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La comprensione delle interazioni tra gli enzimi e i loro bersagli è diventata un'area di ricerca sempre più interessante a causa della sua necessità nella caratterizzazione biologica delle vie che controllano l'omeostasi cellulare e lo sviluppo della malattia 1,2. Gli enzimi sono responsabili della catalisi di molte delle reazioni che mantengono la vita biologica, controllando percorsi necessari come il metabolismo cellulare 3,4, la segnalazione5 e persino processi fondamentali come la riparazione del genoma 6,7. A causa del loro ruolo in questi processi, le loro interazioni svolgono anche un ruolo nello sviluppo di molte malattie, poiché le deviazioni nella loro attività possono causare una grave disregolazione dell'attività cellulare, causando apoptosi o proliferazione di cellule tumorali dannose2. Lo studio dell'attività enzimatica ha avuto importanti applicazioni nello sviluppo di nuove terapie 8,9, che richiedono saggi personalizzati per ogni specifica interazione enzima-substrato10. Saggi enzimatici multipli sono stati stabiliti come protocolli standard per la valutazione e la caratterizzazione di queste interazioni. I saggi sviluppati per analizzare le interazioni enzimatiche sono classificati in saggi di rilevamento che monitorano il legame per l'attivazione/inibizione11 o saggi che monitorano la modifica del substrato da parte degli enzimi12.
Uno dei ruoli principali degli enzimi è la regolazione del comportamento cellulare. La trasduzione del segnale, la risposta intracellulare di una cellula a un innesco extracellulare13, è responsabile della sopravvivenza e della funzionalità cellulare. La proliferazione cellulare, la differenziazione e molti altri processi funzionali coinvolgono tutti vie di segnalazione con interazioni enzimatiche che le governano14,15. Gli enzimi catalizzano le modificazioni post-traduzionali, che spesso modulano le massicce reti di segnalazione responsabili della corretta trasmissione dei messaggi extracellulari16. La fosforilazione delle proteine è la più comune modificazione post-traduzionale, ubiquitaria nella segnalazione cellulare e in molte altre vie cellulari. Di conseguenza, le protein chinasi sono emerse come una percentuale significativa di potenziali bersagli terapeutici a causa del loro ruolo regolatore critico17. Le fosfatasi sono le molecole modulatorie naturali per i complessi di segnalazione cellulare a base di fosfato18,19, avendo la capacità di rimuovere i residui di fosfato dalle loro proteine bersaglio20. Nell'ultimo decennio, le fosfatasi sono diventate un importante bersaglio terapeutico per il trattamento del cancro21 e delle malattie infiammatorie22 sulla base del loro coinvolgimento nella regolazione delle vie di segnalazione a valle in diversi tipi di cellule. Insieme, le protein chinasi e le fosfatasi forniscono un'ampia gamma di interazioni, che possono essere studiate attraverso lo sviluppo di specifici protocolli di analisi enzimatica.
Il display della superficie del lievito è stato utilizzato come strumento per la caratterizzazione e la valutazione dell'attività enzimatica23,24. Fornisce una piattaforma ad alto rendimento per lo screening dei processi di modificazione post-traduzionale se combinata con strategie di sequestro del reticolo endoplasmatico25,26. Ciò consente alle coppie chinasi-substrato di essere co-localizzate e trattenute nel reticolo endoplasmatico attraverso il legame con i recettori KDEL27, dove la fosforilazione del substrato può avvenire a velocità maggiori a causa della vicinanza tra le chinasi e i loro bersagli. Il legame con il recettore KDEL è mediato da una sequenza di ritenzione del reticolo endoplasmatico FEHDEL C-terminale che ha dimostrato di avere una capacità di ritenzione più forte rispetto ad altre sequenze HDEL25,28. Il substrato fosforilato viene quindi ancorato alla superficie del lievito per la sua successiva valutazione attraverso la citometria a flusso29. Attualmente, non esistono protocolli generalizzabili stabiliti per la modifica enzimatica dei substrati visualizzati sulla superficie del lievito. Ampliamo le capacità di visualizzazione della superficie del lievito sfruttando le varianti del substrato fosforilato espresse extracellulare e modificandole attraverso la defosforilazione da parte della loro fosfatasi nota. L'analisi di citometria a flusso fornisce quindi una piattaforma per la valutazione fenotipica dei suddetti substrati attraverso la misurazione delle alterazioni della fosforilazione mediana come conseguenza dell'incubazione con la fosfatasi nota. Ciò fornisce un metodo adattabile per la modifica post-traduzionale delle proteine visualizzate sulla superficie, fornendo anche un metodo per l'analisi delle modifiche enzimatiche delle interazioni quando si utilizza la piattaforma di visualizzazione della superficie del lievito.
Presentiamo tecniche per lo sviluppo e l'applicazione di un saggio di modificazione enzimatica che descrive l'introduzione di un'interazione chinasi-substrato nella piattaforma di visualizzazione della superficie del lievito, la co-incubazione del substrato fosforilato espresso con una fosfatasi ricombinante e la successiva analisi dell'attività di defosforilazione attraverso la citometria a flusso. In questo rapporto, ciò si ottiene co-localizzando il dominio citoplasmatico del CD28 con la chinasi linfocitaria (LCK) nel reticolo endoplasmatico del lievito, seguito dalla visualizzazione del CD28 fosforilato sulla superficie del lievito e dalla successiva defosforilazione da parte della fosfatasi-2 contenente il dominio di omologia Src 2 (SHP-2). Un anticorpo anti-fosfotirosina pan (in questo studio, 4G10), che rileva residui di tirosina fosforilata in un'ampia varietà di sequenze peptidiche, viene utilizzato per la quantificazione del livello di fosforilazione in funzione del trattamento con fosfatasi. Il processo dettagliato fornisce un approccio generalizzabile per studiare le interazioni enzima-substrato; Un modo prospettico di studiare enzimi e substrati in modo purificato.