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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este método describe la preparación de muestras a partir de células cultivadas y tejidos animales, extracción y derivación de la coenzima A en las muestras, seguida de cromatografía líquida de alta presión para la purificación y cuantificación de la coenzima A derivada por detección de absorbancia o fluorescencia.
Investigaciones emergentes han revelado que el suministro de coenzima celular A (CoA) puede llegar a ser limitante con un impacto perjudicial en el crecimiento, metabolismo y supervivencia. La medición del CoA celular es un desafío debido a su relativamente baja abundancia y la conversión dinámica de coa libre a tioestés de CoA que, a su vez, participan en numerosas reacciones metabólicas. Se describe un método que navega a través de posibles escollos durante la preparación de la muestra para producir un ensayo con una amplia gama lineal de detección que es adecuado para su uso en muchos laboratorios biomédicos.
La coenzima A (CoA) es un cofactor esencial en todos los organismos vivos y se sintetiza a partir del ácido pantoténico, también llamado pantotenato (la sal de ácido pantoténico) o vitamina B5. El CoA es el principal portador intracelular de ácidos orgánicos, incluyendo ácidos de cadena corta como acetato y succinato, ácidos de cadena ramificada como propionato y metilmalnato, ácidos grasos de cadena larga como palmitato y oleato, ácidos grasos de cadena muy larga como ácidos grasos de cadena muy larga como ácidos grasos de cadena muy larga como ácidos grasos de cadena muy larga como ácidos grasos poliinsaturados, y xenobióticos como el ácido valproico. El ácido orgánico forma un enlace tioésico enzimáticamente con CoA para permitir su uso como sustrato en más de 100 reacciones en el metabolismo intermediario1. Los tióreros de CoA también son reguladores alostéricos y activadores transcripcionales. Ahora se aprecia2 que el suministro de CoA total celular está regulado3,4; por lo tanto, la disponibilidad de CoA puede ser limitante, y que las deficiencias de CoA pueden ser catastróficas, como lo ejemplifican los trastornos genéticos hereditarios que afectan la biosíntesis de CoA5. La pantotenato quinasa cataliza el primer paso de la biosíntesis de CoA (Figura 1) y la Neurodegeneración Asociada a Pantotenato Kinasa, llamada PKAN, es causada por mutaciones en el gen PANK2 6. La coA sintasa, codificada por el gen COASYN, cataliza los dos últimos pasos de la biosíntesis de CoA (Figura 1) y la Neurodegeneración Asociada a Proteína COASY, llamada CoPAN, es causada por una mutación en el gen COASYN 7. Tanto PKAN como CoPAN son enfermedades neurodegenerativas hereditarias asociadas con la acumulación de hierro en el cerebro y las deficiencias de CoA subyacentes a las patologías de la enfermedad.
Los niveles celulares de CoA total varían entre los tejidos8 y el CoA total puede aumentar o disminuir bajo una variedad de estados fisiológicos, patológicos y farmacológicos. El coA hepático aumenta durante el cambio de combustible de la alimentada al estado de ayuno9, y los niveles de CoA hepático son anormalmente altos en ratones obesos con deficiencia de leptina10. El coA hepático disminuye en respuesta a la ingestión crónica de etanol11. Los niveles de CoA cerebral en el modelo de ratón Nocaut Pank2 están deprimidos durante el período perinatal, pero más tarde en la etapa adulta el contenido de CoA del cerebro es equivalente a los niveles de tipo salvaje, lo que indica una respuesta de CoA adaptable durante el desarrollo12. La manipulación del contenido de coA tisular por transgénesis o métodos de administración de genes afecta a las funciones metabólicas y neuronales13,14,15. El desarrollo preclínico de posibles terapias para PKAN o CoPAN incluye mediciones de CoA celular o tisular como indicadores de eficacia16,17,18,19,20 . La evaluación de todas estas condiciones y sus consecuencias metabólicas o funcionales requiere un método cuantitativo para la medición del CoA total.
