このプロトコルは、Gタンパク質共役型受容体リガンド刺激による生HEK293細胞におけるGタンパク質活性化のリアルタイム測定のためのBRITベースのバイオセンサーの使用について説明しています。ここでは、β2-アドレナリン受容体とカンナビノイド1型受容体を例として、いくつかのGタンパク質サブタイプおよびさまざまなGPCRにわたるセンサーの効率を実証します。
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このプロトコルは、Gタンパク質共役型受容体リガンド刺激による生HEK293細胞におけるGタンパク質活性化のリアルタイム測定のためのBRITベースのバイオセンサーの使用について説明しています。ここでは、β2-アドレナリン受容体とカンナビノイド1型受容体を例として、いくつかのGタンパク質サブタイプおよびさまざまなGPCRにわたるセンサーの効率を実証します。
G タンパク質共役受容体 (GPCR) は膜貫通受容体の最大のファミリーを構成し、細胞外刺激を細胞内応答に形質導入することにより、細胞シグナル伝達において重要な役割を果たします。GPCRの活性化は、ヘテロ三量体Gタンパク質との相互作用を可能にするコンフォメーション変化を引き起こします。活性化すると、Gα サブユニットは GDP-GTP 交換を受け、Gβγ 二量体から解離し、下流のシグナル伝達カスケードを引き起こします。GPCR を介した G タンパク質の活性化を研究するには、生物発光共鳴エネルギー伝達 (BRET) ベースのバイオセンサーが高感度で非侵襲的なアプローチです。Schihadaらによって開発されたGタンパク質ベースのトリシストロン活性センサー(G-CASEバイオセンサー)は、活性化の代用としてヘテロ三量体の解離を検出し、単一のプラスミドトランスフェクションを使用してGPCR活性のリアルタイムモニタリングを可能にし、共トランスフェクションアプローチの限界を克服します。BRET アッセイには、バックグラウンド ノイズの低減、光退色の低減、感度の向上など、蛍光ベースの技術に比べていくつかの利点があります。 このプロトコルでは、BRET ベースの G-CASE バイオセンサーを生細胞および 96 ウェルプレートで使用しました。具体的には、β2-アドレナリン受容体(β2-AR)とカンナビノイド1型受容体(CB1R)の活性をGタンパク質活性化の観点から評価します。β2-ARを一過性にトランスフェクトしたHEK 293T野生型細胞と、CB1Rを安定的に発現するHEK293T細胞を用いて、Gs およびGi3 G-CASEバイオセンサーの堅牢性を確認しました。このプロトコルは、薬理学的研究およびハイスループットGPCRスクリーニングにおけるこのアプローチの有用性をサポートし、例えば、バイアスされたシグナル伝達 を介して 特定の経路を活性化するリガンドの能力をよりよく理解し、したがって、新しい治療化合物の発見を促進します。
Gタンパク質共役型受容体(GPCR)は、膜貫通型受容体の最大のスーパーファミリーを表し、細胞外刺激を細胞内シグナル伝達カスケードに形質導入し、特定の生物学的応答をもたらす役割を果たします。これらは極めて重要な薬理学的標的であり、市販薬の約 30% が GPCR1 に作用します。GPCRリガンド結合は、受容体のコンフォメーション変化を誘導し、ヘテロ三量体Gタンパク質および/またはGPCRキナーゼ(GRK)およびβアレスチンとの相互作用を促進し、それによって下流のシグナル伝達または受容体の内在化を開始します2。
ヘテロ三量体Gタンパク質は、GPCRシグナル伝達の主要な細胞内トランスデューサーとして機能し、Gα、Gβ、およびGγの3つのサブユニットで構成されています。これらのヘテロ三量体は、Gαサブタイプに基づいてGi/o、Gs、Gq、G12/13の4つのファミリーに分類され、それぞれが異なるシグナル伝達経路を活性化します:Gi / oサブタイプはアデニル酸シクラーゼを阻害し、Gsはそれを刺激し、GqはホスホリパーゼC-βを活性化し、G12/13はRhoファミリーGTPaseを調節します。
