ここでは、酵母表面表示基質を酵素修飾アッセイに使用するためのプロトコールを紹介します。このプラットフォームは、代表的な酵素修飾アッセイとして、チロシンホスファターゼSHP-2の基質の1つに対する脱リン酸化活性の分析を使用して実証されました。
方法論記事
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ここでは、酵母表面表示基質を酵素修飾アッセイに使用するためのプロトコールを紹介します。このプラットフォームは、代表的な酵素修飾アッセイとして、チロシンホスファターゼSHP-2の基質の1つに対する脱リン酸化活性の分析を使用して実証されました。
酵母表面ディスプレイは、タンパク質機能のハイスループットスクリーニングを可能にする遺伝子型-表現型連鎖戦略です。従来、酵母表面ディスプレイは、新しい結合タンパク質の進化に適用され、フローサイトメトリーを使用して結合強度のレベルを評価し、分類してきました。最近では、基質変異体の酵素修飾をスクリーニングするために酵母表面ディスプレイを適用することへの関心が高まっています。これには、フローサイトメトリーで読み取り可能な表現型を提供する相加的(リン酸化など)または減法的(タンパク質分解など)修飾があります。このような修飾は、細胞内共局在を用いて定期的に適用されますが、表示された基質の細胞外酵素修飾を達成する能力は、さらに多くの反応を研究に引き出す可能性があります。ここでは、酵母表面に表示された候補基質に対する細胞外酵素修飾のスクリーニングアッセイを設計および適用し、その後フローサイトメトリー分析を使用して評価するための技術について説明します。これらのプロトコルは、ホスファターゼ、脱リン酸化酵母、リン酸化チロシン残基を含むディスプレイ基質のコンテキストで提供し、この適用されたフレームワークを他の酵素-基質ペアのスクリーニングアッセイの開発にどのように適応できるかについてコメントします。
酵素とその標的との間の相互作用の理解は、細胞の恒常性と疾患発症を制御する経路の生物学的特性評価に必要であるため、ますます興味深い研究分野になっています1,2。酵素は、生物学的生命を維持する多くの反応の触媒作用に関与しており、細胞代謝3,4、シグナル伝達5、さらにはゲノム修復6,7などの基本的なプロセスを制御する。これらのプロセスにおけるそれらの役割のために、それらの相互作用はまた、それらの活性の逸脱が細胞活動の深刻な調節不全を引き起こし、アポトーシスまたは有害な癌細胞の増殖を引き起こす可能性があるため、多くの疾患の発症にも役割を果たします2。酵素活性の研究は、新しい治療法8,9の開発において重要な応用があり、各特定の酵素-基質相互作用10に合わせたアッセイが必要とされている。これらの相互作用の評価と特性評価のための標準プロトコルとして、複数の酵素アッセイが確立されています。酵素的相互作用を解析するために開発されたアッセイは、活性化/阻害のための結合をモニターする検出アッセイ11または酵素による基質修飾をモニターするアッセイ12に分類される。
酵素の主要な役割の1つは、細胞の振る舞いを調節することです。シグナル伝達、すなわち細胞外トリガー13に対する細胞の細胞内応答は、細胞の生存と機能に関与している。細胞の増殖、分化、その他多くの機能プロセスはすべて、それらを支配する酵素的相互作用を伴うシグナル伝達経路に関与しています14,15。酵素は翻訳後修飾を触媒し、細胞外メッセージの正しい伝達に関与する大規模なシグナル伝達ネットワークをしばしば調節する16。タンパク質のリン酸化は、最も一般的な翻訳後修飾であり、細胞シグナル伝達や他の複数の細胞経路に遍在しています。その結果、プロテインキナーゼは、その重要な調節的役割により、潜在的な治療標的のかなりの割合として浮上しています17。ホスファターゼは、リン酸ベースの細胞シグナル伝達複合体18,19の天然調節分子であり、標的タンパク質20からリン酸残基を除去する能力を有する。過去10年間で、ホスファターゼは、複数の細胞型における下流のシグナル伝達経路の調節に関与していることから、がん治療21および炎症性疾患22の主要な治療標的となった。プロテインキナーゼとホスファターゼは、共に幅広い相互作用を提供し、特定の酵素アッセイプロトコルの開発を通じて研究することができます。
