RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
Spanish
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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 protocolo describe el uso de biosensores basados en BRET para la medición en tiempo real de la activación de la proteína G en células HEK293 vivas tras la estimulación del ligando del receptor acoplado a proteína G. Aquí, el receptor β2-adrenérgico y el receptor cannabinoide tipo 1 sirven como ejemplos para demostrar la eficiencia de los sensores para varios subtipos de proteína G y en varios GPCR.
Los receptores acoplados a proteínas G (GPCR) constituyen la mayor familia de receptores transmembrana y desempeñan un papel crucial en la señalización celular al transducir estímulos extracelulares en respuestas intracelulares. La activación de GPCR conduce a cambios conformacionales que permiten interacciones con proteínas G heterotriméricas. Tras la activación, la subunidad Gα se somete a un intercambio GDP-GTP, disociándose del dímero Gβγ y desencadenando cascadas de señalización aguas abajo. Para estudiar la activación de la proteína G mediada por GPCR, los biosensores basados en la transferencia de energía por resonancia de bioluminiscencia (BRET) son un enfoque altamente sensible y no invasivo. Los sensores de actividad tricistrónica basados en proteína G (biosensores G-CASE), desarrollados por Schihada et al., detectan la disociación de heterotrímeros como un proxy de activación y permiten el monitoreo en tiempo real de la actividad de GPCR utilizando una sola transfección de plásmido, superando las limitaciones de los enfoques de cotransfección. Los ensayos BRET ofrecen varias ventajas sobre las técnicas basadas en fluorescencia, como un menor ruido de fondo, un fotoblanqueo reducido y una sensibilidad mejorada. En este protocolo, los biosensores G-CASE basados en BRET se utilizaron en células vivas y placas de 96 pocillos. En concreto, evaluamos la actividad del receptor β2-adrenérgico (β2-AR) y del receptor cannabinoide tipo 1 (CB1R) en términos de activación de la proteína G. Utilizando células de tipo salvaje HEK 293T transfectadas transitoriamente con β2-AR y células HEK293T que expresan CB1R de forma estable, se confirma la robustez de los biosensores Gs y Gi3 G-CASE. Este protocolo respalda la utilidad de este enfoque para estudios farmacológicos y detección de GPCR de alto rendimiento para comprender mejor la capacidad de los ligandos para activar vías específicas, por ejemplo, a través de una señalización sesgada y, por lo tanto, facilitar el descubrimiento de nuevos compuestos terapéuticos.
Los receptores acoplados a proteínas G (GPCR) representan la superfamilia más grande de receptores transmembrana, responsables de transducir estímulos extracelulares en cascadas de señalización intracelular que dan como resultado respuestas biológicas específicas. Son dianas farmacológicas fundamentales, con aproximadamente el 30% de los fármacos comercializados actuando sobre los GPCR1. La unión del ligando GPCR induce cambios conformacionales en el receptor, facilitando las interacciones con proteínas G heterotriméricas y/o GPCR quinasas (GRK) y β-arrestinas, iniciando así la señalización aguas abajo o la internalización del receptor2.
Las proteínas G heterotriméricas sirven como transductores intracelulares primarios de la señalización de GPCR y constan de tres subunidades: Gα, Gβ y Gγ. Estos heterotrímeros se clasifican en cuatro familias: Gi / o, Gs, Gq y G12/13, según el subtipo Gα , cada una de las cuales activa distintas vías de señalización: el subtipo Gi / o inhibe la adenilato ciclasa mientras que Gs la estimula, Gq activa la fosfolipasa C-β y G12/13 regula las GTPasas de la familia Rho.
La activación de GPCR conduce a sus reordenamientos conformacionales, lo que permite un rápido compromiso de la proteína G dentro de la cinética de subsegundos. Este proceso induce cambios conformacionales en la proteína G, promoviendo el intercambio GDP-GTP en la subunidad Gα. La unión de GTP altera aún más la conformación de la subunidad Gα, lo que resulta en su disociación del dímero Gβγ, lo que permite la propagación de la señal. Por lo tanto, las proteínas G son cruciales para modular la especificidad y la dinámica temporal de las respuestas celulares mediante la regulación de diversas proteínas efectoras como la adenilato ciclasa o los canales iónicos 3,4,5.
Este protocolo describe la medición de la activación o inactivación de la proteína G utilizando biosensores basados en la transferencia de energía de resonancia de bioluminiscencia (BRET) tras la estimulación del ligando GPCR en células vivas. Inspirado en el trabajo pionero sobre biosensores de proteína G 6,7,8,9, el sistema G-CASE (sensores de actividad tri-cistrónicos de proteína G), introducido por Schihada et al.10, se basa en BRET entre subunidades Gα marcadas y Gβγ y ofrece un enfoque simplificado que requiere una sola transfección de plásmido. Esta característica mejora la sensibilidad y mitiga los desafíos asociados con la cotransfección de múltiples plásmidos que codifican para las tres subunidades (Gα, Gβ y Gγ) de la proteína G heterotrimérica. Estos sensores se han puesto a disposición de grupos de investigación académica comercialmente (ver Tabla de materiales).