GPCRの活性化はそれらのコンフォメーション再構成につながり、サブ秒の速度論内での迅速なGタンパク質の関与を可能にします。このプロセスにより、G タンパク質のコンフォメーション変化が誘導され、Gα サブユニットにおける GDP-GTP 交換が促進されます。GTP結合は、Gαサブユニットのコンフォメーションをさらに変化させ、その結果、Gβγ二量体から解離し、シグナルの伝播を可能にします。したがって、Gタンパク質は、アデニル酸シクラーゼやイオンチャネルなどの多様なエフェクタータンパク質を調節することにより、細胞応答の特異性と時間的ダイナミクスを調節する上で重要です3,4,5。
このプロトコルは、生細胞におけるGPCRリガンド刺激時に、生物発光共鳴エネルギー伝達(BRET)ベースのバイオセンサーを使用したGタンパク質の活性化または不活性化の測定の概要を示しています。 Gタンパク質バイオセンサー6,7,8,9の先駆的な研究に触発されたG-CASE(Gタンパク質トリシストロン活性センサー)システムは、Schihadaらによって導入され、標識されたG αとGβγサブユニット間のBRETに基づいており、単一のプラスミドトランスフェクションのみを必要とする合理化されたアプローチを提供します。この特徴により、ヘテロ三量体Gタンパク質の3つのサブユニット(Gα、Gβ、およびGγ)をコードする複数のプラスミドの共トランスフェクションに関連する感度が向上し、課題が軽減されます。これらのセンサーは、学術研究グループに商業的に提供されています( 材料表を参照)。
BRET には、Förster Resonance Energy Transfer (FRET) に比べて大きな利点があります。BRITでは、外部光源を必要とせずに、生物発光ドナーと蛍光アクセプターの間でエネルギー伝達が行われます。この固有の生物発光により、自家蛍光や光散乱などのFRETに関連する問題が軽減され、その結果、バックグラウンドシグナルが低くなり、アッセイ感度が向上します6,7,11。
BRET には外部励起がないため、光退色と光毒性の影響が最小限に抑えられ、FRET と比較してバックグラウンド信号が低くなります。その結果、BRETアッセイはほとんどの場合、感度が向上し、構成活性GPCRのGタンパク質活性化の測定が可能になります。BRET アッセイの感度の向上により、微妙な生物学的相互作用の検出が容易になり、これは受容体活性の正確な測定が重要な薬理学的研究において特に価値があります。
これらのバイオセンサーは、Scott-Dennisらによって最近実証されたように、96ウェルまたは384ウェルプレートでのハイスループットスクリーニングに変換することができ、カンナビノイド受容体CB1RおよびCB2Rの活性を分析するために、これらのバイオセンサーを使用する方法がメンブレンベースの384ウェルアッセイで開発されました12。本稿では、Gs タンパク質とクラスAGPCRに属するCB1Rに結合し、Gi/o ファミリータンパク質を活性化するクラスAプロトタイプGPCRとしてのβ2-ARの活性を測定することにより、生細胞の96ウェルプレートにおけるこれらのバイオセンサーの使用について説明します。2つのG-CASEバイオセンサーの使用が検証されています:HEK 293T細胞におけるG-s およびGi3 は、GPCRが一過性(β2-ARを使用)または安定的に発現(CB1Rを使用)します。
この実験はさまざまな細胞株で実行でき、さまざまな細胞環境にわたるこの技術の多用途性と堅牢性を実証することに注意することが重要です。これにより、この方法をさまざまな実験モデルに適用できることが保証され、さまざまな生理学的および薬理学的設定で GPCR シグナル伝達を研究するための貴重なツールになります。 図1 は、BRITベースのGタンパク質活性センサーの原理を示しています。

