC

+D

HA

24

S-O

HC

+ α

-to

co +

DH

A

Caspase -3 (35 kDa)

Cleaved Caspase -3 (17 kDa)

PARP (116 kDa)

Cleaved PARP (89 kDa)

β-Actin (42 kDa)

LC3-I (18 kDa)

LC3-II (16 kDa)

Bcl-2 (26 kDa)

Ratio LC3-II/LC3-I 0.6 0.5 3.8 0.8 0.6 0.7 1.7 1.3 1.2 1.3 3.4 1.7 1.2 0.9

EtO

H (

0.1

%)

EtO

H (

1.1

%)

α-c

yclo

dex

trin

+ E

tOH

(0

.1 %

)

α-c

yclo

dex

trin

+ E

tOH

(1

.1 %

)

0.6 0.6 0.6 0.6 0.7 0.5 0.4

Gérard Lizard,

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Apoptosis Necrosis Necroptosis

Phosphatidyl serine

externalization

(Annexin V positive + PI positive)

Mitochondrial depolarization

Random DNA degradation

RIP1 (and RIP3)

expression

Phosphatidyl serine

externalization

(Annexin V positive + PI negative)

Mitochondrial depolarization

Non Random DNA degradation

(DNA ladder)

Caspases activation

Gérard Lizard,

Autophagy

Oxiapoptophagy

Necroapoptophagy

LC3 conversion:

LC3I to LC3-II