Un ensayo preciso y fiable para medir el CoA en muestras biológicas es un desafío técnico en muchos laboratorios. Desafortunadamente, no hay sondas disponibles para evaluar o cuantificar tioesters de CoA o CoA en células intactas, aunque los análogos de los tioesters coA naturales se han utilizado ampliamente como sondas mecanicistas en estudios de éster CoA utilizando enzimas21. La conversión de CoA, con una mitad libre de sulfhidilo (-SH), a un tioester de CoA (o viceversa) es rápida en las células o tejidos animales durante la transferencia a un ambiente diferente y durante la lisis celular. Numerosas acomodatinosas y tilatirasas ayl-CoA en células median las interconversiones dentro de la piscina de CoA, y enzimas adicionales que utilizan tióreros de CoA como sustratos permanecen activos en muestras biológicas hasta que son apagones por sustanciaquímica o física Significa. La descarga de grupos de acil de CoA a carnitina por acil-transferasas es un ejemplo dentro de la red de reacciones que pueden alterar la distribución del tioester CoA/CoA. Los trazadores radiactivos se pueden utilizar para medir las tasas de síntesis de CoA en las células. Los métodos actuales para medir los derivados de CoA y CoA en muestras biológicas se han revisado22 e incluyen ensayos espectrofotométricos enzimáticos acoplados, cromatografía líquida de alta presión y procedimientos basados en espectrometría de masas. Sin embargo, estos métodos a menudo se centran en especies moleculares de CoA particulares y son ciegos a la variación de la piscina total de CoA. Los ensayos enzimáticos acoplados generalmente requieren mayores cantidades de material de entrada debido a las sensibilidades de detección bajas y tienen un rango limitado de linealidad.
Nuestro laboratorio ha desarrollado un procedimiento fiable para la cuantificación del CoA total en células cultivadas y tejidos animales. La estrategia incluye hidrólisis de todos los tioesters de CoA para producir sólo CoA libre durante la preparación de la muestra, en lugar de hacer esfuerzos para mantener y analizar todo el espectro de especies de CoA. El procedimiento es una compilación de métodos individuales publicados para la preparación de muestras, derivación de CoA, purificación e identificación después de cromatografía líquida de alta presión (HPLC), y cuantificación del CoA derivatizado por absorbancia o detección de fluorescencia23,24,25. Las determinaciones de CoA obtenidas mediante este procedimiento han permitido nuestra comprensión de la regulación del CdA y el desarrollo de un enfoque terapéutico para el tratamiento de las deficiencias de CoA.
El procedimiento animal mencionado en este protocolo se realizó de acuerdo con los protocolos 323 y 556 y fue aprobado específicamente por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales del Hospital de Investigación Infantil de St. Jude.
1. Preparación de soluciones
NOTA: Utilice agua ultrapura para todas las soluciones y cuando se indique en los procedimientos.
2. Preparación del estándar CoA-bimane
3. Extracción y derivación de CoA en células cultivadas
4. Extracción y derivación de CoA en tejidos
5. Limpieza de muestras con columna de extracción de fase sólida (SPE)
6. Purificación y medición hPLC de CoA-bimane
Se ha desarrollado un método relativamente rápido y fiable para la detección de CoA total en células y tejidos cultivados mediante la derivación del tiol de CoA a un agente fluorescente utilizando mBBr, y luego purificando el CoA-bimane derivatizado utilizando HPLC de fase inversa. Primero se genera una curva estándar, donde se inyectan individualmente cantidades conocidas y crecientes del estándar CoA-bimane y las áreas bajo los picos de los cromatogramas CoA-bimane se trazan en función de la entrada CoA-bimane(Figura 4). CoA-bimane tiene un máximo de absorbancia a 393 nM y un perfil representativo de HPLC muestra el tiempo de retención del estándar CoA-bimane en una columna HPLC C18(Figura 3) utilizando el programa de elución de la Tabla 1. Las curvas estándar representativas de CoA-bimane, detectadas por unidades de absorbancia o fluorescencia, se muestran en la Figura 4A y la Figura 4B,respectivamente. La curva estándar de la Figura 4A refleja la magnitud de la absorbancia de CoA-bimane a 393 nm y la Figura 4B representa la fluorescencia de CoA-bimane (a ex a 393 nm y a 470 nm) trazada frente a la cantidad de entrada de CoA-bimane. El estándar CoA-bimane se puede detectar de 0,01 a 12.000 pmol y cubre un rango de 106veces cuando se combina la detección mediante absorbancia y fluorescencia. Mientras que el límite inferior de detección de la norma es 0.01 pmol, el límite inferior de la cuantificación de CoA-bimane en muestras experimentales es 0.2 pmol que es aproximadamente 5 veces mayor que la fluorescencia basal o de fondo en el cromatograma. La elección de la detección por absorbancia o fluorescencia de CoA-bimane depende de la cantidad de CoA normalmente presente en tejidos o células, junto con la practicidad de trabajar con tamaños de muestra más grandes o más pequeños. La absorción es generalmente útil para muestras de tejido porque el manejo de 40-50 mg de material de partida produce una mejor recuperación que las muestras de tejido de 5 mg, mientras que la fluorescencia es generalmente útil para muestras de células cultivadas que son más pequeñas en tamaño y hay mayor confianza en la interpolación de valores en el extremo inferior de la curva estándar de fluorescencia. Los laboratorios con detección de absorbancia pueden considerar aumentar o disminuir el tamaño de la muestra inicial, aumentar el volumen de inyección de HPLC o disminuir el volumen para la resuspensión de la muestra (Sección 5.9 anterior) para mediciones en células cultivadas.
