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Phosphoinositiden (PtdInsPs) sind wichtige Signal-Phospholipide, die helfen, eine Vielzahl von zellulären Funktionen zu regulieren, einschließlich Signaltransduktion, Membrantransport und Genexpression, die dann Zellverhalten höherer Ordnung wie Zellteilung, Organellenidentität und Stoffwechselaktivität modulieren1-3. Es gibt sieben Arten von PtdInsPs, die aus der Phosphorylierung der 3-, 4- und/oder 5-Positionen der Inositol-Kopfgruppe von Phosphatidylinositol (PtdIns), dem Ausgangsphospholipid, abgeleitet sind. Wichtig ist, dass die sieben PtdInsPs ungleich verteilt sind und die lokale Konzentration jeder PtdInsP-Spezies an spezifischen subzellulären Stellen, an denen sie an einen bestimmten Satz von Proteineffektoren binden, zu- oder abnehmen kann, was es jedem PtdInsP zusammen ermöglicht, die Identität und Funktion seiner Wirtsmembran zu kontrollieren3,4. Darüber hinaus müssen die Pegel jedes PtdInsP streng kontrolliert werden, da dies die von einem PtdInsP erzeugte Signalintensität erheblich beeinflussen kann. Die Lokalisation und die Spiegel jedes PtdInsP hängen vom Targeting und der Aktivität zahlreicher Lipidkinasen, Phosphatasen und Phospholipasen ab, die die Synthese und den Umsatz jedes PtdInsP vermitteln3,4. Daher kann eine Fehlregulation der PtdInsP-Regulationsmaschinerie die Zellfunktion stören, was zu Krankheiten wie Krebs und degenerativen Erkrankungen führenkann 2,5,6. Um die Rollen und Funktionen von PtdInsPs und ihre Regulationsmechanismen vollständig zu verstehen, wurden sowohl mikroskopiebasierte als auch biochemische Techniken entwickelt, um PtdInsPs zu verfolgen und zu quantifizieren.
In vielen Fällen binden PtdInsPs über eine spezifische Proteindomäne7-9 an ihre Proteineffektoren. Diese Proteinmodule behalten oft ihre richtigen Faltungs- und Lipiderkennungseigenschaften bei, wenn sie getrennt vom gesamten Protein exprimiert werden. Dies führte zur Entwicklung von PtdInsP-Sonden durch Fusion einer spezifischen PtdInsP-bindenden Proteindomäne mit einem fluoreszierenden Protein (FP) wie dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) für den subzellulären Nachweis von PtdInsPs durch Mikroskopie. In der Tat haben viele Studien FP-fusionierte PtdInsP-bindende Proteinmodule verwendet, um die Lokalisation und Dynamik spezifischer PtdInsP-Spezies durch Lebendzellbildgebung zu identifizieren1,10. Zum Beispiel erkennt die Pleckstrin Homologie (PH)-Domäne der mit GFP fusionierten Phospholipase C δ1 (PLCδ1) spezifisch das Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat [PtdIns(4,5)P2] auf der Plasmamembran, während Tandemkopien der FYVE-Domäne des frühen Endosomenantigens 1 (EEA1) verwendet wurden, um Phosphatidylinositol-3-phosphat (PtdIns3P) auf den Endosomen10-13 zu verfolgen. Insgesamt eignen sich mikroskopiebasierte Techniken hervorragend, um die Lokalisierung und Dynamik von PtdInsP zu visualisieren, aber es gibt einige Vorbehalte, darunter dass PtdInsP-Bindungsdomänen auch mit anderen Faktoren als der Ziel-PtdInsP-Spezies interagieren können und dass sie keine Veränderungen unterhalb der zytosolischen Fluoreszenz der FP-Sonden nachweisen können.
