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I fosfoinositidi (PtdInsPs) sono importanti fosfolipidi di segnalazione che aiutano a regolare una varietà di funzioni cellulari, tra cui la trasduzione del segnale, il traffico di membrana e l'espressione genica, che quindi modulano il comportamento cellulare di ordine superiore come la divisione cellulare, l'identità degli organelli e l'attività metabolica1-3. Esistono sette specie di PtdInsP che derivano dalla fosforilazione delle posizioni 3, 4 e/o 5 del gruppo di testa dell'inositolo del fosfatidilinositolo (PtdIns), il fosfolipide genitore. È importante sottolineare che i sette PtdInsP sono distribuiti in modo diseguale e la concentrazione locale di ciascuna specie di PtdInsP può aumentare o diminuire in specifici siti subcellulari dove si legano a un insieme distinto di effettori proteici, che insieme consentono a ciascun PtdInsP di controllare l'identità e la funzione della sua membrana ospite3,4. Inoltre, i livelli di ciascun PtdInsP devono essere strettamente controllati poiché ciò può influire in modo significativo sull'intensità del segnale prodotto da un PtdInsP. La localizzazione e i livelli di ciascun PtdInsP dipendono dal targeting e dall'attività di numerose chinasi lipidiche, fosfatasi e fosfolipasi che mediano la sintesi e il turnover di ciascun PtdInsP3,4. Pertanto, un'errata regolazione del meccanismo di regolazione di PtdInsP può perturbare la funzione cellulare, portando a malattie come il cancro e le malattie degenerative2,5,6. Per comprendere appieno i ruoli e le funzioni dei PtdInsP e dei loro meccanismi regolatori, sono state sviluppate tecniche sia basate sulla microscopia che su quelle biochimiche per tracciare e quantificare i PtdInsP.
In molti casi, i PtdInsP si legano ai loro effettori proteici tramite uno specifico dominio proteico7-9. Questi moduli proteici spesso mantengono le loro corrette proprietà di ripiegamento e riconoscimento dei lipidi quando espressi separatamente dall'intera proteina. Ciò ha dato origine alle sonde PtdInsP fondendo uno specifico dominio proteico legante PtdInsP con una proteina fluorescente (FP) come la proteina fluorescente verde (GFP) per la rilevazione subcellulare di PtdInsPs mediante microscopia. Infatti, molti studi hanno utilizzato moduli proteici leganti PtdInsP fusi con FP per identificare la localizzazione e la dinamica di specifiche specie di PtdInsP mediante imaging di cellule vive1,10. Ad esempio, il dominio di omologia di Pleckstrin (PH) della fosfolipasi C δ1 (PLCδ1) fusa a GFP riconosce specificamente il fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato [PtdIns(4,5)P2] sulla membrana plasmatica, mentre copie tandem del dominio FYVE dell'antigene 1 dell'endosoma precoce (EEA1) sono state impiegate per tracciare il fosfatidilinositolo-3-fosfato (PtdIns3P) sugli endosomi10-13. Nel complesso, le tecniche basate sulla microscopia sono ottime per visualizzare la localizzazione e la dinamica di PtdInsP, ma ci sono diversi avvertimenti, tra cui il fatto che i domini di legame di PtdInsP possono anche interagire con fattori aggiuntivi diversi dalla specie bersaglio di PtdInsP e che non possono rilevare cambiamenti al di sotto della fluorescenza citosolica delle sonde FP.
Tecniche biochimiche tra cui cromatografia su strato sottile, spettrometria di massa e marcatura di radioisotopi possono essere utilizzate anche per caratterizzare e quantificare i livelli di ciascun PtdInsP14-16. Questi metodi richiedono l'isolamento dei lipidi per la rilevazione dei livelli cellulari di PtdInsPs. La spettrometria di massa può essere utilizzata per caratterizzare i fosfolipidi da estratti lipidici ed è preziosa per determinare la composizione della catena acilica di PtdInsPs14,17. Tuttavia, la spettrometria di massa è per lo più semi-quantitativa e rimane difficile risolvere e contemporaneamente quantificare le specie di PtdInsP dello stesso peso molecolare14,17. In confronto, la marcatura radioisotopica di PtdInsPs seguita dalla scintillazione a flusso accoppiata con cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) è utile per la separazione e la quantificazione concomitante di tutte e sette le specie di PtdInsPs18. L'uso dell'HPLC con una colonna a scambio anionico forte (SAX) consente di ottenere una separazione basata sul peso molecolare, sulla carica e sulla forma, frazionando così i PtdInsPs deacilati (Gro-InsPs) anche dello stesso peso molecolare e carica. L'accoppiamento dell'eluente HPLC a uno scintillatore di flusso genera quindi picchi di segnale su base radioattiva per ciascuna specie di Gro-InsPs rispetto al glicerolo-inositolo originario (Gro-Ins)18. Ciò corrisponde in ultima analisi ai livelli relativi di PtdInsPs nelle cellule.
La radiomarcatura di PtdInsPs e la scintillazione a flusso accoppiato a HPLC è uno strumento utile per studiare la regolazione e la funzione del fosfatidilinositolo 3,5-bisfosfato [PtdIns(3,5)P2], un PtdInsP che costituisce solo ~0,1-0,3% di PtdIns16,19,20. La sintesi di PtdIns(3,5)P2 è effettuata dalla PtdIns3P 5-chinasi chiamata Fab1 nel lievito e PIKfyve nei mammiferi21. Questa reazione è contrastata da una PtdIns(3,5)P2 5-fosfatasi chiamata Fig4 nel lievito o mFig4/Sac3 nei mammiferi22-24. È interessante notare che sia PIKfyve/Fab1 che mFig4/Fig4/Sac3 esistono in un singolo complesso e sono regolati dalla proteina adattatrice dello scaffolding, Vac14 nel lievito o mVac14/ArPIKfyve nei mammiferi25,26. Nelle cellule di lievito delate con VAC14, Fab1 non funziona in modo efficiente, portando a una diminuzione del 90% dei livelli di PtdIns(3,5)P2 27,28. D'altra parte, Atg18 è una proteina effettrice PtdIns(3,5)P2 che può controllare la fissione vacuolare 29. Atg18 è anche un regolatore negativo delle PtdIns(3,5)P2 poiché la delezione del suo gene, ATG18, provoca un aumento da 10 a 20 volte dei livelli di PtdIns(3,5)P2 29,30. Nel complesso, i cambiamenti nei livelli di PtdIns(3,5)P2 influenzano gravemente la funzione del vacuolo di lievito e dei lisosomi dei mammiferi, influenzando di conseguenza processi come il traffico di membrana, la maturazione dei fagosomi, l'autofagia e il trasporto di ioni 6,19,21,31.
Questo articolo descrive il processo di marcatura radioisotopica di PtdInsPs con 3H-mio-inositolo nel lievito per rilevare i livelli relativi di PtdIns(3,5)P2 nei ceppi di lievito wild-type, vac14Δ e atg18Δ. Usando questo come esempio, vengono mostrate le capacità risolutive dell'HPLC per la separazione dei singoli PtdInsP e la sensibilità della scintillazione del flusso per il rilevamento di tracce di 3H-mio-inositolo. Elaboriamo anche su come si potrebbe ottimizzare la metodologia per l'etichettatura e la separazione di 3PtdInsP marcati con H da cellule di mammifero, i cui campioni tendono ad essere più complessi poiché queste cellule possiedono tutte e sette le specie di PtdInsP.