酵母表面ディスプレイは、酵素活性23,24の特性評価および評価のためのツールとして使用されてきた。これは、小胞体隔離戦略25,26と組み合わせた場合の翻訳後修飾プロセスのスクリーニングのためのハイスループットプラットフォームを提供する。これにより、キナーゼ-基質ペアは、KDEL受容体27への結合を通じて小胞体内で共局在し、保持することができ、キナーゼとその標的との間の近接性により、基質のリン酸化が増加する速度で起こり得る。KDEL受容体の結合は、C末端FEHDEL小胞体保持配列によって媒介され、他のHDEL配列25,28よりも強い保持能力を有することが示されている。次いで、リン酸化基質を酵母表面に固定し、その後のフローサイトメトリー29による評価を行う。現在、酵母表面上に示される基質の酵素修飾について確立された一般化可能なプロトコルはありません。私たちは、細胞外に発現するリン酸化基質変異体を利用し、既知のホスファターゼによる脱リン酸化によってそれらを修飾することにより、酵母表面ディスプレイの能力を拡大します。フローサイトメトリー解析は、既知のホスファターゼとのインキュベーションの結果としてのリン酸化中央値の変化を測定することにより、前述の基質の表現型評価のためのプラットフォームを提供します。これにより、表面ディスプレイタンパク質の翻訳後修飾に適応可能な方法を提供すると同時に、酵母表面ディスプレイプラットフォームを使用する際の相互作用の酵素修飾分析の方法も提供されます。
酵母表面ディスプレイプラットフォームへのキナーゼ-基質相互作用の導入、発現したリン酸化基質と組換えホスファターゼとの共インキュベーション、およびその後のフローサイトメトリーによる脱リン酸化活性の解析を説明する酵素修飾アッセイの開発と応用のための技術を紹介します。本報告では、酵母小胞体においてCD28の細胞質ドメインをリンパ球キナーゼ(LCK)と共局在化し、続いて酵母表面にリン酸化CD28を表示し、その後、Srcホモロジー領域2ドメイン含有ホスファターゼ-2(SHP-2)による脱リン酸化を行うことで、これを達成した。さまざまなペプチド配列中のリン酸化チロシン残基を検出するPAN抗ホスホチロシン抗体(本研究では4G10)を用いて、ホスファターゼ処理の関数としてのリン酸化レベルの定量化を行います。詳細なプロセスは、酵素と基質の相互作用を調査するための一般化可能なアプローチを提供します。精製された方法で酵素と基質を研究する将来の方法。
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1. プラスミドを保有する酵母の細胞増殖とタンパク質発現誘導
2. 4G10抗ホスホチロシン抗体のビオチン化
3. 酵母細胞表面に発現する基質の脱リン酸化
4. 脱リン酸化基質の細胞標識とフローサイトメトリー解析


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1,000 nM SHP-2 なし(図 1A)および(図 1B)の 1,000 nM SHP-2 を 2 時間インキュベートしたモデルシステムの個々の複製からのフローサイトメトリー解析では、リン酸化差の中央値は 63.6% であり、これは、表面に表示されたすべてのイベントからの Y 軸中央値(リン酸化)から、処理されたサンプルと未処理のコントロールとの間の非表示イベントの Y 軸中央値として定義されるベースラインリン酸化シグナルを差し引いた比として定義されますプロトコルのステップ 4.12 で定義されています。中央値を分析する前に、サンプルはサイズ(前方散乱)と複雑さ(側散乱)に基づいてゲート化され、健康な細胞グループを包含していました。定義された条件下では、サンプルの脱リン酸化は一目瞭然で区別できるはずです(図1C)。
このアッセイは、4つの主要な方法からなる簡単な手順で定義されます(
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提示されたプロトコルは、酵母表面上のタンパク質の細胞外ディスプレイを使用して酵素相互作用の分析を可能にします。使用される表面表示プラスミドに小胞体隔離を組み込むと、細胞内相互作用が発生するように設計できるため、酵素と翻訳後修飾基質との間の特定の相互作用を細胞外で分析する能力が導入されます27,29。酵母表面ディスプレイを用いた以前に確立された酵素相互作用アッセイは、細胞内における目的タンパク質の発現を含み、表面ディスプレイは、標的タンパク質23,25,29間で起こる細胞内相互作用を検出するためのツールのみである。
このプロトコルは、標的となる酵素相互作用を細胞外環境に移動することにより、そのプラットフォーム上に構築...
