在完整细胞中评估候选抑制剂对靶点的结合能力对于药物发现至关重要。本方案描述了一种384孔板格式的细胞热迁移实验,可可靠地检测靶向野生型SHP2或其致癌突变体的抑制剂在细胞内的靶点结合情况。
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在完整细胞中评估候选抑制剂对靶点的结合能力对于药物发现至关重要。本方案描述了一种384孔板格式的细胞热迁移实验,可可靠地检测靶向野生型SHP2或其致癌突变体的抑制剂在细胞内的靶点结合情况。
含Src同源2(SH2)结构域的磷酸酶2(SHP2),由 PTPN11 原癌基因是受体酪氨酸激酶(RTK)驱动的细胞信号传导中的关键中介分子,可促进细胞存活与增殖。此外,SHP2 可被免疫检查点受体招募,以抑制 B 细胞和 T 细胞的活化。SHP2 功能异常已被证实参与多种癌症的发生、发展及转移过程。事实上,针对 Ras/Raf/ERK 信号通路激活的实体瘤(包括携带某些致癌性 Ras 突变的肿瘤),小分子 SHP2 抑制剂已进入临床试验阶段。然而,目前这类 SHP2 抑制剂对在白血病中频繁出现的 SHP2 致癌突变体无效,因此研发靶向致癌性 SHP2 的特异性小分子化合物正成为当前研究的重点。大多数针对 SHP2 等胞质蛋白的药物发现项目普遍面临的一个问题是 主要推动化合物发现的初筛实验通常是体外实验,无法反映候选化合物在细胞内的靶点结合情况。为了建立一种检测细胞内靶点结合的平台,我们开发了野生型和突变型SHP2的细胞热位移实验。这些实验能够可靠地检测SHP2抑制剂在细胞中的靶点结合。本文提供了该实验的完整操作流程,为SHP2抑制剂的评估与表征提供了有力工具。
酪氨酸磷酸化在细胞信号转导中发挥重要作用1,2。这种翻译后修饰由蛋白酪氨酸激酶(PTKs)催化,并由蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPs)逆转。因此,PTK或PTP功能异常会导致多种遗传性或获得性人类疾病3,4,5,6。含Src同源2(SH2)结构域的磷酸酶2(SHP2)是一种广泛表达的非受体型PTP,由原癌基因PTPN11编码7,是多种生理过程的关键调控因子,这些过程涉及通过激活Ras/Raf/ERK、PI3K/Akt或JAK/STAT信号通路进行信号转导8。正常情况下,SHP2的活性受到严格调控,以防止异常信号传导。在基础状态下,SHP2通过其N端SH2结构域实现自抑制,该结构域阻断了催化磷酸酶结构域内活性位点的可及性(图1A)9,10。当细胞被激活时,酪氨酸磷酸化的结合蛋白招募SHP2,使其转变为活性构象,此时其活性位点可被底物接触。在多种癌症中,SHP2的活性升高。PTPN11的体细胞功能获得性(GOF)突变主要见于白血病,这类突变阻止N-SH2结构域与磷酸酶结构域结合,导致SHP2持续处于激活状态(图1B)11。PTPN11的生殖系GOF突变导致约50%的 Noonan 综合征病例,这是一种伴有恶性肿瘤风险增加的发育障碍性疾病12。在PTPN11突变罕见的实体瘤中,更高水平的磷酸化结合蛋白导致SHP2活性增强(图1C)。SHP2在免疫检查点信号传导中也具有重要作用,因为BTLA或PD-1等检查点受体会招募SHP2去磷酸化关键信号分子,从而抑制免疫细胞的活化13,14,15。
使用小分子靶向蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPs)一直面临挑战,因为PTPs的活性位点高度保守且带有强电荷;靶向活性位点的抑制剂通常具有较强活性,但往往选择性差且口服生物利用度低16,17,18,19,20,21,22。事实上,许多已报道的SHP2抑制剂存在选择性差以及在细胞中缺乏疗效的问题23。最近,已有报道针对SHP2的变构抑制剂,具有良好的效力和优异的选择性(例如SHP09924和RMC-455025),重新激发了人们对SHP2抑制剂的兴趣。基于SHP099和RMC-4550的化合物目前正处于I期临床试验阶段,用于治疗具有受体酪氨酸激酶(RTK)通路激活的实体瘤26,27。尽管这些化合物具有突破性意义,但它们对许多驱动大量血液肿瘤患者白血病发生的SHP2致癌突变体无效28,29,30。SHP099类化合物对SHP2致癌变异体缺乏活性的原因在于其独特的变构机制:这类化合物通过结合并稳定SHP2的非活性闭合构象来抑制其活性,而该构象在SHP2突变体中已被破坏。此外,根据最近一项报道31,接受SHP099类抑制剂治疗的患者体内出现适应性耐药机制是完全可能的。因此,开发靶向SHP2活性开放构象的下一代抑制剂已成为当前研究的热点。
