Forberedelse og<em> In vivo</em> Anvendelse af en aktivitetsbaseret Probe til<em> N</em> -acylethanolamine Acid-amidase
Summary
Her beskriver vi fremstilling og anvendelse af et aktivitetsbaseret sonde (ARN14686, undec-10-ynyl- N – [(3 S) -2-oxoazetidin-3-yl] carbamat), der giver mulighed for påvisning og kvantificering af aktive form af det proinflammatoriske enzym N -acylethanolamine syre amidase (NAAA), både in vitro og ex vivo.
Abstract
Aktivitetsbaseret proteinprofilering (ABPP) er en metode til identifikation af et enzym af interesse i en kompleks proteom ved anvendelse af en kemisk probe, som er målrettet mod enzymets aktive steder. En reporter tag indført i proben muliggør påvisning af det mærkede enzym ved in-gel fluorescens scanning, protein-blot, fluorescensmikroskopi eller væskekromatografi-massespektrometri. Her beskriver vi fremstilling og anvendelse af forbindelsen ARN14686, et klik kemi aktivitetsbaseret sonde (CC-ABP), som selektivt genkender enzymet N -acylethanolamine syre amidase (NAAA). NAAA er en cystein hydrolase, der fremmer inflammation ved at deaktivere endogene peroxisomproliferatoraktiveret receptor (PPAR) -alpha agonister, såsom palmitoylethanolamid (PEA) og oleoylethanolamide (OAS). NAAA syntetiseres som en inaktiv fuld længde proenzym, som aktiveres af autoproteolysis i det sure pH i lysosomer. Lokalisering undersøgelser have vist, at NAAA overvejende udtrykkes i makrofager og andre monocyt-afledte celler, såvel som i B-lymfocytter. Vi giver eksempler på, hvordan ARN14686 kan anvendes til at påvise og kvantificere aktiv NAAA ex vivo i gnavere væv ved protein-blot og fluorescensmikroskopi.
Introduction
Almindeligt anvendte metoder til at undersøge ekspressionsmønstre, interaktioner og funktioner af proteiner, herunder væskekromatografi-massespektrometri platforme til shotgun analyse 1,2, gær to-hybrid metoder 3,4, og in vitro-assays, er begrænset ved, at de er ude af stand til at vurdere aktiviteten af proteiner i deres native tilstand. Aktivitetsbaseret protein profilering (ABPP) kan bruges til at udfylde dette hul. I denne fremgangsmåde, små-molekyle prober i stand til kovalent binding til det aktive sted af et enzym af interesse er konjugeret til en reportergruppe, der giver mulighed for måldetektion. Brug af klik-kemi (CC), kan reporter integreres i proben eller kan indføres efter mål indgreb har fundet sted 5,6. Sidstnævnte procedure kræver brug af sonder, der indeholder relevante kemiske grupper, såsom en terminal alkyn eller azid, hvilket kan modificeres med en række reporter reagenser via bio-ortogonale reaktioner such som Cu (I) -catalyzed Huisgen [3 + 2] cycloaddition 7-9 eller Staudinger ligering 10,11.
For nylig beskrev vi forbindelsen ARN14686 som den første ABP til in vitro og in vivo detektion af cystein hydrolase, NAAA 12. NAAA katalyserer den hydrolytiske deaktivering af mættede og enkeltumættede Faes, herunder oleoylethanolamide (OAS) og palmitoylethanolamid (PEA), som er endogene agonister af den antiinflammatoriske nuklear receptor PPAR-alpha 13-15. NAAA udtrykkes overvejende i makrofager og andre monocyt-afledte celler, såvel som i B-lymfocytter 14,16, hvilket antyder en rolle i reguleringen af den medfødte immunreaktion. Enzymet syntetiseres i ru endoplasmatisk reticulum i en inaktiv form og aktiveres i sure rum i cellen med en autoproteolytisk mekanisme 17. Den autoproteolytisk spaltning genererer en ny N-terminal cystein (C131 i mus og rotter, C126 i mennesker), der er nukleofilen ansvarlig for FAE hydrolyse 18,19. Farmakologisk hæmning af NAAA aktivitet ændrer FAE syntese / nedbrydning balance til fordel for øget cellulære niveauer af FAES 16,20,21. Adskillige β-lacton og β-lactam-derivater har vist sig at inhibere NAAA aktivitet med høj styrke og selektivitet 16,22-26. Disse inhibitorer virker gennem S-acylering af den katalytiske cystein 16,27,28.
