ボツリヌス神経毒A型軽鎖(BoNT/A LC)は、運動ニューロンに侵入し、その基質であるSNAP-25を切断し、神経伝達を妨害するメタロプロテアーゼであり、それによって弛緩性麻痺を引き起こします。ハイスループット対応のFRETベースのアッセイを利用することで、低分子の大規模なライブラリーをBoNT/A LC酵素活性への影響についてスクリーニングできます。
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ボツリヌス神経毒A型軽鎖(BoNT/A LC)は、運動ニューロンに侵入し、その基質であるSNAP-25を切断し、神経伝達を妨害するメタロプロテアーゼであり、それによって弛緩性麻痺を引き起こします。ハイスループット対応のFRETベースのアッセイを利用することで、低分子の大規模なライブラリーをBoNT/A LC酵素活性への影響についてスクリーニングできます。
ボツリヌス神経毒(BoNT)は、宿主の運動ニューロンに結合し、細胞内に取り込まれ、神経伝達物質の放出に不可欠な細胞内タンパク質を切断する強力で潜在的に致死的な細菌毒素です。BoNTは、宿主細胞の結合と内在化を媒介する重鎖(HC)と、アセチルコリン放出に必須の細胞内宿主タンパク質を切断する軽鎖(LC)で構成されています。毒素の結合/内在化を阻害する治療法は投与時間が短いのに対し、細胞内LC活性を標的とする化合物は投与時間がはるかに長く、毒素の半減期が非常に長いことを考えると特に関連性があります。近年、低分子は、より大きな治療薬(ペプチド、アプタマーなど)と比較して細胞透過性が高いことに基づいて、潜在的なLC阻害剤として大きく分析されています。リードの同定には、多くの場合、治療標的機能を調節する能力に基づいて低分子の大規模なライブラリをスクリーニングするハイスループットスクリーニング(HTS)が含まれます。ここでは、市販のBoNT/A LC基質と、潜在的なBoNT阻害剤のHTS用に自動化できる組換えLCを使用したFRETベースのアッセイについて説明します。さらに、フォローアップの二次スクリーニングや、いくつかの候補化合物の効力の比較に使用できる手動技術についても説明します。
ボツリヌス神経毒A(BoNT/A)は、現在知られている最も強力な毒素(LD50 ~1 ng/kg)1)で、細菌Clostridium botulinumによって産生される強力な神経毒です。罹患した宿主内では、BoNT/Aは運動ニューロンに結合し、細胞質に内在化し、最終的にはアセチルコリンエキソサイトーシスに不可欠なニューロンタンパク質を切断することにより、神経筋接合部での神経伝達を妨害します。ニューロン内に入ると、BoNT/Aは数ヶ月も持続する可能性があります2。アセチルコリン放出の長期阻害は、正常な筋肉収縮を妨げ、 ?? 緩性麻痺を引き起こし、重症の場合、心不全および/または呼吸不全を引き起こす可能性があります。.その極めて高い効力、生産の容易さ、および宿主内での長期的な影響のために、CDCはすべてのBoNT血清型を高リスクのバイオテロ剤と分類しています。
毒素の作用機序には、ニューロン表面受容体への結合、受容体媒介性エンドサイトーシスによる細胞の取り込み、ニューロンサイトゾルへの転座など、多くのステップが含まれます。BoNT/Aは、重鎖と軽鎖の2つの鎖から構成されており、毒性には両方の鎖が必要です。重鎖(HC)には結合ドメインと転座ドメインが含まれ、軽鎖(LC)にはエンドソームから細胞質に移行する亜鉛依存性メタロプロテアーゼが含まれています。細胞質の内部に入ると、LC/Aメタロプロテアーゼは細胞質内膜に局在し、膜結合した宿主タンパク質SNAP-25を切断します。SNAP-25は、アセチルコリンエキソサイトーシスに重要な役割を果たすSNARE(可溶性N-エチルマレイミド感受性因子付着タンパク質受容体)タンパク質ファミリーのメンバーです(参考文献3でレビュー)。SNAP-25のLC/A切断はSNARE複合体の機能を損ない、アセチコリン神経伝達物質の放出を阻害し、筋肉の収縮を損
ないます。現在、ボツリヌス中毒の治療は限られており、多くの場合、馬の中和抗体4の投与が含まれますが、毒素は急速にニューロンに取り込まれるため、抗体は投与の時間枠が狭くなります。したがって、多くの研究者は、BoNT/A LCがより良い治療標的である可能性があると考えています。LCは亜鉛依存性メタロプロテアーゼであるため、LC/A活性を阻害するアプローチの1つは、活性部位の亜鉛イオンをキレート化する化合物を開発することでした。例えば、ヒドロキサメート化合物は活性部位の亜鉛をキレート化し、優れたin vitro効力を有します(これまでで最高のBoNT/A LC低分子阻害剤のKiは77 nMです)5。しかし、多くの低分子は、水溶性の低さ、代謝の速さ、細胞毒性の高さなど、ex vivoまたはin vivoでのさまざまな問題により、治療薬として進歩しません。したがって、改善された薬理学的および薬物動態学的特性を有する新しい化合物が必要である。低分子化合物の同定には、多くの場合、新規のスキャフォールドを同定するためのハイスループットスクリーニング(HTS)が含まれます。