在细胞中对新型SHP2抑制剂进行表征是先导化合物优化过程中的关键环节。尤为重要的是,在生理条件下验证抑制剂与靶点的结合能力,可进一步确保药物化学资源被高效地用于具有潜在细胞活性的化合物。过去已开发出多种评估小分子抑制剂与其靶蛋白结合的方法,主要针对蛋白激酶32。为了建立SHP2的细胞靶点结合检测方法,我们采用了细胞热迁移实验(cellular thermal shift assay)33。该方法类似于体外蛋白热迁移(PTS)实验34,通过监测靶蛋白的热稳定性变化来反映小分子结合情况,因为小分子的结合通常会改变靶蛋白的热稳定性。原始方法是一种低通量检测,依赖抗体来定量靶蛋白水平。相比之下,我们选择了一种近期报道的热迁移实验变体,该方法基于β-半乳糖苷酶酶片段互补(EFC)检测系统(图2)35。在这些实验中,目标蛋白在细胞内以N端或C端融合蛋白的形式表达,融合部分为增强型ProLabel标签(ePL,即β-半乳糖苷酶的42个氨基酸片段)。随后将细胞转移至适用于PCR的384孔板中,并与待测化合物共同孵育。使用PCR仪对细胞施加温度梯度,细胞内的蛋白质会随着温度升高而根据其热稳定性发生变性并聚集。若候选化合物能够结合并稳定目标蛋白,则该蛋白的热稳定性将提高。因此,在细胞裂解后,经候选化合物稳定的融合标签蛋白将在较高温度下仍保留在溶液中,而对照组(仅加入溶剂)细胞中的标签蛋白则更易沉淀。报告酶受体(EA)可与溶液中保持可溶状态的ePL标记蛋白发生互补,从而通过化学发光底物检测到β-半乳糖苷酶活性。
我们近期开发了一种针对野生型SHP2(SHP2-WT)及一种常见致癌突变体SHP2(SHP2-E76K)的稳健细胞热迁移实验方法,该方法采用微型化的384孔板格式36。本文报道了该实验的详细操作流程,该方法可在细胞内可靠地检测SHP2抑制剂的靶点结合情况,并显示出抑制剂效力与细胞热迁移数据之间具有高度相关性。整体实验流程如图3所示。本平台使用N端标记的全长ePL-SHP2融合蛋白。有关相应的pICP-ePL-N-SHP2-WT和pICP-ePL-N-SHP2-E76K表达质粒的构建,请参见我们近期发表的文章36。该实验可通过温度梯度来建立SHP2的热稳定性谱型,并测定在有或无抑制剂存在条件下SHP2的熔解温度。在确定热稳定性谱型后,也可在等温条件下进行实验,从而实现对抑制剂剂量-反应关系的评估。以下将分别描述这两类实验的操作方法。
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1. 细胞培养与试剂的准备
2. HEK293T 细胞的培养与维持
3. 瞬时转染用 HEK293T 细胞的制备
4. 转染 HEK293T 细胞
5. 检测板的制备
6. 转染细胞的脱离与制备
7. 使用 SHP2 抑制剂孵育细胞
8. 化学发光试剂主混合液的制备
9. 等温或温度梯度热脉冲
10. 裂解检测与测量
11. 数据分析
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SHP2-WT的热梯度实验呈现出典型的折叠蛋白特征,表现为S型细胞热变性曲线,并具有较窄的熔解转变峰(图4A)。SHP2由三个独立的结构域组成:两个SH2结构域和一个催化结构域(图1)。在自抑制的闭合构象中,这些结构域发生自身相互作用;热变性曲线实验中观察到的熔解转变峰可能反映了该蛋白在细胞内的这种状态。在10 µM浓度下,变构抑制剂SHP099与SHP2-WT共孵育显著且可测量地稳定了SHP2-WT的热变性曲线(图4A)。这一现象反映了SHP099类抑制剂已知的结合模式,即在调节性结合SH2结构域与催化亚基之间充当“分子胶”37。重要的是,我们的细胞热位移实验确认SHP099能够穿透细胞膜并与标记的SHP2-WT结合。SHP2的稳定性变化也与SHP099类变构化合物的活性强弱一致。在10 µM浓度下,活性更强的RMC-4550(报道IC50 = 0.6 nM)对SHP2-WT的稳定作用强于...
