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Research Article
Chirag Vasavda*1, Nicholas W. Zaccor*1, Paul C. Scherer1, Charlotte J. Sumner1,2, Solomon H. Snyder1,3,4
1The Solomon H. Snyder Department of Neuroscience,Johns Hopkins University School of Medicine, 2Department of Neurology and neurosurgery,Johns Hopkins University School of Medicine, 3Departments of Pharmacology and Molecular Sciences,Johns Hopkins University School of Medicine, 4Department of Psychiatry and Behavioral Sciences,Johns Hopkins University School of Medicine
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Il legame di guanosina trifosfato (GTP) è uno degli eventi più iniziali nell'attivazione del GCR-Receptor (GPCR). Questo protocollo descrive come caratterizzare farmacologicamente interazioni specifiche GPCR-ligand monitorando il legame dell'analogo GTP radio-etichettato, [35S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPyS) Risposta a un ligando di interesse.
I recettori G-Proteine-Coupled (GPCRs) sono una grande famiglia di recettori transmembranti che svolgono un ruolo critico nella normale fisiologia cellulare e costituiscono un importante obiettivo farmacologico per molteplici indicazioni, tra cui l'analgesia, la regolazione della pressione arteriosa e il trattamento delle malattie psichiatriche. Su legame vincolante, i GPCR catalizzano l'attivazione delle proteine G intracellulari, stimolando l'incorporazione di guanosina trifosfato (GTP). Le proteine G attivate stimolano quindi i percorsi di segnalazione che provocano risposte cellulari. La segnalazione di GPCR può essere monitorata misurando la incorporazione di GTP, [35S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([ 35 S] GTPγS) in proteine G, di una forma radiolabelata e non idrolizzabile. A differenza di altri metodi che valutano più processi di segnalazione a valle, il binding di [ 35 S] GTPγS misura un evento prossimale nel segnale GPCR e, cosa importante, può distinguere l'agonisTs, antagonisti e agonisti inversi. Il presente protocollo descrive un metodo sensibile e specifico per studiare la segnalazione GPCR utilizzando preparazioni a membrana grezze di un GPCR archetipo, il recettore μ-opioide (MOR1). Anche se esistono approcci alternativi a frazionamento di cellule e tessuti, molti sono cost-prohibitive, noiosi e / o richiedono apparecchiature di laboratorio non standard. Il metodo presente fornisce una procedura semplice che arricchisce le membrane grezze funzionali. Dopo l'isolamento di MOR1, sono state determinate varie proprietà farmacologiche del suo agonista, [D-Ala, N-MePhe, Glyol] -enkephalin (DAMGO) e antagonista, naloxone.
I recettori G-Proteine-Coupled (GPCRs) sono una grande famiglia di recettori della superficie cellulare responsabile di una notevole serie di processi fisiologici, tra cui analgesia, olfazione e comportamento 1 . I GPCR agiscono rilevando segnali esterni specifici e successivamente stimolando la segnalazione intracellulare. Esse pertanto rappresentano una giunzione chiave tra gli ambienti esterni e interni di una cella. A causa del ruolo critico che i GPCR svolgono in biologia, sono diventati obiettivi principali sia per la ricerca di base che per la scoperta di droga 2 , 3 .