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著者は、この作品に関連する利益相反を開示していません。
この研究は、L.A.S. (CBET - 2339172) への NSF CAREER 賞と南フロリダ大学からのスタートアップ資金によって支援されました。
図2Aでは、Servier https://smart.servier.com/ によるマイクロチューブオープン半透明アイコンは、CC-BY 3.0 Unported https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ の下でライセンスされています。修飾には、バッファーと酵母細胞の添加(左)と抗体の添加(中央右)が含まれます。
図2Aの試験管、インキュベーター、およびフローサイトメーターは、オープンアクセスで www.bioicons.com を通じて提供されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1 Lメディアボトル | Corning | 06-414-1D | |
| 1.7/2.0 mL マイクロチューブ | Axygen | MCT-175-C | |
| 10 & micro;L SureOne ピペットチップ | フィッシャーサイエンティフィック | 02-707-438 | |
| 1000 & micro;L SureOne ピペットチップ | Fisher Scientific | 02-707-408 | |
| 12 mL ポリスチレン丸底チューブ | Greiner | 07-000-212 | |
| 3 mL プラティックキュベット | ブランド | 759076D | |
| 300 & micro;L SureOne ピペットチップ | Fisher Scientific | 02-707-411 | |
| 5 mL 血清ピペット | Fisher Scientific | 13-678-11D | |
| 酸性カゼイン (カサミノ酸) | Fisher Scientific | BP-1424-500 | |
| 分析天びん | メトラー・トレド30243397 | ||
| 学用ペトリ皿 | Corning | Falcon 351008 | |
| バイオセーフティキャビネット | Labconco | Logic Class II, Type A2 302310102 | |
| Biospectrometer | Eppendorf | Kinetic 6136000010 | |
| ウシ血清アルブミン | フィッシャーバイオ試薬 | BP1600-100 | |
| クエン酸 | フィッシャー サイエンティフィック | A940-500 | |
| CytoFLEX フローサイトメトリーアナライザー | Beckam Coulter | Cytoflex C09745 | CytExpert ソフトウェア |
| Dextrose | Fisher Scientific | D16-1 | |
| ジチオスレイトール | Fisher バイオ試薬 | BP172-5 | |
| ロバ抗ヤギ FITC | Invitrogen | A16000 | |
| EDTA | Alfa Aesar | H56165.30 | |
| Ez-Link PEG4-NHS-Biotin | Thermo Scientific | A39259 | |
| 冷凍EZ酵母形質転換IIキット | Zymo Research | T2001 | |
| ガラクトース | フィッシャー サイエンティフィック | BP656-500 | |
| 汎用冷蔵庫 | マーベル サイエンティフィ | MS24RAS4RW | |
| ヤギ抗 myc タグ抗体 | ベチル | A190-104A | |
| ミクロチューブ遠心分離機 | Eppendorf | 5425 R 5406000313 | |
| ミニ低温冷蔵インキュベーター | Fisher Scientific | 15-015-2632 | |
| マウス抗ホスホチロシン抗体 4G10 | BioXcell | BE0194 | |
| パラフィルム M | Bemis | M PM999 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 | フィッシャーバイオ試薬 | BP399-500 | |
| ピペットコントローラー | Eppendorf | easypet 3 4430000018 | |
| ラフィノース | Thermo Scientific | J21060-36 | |
| 組換えヒト活性 SHP-2 タンパク質 | R&D Systems | 1894-SH | |
| 冷蔵遠心分離機 | エッペンドルフ | 5910 R | |
| サッカロミセス セレビシエ 酵母表面表示株 EBY 100 | ATCC | MYA-4941 | |
| シェーカー インキュベーター | エッペンドルフ | M1335-0002 ニューブランズウィック イノーバ 42 | |
| シングルチャンネルピペットセット | エッペンドルフ | 05-403-151 | |
| 塩化ナトリウム | フィッシャーサイエンティフィ | S671-500 | |
| クエン酸ナトリウム二水和物 | フィッシャーサイエンティフィック | S279-500 | |
| リン酸ナトリウム二塩基性七水和物 | ッシャーサイエンティフィ | S373-500 | |
| リン酸ナトリウム一塩基性一水和物 | フィッシャーサイエンティフィック | S468-500 | |
| ストレプトアビジン Alexa Fluor 647 | Invitrogen | S32357 | |
| トップローディング天びん | メトラー トレド | ||
| トリス塩酸塩 | EMD ミリポア | 648317-100GM | |
| チューブ リボルバー ローテーター | フィッシャー サイエンティフィック | 11-676-341 | |
| 計量ペーパー | Fisher Scientific | 09-898-12B | |
| 酵母窒素ベース | BD Difco | 291940 | |
| ゼバ スピン脱塩カラム | サーモサイエンティ | 89883 |
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