BRET ofrece ventajas significativas sobre la transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET). En BRET, la transferencia de energía se produce entre un donante bioluminiscente y un aceptor fluorescente sin necesidad de fuentes de luz externas. Esta bioluminiscencia intrínseca reduce los problemas asociados con FRET, como la autofluorescencia y la dispersión de la luz, lo que da como resultado una señal de fondo más baja y una mejor sensibilidad del ensayo 6,7,11.
Esta ausencia de excitación externa en BRET minimiza el fotoblanqueo y los efectos fototóxicos, lo que lleva a señales de fondo más bajas en comparación con FRET. En consecuencia, los ensayos BRET suelen mostrar una mayor sensibilidad, lo que permite medir la activación de la proteína G de los GPCR constitutivamente activos. La sensibilidad mejorada de los ensayos BRET facilita la detección de interacciones biológicas sutiles, lo que es particularmente valioso en estudios farmacológicos donde la medición precisa de la actividad del receptor es crucial.
Estos biosensores se pueden traducir en cribado de alto rendimiento en placas de 96 o 384 pocillos, como lo demostraron recientemente Scott-Dennis et al., donde se ha desarrollado un método que utiliza estos biosensores en un ensayo de 384 pocillos basado en membranas para analizar la actividad de los receptores cannabinoides CB1R y CB2R12. Este artículo describe el uso de estos biosensores en placas de 96 pocillos en células vivas midiendo la actividad del β2-AR como un GPCR prototípico de clase A, que se une a la proteína Gs y el CB1R que pertenece a los GPCR de clase A y activa la proteína de la familia Gi / o . Se valida el uso de dos biosensores G-CASE: Gs y Gi3 en células HEK 293T con el GPCR de forma transitoria (con el β2-AR) o expresado de forma estable (con el CB1R).
Es importante señalar que este experimento se puede realizar en varias líneas celulares, lo que demuestra la versatilidad y robustez de esta técnica en varios contextos celulares. Esto asegura que el método se pueda aplicar a diversos modelos experimentales, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para estudiar la señalización de GPCR en diferentes entornos fisiológicos y farmacológicos. La Figura 1 ilustra el principio de los sensores de actividad de la proteína G basados en BRET.

Figura 1: Principio de los sensores de actividad de la proteína G basados en BRET. Los sensores de proteína G constan de tres subunidades: Gα,G β nativa y Gγ. La subunidad Gα está fusionada con la pequeña y brillante NanoLuciferasa (Nluc), mientras que la subunidad Gγ está marcada N-terminal con Venus permutado circularmente (cpVenus173). Los genes que codifican estas subunidades de proteína G modificadas se combinan en un solo plásmido. La unión del ligando a los GPCR induce cambios conformacionales en el GPCR, promoviendo el reclutamiento de la proteína G y la posterior disociación seguida de hidrólisis de GTP. Esta disociación interrumpe la transferencia de energía entre los socios, lo que resulta en una disminución de la señal BRET. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los reactivos y el equipo utilizado en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Siembra de placas de pozos (Día 1)
NOTA: Siga todos los protocolos de cultivo celular en una campana de flujo laminar estéril para mantener las condiciones estériles. Las placas de pocillos blancos con fondos planos transparentes se utilizan para seguir el crecimiento y la viabilidad celular. Utilice la placa de pocillos blanca completa para evitar el uso de una pegatina en el paso 3.2.1.
2. Transfección de plásmidos (Día 2)
NOTA: La transfección celular se puede realizar el primer día en celdas suspendidas antes de la siembra, durante el paso 1.2.7, y la adquisición de datos el día 3.
3. Adquisición de datos (Día 3)
4. Análisis de datos
NOTA: Recopile los datos de cada lectura en archivos de hoja de cálculo de datos separados.