Forbindelsen ARN14686 designet baseret på den kemiske struktur af den systemisk aktive, serin-afledt β-lactam NAAA inhibitor, ARN726 (4-cyclohexylbutyl- N – [(S) -2-oxoazetidin-3-yl] carbamat) 16. Det 4-butyl-cyclohexylgruppe af ARN726 blev erstattet med en C9 mættet alifatisk kæde, der bærer en terminal alkyn tag for efterfølgende CC konjugering med et azid-bærende reporter tag. Vi valgte at designe en to-trins ABP at minimally ændre strukturen af det oprindelige stillads opretholder således affiniteten af probe for NAAA. Desuden undgår indførelsen af voluminøse tags, kan en sådan probe være mere egnet til in vivo-behandling end en direkte ABP. ARN14686 inhiberer NAAA med stor styrke (hNAAA IC50 = 6 nM, rNAAA IC50 = 13 nM) ved at danne en kovalent addukt med den katalytiske cystein af enzymet 12. Forsøg i levende rotter viste, at sonden er selektiv i at fange NAAA udtrykt i lungerne. Acid ceramidase, andet cystein amidase der deler 33-34% identitet med NAAA, blev også identificeret som en lav-affinitet mål, når ved hjælp af høj probe koncentrationer (10 uM in vitro, 10 mg / ml intravenøs, iv) 12. Vi har også benyttet ARN14686 at undersøge tilstedeværelsen af aktive NAAA i betændte rottevæv efter indgivelse af komplet Freunds adjuvans (CFA) 29.
Her vil vi skitsere en protokol for preparatipå af ARN14686 (figur 1) og dens anvendelse på undersøgelsen af NAAA aktivering ex vivo. Som et eksempel beskriver vi en eksperimentel procedure at visualisere NAAA i rotte poter efter CFA administration. I dette forsøg er proteiner ekstraheret fra paw væv efter intravenøs injektion af sonden, og ABP-mærkede proteom underkastes CC med biotin-azid. Biotinylerede prøver er beriget ved hjælp streptavidinkugler, og protein blots udføres. I en anden anvendelse, beskriver vi lokalisering af aktiv NAAA ved fluorescensmikroskopi i muselunger fra probe-behandlede mus. I dette tilfælde er vævet i snit og sektioner underkastes CC for rhodamin tilsætning. En arbejdsgang skema er illustreret i figur 2.
Protocol
Representative Results
Discussion
Enzymaktiviteten fint reguleret på forskellige niveauer, herunder RNA-transkription, proteinsyntese, protein translokation, post-translationel modifikation, og protein-protein-interaktion. Ofte enzym udtryk alene tager ikke højde for dets aktivitet. ABPP blev udviklet til at studere aktiviteten af proteiner i deres native tilstand. To funktioner er nødvendige: en kemisk probe, som kovalent binder til det aktive sted af et enzym af interesse og et reporter-tag til påvisning af proben-mærket enzym.
<p class…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the Nikon Imaging Center at Istituto Italiano di Tecnologia, Genova, Italy (NIC@IIT).
