本文描述了研究HIV-1 Nef蛋白通过外泌体分泌机制的实验技术。通过利用源自Nef的特异性短肽及蛋白质转染方法,确定了Nef分泌修饰区的结构、功能及其相互作用蛋白。这些实验方法在多种机制性研究中具有普遍应用价值。
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本文描述了研究HIV-1 Nef蛋白通过外泌体分泌机制的实验技术。通过利用源自Nef的特异性短肽及蛋白质转染方法,确定了Nef分泌修饰区的结构、功能及其相互作用蛋白。这些实验方法在多种机制性研究中具有普遍应用价值。
源自全长蛋白质中特定基序的短肽(在本例中为HIV-1 Nef蛋白),不仅能够保留其生物学功能,还可竞争性地抑制全长蛋白的功能。我们使用了一组由20个氨基酸组成、彼此重叠10个氨基酸的20条Nef扫描肽,用于鉴定Nef中负责诱导细胞凋亡的基序。含有这些促凋亡基序的肽段诱导细胞凋亡的水平与全长Nef蛋白相当。另一条肽段源自Nef的分泌修饰区(SMR),仍保留与参与Nef外泌体分泌(exNef)的细胞蛋白相互作用的能力。该SMRwt肽被用作共免疫沉淀实验中的“诱饵”蛋白,以分离特异性结合Nef SMR基序的细胞蛋白。通过蛋白转染和抗体抑制手段,可物理性阻断Nef与其中一种被分离出的SMR结合蛋白——mortalin之间的相互作用,并利用基于荧光的exNef分泌检测方法测定其效应。SMRwt肽能够竞争性地取代全长Nef与结合SMR基序的细胞蛋白的相互作用,使其成为首个exNef分泌抑制剂。因此,通过采用本文所述的技术,利用源自全长蛋白中特定基序的短肽的独特性质,可加速蛋白质中功能基序的鉴定以及基于肽段的致病功能抑制剂的开发。
随着抗逆转录病毒疗法的出现,西方世界的艾滋病流行已有所减缓,但并未得到遏制,全球范围内艾滋病毒的传播仍然是重大的公共卫生负担。除效果有限的RV144泰国试验外,迄今为止的HIV疫苗均未能显示出预防感染的保护作用。因此,对其他潜在治疗靶点的研究仍然十分必要。
除了CD4 T细胞耗竭外,持续性全身免疫活化也是HIV感染的特征之一。这种慢性免疫活化(CIA)可导致细胞更新加快、淋巴细胞亚群活化与分化、细胞耗竭和衰老,并通过活化诱导的细胞死亡(AICD)1,2,3 杀伤T细胞和B细胞,已被广泛证实为疾病进展最强的预测指标之一4,5,6,7,8,9,10,11,12。然而,HIV感染中CIA和CD4 T细胞耗竭的潜在机制仍有待完全阐明。
我们实验室及其他实验室的研究证据使我们提出了一个疾病进展模型(图1),其中HIV蛋白Nef(负向调节因子)可诱导其从HIV-1感染的细胞中以外泌体形式分泌13,14。这些含Nef的外泌体(exNef)可在多种细胞谱系中诱导细胞凋亡,包括未感染的CD4 T细胞15,16。此外,在单核细胞/巨噬细胞中,exNef可改变基因表达模式,例如细胞因子的表达,并似乎诱导了一种非程序性免疫激活状态。这些证据表明exNef在CIA及CD4 T细胞耗竭中具有重要作用。
阐明Nef调控外泌体运输途径的分子机制,将有助于设计新型外泌体Nef(exNef)分泌抑制剂。抑制exNef的分泌应可减轻导致艾滋病(HIV/AIDS)发病机制的CD4+ T细胞耗竭和慢性免疫激活(CIA)。
为了收集支持我们提出的HIV/AIDS疾病进展模型的证据,以及进一步完善该模型的相关数据,我们开发了一系列新型试剂和方法,使我们能够分析exNef分泌的遗传机制,并初步确定参与其中的细胞蛋白。在早期研究中,我们发现Nef蛋白可诱导旁观者细胞发生凋亡,并能从转染Nef基因的细胞以及HIV感染的细胞中释放到细胞外15。此前已有研究表明,来源于SDF-1α(基质细胞衍生因子-1,具有选择性剪接的α亚型)的肽段能够保留全长分子大部分的结合和信号传导活性17。我们推测,Nef蛋白的肽段可能也保留了全长蛋白的部分促凋亡活性,而这些肽段必然包含Nef的促凋亡结构域。为鉴定这些肽段及其对应的Nef促凋亡结构域,我们从美国国家卫生研究院(NIH)艾滋病研究与参考试剂项目获得了一组由20条HIV-1 Nef扫描肽组成的肽库。这些20个氨基酸长度的肽段彼此之间重叠10个氨基酸,以其最后一个氨基酸的编号命名,i.e. N20覆盖Nef蛋白第1至20位氨基酸,N30覆盖第11至30位氨基酸,依此类推16。我们发现,将特定肽段外源性地作用于T细胞,这些肽段若覆盖Nef全长蛋白中两个不同的10个氨基酸结构域,则可诱导T细胞发生凋亡。对这些来源于Nef的促凋亡肽段的进一步分析表明,它们能够与T细胞表面的趋化因子受体CXCR4发生直接的物理相互作用,其结合动力学特征使这些肽段能够竞争性地抑制CXCR4与其天然配体SDF-1α之间的结合。最终发现,这些来源于Nef的促凋亡肽段与CXCR4的相互作用可在T细胞中引发应激反应,从而导致细胞凋亡。这些证据使我们能够快速定位Nef蛋白的功能结构域,而若采用丙氨酸扫描突变等传统的DNA诱变技术,则需耗时更长。此外,该研究也表明,这些短的Nef衍生肽段保留了全长蛋白中促凋亡结构域的生物学功能。