BoNT/A LC活性スクリーニングの初期方法は、短いペプチド基質切断のHPLC検出に基づいていましたが、これは時間がかかり、HTSアプリケーションには適していません6-8。その後、Schmidtら9は、マイクロタイタープレートに共有結合したフルオレセイン標識ペプチド基質を利用したハイスループットBoNT/A LC活性アッセイを開発しました。BoNT/A LCは基質を切断してフルオレセインを放出し、フルオレセインを放出しますが、これは蛍光光度計で定量できます。このアッセイのプレートフォーマットにより、多数の化合物を同時にスクリーニングできます。しかし、このアッセイでは、合成ペプチドをフルオレセインで標識し、アッセイプレートを誘導体化した基質分子でコーティングする必要がありますが、これは面倒な技術です。低濃度でBoNT/A LC活性を検出するためのはるかに簡単な方法は、後にSchmidtらによって説明され、一連の蛍光性基質を使用してBoNT LC活性をリアルタイムでモニターしました10。文献に記載されている追加の技術には、粗抽出物中のBoNT活性を検出および定量するための共鳴エネルギー移動ベースのアッセイ後の脱分極が含まれます。この方法は、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)および偏光信号を測定するための高度な機器が必要ですが、ハイスループットアプリケーション10,11に使用できます。最後に、BoNT中毒のいくつかの細胞ベースのモデルが報告されており(参考文献11でレビュー)、研究者は細胞毒性、細胞透過性、安定性など、前述の化合物のしばしば制限的な特性を研究することができます。しかし、既存の細胞ベースのアッセイのほとんどはHTSに適しておらず、労力と時間を大量に消費します。
ここでは、市販のFRETベースのBoNT/A LC基板を利用したHTS法の詳細なプロトコールについて説明します。この基質は、SNAP-25切断配列に基づいており、末端フルオロフォアとクエンチャーを含む合成13-merペプチドです。BoNT/A切断により、蛍光色素とクエンチャーが分離されるため、FRETがなくなり、蛍光測定が増加するため、蛍光光度計プレートリーダーで連続的に測定することができます。このアッセイは、新しいクラスのBoNT/A LC阻害剤を同定するため、または以前に同定された化合物5,12-15の相対的な効力を決定するために、当社および他の研究室で日常的に使用されています。このアッセイは、その簡便さ、自動化の可能性、低コストの材料、および多数の化合物を同時にスクリーニングする能力から、HTSに適しています(参考文献16;Caglič et al.、提出;Bompiani et al., 準備中)。HTSに加えて、このアッセイは、化合物のIC50値(BoNT/A LC活性の50%を阻害するために必要な濃度)を決定することにより、化合物の相対力価を比較するために使用できます。アッセイは、96ウェル形式で手動で実行することも(プロトコルテキストの手動スクリーニングセクション)、HTS用の384ウェル形式で自動化することもできます(プロトコルテキストの自動運転セクション)。
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手動スクリーニングまたはIC50決定
このプロトコルは、化合物の希釈系列を調製することにより、化合物の相対効力(IC50値)を決定するために、または単一濃度で低分子阻害剤を手動でスクリーニングするために使用できます。
1. バッファー、試薬、必要な器具の調製
2. 化合物希釈系列の調製
3. プレートの準備とスポッティング(表1)
4. 基板添加と蛍光測定
表 1.アッセイプレートのレイアウトを推奨します。
の 名 名 名 名 名| まあ # | 井戸の説明 | 化合物 | アッセイバッファー | 基板 | LC | DMSOの |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 化合物用量1 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 2 | 化合物用量2 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 3 | 化合物用量3 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 4 | 化合物用量4 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 5 | 化合物用量5 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 6 | 化合物用量6 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 7 | 化合物用量7 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 8 | 化合物用量8 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 9 | 化合物投与量9 | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