図1:BRITベースのGタンパク質活性センサーの原理。 Gタンパク質センサーは、Gα、ネイティブGβ、Gγの3つのサブユニットで構成されています。Gα サブユニットは小さくて明るいナノルシフェラーゼ(Nluc)に融合し、Gγ サブユニットは円形に並べ替えた金星(cpVenus173)でN末端標識されています。これらの操作されたGタンパク質サブユニットをコードする遺伝子は、単一のプラスミドに結合されます。GPCRへのリガンド結合は、GPCRのコンフォメーション変化を誘導し、Gタンパク質の動員とそれに続く解離を促進し、それに続くGTP加水分解を促進します。この解離によりパートナー間のエネルギー伝達が妨げられ、その結果、BRET 信号が減少します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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この研究で使用された試薬と機器は、 材料表に記載されています。
1. ウェルプレート播種(1日目)
注:無菌状態を維持するために、滅菌層流フード内のすべての細胞培養プロトコルに従ってください。透明な平底を持つ白いウェルプレートは、細胞の成長と生存率を追跡するために使用されます。手順3.2.1のステッカーの使用を避けるために、フルホワイトウェルプレートを使用してください。
2. プラスミドトランスフェクション(2日目)
注:細胞トランスフェクションは、プレーティング前の1日目、ステップ1.2.7中に懸濁細胞に対して、および3日目にデータ取得に実行できます。
3. データ取得(3日目)
4. データ分析
メモ:各読み取りのデータを個別のデータスプレッドシートファイルに収集します。




図2:BRETアッセイを実行するための主要なステップ。このプロトコルで概説されている3つの主要な実験ステップ(細胞播種、細胞トランスフェクション、およびBRETシグナル取得)の概要と、データ取得のための詳細なステップワイズガイド。実験セットアップ:1日目に、細胞は、30,000細胞/ウェルの密度で平らで透明な底を持つPLLプレコートされた白色の96ウェルプレートに播種されます。2日目に、選択したGタンパク質センサーを、研究したGPCRまたはpcDNA3.1プラスミドのいずれかとともに細胞にトランスフェクトします。24時間のインキュベーション後、リガンド添加時の生物発光および蛍光測定値によってGタンパク質センサー活性を測定します。データ収集:細胞のHBSS洗浄後、80 μLのHBSSをウェルに添加し、535/30 nmモノクロメーターを使用して500 nmから600 nmの間でcpVenus173蛍光発光を測定します(1)。次に、Nluc生物発光は、フリマジンの添加前(2)と(3)の両後に、450/40nmモノクロメーターを使用して400 nmから600 nmの間で測定されます。最後に、基礎およびリガンド誘発性Gタンパク質活性のBRETシグナルは、それぞれ450/40nmおよび535/30nmモノクロメーターを使用して、3分(測定間隔0.30秒で60秒の3サイクル)(4)および16分(測定間隔0.30秒で60秒の16サイクル)にわたって測定されます(5)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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実験のセットアップと実行の一般化されたスキームを 図2に詳細に示します。2つのGPCRのリガンド活性化後のG-s またはGi/o ファミリータンパク質の活性化は、G-CASEバイオセンサーを使用して評価されました。まず、プロトタイプファミリーA GPCRを研究し、β2-ARをHEK 293T細胞に一過性にトランスフェクトしました。アゴニスト(すなわち、イソプロテレノール)をGs(short)-CASEタンパク質センサーとともにβ2-ARを発現するHEK wt細胞に適用すると、BRETシグナルの濃度依存性の減少が観察され、Gs タンパク質の活性化が示されました(図3B)。ΔBRET 値は、飽和に達するまでリガンド濃度に応じて減少し、リガンド刺激の約 5 分後にプラトーが観察されました。対照的に、空のpcDNA3.1プラスミドとGs(short)-...
