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方法論記事

SMAD2/SMURF2をモデルとした哺乳類細胞溶解液におけるユビキチン検出の比較戦略

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DOI:

10.3791/69321

2026年4月17日

この記事について

サマリー

ユビキチン化は細胞内タンパク質機能の重要な調節因子です。ここでは、哺乳類細胞における基質タンパク質のユビキチン化レベルを検出するための2つの細胞溶解法を説明し、それらのユビキチン化レベルの解析効果を比較します。HEK293T細胞内のタンパク質過剰発現は一時的なトランスフェクションによって誘導され、ウビキチン化タンパク質はウェスタンブロット解析によって検出されました。

要約

ユビキチン化は翻訳後の修飾であり、細胞内タンパク質機能の重要な調節因子です。ユビキチン化は、プロテアソームの分解を促進したり、ユビキチン連鎖依存性シグナル伝達を介して細胞内局在を変化させることでタンパク質機能を調節します。ここでは、HEK293T細胞におけるSMAD2ユビキチン化レベルを検出するための2つの細胞溶解法を説明し、タンパク質ユビキチン化レベルの解析における効果を比較します。細胞内のタンパク質過剰発現は一時的なトランスフェクションによって誘導されました。プラスミド(HA-Ub、FLAG-SMAD2、MYC-SMURF2)およびトランスフェクション試薬は別々に基礎培地に加え、混合して細胞に加えました。収穫前に、プロテアソーム分解を阻害し、ユビキチン化タンパク質の蓄積を促進するためにMG132が添加されました。両実験アプローチの主な違いは、細胞溶解法である氷浴法(4°Cで実施)と熱処理法(95°Cでの培養を含む)にあり、これらはタンパク質溶解の効率に大きな影響を与えます。細胞溶解が完了した後、細胞溶解液、アガロースビーズ、FLAG抗体を混合し、4°Cで一晩培養しました。その後、ウエスタンブロット解析でユビキチン化タンパク質を検出しました。ユビキチン化タンパク質を検出する前に、二次抗体培養にはライトチェーン抗体が用いられていました。その後、ユビキチンバンドが検出されました。結果は、氷浴法と熱処理法の両方がユビキチン化レベルの検出に用いられ、熱処理法はSMAD2のユビキチン化検出を容易にする可能性があることを示しています。本研究は、SMURF2/SMAD2をモデルとして用いて哺乳類細胞におけるユビキチン化レベルを測定する2つの細胞溶解法を明確にし比較し、基質タンパク質のユビキチン化レベルをより適切に検出する方法を選ぶ研究者を支援します。

概要

ユビキチン化は、翻訳後不可欠の修飾であり、細胞内タンパク質機能の重要な調節因子です真核生物のタンパク質の80%以上の分解を媒介するユビキチン-プロテアソーム系(UPS)は、ユビキチン(Ub)、E1活性化酵素、E2共役酵素、E3リガーゼ、脱ビビキタイル化酵素(DUB)、および26Sプロテアソーム2で構成されています。このシステムはタンパク質のターンオーバーを高い特異性で調節し、細胞周期進行3、シグナル伝達4,5、ストレス応答6,7などの重要な細胞プロセスを制御します。ユビキチン化は多段階の酵素プロセスです。E1はATPを加水分解してUbのC末端をアデニル化し、Ub-AMP中間体を形成します。その後、活性化されたUbはE1からE2共役酵素の活性部位システインへ移され、チオエステル結合を形成します。最後に、E3リガーゼがE2-Ub複合体と標的タンパク質の両方をリクルートし、UbをE2から基質8上のリジン残基へ移動させる触媒となります。

ユビキチンは7つのリジン残基(Lys6、Lys11、Lys27、Lys29、Lys33、Lys48、Lys63)またはMet1(M1)4)での連結を通じて多様なポリユビキチン鎖を形成できます。各連鎖タイプは異なる生物学的結果を決定づけます。K48連結鎖は主にタンパク質を標的にプロテアソーム分解を行い、K63連結鎖はシグナル伝達とDNA修復を調節し、M1連結鎖は自然免疫応答に不可欠です12ユビキチン化および脱ユビキチン化は、タンパク質分解からシグナル伝達に至るまで、多様な細胞イベントを支配する重要な翻訳後修飾プロセスです。例えば、大腸がんでは、MDM2介在のp53ユビキチン化の異常活性化がp53の過剰な分解を引き起こし、細胞周期停止やアポトーシスを誘導する能力を損なうため、腫瘍の進行や化学療法耐性を促進する(13,14)。肝虚血再灌流損傷において、OTUD1はK48結合ポリウビビキチン化を除去することでNRF2を安定化させ、細胞内酸化ストレスレベルを緩和します15,16。ボルテゾミブ、カルフィルゾミブ、イキサゾミブなどのプロテアソーム阻害剤は、多発性骨髄腫17,18,19などの疾患に対して臨床に段階的に導入されています。