Las condiciones para hidrolizar acil-CoAs a partir de tejidos y células cultivadas se optimizaron ajustando la concentración de KOH, y el tiempo y la temperatura de la incubación posterior (datos no mostrados). Se encontró que el estado óptimo era de 0,25 M a 55 oC durante 2 horas. El grupo tiol de CoA libre más cualquier CoA liberado de tioesters fue derivado por reacción con mBBr tras el ajuste del pH. La separación posterior de HPLC y los perfiles de detección típicos para el hígado de ratón o las células C3A cultivadas humanas se indican en la Figura 5 como picos rojos, con un tiempo de retención entre 11 y 12 minutos utilizando el programa de elución descrito en la Tabla 1. Las cantidades típicas de material de partida biológico son 30-40 mg de hígado murino (peso húmedo), 6-8 x 106 células para células C3A humanas "similares al hígado", o 1,3 x 107 células para células HEK293T humanas. Las células C3A fueron tratadas con un fármaco experimental PanK PZ-2891 a 10 uM que eleva CoA17 (Figura 6). Las mediciones de CoA en células HEK293T cuando las isoformas PanK están sobreexpresadas muestran mediciones de CoA en un amplio rango (431-6925 pmoles/L)(Figura 6). Los tamaños de muestra necesarios para esta metodología son prácticos para su aplicación en muchos contextos experimentales.
El área bajo el pico CoA-bimane se calculó utilizando el software proporcionado con el HPLC. Los límites máximos pueden ser determinados automáticamente por el software HPLC a la espera de un ajuste adecuado de los valores de entrada para la corrección de línea de base y la definición de picos, pero nuestro laboratorio prefiere designar manualmente el pico CoA-bimane en cada cromatograma, particularmente para muestras biológicas desconocidas.
| Tiempo (min) | Caudal (ml/min) | % A | % B | Curva |
| 0 | 0.5 | 90 | 10 | 0 |
| 2 | 0.5 | 90 | 10 | 6 |
| 6 | 0.5 | 85 | 15 | 6 |
| 18 | 0.5 | 60 | 40 | 6 |
| 23 | 0.5 | 60 | 40 | 6 |
| 25 | 0.5 | 90 | 10 | 6 |
| 30 | 0.5 | 90 | 10 | 66 |
Tabla 1: Programa HPLC para la Separación CoA-bimane. Buffer A: 50 mM KH2PO4, pH 4.6; Buffer B: Acetonitrilo. La mezcla de Buffer A y Buffer B sigue la Curva 6 que es un gradiente lineal, con una Curva 8 que interviene que es un degradado cóncavo medio.

