The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Department of Pharmacology, University of California, Irvine, 2Department of Pharmacology, University of California, 3Schmid College of Science, Chapman University
This article is a part of JoVE General. If you think this article would be useful for your research, please recommend JoVE to your institution's librarian.
Recommend JoVE to Your LibrarianCurrent Access Through Your IP Address
Current Access Through Your Registered Email Address
Ehlert, F. J., Suga, H., Griffin, M. T. Quantifying Agonist Activity at G Protein-coupled Receptors. J. Vis. Exp. (58), e3179, doi:10.3791/3179 (2011).
När en agonist aktiverar en population av G-protein-kopplade receptorer (GPCRs), framkallar det en signalväg som kulminerar i ett svar från de celler eller vävnader. Denna process kan analyseras på samma nivå som en enda receptor, en befolkning av receptorer, eller nedströms svar. Här beskriver vi hur man kan analysera nedströms svar för att få en uppskattning av agonist affinitet konstant för det aktiva tillståndet av enstaka receptorer.
Receptorer beter sig som quantal växlar som växlar mellan aktiva och inaktiva stater (Figur 1). Den aktiva staten interagerar med specifika G-proteiner eller andra signalsystem partner. I avsaknad av ligander, dominerar inaktiva tillstånd. Bindningen av agonist ökar sannolikheten för att receptorn växlar till aktivt läge eftersom dess affinitet konstant för det aktiva tillståndet (K b) är mycket större än för den inaktiva staten (K a). Den summering avslumpmässiga utgångar av alla de receptorer i befolkningen ger en konstant nivå av aktivering av receptorn i tid. Den ömsesidiga av koncentrationen av agonist utlösande halv-maximal aktivering av receptorn motsvarar den observerade affinitet konstant (K OBS), och andelen agonist-receptor komplex i den aktiva staten definieras som effekt (ε) (Figur 2).
Metoder för att analysera nedströms svar GPCRs har utvecklats som gör det möjligt för uppskattning av K-obs och relativa effekten av en agonist 1,2. I denna rapport visar vi hur du ändrar denna analys för att uppskatta agonist k B värde i förhållande till en annan agonist. För analyser som uppvisar konstituerande aktivitet visar vi hur man kan beräkna k B i absoluta enheter av M -1.
Vår metod för att analysera agonist koncentration-respons-kurvor 3,4 bestårav de globala icke-linjär regression med verksamhetsmodellen 5. Vi beskriver ett förfarande med hjälp av programmet, Prism (GraphPad Software, Inc., San Diego, CA). Analysen ger en uppskattning av produkten av K-obs och en parameter proportionell effekt (τ). Uppskattningen av τK obs av en agonist, delat med en annan, är ett relativt mått på K b (RA i) 6. För alla receptorn uppvisar konstitutiv aktivitet är det möjligt att skatta en parameter i proportion till effekten av den fria receptor komplex (τ sys). I det här fallet är K b värdet av en agonist motsvarande τK obs / τ SYS 3.
Vår metod är användbar för att bestämma selektiviteten hos en agonist för receptor subtyper och för att kvantifiera agonist-receptor signalering genom olika G-proteiner.
1. Mätning av agonist koncentration-respons-kurvor: ingen konstitutiv aktivitet
2. Preliminär analys av agonist koncentration-respons-kurvor: ingen konstitutiv aktivitet
3. Uppskattning av agonist Rai värden med hjälp av icke-linjär regressionsanalys: ingen konstitutiv aktivitet
4. Mätning av agonist koncentration-respons-kurvor i cell-baserade analyser uppvisar konstitutiva receptoraktivitet
5. Preliminära enalysis av agonist koncentration-respons-kurvor uppvisar konstitutiva aktivitet
6. Uppskattning av värden agonist Kb för svar uppvisar konstitutiva receptoraktivitet med icke-linjär regression analys
7. Representativa resultat
Figur 5 visar några av våra tidigare publicerade data på muskarina agonist-inducerad phosphoinositide hydrolys i kinesiska hamsteräggceller stabilt uttrycka M 3 muskarina receptorn 12. Den koncentration-respons-kurvor av utvalda muskarina agonister mättes i denna analys. Uppgifterna analyserades som beskrivits ovan under avsnitt 3 för att beräkna k B värdet av varje agonist, uttryckt i förhållande till av oxotremorine-M. Dessa loggar RA i skattningarna, karbakol, -0,56 ± 0,063; Arecolinje, -0,60 ± 0,074, pilokarpin, -1,20 ± 0,15, och MCN-A-343, -1,92 ± 0,31. De teoretiska kurvorna representerar de minsta kvadratmetoden av regressionsekvationen till data (avsnitt 3.2). Motsvarande beräkningar av maximal respons av systemet (M sys) och givaren backen (M) var 53,9 ± 1,3 och 1,15 ± 0,09, respektive. De log K obs värden agonister, utom oxotremorine-M var karbakol, 5,19 ± 0,14, arecoline, 5,49 ± 0,12, pilokarpin, 5,58 ± 0,16 och MCN-A-343, 5,27 ± 0,33.
Figur 6 visar resultaten av experimenten på muskarina agonist-stimulerad phosphoinositide hydrolys i HEK 293 celler som stabilt uttrycker G α15 3. Övergående uttryck för M 3 muskarina receptorer orsakade en ökning i basal phosphoinositide hydrolys, som tillskrevs konstitutiva receptor verkIty. Uppgifterna analyserades för att uppskatta log K b värden oxotremorine-M och MCN-A-343 som beskrivs i avsnitt 6. Denna analys gav log K b värden på 8,30 ± 0,59 och 6,59 ± 0,77 för oxotremorine-M och MCN-A-343, respektive. De teoretiska kurvorna representerar de minsta kvadratmetoden av regressionsekvationen till data (se avsnitt 6.2). Uppskattningarna av log τ sys, M sys och M var -2,29 ± 0,59, 95,8 ± 2,8 och 0,72 ± 0,08, respektive. Uppskattningen av K obs värdet på MCN-A-343 var 5,35 ± 0,46.