A differenza di altre famiglie di recettori che legano ligandi discreti, i GPCRs possono legare tipi molto diversi di molecole. Mentre un GPCR può interagire con i peptidi, un altro può sentire i fotoni, le piccole molecole oi ioni 1 , 4 . Mentre i loro ligandi sono diversi, GPCRs sono unificati nel loro architetto globaleUre e funzione. I GPCR individuali sono costituiti da sette proteine transmembrana a-elicoidali con terminali amino terminali extracellulari e terminali carbossilici intracellulari 5 , 6 . I GPCR sono accoppiati a complessi proteici intracellulari di proteine G-eterotrimerici composti da subunità α, β e γ, che mediano diversi percorsi di segnalazione 7 . La subunità G α è una proteina legante nucleotidica guanina che è inattiva quando legata al guanosina difosfato (PIL) e attiva quando legata al guanosina trifosfato (GTP) 8 , 9 . Quando i GPCR legano i loro ligandi, subiscono una modifica conformazionale che consente di dissociare G α da G βγ , consentendo così G α di scambiare il PIL per GTP 7 . Il recettore stesso è fosforilato al suo terminale carbossilico da varie serine / treoneIne chinasi 10 , 11 e internalizzate per attenuare la segnalazione dei recettori 12 , 13 , 14 . Nel frattempo, il monomero G α attivato e il dimettore G βγ procedono ad attivare percorsi di segnalazione distinti 7 . Esistono diverse isoforme di ciascuna subunità di proteina G, e ogni isoforma si rivolge a particolari vie a valle e sistemi secondari di messaggistica. Le principali isoforme G α includono G s , G q , G i / o e G 12-13 . In genere, i GPCR individuali associano una particolare isoforma G α , collegando così uno stimolo esterno ad una risposta cellulare specifica 1 .
Caratterizzare un'interazione GPCR-ligand è fondamentale per comprendere la biologia del recettore. Poiché lo scambio di PIL / GTP è una delle prime vigilanzeNts che segue il binding ligand, monitoraggio del legame GTP può misurare l'attivazione o l'inibizione del GPCR. Analizzare più eventi a valle nella segnalazione GPCR non è spesso quantitativa o stoichiometrica, non può distinguere i full agonisti da quelli parziali e può richiedere costosi reagenti. Inoltre, un aumento del legame GTP alle proteine G α è un evento quasi universale dopo l'attivazione di GPCR, il che significa che la misurazione del legame GTP è un saggio generalmente applicabile per monitorare l'attività della maggior parte dei GPCRs. La misurazione del legame GTP è un approccio semplice e rapido per monitorare la segnalazione GPCR nelle cellule che esprimono l'espressione del recettore di interesse o nel tessuto nativo. Il presente protocollo specifica un test funzionale di legame GTP utilizzando un GPCR archetipo, il recettore μ-opioide (MOR1), per determinare quantitativamente l'attività di un agonista e antagonista sulla segnalazione GPCR.
Questo protocollo indica innanzitutto come isolare le membrane grezze dalle cellule che sovrasta l'espressione MOR1. Nota thaQuesto protocollo non è limitato ai sistemi di sovraespressione e può essere applicato a molte fonti di membrana, compresi i tessuti nativi oi preparati che esprimono più recettori e proteine G. Il protocollo spiega poi come misurare il legame di un analogo GTP radioattivo a queste membrane in risposta a varie concentrazioni di [D-Ala, N-MePhe, Glyol] -enkefalin (DAMGO) o naloxone, agonista e antagonista MOR1, rispettivamente. L'analogo GTP, [35S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPyS) non è idrolizzabile. Questa proprietà è critica perché le subunità G α presentano un'attività intrinseca di GTPase 7 e eliminerebbero il gamma fosfato etichettato su una radiochimica GTP idrolizzabile. Le membrane vengono quindi intrappolate sui filtri in fibra di vetro e lavati, dopo di che il GTP radiomarcato viene quantificato mediante conteggio a scintilla liquida. Molti parametri farmacologici possono essere derivati per caratterizzareL'interazione del recettore-ligando, compresa la risposta half-maximal (EC 50 ) e il coefficiente Hill (n H ) per gli agonisti e la concentrazione inibitore half-maximal (IC50) e la costante di dissociazione di equilibrio (Kb) per gli antagonisti 16,17 , 18 .
1. Espressione di HA-MOR1 ricombinante nelle cellule coltivate
NOTA: seguire tutti i protocolli della cultura cellulare in un cappuccio flusso laminare sterile.