| 10 | ネガティブコントロール (100%LC活性) | --- | 79μl | 10 μl | 10 μl | 1 μl |
| 11 | 化合物固有蛍光制御 | 1 μl | 89μl | 10 μl | --- | --- |
| 12 | ポジティブコントロール (LC活性0%) | 1 μl | 79μl | 10 μl | 10 μl | --- |
ハイスループットスクリーニングのための自動操作
5. バッファー、試薬、コンパウンドプレート、バーコード、必要な機器の準備
6. ピンツールの準備
7. 少量リキッドディスペンサーの調製
8. アッセイプレートへのBoNT/A軽鎖の分注
9. アッセイプレートへの化合物のスタンピング
10. アッセイプレートへの基質の分注
11. 蛍光測定
12. クリーンアップ
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FRETベースのBoNT/A LCアッセイは、既知の阻害剤の特性評価や小さなライブラリーのスクリーニングのために、ロースループットの方法で手動で実施することができます。また、新規のBoNT/A LC阻害剤を同定する目的で、大規模なライブラリーを用いたハイスループットスクリーニング(HTS)のために、プロトコルをスケールダウンして自動化することもできます。どのようなアプローチをとるにせよ、BoNT/A LCを基質とインキュベートすると、時間の経過とともに蛍光の増加が観察されるはずです(図1Aは、経時的な蛍光の代表的なプロットを示しています)。化合物の段階希釈を試験すると、傾きの異なる一連の線が得られることがよくあります(図1B)。ここで説明するプレートレイアウトのウェル10は、車両のみ(DMSO)が追加されるにつれてネガティブコントロールとして機能します。この反応の速度は、「100%酵素活性」(または非抑制活性)と定義され、化合物の存在下での速度をこの速度に正規化して、相対速度または阻害率を求めることができる。ウェル11(化合物固有蛍光制御)および12(ポジティブ制御)は...
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ここで説明するFRETベースのBoNT/A LCアッセイは、BoNT/A LC活性を調節する小分子を同定および特徴付けるための魅力的な方法です。アッセイの溶液ベースの性質により、このプロトコルは、プロトコルテキストの自動操作セクションで説明されているハイスループットスクリーニングに適しています。Zファクターは、HTSキャンペーン18に対するアッセイの適合性を判断するためによく使用されます。Z = 1 – 3 (σp + σn)/(μp - μn) として決定され、Z ファクター 1 が理想的で、0.5-1 が優れており、0.5 未満が限界です。ここで説明するHTSプロトコルのZファクターは0.89です(ポジティブコントロールとネガティブコントロールの標準偏差は、それぞれp = 6.67 RFU / minおよびσn = 0.788 RFU / min σであり、ネガティブコントロールとポジティブコントロールの平均速度はμp = 196.1 RFU / minおよび...
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著者らは開示するものは何もない。
この研究は、国立衛生研究所(AI082190からT.J.D.)およびカリフォルニア再生医療研究所(TB1-01186およびCL1-00502)からの助成金によって支援されました。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| HEPES | Teknova | H1021 | |
| Tween-20 | Fisher Scientific | BP337-100 | |
| メタノール(HPLCグレード) | Sigma-Aldrich | 34860 | |
| イソプロパノール(HPLCグレード) | Sigma-Aldrich | 650447 | |
| 96ウェル ブラックアッセイプレート | Costar | 3915 | |
| 384ウェル 少量ブラックアッセイプレート | Greiner | 788076 | |
| SNAPtide FITC/Dabcyl substrate | List Biological Laboratories | 521 | FRETベースのBoNT/A LC基板 |
| ピン洗浄液 | V&P Scientific | VP 110 | |
| 糸くずの出ないあぶらとり紙 | V&P Scientific | VP 540DB | |
| Biomekシールとサンプルアルミホイル蓋ベ | ックマンコールター | 538619 |
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