在确定了细胞外Nef的作用后, 即 T细胞凋亡,我们希望更深入地了解Nef蛋白从细胞中分泌的机制。通过使用一系列突变的Nef构建体,我们定位了HIV Nef及其恒河猴等同物SIV Nef蛋白N端区域中高度保守的蛋白基序mac (猴免疫缺陷病毒)Nef,对exNef分泌至关重要13 其中一个基序——分泌修饰区(Secretion Modification Region, SMR;66VGFPV70)尤为关键,因其五个氨基酸中的任何一个被丙氨酸取代后,均会显著降低或完全阻断外泌Nef(exNef)的分泌。当通过Active Motif公司的Chariot蛋白递送试剂将包含SMR并连接FLAG肽序列的肽段(SMRwt)递送至细胞时,发现其可抑制Nef转染细胞和HIV感染细胞中外泌Nef的分泌。 18根据我们之前对多肽的研究经验,我们决定采用该多肽来阐明介导Nef SMR在exNef分泌中作用的分子及其机制。
以SMRwt肽作为“诱饵蛋白”,我们从未感染的T细胞裂解液中共同免疫沉淀了SMR的细胞结合伴侣18。FLAG肽序列为我们提供了便捷的抓手,可利用抗FLAG亲和树脂捕获SMRwt肽。我们先前发现,SMRwt肽中单个缬氨酸到丙氨酸的突变足以消除其对exNef分泌的抑制作用,这一发现确定了一种便捷且高度特异性的对照肽(SMRmut),用于排除非SMR特异性的共免疫沉淀蛋白。使用仅包含特定目的结构域的肽段而非全长蛋白,使我们能够绕过对结合Nef其他结构域的数十种细胞因子的筛选19。
在确定了SMR结合蛋白后,合乎逻辑的下一步是证明这些鉴定出的细胞结合蛋白对生物学功能具有重要作用18。实现这一目标的标准方法是使用靶向特定蛋白的miRNA或siRNA降低蛋白水平,随后检测其对生物学功能的影响。我们采用了miRNA敲低技术,该技术通过抑制靶mRNA的翻译,减少目标蛋白(在本例中为SMR结合蛋白)的生成。这种靶蛋白水平的降低是一种间接效应,可能对其所参与的生物学功能产生延迟影响。因此,我们还采用了较为少见的抗体抑制技术,以确定直接干扰靶蛋白的活性是否能够减弱或消除该生物学功能。在此实验中,将针对靶蛋白产生的抗体利用Chariot试剂转染入细胞,使其直接与靶蛋白结合,从而将其隔离于功能位点之外,或阻断其关键的结合结构域。通过该方法对靶蛋白进行抑制,可直接破坏其功能,并可作为RNA敲低实验的补充,进一步验证靶蛋白在该生物学功能中的重要性。
尽管Chariot试剂在将多肽和蛋白质递送入细胞方面具有较好效果,但该过程耗时较长,且限制了可开展的实验类型, 例如 长期或重复暴露 体内 因此,我们在SMRwt肽上添加了一段细胞穿透肽(CPP)序列,制备了SMRwt-CPP肽18 以生成一种可从培养基中被动进入细胞的多肽。该版本在抑制外泌Nef分泌方面与前者同样有效。
这些已发表实验的结果表明,含有特定功能基序的小肽能够通过竞争性抑制来拮抗全长蛋白的功能,并可用于分离与这些基序结合的蛋白质。可以预期,这些技术在许多实验方案中都具有应用价值。此外,它们还可用于设计针对多种细胞过程的新型肽类抑制剂;若与细胞穿透肽(CPP)序列连接,其功能可进一步增强。
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一、短肽在生物分析中的应用
一.1. 利用多肽绘制生物学功能基序
一.2. 使用肽段进行竞争性抑制分析
I.3. 使用肽段作为诱饵分离基序结合伴侣
II. 抗体抑制在功能分析中的应用
II.1. 使用 Chariot 蛋白递送试剂盒共转染抗体
II.2. 抗体抑制 Nef-GFP 分泌的荧光板读数仪检测
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利用多肽绘制生物学功能基序 在Nef蛋白上鉴定出两个可诱导凋亡的区域。观察到由多肽驱动的细胞凋亡现象。图2) 从肽段 N50(aa30-50)开始出现,至 N60(aa40-60)和 N70(aa50-70)达到峰值,到肽段 N100(aa80-100)时减弱至背景水平。以 aa50-60 为中心的主要基序 1(M1)峰可诱导 >全长Nef蛋白诱导的凋亡水平的80%。第二个较小的凋亡峰出现在N180(aa160-180)和N190(aa170-190)肽段范围内。该以aa170-180为中心的次要基序2(M2)峰可诱导全长Nef蛋白约30%的凋亡水平。16.