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我们介绍了一种靶点结合检测方法,可用于确认小分子在细胞内与SHP2磷酸酶的直接结合。该检测方法能够区分低亲和力与高亲和力抑制剂,并且重要的是,能够证实变构抑制剂(如SHP099型)对获得功能型致癌突变SHP2-E76K缺乏抑制活性。该微型化检测方法的一个优势在于可整合到SHP2抑制剂筛选项目中。该方法能够确认未知化合物在细胞内与SHP2的结合能力,这一特性对于确保高效利用筛选资源至关重要。总体而言,该微型化实验方案具有良好的稳健性和可靠性。
实验的关键在于时间控制;转染HEK293T细胞后24小时可获得最佳结果。SHP2-WT和SHP2-E76K蛋白似乎无细胞毒性;然而,长期高表达可能降低实验的敏感性,需重新优化条件。在细胞处理过程中,需谨慎操作以充分解离并制备用于检测的细胞悬液,这也是一个关键因素。不过,常规的细胞培养方法已足以获得高质量的数据。由于本实验使用的体积较小,我们在操作流程中加入了多个离心步骤,目的是确保反应体系的定量混匀,因此建议严格遵循规定的离心加速度和时间。值得注意的是,实验试剂若操作不当可能受到影响。因此,我们建议将试剂分装后冷冻保存,直至使用。
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作者声明,他们对本文内容不存在利益冲突。
本工作得到了美国国立卫生研究院资助项目1R21CA195422(授予L. T.)、Epstein家族基金会奖(授予N. D. P. C.)以及美国国家癌症研究所癌症中心支持资助项目P30CA030199的支持。此外,本项目全部或部分由美国国家癌症研究所、美国国立卫生研究院的联邦资金资助,合同编号为化学生物学联盟HHSN261200800001E。本出版物的内容不一定反映美国卫生与公共服务部的观点或政策,提及的商标名称、商业产品或组织也不意味着美国政府的认可。本内容完全由作者负责,不代表美国国立卫生研究院的官方观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 384孔梯度热循环仪 | Eppendorf AG | X50h | |
| 384孔低残留体积Echo认证微孔板 | Beckman Coulter, Inc. | LP-0200 | |
| 6孔细胞培养板 | Greiner Bio-One | 657 160 | 带盖无菌 |
| 抗生素-抗真菌素(Anti Anti)100 X | Thermo Fisher Scientific | 15240-062 | |
| 细胞计数仪 | Thermo Fisher Scientific | Countess II FL | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基 1X + GlutaMAX | Thermo Fisher Scientific | 10566-016 | 500 mL |
| Echo声波液体处理系统 | Beckman Coulter, Inc. | Echo 550 | |
| 电子多通道移液器 | Thermo Fisher Scientific | E1 ClipTip | |
| 胎牛血清 | Thermo Fisher Scientific | 26140-079 | 500 mL |
| HEPES缓冲液 | Thermo Fisher Scientific | 15630-680 | 100 mL |
| InCell Pulse启动试剂盒 | Eurofins DiscoverX Corp. | 94-4007 | 组分包括EA缓冲液、裂解缓冲液和底物 |
| 微孔板读板仪 | Tecan Trading AG | Spark | |
| 单通道溶液槽 | Thermo Fisher Scientific | S253012005 | |
| 丙酮酸钠 | Thermo Fisher Scientific | 11360-010 | 100 mM |
| 微孔板热封仪 | Agilent Technologies, Inc. | PlateLoc | |
| 转染试剂 | Polyplus Transfection | jetPRIME | |
| 台盼蓝 | Thermo Fisher Scientific | T10282 | |
| TrypLE Express消化试剂 | Thermo Fisher Scientific | 12605-010 | |
| Twin.tec 384实时PCR板 | Eppendorf AG | 30132734 |
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