Figura 1. Vía de biosíntesis de coenzima A. Pantothenate quinase (PanK) cataliza la fosforilación del pantotenato (vitamina B5)a 4o-fosfopantotenato en el primer paso de la biosíntesis de CoA. La formación de fosfopantotenato es seguida por condensación con cisteína catalizada por 4o-fosfopantothenoylcisteína sintasa y luego descarboxilación para formar 4o-fosfoferanteteína por 4o-fosfopanthenoylcylysteine decarboxilasa. 4o-Fosfosanttheina se convierte en coenzima A (CoA) en un proceso de dos pasos catalizado por CoA Synthase. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. mBBr Reaction con CoA. Monobromobimane (mBBr) se mezcla con CoA-SH (CoA libre) e incuba a temperatura ambiente durante 2 horas en la oscuridad. MBBr no fluorescente se vuelve fluorescente cuando se une a CoA para formar CoA-bimane. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Absorba HPLC Trace del estándar CoA-bimane. CoA-bimane se separó en una columna Gemini C18 utilizando el programa HPLC en la Tabla 1. El tiempo de retención típico (min) se indica mediante unidades de aburrición (AU). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Curvas estándar CoA-bimane detectadas por absorbancia o fluorescencia. (A) La curva estándar medida utilizando unidades de detección de absorbancia para CoA-bimane se midió a 393 nm. Las muestras de tejido generalmente se evalúan utilizando la curva estándar de absorbancia. (B) La curva estándar medida utilizando unidades de detección de fluorescencia para CoA-bimane a la palabra "ex" a 393 nm, a 470 nm. Las células cultivadas generalmente se evalúan para el contenido de CoA utilizando la curva estándar de fluorescencia. Los estándares duplicados (y las muestras) se evalúan rutinariamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Rastros hPLC de muestras típicas de hígado o células cultivadas. (A) Identificación y cuantificación de coA-bimane de contenido en extracto de hígado de ratón. Se indican las unidades de absorción (AU). (B) Identificación y cuantificación de contenidos en células cultivadas en HepG2/C3A. Se indican las unidades de emisión de fluorescencia (UE). Los picos de CoA-bimane se muestran en rojo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Niveles de CoA en hígado de ratón, células C3A cultivadas y células HEK293T. (A) Medición de CoA en hígado de ratón a partir de nocaut quinasa pantotenato (Pank1-/-) y animales de tipo salvaje (WT) emparejados. Los animales Pank1-/- tienen un CoA más bajo en el hígado en comparación con los animales WT debido a la ausencia de expresión Pank1 9. Los datos se obtuvieron utilizando 5 ratones machos por genotipo y se representan como la media de los niveles de CoA de SEM. (B) en células Dec2/C3A tratadas con dimetilsulfóxido (control de vehículos) o PZ-2891, un fármaco experimental que modula la actividad de PanK a 10 uM 17. El nivel de CoA celular es elevado después de la incubación de 24 horas con PZ-2891. (C) niveles de CoA en células HEK293T transtróficadas con vector escinestés vacío pcDNA3.1, o cDNAs que codifican isoformas PANK humanas: PANK1, PANK2m, que es la isoforma madura y procesada de PANK2 humano, o PANK3. Los niveles de CoA se elevan por sobreexpresión de todas las isoformas PANK activas. Los datos de (B) y (C) proceden de muestras de triplicado independientes y se representan como la media de SEM. El análisis estadístico se realizó utilizando la prueba t no emparejada y los valores de significancia se muestran en rojo. Los datos de los paneles (B) y (C) están adaptados de Sharma et al. 12Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
MWF, CS y SJ escribieron el documento, MWF y CS proporcionaron los datos y las cifras, COR diseñó los experimentos y revisó críticamente el manuscrito. SJ y COR son inventores de una solicitud de patente pendiente (PCT/US17/39037) "Pequeños moduladores de moléculas de quinasas pantotenatos" en poder del Hospital de Investigación Infantil DeS.
Este método describe la preparación de muestras a partir de células cultivadas y tejidos animales, extracción y derivación de la coenzima A en las muestras, seguida de cromatografía líquida de alta presión para la purificación y cuantificación de la coenzima A derivada por detección de absorbancia o fluorescencia.
Los autores reconocen la financiación para la investigación patrocinada proporcionada por CoA Therapeutics, Inc., una subsidiaria de BridgeBio LLC, la subvención de los Institutos Nacionales de Salud GM34496, y las Organizaciones Benéficas Asociadas Sirias Libanesas Estadounidenses.
| 2-(2-piridil)-etil gel de sílice columna SPE | Millipore-Sigma | 54127-U | |
| coenzima | A Avanti Polar Lipids | 870700 | |
| Gemini C18 3 μ m 100 y Aring; columna de HPLC | Phenomenex | 00F-4439-E0 | |
| monobromobimano | ThermoFisher Scientific | M-1378 | |
| Sonda Omni-Tip disruptor tisular | Omni International | 32750H | |
| Parafilm | Fisher | S37440 | |
| PowerGen 125 rotor motorizado homogeneizador ThermoFisher | Scientific | NC0530997 | |
| Spin-X filtro de tubo centrífugo | CoStar | 8161 | |
| Trizma-HCl | Fisher | T395-1 | |
| Waters 2475 detector de fluorescencia | Waters | 2475 | |
| Waters 2489 detector UV-Vis | Waters | 2489 | |
| Waters E2695 módulo de separaciones | Waters | e2695 |