Figura 2: Pasos clave para realizar el ensayo BRET. Descripción general de los tres pasos experimentales principales descritos en este protocolo (siembra celular, transfección celular y adquisición de señales BRET) y guía detallada paso a paso para la adquisición de datos. Configuración experimental: El día 1, las células se siembran en una placa blanca de 96 pocillos prerrecubierta de PLL con un fondo plano y transparente a una densidad de 30.000 células/pocillo. En el día 2, las células se transfectan con el sensor de proteína G seleccionado junto con los plásmidos GPCR o pcDNA3.1 estudiados. Después de 24 h de incubación, la actividad del sensor de proteína G se mide a través de lecturas de bioluminiscencia y fluorescencia tras la adición del ligando. Adquisición de datos: Después del lavado de HBSS de las células, se agregan 80 μL de HBSS a los pocillos y se mide la emisión de fluorescencia de cpVenus173 entre 500 nm y 600 nm utilizando un monocromador de 535/30 nm (1). A continuación, la bioluminiscencia de Nluc se mide entre 400 nm y 600 nm utilizando un monocromador de 450/40 nm, tanto antes ( 2) como después ( 3) de la adición de furimazina. Finalmente, la señal BRET para la actividad de la proteína G basal e inducida por ligandos se mide utilizando monocromadores de 450/40 nm y 535/30 nm, respectivamente, durante 3 min (3 ciclos de 60 s con un intervalo de medición de 0,30 s) (4) y 16 min (16 ciclos de 60 s con un intervalo de medición de 0,30 s) (5). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En la Figura 2 se detalla un esquema generalizado de la configuración y ejecución experimental. La activación de las proteínas de la familia Gs o Gi / o después de la activación del ligando de dos GPCR se evaluó utilizando los biosensores G-CASE. Primero, se estudió un GPCR prototípico de la familia A, el β2-AR transfectado transitoriamente en células HEK 293T. Cuando se aplicó un agonista (es decir, isoproterenol) a las células HEK wt que expresan el β2-AR junto con el sensor de proteína Gs (corto) -CASE, se observó una disminución dependiente de la concentración en la señal BRET, lo que indica la activación de la proteína Gs (Figura 3B). Los valores de ΔBRET disminuyeron con la concentración de ligandos hasta que se alcanzó la saturación, con una meseta observada aproximadamente 5 min después de la estimulación del ligando. Por el contrario, las células HEK wt transfectadas con el plásmido pcDNA3.1 vacío y el sensor de proteína Gs (corto) -CASE exhibieron una respuesta inversa pero baja y no significativa a la estimulación con isoproterenol (Figura 3B). En este protocolo, se trazan los valores obtenidos después de 15 min de estimulación del ligando. Para garantizar la coherencia de los resultados y la independencia de la selección temporal, se deben probar otros puntos temporales, asegurando que se ha alcanzado el equilibrio. Además, para comparar los resultados de diferentes experimentos, la selección de tiempo debe ajustarse en función de la cinética de activación de cada experimento.
Para generar las curvas sigmoidales de dosis-respuesta que se muestran en la Figura 3C, los valores de ΔBRET medidos a los 15 min después de la estimulación (cuando la meseta se estabiliza) se trazaron contra las diferentes concentraciones de ligandos. La EC50 observada (9,4 nM ± 2,1 nM) está en el rango de valores de Kd conocidos del receptor para isoproterenol (13 nM ± 6 nM)13,14 (Figura 3C,D). Estos resultados demuestran la eficiencia de los sensores G-CASE en la evaluación de la activación de la proteína G con una respuesta observada específicamente asociada con la presencia del β2-AR.

Figura 3: Evaluación del sensorde proteína G s en células HEK wt. Lecturas cinéticas de ΔBRET tras la adición del agonista isoproterenol a las células HEK wt transfectadas con el sensor de proteína Gs y β2-AR (A) o pcDNA3.1 (B). (C) Curvas de dosis-respuesta obtenidas ajustando los valores de ΔBRET (%) después de 15 min de estimulación del ligando a concentraciones variables de ligando. (D) Comparación de los valores máximos de ΔBRET entre las células transfectadas de control pcDNA3.1 y β2-AR estimuladas con isoproterenol. La diferencia estadística con la condición pcDNA3.1 se probó mediante una prueba de Mann-Whitney no paramétrica (**p < 0,01). Los datos muestran ± SEM promedio de tres experimentos independientes realizados por duplicado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En segundo lugar, los biosensores se probaron en células HEK CB1, una línea celular HEK 293T que expresa de manera estable el CB1R. Estas células se transfectaron transitoriamente con el sensor de proteínas Gi3-CASE. La estimulación con el agonista CB1R WIN-55,212-2 indujo una señal ΔBRET dependiente de la concentración, lo que indica la activación de la vía Gi3 (Figura 4A). Por el contrario, las células HEK wt transfectadas con el sensor de proteína Gi3-CASE y estimuladas en las mismas condiciones no mostraron ninguna respuesta, lo que confirma la especificidad de la activación de CB1R (Figura 4B). Se alcanzó una meseta aproximadamente 5 minutos después de la activación del ligando. La curva dosis-respuesta correspondiente destacó la respuesta ΔBRET dependiente de la concentración inducida por la estimulación WIN-55,212-2 en células HEK-CB1, mientras que no se observó tal respuesta en células HEK wt (Figura 4C). La EC50 observada (112 nM ± 25 nM) está en el rango de valores de la EC50 conocida del receptor para WIN-55,212-2 (354 nM ± 62 nM)15 (Figura 4C, D). Finalmente, una comparación de los valores de ΔBRET obtenidos 15 min tras la estimulación agonista con 10 μM de WIN-55,212-2 en células HEK CB1 y HEK wt ilustran la activación dependiente de CB1R de la vía de señalización Gi3 (Figura 4D).