Materials
| 1,1’-sulfonyldiimidazole | Sigma Aldrich | 367818 | Harmful |
| 2-dipyridylcarbonate | Fluorochem | 11331 | Harmful |
| 2-Methylbutan | Sigma Aldrich | M32631 | Flamable, toxic,hazardous to the aquatic environment |
| 4-(Dimethylamino)pyridine | Sigma Aldrich | 107700 | Toxic |
| Acetic acid | Sigma Aldrich | 695092 | Flammable, Corrosive |
| Acetonitrile | Sigma Aldrich | 34998 | Flammable, Toxic |
| Activated charcoal | Sigma Aldrich | 161551 | |
| Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | Harmful |
| Azide-PEG3-Biotin | Jena Biosciences | CLK-AZ104P4 | |
| Azide-PEG3-Fluor 545 | Jena Biosciences | CLK-AZ109 | |
| BCA protein assay kit | Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
| Bio-spin columns | Biorad | 732-6204 | |
| Biotin | Sigma Aldrich | B4501 | |
| Blocking buffer | Li-Cor Biosciences | 927-40000 | |
| b-mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M6250 | Higly toxic |
| Bovin serum albumine (BSA) | Sigma Aldrich | A7030 | |
| Bromophenol blue | Sigma Aldrich | B0126 | |
| Bruker Avance III 400 | Bruker | ||
| Celite | Sigma Aldrich | 419931 | Health hazard |
| Ceric ammonium nitrate | Sigma Aldrich | 22249 | Oxidizing, Harmful |
| Chloral hydrate | Sigma Aldrich | C8383 | Higly toxic |
| CuSO4.5H2O | Sigma Aldrich | 209198 | Toxic |
| Cyclohexadiene | Sigma Aldrich | 125415 | Flammable, Health hazard |
| Cyclohexane | Sigma Aldrich | 34855 | Flammable, Harmful, Health hazard, Environmental hazard |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 34856 | Harmful, Health hazard |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 296082 | Flammable, Harmful |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Acros Organics | 348441000 | |
| Dimethyl sulfoxide d6 (DMSO-d6) | Sigma Aldrich | 175943 | |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 2860 | Flammable, Harmful |
| Ethyl acetate | Sigma Aldrich | 34858 | Flammable, Harmful |
| Glycerol | Sigma Aldrich | G5516 | |
| Irdye 680-LT Streptavidin | Li-Cor Biosciences | 925-68031 | |
| IRDye680-LT Streptavidin | Licor | 925-68031 | Briefly centrifuge before use to precipitate protein complexes |
| Methanol | Sigma Aldrich | 34966 | Highly toxic |
| Methanol | Sigma Aldrich | 34860 | Flammable, Toxic, Health hazard |
| N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride | Sigma Aldrich | E7750 | Harmful, Corrosive |
| N,N-diisopropylethylamine | Sigma Aldrich | D125806 | Flammable, Corrosive, Toxic |
| N,N-dimethylformamide | Sigma Aldrich | 227056 | Flammable, Harmful, Health hazard |
| N-Cbz-L-Serine | Fluorochem | M03053 | Harmful |
| Nikon A1 confocal microscopy | Nikon | Read the user manual | |
| NuPAGE 4-12% Bis-Tris gel | Thermo Fisher Scientific | NP0335BOX | |
| Palladium on carbon | Sigma Aldrich | 330108 | |
| p-anisidine | Sigma Aldrich | A88255 | Toxic, Health hazard, Environmental hazard |
| Paraformaldehyde | sigma Aldrich | 441244 | Toxic, respiratory harmful, corrosive, falmable |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma Aldrich | P3265 | |
| ProLong Gold antifade mountant with DAPI | Thermo Fisher Scientific | P36931 | Avoid bubbles formation |
| Protease inhibitor cocktail | Sigma Aldrich | P8340 | |
| Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S6014 | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Sigma Aldrich | L3771 | Toxic, corrosive, falmmable |
| Sodium hydride | Sigma Aldrich | 452912 | Flammable |
| Sodium sulfate | Sigma Aldrich | 239313 | |
| Starion FLA-9000 immage scanner | FUJIFILM | Read the user manual | |
| Streptavidin agarose | Thermo Fisher Scientific | 20349 | |
| Sucrose | Sigma Aldrich | S7903 | |
| Tert-butanol | Sigma Aldrich | 360538 | Toxic, flammable |
| Tetrahydrofuran | Sigma Aldrich | 186562 | Flammable, Harmful, Health hazard |
| Thiourea | Acros Organics | 424542500 | Toxic, warm at 50 °C to dissolve |
| Tris | Sigma Aldrich | RDD008 | |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) | Sigma Aldrich | C4706 | |
| Tris[(1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl]amine (TBTA) | Sigma Aldrich | 678937 | |
| Triton-x100 | Sigma Aldrich | X100 | Toxic |
| Tween-20 | Sigma Aldrich | P9416 | |
| Tween-80 | Sigma Aldrich | P1754 | |
| Ultra turrax IKA T18 basic tissue homogenizer | IKA | ||
| Undec-10-yn-1-ol | Fluorochem | 13739 | Harmful |
| Urea | Sigma Aldrich | U5378 | Toxic, warm at 50 °C to dissolve |
References
- Gygi, S. P., Han, D. K., Gingras, A. C., Sonenberg, N., Aebersold, R. Protein analysis by mass spectrometry and sequence database searching: tools for cancer research in the post-genomic era. Electrophoresis. 20, 310-319 (1999).
