富含亮氨酸重复序列的激酶2基因(LRRK2)的突变可导致遗传性帕金森病。我们开发了一种简便且稳健的方法,用于检测人外周血中性粒细胞中受LRRK2调控的Rab10磷酸化水平。该方法可能有助于识别LRRK2激酶通路活性升高的个体。
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富含亮氨酸重复序列的激酶2基因(LRRK2)的突变可导致遗传性帕金森病。我们开发了一种简便且稳健的方法,用于检测人外周血中性粒细胞中受LRRK2调控的Rab10磷酸化水平。该方法可能有助于识别LRRK2激酶通路活性升高的个体。
富含亮氨酸重复序列的激酶2(LRRK2)是遗传性帕金森病(PD)中最常发生突变的基因,所有致病性LRRK2突变均会导致其激酶功能过度激活。本文介绍一种简便且稳健的检测方法,通过检测LRRK2对其生理底物Rab10在苏氨酸73位点(Thr73)的磷酸化水平,来定量评估人外周血中性粒细胞中LRRK2激酶通路的活性。该免疫印迹分析需要使用完全特异性的、针对LRRK2磷酸化Rab10 Thr73表位的磷酸化特异性抗体,例如MJFF-pRab10兔单克隆抗体。本方法采用人外周血中性粒细胞,因为外周血易于获取,且中性粒细胞数量丰富、细胞组成均一。重要的是,中性粒细胞中LRRK2和Rab10的表达水平相对较高。中性粒细胞的一个潜在缺点是其内在丝氨酸蛋白酶活性较强,因此裂解缓冲液中必须加入高效蛋白酶抑制剂,例如有机磷神经毒素二异丙基氟磷酸酯(DIFP)。尽管如此,中性粒细胞仍是研究体内LRRK2激酶通路活性的宝贵资源,应考虑将其纳入帕金森病生物样本库的采集范围。
迄今为止,试图减缓或阻止帕金森病(PD)进展的努力均未成功。富含亮氨酸重复序列的激酶2(LRRK2)基因中存在激活突变,这些突变可导致或增加患帕金森病的风险,这一发现推动了LRRK2激酶抑制剂的开发1,2,3。目前,这些抑制剂已进入临床试验阶段4。LRRK2的确切功能尚不明确,但近年来取得的重要进展是发现了一类Rab GTP酶蛋白(包括Rab10)作为LRRK2激酶首个真正意义上的生理底物5,6,7。在疾病修饰治疗时代,面临的主要挑战是寻找能够反映LRRK2激酶激活状态的生化标志物,以及评估LRRK2激酶抑制剂靶点结合效果的指标。
迄今为止,体内LRRK2抑制剂的主要药代动力学标志物是LRRK2上一组组成型磷酸化的丝氨酸残基,特别是丝氨酸935,该位点在多种LRRK2抑制剂作用下会发生去磷酸化8,9。然而,丝氨酸935的磷酸化水平并不能反映细胞内LRRK2激酶的内在活性,因为该位点并非由LRRK2直接磷酸化,且在激酶失活型LRRK2中仍可被磷酸化10。LRRK2激酶活性与丝氨酸1292的自磷酸化状态高度相关,但由于目前尚无针对该位点可靠且具有磷酸化特异性的抗体,因此在实际操作中无法通过全细胞裂解液的免疫印迹分析来有效检测内源性LRRK2激酶活性10,11。
我们开发了一种稳定且简便的检测方法,用于定量人类外周血细胞中LRRK2激酶通路的活性,该方法通过检测LRRK2在其生理底物蛋白Rab10的苏氨酸73位点(Thr73)所介导的磷酸化水平来实现11。外周血可通过静脉穿刺轻松获取,该操作风险低、耗时短,且几乎不会引起不适。我们重点关注人类外周血中性粒细胞,因为这类细胞数量丰富(占所有白细胞的37–80%),细胞群体均一,并且表达相对较高水平的LRRK2和Rab1011。此外,可通过免疫磁珠负向分离法快速高效地分离外周血中性粒细胞。为确保后续观察到的Rab10磷酸化确实由LRRK2介导,每批分离的中性粒细胞均需在有或无强效且特异性LRRK2激酶抑制剂的条件下进行孵育(我们使用并推荐MLi-2)2,12。随后,在含有蛋白酶抑制剂二异丙基氟磷酸(DIFP)的裂解缓冲液中裂解细胞,该步骤对于抑制中性粒细胞中已知较高的内源性丝氨酸蛋白酶活性至关重要13。在后续的定量免疫印迹分析中,我们推荐使用MJFF-pRab10兔单克隆抗体,该抗体可特异性识别Rab10 Thr73位点的磷酸化表位,且不会与其他磷酸化的Rab蛋白发生交叉反应14。该抗体的选择性和特异性已在多种Rab蛋白的过表达模型以及A549 Rab10基因敲除细胞系中得到验证14。因此,我们通过比较在有或无强效特异性LRRK2激酶抑制剂处理条件下中性粒细胞裂解物中Rab10磷酸化水平的差异来评估通路活性2。此外,样本也可采用其他方法进行分析,例如定量质谱法。
综上所述,由 LRRK2 调控的 Rab10 磷酸化是比 LRRK2 在丝氨酸 935 位点磷酸化更优的 LRRK2 激酶活性标志物,而人外周血中性粒细胞是研究 LRRK2 相关帕金森病(PD)的宝贵资源。我们的实验方案提供了一种稳健且简便的检测方法,可用于检测外周血中性粒细胞中 LRRK2 信号通路的活性,并能够对 LRRK2 激酶活性升高的个体进行生物化学分层15。重要的是,这类个体可能在未来受益于 LRRK2 激酶抑制剂的治疗。