Figur 1. Förhållande mellan enstaka receptorer och den genomsnittliga nivån för aktivering av receptorn befolkningen. Singel receptorer, den teoretiska beteende av en enda receptor som genomgår Transitions mellan aktiva (på) och inaktiv (Av) anger i närvaro av en agonist visas. Den samhörighet konstanter agonist för den aktiva och inaktiva stater betecknas med K B och K ett, respektive. Befolkning beteende, den teoretiska hos en rad receptorer som genomgår slumpmässiga övergångar mellan aktiva och inaktiva stater i närvaro av en agonist visas. Befolkning genomsnitt är den genomsnittliga nivån för aktivering av receptorn i en population av receptorer i närvaro av en viss koncentration av agonist visas. Aktiveringen nivå receptorn befolkningen är känd som stimulans.

Figur 2. Förhållandet mellan aktivering av receptorn funktion och effekt (ε) och observerade affinitet konstant (K OBS) av agonist. Befolkning genomsnitt den genomsnittliga nivån föraktivering av receptorn som framkallades av ökande koncentrationer av agonist visas. aktivering av receptorn, är den genomsnittliga nivån för aktivering av receptorn ritas agonist loggen koncentrationen av agonist. Den negativa logga koncentration av agonist som krävs för halv-maximal aktivering av receptorn motsvarar loggen observerade affinitet konstant agonist (log K obs). Den högsta aktivering av receptorn fungerar betecknas effekt (ε).

Figur 3. Exempel på koncentration-respons-kurvor för stimulering av [3 H] inositolphosphate ackumulation av olika muskarina agonister i kinesiska hamsteräggceller uttrycka mänskliga M 3 muskarina receptorn. Sammanlagt nio agonist koncentration-respons-kurvor mättes. Experimentet kan delas upp i två delar. För varje del, standarden agonist (oxotremorinEM) är alltid testas tillsammans med ytterligare agonister. Således, A och B två experiment av det slag som visas i krävs för att mäta koncentration-respons kurvor av nio agonister om bara fem agonister kan analyseras samtidigt. Uppgifterna är från Ehlert et al. 12.

Figur 4. Exempel på koncentration-respons-kurvor för stimulering av [3 H] inositolphosphate ackumulation av olika muskarina agonister i HEK 293 celler som uttrycker den mänskliga M 2 muskarina receptorn och G α15. Redovisning av M 2-receptorn orsakade en 30 - 35% [3 H] inositolphosphate svar, som tillskrevs konstitutiva receptoraktivitet. Uppgifterna är från Ehlert et al. 12.