2. Frazionamento cellulare e raccolta delle membrane
3. [ 35 S] GTPγS Binding
NOTA: Utilizzare il protocollo di sicurezza radiochimico standard quando si utilizza [ 35 S] GTPγS e quando conduce esperimenti di binding di [ 35 S] GTPγS. Indossare guanti protettivi e un cappotto di laboratorio in qualsiasi momento. Controllare il materiale di imballaggio per perdite o crepe. Smaltire i rifiuti e reagenti in eccesso secondo protocolli istituzionali.4. Filtrazione a membrana
5. Conteggio liquido scintillante
6. Analisi dei dati
La frazionamento cellulare può essere usata per isolare e arricchire le proteine associate alle membrane dalle proteine citosoliche e nucleari. La figura 1 è una macchia Western che dimostra il contenuto delle tre frazioni primarie che possono essere raccolte durante il processo di frazionamento subcellulare. In particolare, la figura 1 mostra che la frazionamento separa separatamente le proteine della membrana ( ad esempio Na + / K + ATPasi, proteine disolfuro isomerasi (PDI) e HA-MOR1) dall'istone H2B e gliceraldehide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH), proteine nucleari e proteine citosoliche, rispettivamente. Inoltre, la figura 1 mostra l'arricchimento delle proteine (corsia 1 rispetto alla corsia 4) nelle rispettive frazioni subcellulari a seguito della frazionamento. Una macchia rappresentativa Ponceau dimostra un carico uguale di proteine in ciascuna frazione. È importante notare che questo fractiIl protocollo di onazione non distingue tra le diverse membrane cellulari. PDI è generalmente localizzato al reticolo endoplasmatico (ER), mentre Na + / K + ATPasi è prevalentemente alla membrana plasmatica. Tuttavia, entrambe le proteine sono presenti nella frazione finale della membrana grezzo ( figura 1 , corsia 4). Inoltre, mentre questo protocollo separa robusteamente le proteine nucleari dalla frazione citosolica e finale della membrana ( figura 1 , corsie 2-4), la frazione arricchita per le proteine nucleari contiene alcune proteine della membrana ( figura 1 , corsia 2), forse dal ER.
Molti parametri farmacologici possono essere derivati per caratterizzare un'interazione GPCR-ligandi mediante esperimenti di legame GTP ( Tabella 1 ). Ad esempio, la risposta half-maximal (EC 50 ) e il coefficiente Hill (n H ) di un agonista possono essere ottenuti monitorando il legame GTP inRisposta a diverse dosi dell'agonista. La Figura 3A mostra il legame GTP legato alla dose a MOR1 dopo il trattamento DAMGO. Quando i dati sono adatti a una regressione non lineare a quattro parametri, la composizione descrive un'interazione recettore-ligando con una EC 50 di 185 ± 23 nM e un coefficiente Hill di 0,46 ± 0,06. La curva di legame GTP poco profonda osservata dopo il trattamento DAMGO suggerisce una cooperatività negativa tra DAMGO e MOR1. Questo metodo può anche identificare e descrivere la farmacologia di un antagonista. Come illustra la figura 3A e B , naloxone è un antagonista MOR1. La potenza agonista (K b ) di nalossone, 97 ± 20 nM, è stata determinata variando la concentrazione di naloxone in concorrenza con una concentrazione fissa di DAMGO ( Figura 3A ). Naloxone presentava un coefficiente Hill di 0,88 ± 0,06, suggerendo un legame indipendente tra naloxone e MOR1. Se l'acDi un ligando è sconosciuto, questo dosaggio può discriminare tra un agonista, un antagonista e un agonista inverso. Se il legante è un agonista, ci sarebbe un aumento del legame GTP, come nella Figura 3A , dopo l'applicazione DAMGO. Se il ligando è un agonista inverso, ci sarebbe una diminuzione del legame di GTP rispetto al legame basale. Se il ligando è un antagonista, non esiste alcun effetto sul trattamento con il solo ligando. Se applicato in concomitanza con un agonista, un antagonista inibirà la capacità dell'agonista di stimolare il legame GTP. La figura 3A illustra l'attività antagonista di nalossone contro l'agonista DAMGO.