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根据英国当地规定,所有涉及人血的操作和移液均在二级生物安全柜中进行。所有实验步骤均符合当地伦理审查委员会的要求,所有参与者均已签署知情同意书。
1. 准备
2. 从全血中分离中性粒细胞
3. 纯化中性粒细胞的 LRRK2 激酶抑制剂处理
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本实验通过检测LRRK2依赖性的Rab10蛋白磷酸化水平,用于评估帕金森病相关LRRK2激酶在人外周血中性粒细胞中的活化状态。中性粒细胞是一种均一且数量丰富的外周血白细胞群体,其LRRK2和Rab10蛋白的表达水平均较高(图1)。在外周血单个核细胞(PBMCs)中,仅有单核细胞同时具有较高水平的这两种蛋白,但其仅占白细胞总数的2–12%。这表明外周血中性粒细胞是研究LRRK2调控的Rab10磷酸化的更适宜生物基质。
采用我们的方法从10 mL血液中分离外周血中性粒细胞时,每位供体可获得0.5–0.75 mg的总蛋白裂解液(图2A),足以进行大量免疫印迹分析,因每条凝胶加样孔仅需10 μg蛋白。尽管细胞纯度和活力检测非常规操作,但我们通过对三位健康供体的检测证明,分离所得中性粒细胞的纯度为94–98%,细胞活力约为99%,该结果通过流式细胞术分析获得,其中使用CD66b−异硫氰酸荧光素标记中性粒细胞,采用4',6-二脒基-2'-苯基吲哚二盐酸盐(DAPI)染色评估细...
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有力的临床、遗传和生化证据表明,LRRK2(富含亮氨酸重复序列的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2)在其激酶功能方面在帕金森病中发挥着重要作用7。目前已有LRRK2激酶抑制剂被开发出来,并正在进入临床试验阶段2,4,12。因此,有必要将LRRK2作为靶点参与度以及患者分层的生物标志物加以利用。本方案描述了一种稳健且简便的检测方法,用于分析LRRK2激酶通路的激活情况,该激活通过人外周血中性粒细胞均一细胞群中其生理底物Rab10的磷酸化水平来反映11,14。在进行定量免疫印迹分析时,我们强烈推荐使用高选择性的磷酸化特异性Rab10抗体(MJFF-pRab10单克隆抗体)14,17。
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢所有健康志愿者为本研究慷慨捐献血液。我们感谢帕金森病研究迈克尔·J·福克斯基金会(MJFF)以及Fox BioNet研究团队(FBN)对本方案撰写及视频制作提供的支持与建议。我们感谢奥地利维也纳大学的Alexander Zimprich教授对本实验方案的测试与合作。我们珍视Paul Davies(MRC蛋白质磷酸化与泛素化单位,PPU总负责人)对本项目所做出的贡献。我们还感谢MRC蛋白质磷酸化与泛素化单位(PPU)提供的出色技术支持,特别是化学合成团队(Natalia Shpiro负责MLi-2的合成)以及PPU试剂与服务部门的抗体纯化团队(由Hilary McLauchlan和James Hastie协调)。我们感谢Vivomotion公司的Mhairi Towler和Fraser Murdoch在视频与动画制作过程中提供的帮助。我们感谢81 films公司的Steve Soave在最终剪辑过程中提供的协助。Esther Sammler获得了苏格兰高级临床学术奖学金的支持,并获得了帕金森病英国组织(Parkinson's UK,项目编号K-1706)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 mL 移液器吸头 | Sarstedt | 70.762 | 或同等产品 |
| 1.5 mL 微量离心管 | Sarstedt | 72.690.001 | 或同等产品 |
| 10 mL 移液器吸头 | Sarstedt | 86.1254.025 | 或同等产品 |
| 10 μL 吸头 | Sarstedt | 70.113 | 或同等产品 |
| 15 mL 离心管 | Cellstar | 188 271 | 或同等产品 |
| 200 μL 吸头 | Sarstedt | 70.760.002 | 或同等产品 |
| 25 mL 移液器吸头 | Sarstedt | 86.1685.001 | 或同等产品 |
| 50 mL 离心管 | Cellstar | 227 261 | 或同等产品 |
| BD Vacutainer Hemogard 封口塑料 K2-EDTA 管 | BD | BD 367525 | 或同等产品 |