使用多肽进行竞争性抑制分析 在 图3含有完整SMR基序的肽段显著抑制了exNef的分泌。无论该基序位于肽段的N端(Wildtype-1)、中部(Wildtype-2),还是在肽段中重复出现(Wildtype-3),均具有抑制作用。相反,对该基序中的任一氨基酸进行丙氨...
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阐明Nef调控外泌体运输途径的分子机制,将有助于设计新型外泌体Nef(exNef)分泌抑制剂。抑制exNef的分泌有望减轻导致HIV/AIDS发病机制的CD4+ T细胞耗竭和慢性免疫激活(CIA)。为实现这一目标,我们开发了多种新型试剂和方法,用于分析exNef分泌的遗传学基础,并初步确定参与该过程的细胞蛋白。该研究策略还促成了首个直接靶向exNef分泌的抑制剂——SMRwt肽的开发。
本研究的一个关键发现是,源自全长蛋白中特定基序的短肽(在本例中为 HIV-1 Nef 蛋白)不仅能够保留其生物学功能,还能竞争性地抑制全长蛋白的功能。由于这些短肽保留了其生物学活性,因此可用于鉴定全长蛋白中的功能结构域。实现这一目标需要两点:一是合成一组覆盖目标蛋白全长或其特定区域(推测含有功能结构域)的扫描肽段;二是建立一种检测特定生物学功能的实验方法。由于我们缺乏可将凋亡诱导基序的搜索范围缩小至 Nef 蛋白特定区域的信息,因此采用了覆盖其全长的一组肽段。尽管 Nef 蛋白相对较小,使这一过程更为简便,但我们也已将该方法应用于更大的(>75 kDa)蛋白。我们采用了一种成熟的凋亡检测方法(...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本研究工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)/普通医学科学研究所(NIGMS)/少数族裔学院研究支持计划(MBRS)(资助号58268)、NIH/国家研究中心资源中心(NCRR)/研究中心提升计划(RCMI)(资助号G12-RR03034)、佐治亚研究联盟资助项目GRA.VAC08.W、NIH/过敏与传染病研究所(NIAID)/国家研究服务奖(NRSA)资助项目F31AI091484以及埃默里大学艾滋病研究中心(CFAR)资助项目P30 A1050409的支持。本研究在由NIH/NCRR研究设施改进资助项目(资助号C06 RR18386)支持建设的设施中进行。Jurkat细胞、20种HIV-1 Nef肽段以及兔抗HIV-1 Nef抗血清均来自NIH艾滋病研究与参考试剂计划(美国马里兰州洛克维尔)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 含有10个氨基酸重叠的20肽序列集合 | NIH 艾滋病研究与参考试剂项目 | 4641 | |
| TUNEL 检测 | 罗氏(Roche) | 11 684 809 910 | |
| Chariot 蛋白递送试剂 | Active Motif | 30100 | |
| Tecan GENEios 荧光计 | (Tecan Group,瑞士) | ||
| 96孔黑色微孔板 | Corning | 3792 | |
| 抗FLAG M2亲和凝胶 | Sigma | A2220 | |
| Dynabeads Protein G 磁珠 | Invitrogen | 100.03D | |
| MagnaSphere 技术磁性分离架(双位置) | Promega Corp.,麦迪逊,威斯康星州,美国 | Z5332 | |
| C-18 ZipTip | Millipore | ZTC18S096 | C18 树脂(0.6 μl 或 0.2 μl 床体积)。适用于水溶液中的寡核苷酸或小分子(<50 kDa)蛋白质/肽段 |
| MALDI TOF/TOF | Bruker Daltonics ultraflex III TOF/TOF |
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