Figura 1: La frazionazione cellulare separa le proteine associate a membrana, nucleari e citosoliche. ( In alto ) La corsia 1 rappresenta laProteine presenti in tutta la cellula. La corsia 2 contiene proteine nucleari e membrane associate durante le prime fasi di centrifugazione. La corsia 3 è la frazione citosolica separata dopo 20 minuti di centrifugazione a 11.000 x g. La corsia 4 contiene una frazione di membrana grezzo adatta per esperimenti di legame [ 35 S] GTPγS. ( In basso ) La macchia Ponceau di una membrana occidentale dimostra la carica delle proteine per ogni frazione cellulare. I seguenti anticorpi sono stati utilizzati per l'immunoblotting: mouse anti-Na + / K + -ATPase (1: 1,000), mouse anti-GAPDH (1: 5,000), anti-H2B mouse (1: 2,500), anti- : 1.000) e anti-HA di ratto (1: 2.000). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figura 2: Diagramma di flusso che descrive la frazionazione e la procedura di binding [ 35 S] GTPγS. In primo luogo, trasfettare le cellule per esprimere il GPCR di interesse. Dopo 48 h, raccogliete e frazionate le cellule per isolare il recettore (rosso) e le proteine G associate (verde = G α , viola = G β e arancio = G γ ). Per eseguire esperimenti di binding GTP, aggiungere [ 35 S] GTPγS e incubare le membrane con il ligando di interesse. Per misurare l'attività della proteina G, legare le membrane a un filtro per lavare via qualsiasi radiochimica non legata e quindi quantificare il legame [ 35 S] GTPγS mediante conteggio a scintilla liquida. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Agonismo aNd Antagonismo nei μ-opioidi Receptors Definito da [ 35 S] GTPγS. ( A ) [ 35 S] GTPγS curva di risposta dose a solo DAMGO (blu) o naloxone in concorrenza con 2,5 μM DAMGO (verde). [ 35 S] Il legame di GTPγS è stato normalizzato alla stimolazione massima in ciascun esperimento ed è stato espresso in percentuale. I punti mostrati sono la media delle determinazioni triplicate e sono espressa come media ± SEM ( B ) Antagonismo di DAMGO-stimolato [ 35 S] GTPγS Legame da naloxone. [ 35 S] GTPγS L'associazione è stata quantificata dopo l'aggiunta di solo naloxone (100 μM), solo DAMGO (10 μM) o DAMGO (10 μM) in concorrenza con naloxone (100 μM). I risultati sono espressi come la media ± SEM di tre esperimenti indipendenti. Fare clic su luiPer visualizzare una versione più grande di questa figura.
| ligand | EC 50 o IC 50 (nM) | N H | K b (nM) |
| DAMGO | 185 ± 23 | 0,46 ± 0,06 | |
| naloxone | 420 ± 87 | 0,88 ± 0,06 | 97 ± 20 |
Tabella 1: Parametri farmacologici di attività DAMGO e Naloxone nei Receptori μ-opioidi. La risposta half-maximal (EC 50 ) e il coefficiente Hill (n H ) per DAMGO sono state derivate da binding di [ 35 S] GTPγS in risposta a dosi variabili di DAMGO. La concentrazione inibitore semi-massimale(IC 50 ) e la costante di dissociazione di equilibrio (Kb) per il nalossone sono state determinate dall'effetto della concorrenza tra naloxone e 2.5 μM DAMGO sul legame di [ 35 S] GTPγS. I risultati sono espressi come la media ± SEM di tre esperimenti indipendenti.
Gli autori non dichiarano interessi concorrenti.
Il legame di guanosina trifosfato (GTP) è uno degli eventi più iniziali nell'attivazione del GCR-Receptor (GPCR). Questo protocollo descrive come caratterizzare farmacologicamente interazioni specifiche GPCR-ligand monitorando il legame dell'analogo GTP radio-etichettato, [35S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPyS) Risposta a un ligando di interesse.