| Beckman Coulter Allegra X-15R 离心机 | 贝克曼 | 或配备适用于15 mL和50 mL Falcon管、转速为1000–1200 × g的水平转子离心机 | |
| II级生物安全柜 | |||
| cOmplete(不含EDTA)蛋白酶抑制剂混合物 | 罗氏 | 11836170001 | |
| DIFP(二异丙基氟磷酸酯) | Sigma | D0879 | 使用异丙醇配制 0.5 M 储存液,并采取特殊预防措施 |
| 二甲基亚砜 | Sigma | 6250 | |
| 干冰或液氮 | |||
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | ThermoFisher | 14190094 | 或同等产品 |
| Easy 50 EasySep 磁力架 | 干细胞 | 18002 | 用于放置1个50 ml离心管 |
| EasySep Direct 人中性粒细胞分离试剂盒 | 干细胞 | 19666 | 这包含称为的溶液 “分离混合液” 和 “RapidSpheres 磁珠 |
| EGTA | Sigma | E3889 | |
| Eppendorf centrifuge 5417R 离心机 | Eppendorf | ||
| 喷雾瓶中的乙醇 | |||
| 乙二胺四乙酸 | Sigma | E6758 | |
| 冰 | |||
| 异丙醇(无水级) | Sigma | 278475 | |
| 裂解缓冲液(50 mM Tris-HCl pH 7.5,1%(v/v)Triton X-100,1 mM EGTA,1 mM Na3VO4,50 mM NaF,10 mM) β-甘油磷酸盐,5 mM 焦磷酸钠,0.27 M 蔗糖,0.1% (v/v) β-巯基乙醇,1× cOmplete(无EDTA)蛋白酶抑制剂混合物(Roche),1 μg/ml 微囊藻毒素-LR,0.5 mM 二异丙基氟磷酸酯(DIFP)。 | 或者,可使用不含微囊藻毒素-LR和DIFP的裂解缓冲液,分装后冻存,试剂可从MRC-PPU试剂库获取(http://mrcppureagents.dundee.ac.uk/) | ||
| 默克LRRK2抑制剂II(MLi-2) | 默克 | 438194-10MG | 或同等效力的(强效且选择性LRRK2抑制剂) |
| 微囊藻毒素-LR | Enzo Life Sciences | ALX-350-012-M001 | 1 mg/ml 储存液,溶于DMSO,-80 oC保存。 |
| Na₃VO₄ | Aldrich | 450243 | |
| NaF | Sigma | S7920 | |
| Odyssey CLx 扫描式 Western 印迹成像系统 | 奥德赛 | ||
| 永久性记号笔 | |||
| 个人防护装备 | |||
| RPMI 1640培养基 | ThermoFisher | 21875034 | 或同等产品 |
| 焦磷酸钠 | Sigma | S22 | |
| 蔗糖 | Sigma | S0389 | |
| β-甘油磷酸盐 | Sigma | 50020 | |
| β-巯基乙醇 | Sigma | M3148 | |
| <强>建议用于蛋白质印迹的抗体 | |||
| 抗RAB10(磷酸化T73)抗体 [MJF-R21] | abcam | ab230261 | |
| 抗-α-tubulin | 细胞信号传导技术 | 5174 | 以1:2000稀释比例使用 |
| 山羊抗小鼠IRDye 680LT | LI-COR | 926-68020 | 以1:10,000稀释比例使用 |
| 山羊抗小鼠IRDye 800CW | LI-COR | 926-32210 | 以1:10,000稀释度使用 |
| IRDye 800CW 标记的山羊抗兔抗体 | LI-COR | 926-32211 | 以1:10,000稀释度使用 |
| MJFF-total Rab10 小鼠抗体 | 由 nanoTools (nanotools.de) 生成 | 不适用* | 2处使用 μg/ml 终浓度;* 由 nanoTools(www.nanotools.de)[11] 开发的 MJFF-total Rab10 抗体将于 2018 年由迈克尔·J·福克斯基金会进行商业化 |
| 小鼠抗LRRK2 C端抗体 | Antibodies Incorporated | 75-253 | 1 处使用 μg/ml 终浓度 |
| pS935-LRRK2 | MRC PPU 试剂与服务 | UDD2 | 1 处使用 μg/ml 终浓度 |
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