- Washburn, M. P., Wolters, D., Yates, J. R. Large-scale analysis of the yeast proteome by multidimensional protein identification technology. Nat Biotechnol. 19, 242-247 (2001).
- Zhu, H., Bilgin, M., Snyder, M. Proteomics. Annu Rev Biochem. 72, 783-812 (2003).
- Ito, T., et al. Roles for the two-hybrid system in exploration of the yeast protein interactome. Mol Cell Proteomics. 1, 561-566 (2002).
- Evans, M. J., Cravatt, B. F. Mechanism-based profiling of enzyme families. Chem Rev. 106, 3279-3301 (2006).
- Cravatt, B. F., Wright, A. T., Kozarich, J. W. Activity-based protein profiling: from enzyme chemistry to proteomic chemistry. Annu Rev Biochem. 77, 383-414 (2008).
- Rostovtsev, V. V., Green, L. G., Fokin, V. V., Sharpless, K. B. A stepwise huisgen cycloaddition process: copper(I)-catalyzed regioselective “ligation” of azides and terminal alkynes. Angew Chem Int Ed Engl. 41, 2596-2599 (2002).
- Meldal, M., Tornoe, C. W. Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition. Chem Rev. 108, 2952-3015 (2008).
- Speers, A. E., Adam, G. C., Cravatt, B. F. Activity-based protein profiling in vivo using a copper(i)-catalyzed azide-alkyne [3 + 2] cycloaddition. J Am Chem Soc. 125, 4686-4687 (2003).
- Saxon, E., Bertozzi, C. R. Cell surface engineering by a modified Staudinger reaction. Science. 287, 2007-2010 (2000).
- Kohn, M., Breinbauer, R. The Staudinger ligation-a gift to chemical biology. Angew Chem Int Ed Engl. 43, 3106-3116 (2004).
- Romeo, E., et al. Activity-Based Probe for N-Acylethanolamine Acid Amidase. ACS Chem Biol. 10, 2057-2064 (2015).
- Ueda, N., Yamanaka, K., Yamamoto, S. Purification and characterization of an acid amidase selective for N-palmitoylethanolamine, a putative endogenous anti-inflammatory substance. J Biol Chem. 276, 35552-35557 (2001).
- Tsuboi, K., et al. Molecular characterization of N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase, a novel member of the choloylglycine hydrolase family with structural and functional similarity to acid ceramidase. J Biol Chem. 280, 11082-11092 (2005).
- Tsuboi, K., Takezaki, N., Ueda, N. The N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase (NAAA). Chem Biodivers. 4, 1914-1925 (2007).
- Ribeiro, A., et al. A Potent Systemically Active N-Acylethanolamine Acid Amidase Inhibitor that Suppresses Inflammation and Human Macrophage Activation. ACS Chem Biol. 10, 1838-1846 (2015).
