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La comprensión de las interacciones entre las enzimas y sus dianas se ha convertido en un área de investigación cada vez más interesante debido a su necesidad en la caracterización biológica de las vías que controlan la homeostasis celular y el desarrollo de enfermedades 1,2. Las enzimas son responsables de la catálisis de muchas de las reacciones que mantienen la vida biológica, controlando vías necesarias como el metabolismo celular 3,4, la señalización5, e incluso procesos fundamentales como la reparación del genoma 6,7. Debido a su papel en estos procesos, sus interacciones también juegan un papel en el desarrollo de muchas enfermedades, ya que las desviaciones en su actividad pueden causar una desregulación severa en la actividad celular, causando apoptosis o proliferación de células cancerosas dañinas2. El estudio de la actividad enzimática ha tenido importantes aplicaciones en el desarrollo de nuevas terapias 8,9, requiriendo ensayos que se adapten a cada interacción enzima-sustrato específica10. Se han establecido múltiples ensayos enzimáticos como protocolos estándar para la evaluación y caracterización de estas interacciones. Los ensayos desarrollados para analizar las interacciones enzimáticas se clasifican en ensayos de detección que monitorean la unión para la activación/inhibición11 o ensayos que monitorean la modificación del sustrato por enzimas12.
Una de las principales funciones de las enzimas es la regulación del comportamiento celular. La transducción de señales, la respuesta intracelular de una célula a un desencadenante extracelular13, es responsable de la supervivencia y funcionalidad celular. La proliferación celular, la diferenciación y muchos otros procesos funcionales involucran vías de señalización con interacciones enzimáticas que las gobiernan14,15. Las enzimas catalizan modificaciones postraduccionales, que a menudo modulan las redes masivas de señalización responsables de la correcta transmisión de mensajes extracelulares16. La fosforilación de proteínas es la modificación postraduccional más común, ubicua en la señalización celular y en muchas otras vías celulares. En consecuencia, las proteínas quinasas se han convertido en una proporción significativa de posibles dianas terapéuticas debido a su papel regulador crítico17. Las fosfatasas son las moléculas moduladoras naturales de los complejos de señalización celular basados en fosfato18,19, y tienen la capacidad de eliminar los residuos de fosfato de sus proteínas diana20. En la última década, las fosfatasas se han convertido en una diana terapéutica importante para el tratamiento del cáncer21 y las enfermedades inflamatorias22 debido a su participación en la regulación de las vías de señalización posteriores en múltiples tipos de células. Juntas, las proteínas quinasas y las fosfatasas proporcionan una amplia gama de interacciones, que pueden estudiarse mediante el desarrollo de protocolos de ensayos enzimáticos específicos.
La visualización de la superficie de la levadura se ha utilizado como herramienta para la caracterización y evaluación de la actividad enzimática23,24. Proporciona una plataforma de alto rendimiento para el cribado de procesos de modificación postraduccional cuando se combina con estrategias de secuestro del retículo endoplásmico25,26. Esto permite que los pares quinasa-sustrato se colocalicen y retengan en el retículo endoplásmico a través de la unión a los receptores KDEL27, donde la fosforilación del sustrato puede ocurrir a tasas mayores debido a la proximidad entre las quinasas y sus objetivos. La unión al receptor KDEL está mediada por una secuencia de retención del retículo endoplásmico FEHDEL C-terminal que ha demostrado tener una mayor capacidad de retención que otras secuencias HDEL25,28. A continuación, el sustrato fosforilado se ancla a la superficie de la levadura para su posterior evaluación mediante citometría de flujo29. Actualmente, no existen protocolos generalizables establecidos para la modificación enzimática de los sustratos mostrados en la superficie de la levadura. Ampliamos las capacidades de visualización de la superficie de la levadura aprovechando las variantes de sustrato fosforilado expresadas extracelularmente y modificándolas a través de la desfosforilación por su fosfatasa conocida. El análisis de citometría de flujo proporciona una plataforma para la evaluación fenotípica de los sustratos antes mencionados a través de la medición de alteraciones en la mediana de fosforilación como consecuencia de la incubación con la fosfatasa conocida. Esto proporciona un método adaptable para la modificación postraduccional de proteínas mostradas en la superficie, al tiempo que proporciona un método para el análisis de modificación enzimática de las interacciones cuando se utiliza la plataforma de visualización de la superficie de la levadura.
Presentamos técnicas para el desarrollo y aplicación de un ensayo de modificación enzimática que describe la introducción de una interacción quinasa-sustrato en la plataforma de visualización de la superficie de la levadura, la co-incubación del sustrato fosforilado expresado con una fosfatasa recombinante, y el posterior análisis de la actividad de desfosforilación mediante citometría de flujo. En este informe, esto se logra mediante la colocalización del dominio citoplasmático de CD28 con la quinasa de linfocitos (LCK) en el retículo endoplásmico de levadura, seguido de la visualización del CD28 fosforilado en la superficie de la levadura y la posterior desfosforilación por la región de homología Src que contiene fosfatasa-2 (SHP-2). Un anticuerpo antifosfotirosina pan (en este estudio, 4G10), que detecta residuos de tirosina fosforilada en una amplia variedad de secuencias peptídicas, se utiliza para cuantificar el nivel de fosforilación en función del tratamiento con fosfatasa. El proceso detallado proporciona un enfoque generalizable para investigar las interacciones enzima-sustrato; Una forma prospectiva de estudiar enzimas y sustratos de forma purificada.