Questo lavoro è stato sostenuto da National Institutes of Health grant DA-000266 e dal programma di addestramento del medico scientifico T32 (CV, NWZ e PCS). Gli autori vorrebbero anche riconoscere somersault18: 24 (somersault1824.com) per la Biblioteca di Scienza e Illustrazioni Mediche.
| DMEM, alto glucosio, piruvato, senza glutammina | Thermo Fisher Scientific | 10313021 | Caldo in 37 gradi C bagnomaria prima dell'uso |
| L-glutammina | Thermo Fisher Scientific | 25030081 | Warm in a 37° C bagnomaria prima dell'uso |
| Penicillina-Streptomicina | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | Warm in un 37° C bagnomaria prima dell'uso |
| Opti-MEM I Siero Ridotto Medio Thermo | Fisher Scientific | 31985070 | Caldo in 37 gradi C bagnomaria prima dell'uso |
| Fetale Siero Bovino (FBS) | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | Caldo in un 37° C bagnomaria prima dell'uso |
| Coltura cellulare Piastra da 10 cm | Sigma-Aldrich | CLS430167 | |
| Reagente Lipofectamina 3000 | Thermo Fisher Scientific | L3000-008 | |
| Provette per microcentrifuga da 1,6 mL | USA Scientific | 1615-5500 | |
| Acido 4-(2-idrossietil)-1-piperazineetansolfonato (HEPES) | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Tris( idrossimetil)amminometano (base Trizma) | Thermo Fisher Scientific | BP152-1 | |
| glicole etilenico-bis(β-amminoetetere)-N,N,N',N'-acido tetraacetico (EGTA) | Sigma-Aldrich | E3889 | |
| Acido etilendiamminotetraacetico (EDTA) | Sigma-Aldrich | E9884 | |
| Saccarosio | Sigma-Aldrich | S5016 | |
| cOmplete ULTRA compresse, Mini, EASYpack Cocktail di inibitori della proteasi | Sigma-Aldrich | 2900 | |
| DL-Ditiotreitolo (DTT) | Sigma-Aldrich | DO632 | |
| Cloruro di sodio (NaCl) | Thermo Fisher Scientific | BP358-1 | |
| Cloruro di magnesio (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M1028-1 | |
| Motore | per pestelli a pelletSigma-Aldrich | Z359971 | |
| Pestles | Bel Art | F19923-0001 | |
| Albumina sierica bovina (BSA) | Affymetrix | 10857 | |
| [35S]guanosina-5'-O-(3-tio)trifosfato ([35S]GTPγ S) | Perkin Elmer | NEG030H | |
| guanosina-5'-O-(3-tio)trifosfato non radiomarcato (GTPγ S) | Sigma-Aldrich | 89378 | |
| guanosina difosfato (GDP) | Sigma-Aldrich | 51060 | |
| reagente Bradford | Bio-Rad | 5000006 | |
| spettrofotometro UV/VIS | Beckman Coulter | DU640 | |
| spettrofotometro cuvette | USA Scientific | 9090-0460 | |
| agitatore orbitale | Thermo Fisher Scientific | 2314 | |
| thermomixer | Eppendorf | 535027903 | |
| filtri in fibra di vetro | GE Healthcare Life Sciences | 1821-021 | |
| apparecchio di filtrazione sottovuoto | Millipore Corporation | XX2702550 | |
| microcentrifuga da tavolo | Eppendorf | 65717 | |
| Contatore di scintillazione | Beckman Coulter | LS6500 | |
| fluido di scintillazione... | Ecoscint A | LS-273 | |
| fiale contatore a scintillazione | Beckman Coulter | 592690 | |
| coperchi per fiale a scintillazione | Beckman Coulter | 592928 | |
| Prism 6 | Software GraphPad | PRISM 6 | |
| ATP1A1 anticorpo | Studi sullo sviluppo Ibridoma | a6F | 1:1000 in 3% BSA |
| GAPDH anticorpo | EMD Millipore | CB1001 | 1:5000 al 3% |
| BSA H2B anticorpo | Segnalazione cellulare | 2934S | 1:2500 al 3% |
| BSA PDI Anticorpo | Segnalazione cellulare | 3501S | 1:1000 al 3% BSA |
| HA Anticorpo | Roche | 11867423001 | 1:2000 al 3% BSA |