Figur 5. 3 muskarina receptorn. Koncentrationen-responskurvorna utvalda muskarina agonister för att stimulera phosphoinositide hydrolys visas. Medelvärden från tre experiment ± SEM visas. Uppgifterna är från Ehlert et al. 12.

Figur 6. Oxotremorine-M-och MCN-A-343-medierad phosphoinositide hydrolys i HEK 293 celler som uttrycker G α15 och M 3 muskarina receptorn. Phosphoinositide hydrolys uttrycks i förhållande till E-max oxotremorine-M. I avsaknad av agonist, tillskriven phosphoinositide hydrolys till uttryck av M 3-receptorn svarade för cirka 2% av svaret. Den hjälp av tre försök ± SEM visas. Den dATA är från Ehlert et al. 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Eftersom vår metod för att uppskatta RA i (relativ K B-värdet) kräver endast mätning av agonist koncentration-respons-kurvor, kan vår analys göras när som helst dessa kurvor mäts.
Om dag till dag variation i svaret från den experimentella preparat (t.ex. celler eller vävnader) är stor, kan svaret mätningar av koncentration-respons-kurvan normaliseras i förhållande till "toppen" uppskattning av standard-agonist för varje dag experiment. En uppskattning av Top och logga EG 50 beräknas för varje replikat koncentration-respons-kurvan av standarden agonist med regressionsanalys som beskrivs i avsnitt 2 och 5. Svaret värden för alla agonist koncentration-respons-kurvor på en viss dag normaliseras i förhållande till Top uppskattning av standard-agonist för den dagen. Dessa normaliserade data analyseras sedan enligt ovan beginnning i avsnitt 3.
Noggrannheten för att skatta k B är beroende av en noggrann uppskattning av konstitutiva receptoraktivitet. I vårt fall orsakade transfektion av M 3-receptorn i HEK 293 celler en ökning phosphoinositide hydrolys som varierade från ca 500 - 1000 kopior av [3 H] inositolphosphates mäts i närvaro av litium i celler före märkta med [3H] inositol . Den maximala svar karbakol var cirka 50.000 - 60.000 kopior per minut. Hade konstitutiva svaret varit större och mindre varierande, vår uppskattning av k B värden oxotremorine-M och MCN-A-343 skulle ha varit mer korrekt. Uppskattningen av k B beror också på att ha en korrekt uppskattning av givarens backen (M) i den operativa modellen. Följaktligen kan större precision ha uppnåtts om de koncentrationer av agonist var mer tätt placerade som rekommenderas i avsnitt 1.3. Running ytterligare agonister i försöket också i hög grad ökar noggrannheten i uppskattningen av M, och därmed av K b.
Om det finns olika aktiva stater i receptor som signalen genom olika koppling proteiner (t ex G-proteiner), sedan vår analysmetod ger en rättvisande uppskattning av agonist K b och RA jag värden för varje effektor väg 3,6. Om mer än en aktiv status bidrar till en enda uppmätt respons, då vår metod för uppskattning av RA I och K b representerar ett vägt genomsnitt av olika aktiva stater beroende på deras relativa förekomst och aktivitet 3.
Konstituerande receptoraktivitet kan induceras med drygt uttrycka GPCR med kompletterande G-protein 13. Detta kan ändra den observerade affinitet och effekten av agonist-receptor komplex och kan orsaka icke-physiological signalering. Men förändringar i naturen av svaret och det observerade affinitet och effekten av receptorn befolkningen innebär inte förändringar i de grundläggande quantal staterna i receptorn, bara en förändring i deras antal och sannolikheten för isomeriseringsprocessen. Således, G proteiner är inte så mycket en bestämningsfaktor för läkemedelseffekter så mycket som ett fönster mot olika effektormedierad selektiv stater i receptorn. Om vår analysmetod tillämpas på specifika GPCR signalering testsystem med en enda effektor (t.ex. G-protein) bör det vara möjligt att mäta agonist K b värden för effektormedierad selektiv stater av receptorn - det ultimata måttet på agonist partiskhet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Inga intressekonflikter deklareras.
Detta arbete stöddes av en National Institutes of Health Grant GM 69.829.