- Zhao, L. Y., Tsuboi, K., Okamoto, Y., Nagahata, S., Ueda, N. Proteolytic activation and glycosylation of N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase, a lysosomal enzyme involved in the endocannabinoid metabolism. Biochim Biophys Acta. 1771, 1397-1405 (2007).
- Wang, J., et al. Amino acid residues crucial in pH regulation and proteolytic activation of N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase. Biochim Biophys Acta. 1781, 710-717 (2008).
- West, J. M., Zvonok, N., Whitten, K. M., Wood, J. T., Makriyannis, A. Mass spectrometric characterization of human N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase. J Proteome Res. 11, 972-981 (2012).
- Bandiera, T., Ponzano, S., Piomelli, D. Advances in the discovery of N-acylethanolamine acid amidase inhibitors. Pharmacol Res. 86, 11-17 (2014).
- Sasso, O., et al. Antinociceptive effects of the N-acylethanolamine acid amidase inhibitor ARN077 in rodent pain models. Pain. 154, 350-360 (2013).
- Duranti, A., et al. N-(2-oxo-3-oxetanyl)carbamic acid esters as N-acylethanolamine acid amidase inhibitors: synthesis and structure-activity and structure-property relationships. J Med Chem. 55, 4824-4836 (2012).
- Ponzano, S., et al. Synthesis and structure-activity relationship (SAR) of 2-methyl-4-oxo-3-oxetanylcarbamic acid esters, a class of potent N-acylethanolamine acid amidase (NAAA) inhibitors. J Med Chem. 56, 6917-6934 (2013).
- Solorzano, C., et al. Synthesis and structure-activity relationships of N-(2-oxo-3-oxetanyl)amides as N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase inhibitors. J Med Chem. 53, 5770-5781 (2010).
- Vitale, R., et al. Synthesis, structure-activity, and structure-stability relationships of 2-substituted-N-(4-oxo-3-oxetanyl) N-acylethanolamine acid amidase (NAAA) inhibitors. ChemMedChem 9. 9, 323-336 (2014).
- Fiasella, A., et al. 3-Aminoazetidin-2-one derivatives as N-acylethanolamine acid amidase (NAAA) inhibitors suitable for systemic administration. ChemMedChem 9. 9, 1602-1614 (2014).
- Armirotti, A., et al. beta-Lactones Inhibit N-acylethanolamine Acid Amidase by S-Acylation of the Catalytic N-Terminal Cysteine. ACS Med Chem Lett. 3, 422-426 (2012).
- Nuzzi, A., et al. Potent alpha-amino-beta-lactam carbamic acid ester as NAAA inhibitors. Synthesis and structure-activity relationship (SAR) studies. Eur J Med Chem. 111, 138-159 (2016).
- Bonezzi, F. T., et al. An Important Role for N-Acylethanolamine Acid Amidase in the Complete Freund’s Adjuvant Rat Model of Arthritis. J Pharmacol Exp Ther. 356, 656-663 (2016).
- Smith, P. K., et al. Measurement of protein using bicinchoninic acid. Anal Biochem. 150, 76-85 (1985).
- Speers, A. E., Cravatt, B. F. Activity-Based Protein Profiling (ABPP) and Click Chemistry (CC)-ABPP by MudPIT Mass Spectrometry. Curr Protoc Chem Biol. 1, 29-41 (2009).
- Rybak, J. N., Scheurer, S. B., Neri, D., Elia, G. Purification of biotinylated proteins on streptavidin resin: a protocol for quantitative elution. Proteomics. 4, 2296-2299 (2004).
- Penna, A., Cahalan, M. Western Blotting using the Invitrogen NuPage Novex Bis Tris minigels. J Vis Exp. (264), (2007).
- Giuffrida, A., Piomelli, D. Isotope dilution GC/MS determination of anandamide and other fatty acylethanolamides in rat blood plasma. FEBS Lett. 422, 373-376 (1998).
- Buczynski, M. W., Parsons, L. H. Quantification of brain endocannabinoid levels: methods, interpretations and pitfalls. Br J Pharmacol. 160, 423-442 (2010).