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本プロトコルは、特定のリガンドによるGPCR刺激に応答して生細胞におけるGタンパク質活性化をリアルタイムで測定するためのBRETバイオセンサーの使用について説明しています。このアプローチは、生物発光ドナー-アクセプターエネルギー伝達原理を使用することにより、受容体活性化時のヘテロ三量体 G タンパク質のコンフォメーション変化と解離の検出を可能にし、GPCR シグナル伝達を研究するための堅牢で高感度のプラットフォームを提供します。このプロトコルは、クラスBおよびクラスC GPCRおよび孤立GPCRを含むさまざまなGPCRファミリーに適応および適用できます10,12。例として、クラスA GPCR、β2−AR、およびCB1Rによる結果が本明細書に報告される。
対応するアゴニストによるGPCR刺激は、Gタンパク質の動員を誘導し、最終的に2つのサブユニットに解離します:片側のGα と他方...
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著者らは開示するものは何もない。
HEK-CB1細胞はM. Guzman(コンプルテンセ大学、マドリッド、スペイン)からの親切な贈り物であり、β2-アドレナリン受容体プラスミドはD. Perrais(IINS、学際的な神経科学研究所、ボルドー、フランス)からの親切な贈り物でした。Gi3-CASEおよびGs(short)-CASEは、Gunnar Schulte(Addgeneプラスミド#168122;Addgeneプラスミド#168124)。イラストの一部は BioRender.com を使用して作成されています。この研究は、フランスの Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche と、フランス国立研究機関 (ANR) PolyFADO (ANR-21-CE44-0019)、AlzCaBan (ANR-24-CE44-4647)、および SCHIZOLIP (ANR-22-CE44-0034) からの資金提供によって支援されています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 高度な96ウェル培養プレート、白色で透明な平底、蓋付き、Greiner bio-oneです | ドゥッチャー | 655983 | |
| BrightMax クリアライン ホワイトフィルム | ドゥッチャー | 760245 | |
| クラリオスターLVF | BMGラボテック | ||
| ジメチルスルホキシド(DMSO) | シグマ | D4540 | |
| DPBSは塩化カルシウムおよび塩化マグネシウムを含まない液体で、無菌ろ過済みで、細胞に適合しています | シグマ | D8537 | |
| ダルベッコ改良型イーグル」s中(DMEM)グルタMAX | シグマ | D0822 | 37度で温かい;使用前のC水浴 |
| 胎児用牛血清(FBS) | シグマ | F9665 | |
| Galphai3-Nluc-Gbeta1-Ggamma2-Venus | アッドジーネ | 168122 | https://www.addgene.org/Gunnar_Schulte/ グンナー・シュルテからの贈り物 |
| Galphas(ショートアイソフォーム)-Nluc-Gbeta3-Ggamma1-金星 | アッドジーネ | 168124 | https://www.addgene.org/Gunnar_Schulte/ グンナー・シュルテからの贈り物 |
| HEK-293Tが安定的にCB1Rを発現(HEK CB1) | M. グスマン(コンプルテンセ大学、マドリード、スペイン)からのご厚意 | ||
| HEK-293T 野生型(HEK重量) | |||
| イソプロテレノール | シグマ | I6504 | H20に溶け込み、&ndashに保存;20 & deg;C |
| リポフェクタミン 2000 | インビトロジェン | 11668019 | |
| Opti-MEM I 低減血清中GlutaMAXサプリメント | フィッシャー | 11564506 | |
| pcDNA3 フラグ β-2-アドレナリン作動受容体タグ FLAG C-ter | D. ペレ(IINS、ボルドー)よりご厚意で寄贈されました | ||
| pcDNA3.1-(空)-TAG | アッドジーネ | 138209 | |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | シグマ | P4333 | |
| ポリL-リジン溶液(PLL) | シグマ | RNBL7086 | |
| トリプシン-EDTA | シグマ | T3924 | |
| 勝利:55,212-2 | ケイマン・ケミカルズ | 10009023 | DMSOに溶合され、&ndashに保管されています。20 & deg;C |
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This corrects the article 10.3791/68463