Biochemische Techniken einschließlich Dünnschichtchromatographie, Massenspektrometrie und Radioisotopenmarkierung können ebenfalls verwendet werden, um die Spiegel jedes PtdInsP14-16 zu charakterisieren und zu quantifizieren. Diese Methoden erfordern die Isolierung von Lipiden für den Nachweis der zellulären PtdInsPs-Spiegel. Die Massenspektrometrie kann zur Charakterisierung von Phospholipiden aus Lipidextrakten verwendet werden und ist von unschätzbarem Wert für die Bestimmung der Acylkettenzusammensetzung von PtdInsPs14,17. Die Massenspektrometrie ist jedoch meist semi-quantitativ und es ist nach wie vor schwierig, PtdInsP-Spezies mit gleichem Molekulargewicht aufzulösen und gleichzeitig zu quantifizieren14,17. Im Vergleich dazu ist die Radioisotopenmarkierung von PtdInsPs mit anschließender Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)-gekoppelter Strömungsszintillation für die Trennung und gleichzeitige Quantifizierung aller sieben Spezies von PtdInsPsnützlich 18. Die Verwendung der HPLC mit einer Säule mit starkem Anionenaustausch (SAX) erreicht eine Trennung auf der Grundlage von Molekulargewicht, Ladung und Form, wodurch deacylierte PtdInsPs (Gro-InsPs) auch bei gleichem Molekulargewicht und gleicher Ladung fraktioniert werden. Durch die Kopplung des HPLC-Eluenten an einen Strömungsszintillator werden dann radioaktive Signalpeaks für jede Gro-InsPs-Spezies relativ zum ursprünglichen Elternteil Glycerin-Inositol (Gro-Ins) erzeugt18. Dies entspricht letztlich den relativen Konzentrationen von PtdInsPs in den Zellen.
Die radioaktive Markierung von PtdInsPs und HPLC-gekoppelter Flussszintillation ist ein nützliches Werkzeug, um die Regulation und Funktion von Phosphatidylinositol 3,5-bisphosphat [PtdIns(3,5)P2] zu untersuchen, einem PtdInsP, das nur ~0,1-0,3% der PtdInsausmacht 16,19,20. Die Synthese von PtdIns(3,5)P2 erfolgt durch die PtdIns3P 5-Kinase Fab1 in Hefe und PIKfyve in Säugetieren21. Dieser Reaktion wird durch eine PtdIns(3,5)P2 5-Phosphatase namens Fig4 bei Hefe oder mFig4/Sac3 bei Säugetieren22-24 entgegengewirkt. Interessanterweise existieren sowohl PIKfyve/Fab1 als auch mFig4/Fig4/Sac3 in einem einzigen Komplex und werden durch das Gerüstadapterprotein Vac14 in Hefe oder mVac14/ArPIKfyve in Säugetieren reguliert25,26. In VAC14-deletierten Hefezellen funktioniert Fab1 nicht effizient, was zu einer 90%igen Abnahme der PtdIns(3,5)P2-Spiegel führt27,28. Auf der anderen Seite ist Atg18 ein PtdIns(3,5)P 2-Effektorprotein, das die vakuoläre Spaltung kontrollieren kann 29. Atg18 ist auch ein negativer Regulator von PtdIns(3,5)P2, da die Deletion seines Gens ATG18 zu einem 10- bis 20-fachen Anstieg der PtdIns(3,5)P2-Spiegel führt29,30. Insgesamt wirken sich Veränderungen der PtdIns(3,5)P2-Spiegel stark auf die Funktion der Hefevakuole und der Lysosomen von Säugetieren aus und beeinflussen folglich Prozesse wie den Membrantransport, die Phagosomenreifung, die Autophagie und den Ionentransport 6,19,21,31.
Dieser Artikel beschreibt den Prozess der Radioisotopenmarkierung von PtdInsPs mit 3H-Myo-Inositol in Hefe, um die relativen Konzentrationen von PtdIns(3,5)P2 in Wildtyp-, vac14Δ- und atg18Δ-Hefestämmen zu ermitteln. Am Beispiel dieses Beispiels wird die Auflösungsfähigkeit der HPLC für die Trennung einzelner PtdInsPs sowie die Sensitivität der Strömungsszintillation für den Nachweis von Spuren von 3H-Myo-Inositol gezeigt. Wir erarbeiten auch, wie man die Methodik zur Markierung und Trennung von 3H-markierten PtdInsPs aus Säugetierzellen optimieren könnte, deren Proben tendenziell komplexer sind, da diese Zellen alle sieben PtdInsP-Spezies besitzen.