Figura 4: Evaluación del sensor de proteína Gi3 en células HEK CB1. Lecturas cinéticas de ΔBRET tras la adición del agonista WIN-55,212-2 a HEK CB1 (A) o células HEK wt (B). Curvas de dosis-respuesta obtenidas ajustando los valores de ΔBRET (%) después de 15 min de estimulación del ligando contra la concentración de ligando (C). Comparación de los valores máximos de ΔBRET entre las células de control HEK wt y HEK CB1 estimuladas con WIN-55.212-2 (D). La diferencia estadística con la condición de peso HEK se probó mediante una prueba de Mann-Whitney no paramétrica (****p < 0,0001). Los datos muestran una media ± SEM de cinco experimentos independientes realizados por duplicado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este protocolo describe el uso de biosensores basados en BRET para la medición en tiempo real de la activación de la proteína G en células HEK293 vivas tras la estimulación del ligando del receptor acoplado a proteína G. Aquí, el receptor β2-adrenérgico y el receptor cannabinoide tipo 1 sirven como ejemplos para demostrar la eficiencia de los sensores para varios subtipos de proteína G y en varios GPCR.
Las células HEK-CB1 fueron un regalo amable de M. Guzmán (Universidad Complutense, Madrid, España), y el plásmido receptor β2-adrenérgico fue un regalo amable de D. Perrais (IINS, Instituto Interdisciplinario de Neurociencia, Burdeos, Francia). Gi3-CASE y Gs (corto)-CASE fue un regalo de Gunnar Schulte (plásmido Addgene # 168122; Plásmido Addgene # 168124). Algunas de las ilustraciones se han creado utilizando BioRender.com. Este trabajo cuenta con el apoyo del Ministerio francés de Enseñanza Superior y de Investigación y la financiación de la Agencia Nacional de Investigación (ANR) PolyFADO (ANR-21-CE44-0019), AlzCaBan (ANR-24-CE44-4647) y SCHIZOLIP (ANR-22-CE44-0034).
| Placa de cultivo avanzada de 96 pozos, blanca con fondo plano transparente, con tapa, Greiner bio-one | Dutscher | 655983 | |
| Película blanca BrightMax ClearLine | Dutscher | 760245 | |
| ClarioSTAR LVF | BMG Labtech | ||
| Dimetilsulfóxido (DMSO) | Sigma | D4540 | |
| DPBS Modificado, sin cloruro de calcio ni cloruro de magnesio, líquido, filtrado por estéril, adecuado para células | Sigma | D8537 | |
| Dulbecco' s modificado Eagle' s medium (DMEM) GlutaMAX | Sigma | D0822 | Hace calor en 37 °F; Baño maria C antes de usarlo |
| Suero fetal bovino (FBS) | Sigma | F9665 | |
| Galphai3-Nluc-Gbeta1-Ggamma2-Venus | Addgene | 168122 | https://www.addgene.org/Gunnar_Schulte/ Regalo de Gunnar Schulte |
| Galphas (isoforma corta)-Nluc-Gbeta3-Ggamma1-Venus | Addgene | 168124 | https://www.addgene.org/Gunnar_Schulte/ Regalo de Gunnar Schulte |
| HEK-293T expresando de forma estable CB1R (HEK CB1) | Generoso regalo de M. Guzmán (Universidad Complutense, Madrid, España) | ||
| HEK-293T tipo salvaje (HEK wt) | |||
| Isoproterenol | Sigma | I6504 | Solubilizado en H20 y almacenado en – 20 y grados C |
| Lipofectamina 2000 | Invitrogen | 11668019 | |
| Suplemento Suero Medio GlutaMAX Opti-MEM I Reducido | Fischer | 11564506 | |
| pcDNA3 Flag etiqueta de receptores beta-2-adrenérgicos FLAG C-ter | Generoso regalo de D. Perrais (IINS, Burdeos) | ||
| pcDNA3.1-(vacío)-ETIQUETA | Addgene | 138209 | |
| Penicilina/estreptomicina | Sigma | P4333 | |
| Solución de poli-L-lisina (PLL) | Sigma | RNBL7086 | |
| Tripsina-EDTA | Sigma | T3924 | |
| VICTORIA-55.212-2 | Cayman Chemicals | 10009023 | Solubilizado en DMSO y almacenado en – 20 y grados C |