現在、ウビキチン化タンパク質を検出する多くの方法があり、ウェスタンブロッティング、放射能分析法、蛍光アッセイ20などがあります。しかし、科学研究においては、ウェスタンブロットは比較的迅速かつ単純なプロトコルであるため、タンパク質のユビキチン化検出において依然として好まれています。ユビキチン化タンパク質の従来の検出方法は共免疫沈殿(co-IP)技術に似ており、低温で細胞ペレットを培養・溶解してタンパク質を放出し、その後抗体を用いて基質タンパク質のユビキチン化を検出します。しかし、この実験プロトコルはしばしば多数の細胞を必要とします。さらに、低温での比較的穏やかな溶解法ではタンパク質相互作用を完全に破壊できないため、検出されたユビキチン化における偽陽性の可能性が高まります。加熱とSDSの使用はタンパク質構造を著しく破壊し、完全な変性を誘発することで、タンパク質間相互作用による偽陽性結果を効果的に減少させることができます(23,24,25)。同様に、細胞は加熱とSDS処理で十分な溶解を受け、より多くのタンパク質を放出し、それに伴い実験に必要な細胞数を減少させます。まとめると、アイスバス法と熱処理法の両方が溶細胞を検出し、抗体培養によって基質タンパク質のユビキチン化レベルを検出します。しかし、加熱法は細胞溶解の増加とタンパク質の変性強化をもたらします。

TGF-βは様々な疾患の病態生理学的過程において二重の役割を果たします26,27。SMAD2はTGF-βの重要な下流転写因子です。SMURF2介在のSMAD2ユビキチン化により、SMAD2はプロテアソーム分解を標的とし、TGF-βシグナル強度28を微調整します。本研究は、SMURF2/SMAD2をモデルとして用いて、哺乳類細胞におけるユビキチン化レベルを測定するための2つの細胞溶解法を明確にし比較します。ここでは、HEK293T細胞におけるタンパク質の過剰発現は、HA-Ub、FLAG-SMAD2、MYC-SMURF2プラスミドによる一時的なトランスフェクションによって誘導されました。細胞はそれぞれ氷浴法と熱処理法で溶解されました。ウビキチン化タンパク質はウェスタンブロット解析で検出されました。私たちは、氷浴法と熱処理法の両方を用いてユビキチン化レベルを検出できることを発見し、熱処理法はSMAD2のユビキチン化を検出しやすくする可能性があると見出しました。このプロトコルは、ユビキチン化タンパク質の検出に新たな代替手段を提供します。さらに、ユービキチン化に強く関与する特定の基質タンパク質では、熱処理法によりタンパク質分解効率が向上し、ユビキチン化の検出が容易になります。

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プロトコル

1. 溶解バッファーおよび試薬の調製

注意:すべてのバッファーを指定された濃度で準備してください。濃度の差を避けるために、試薬粉末の製造方法に従ってください。

  1. 20 mM トリスHCl(pH 7.4)、50 mM NaCl、1 mM EDTA(pH 8.0)、および1%トリトンX-100を含む溶解バッファーを準備します。必要に応じてNaCl濃度を50〜150 mMの間で調整してください。すべてのバッファーは二重蒸留水素で準備します。
  2. 溶解バッファーに1%プロテアーゼ阻害剤カクテル(EDTAなし)を補足して作動液を準備します。よく混ぜて、使うまで氷に置いておいてください。
  3. 10%SDSを10 mLのPBSに溶かして10%のSDSを製製します。完全に溶けるまで混ぜます。常温で保存してください。
  4. 250 mM トリスHCl(pH 6.8)、10% SDS、50% グリセロール、0.5% ブロモフェノールブルー、5% β-メルカプトエタノールを含む5×タンパク質ローディングバッファーを準備します。成分を二重蒸留水素に溶かします。使用前に十分に混ぜてください。
    注意:適切な防護具を着用し、排気フード内でSDSおよびβメルカプトエタノールを取り扱ってください。汚染物質は機関の化学廃棄物ガイドラインに従って処分してください。

2. 細胞の準備

  1. 高グルコースDMEMでHEK293T細胞を10%のFBSと1%のペニシリン・ストレプトマイシンを補足して維持します。滅菌条件下で37°Cで5%のCO₂を含んで培養します。通路細胞は約90%の合流率でいます。
  2. 6ウェルプレートに種付き細胞を1ウェルあたり5×10⁵セルで配置します。2つの井戸からセルをプールして1つのサンプルを生成します。
  3. トランスフェクション混合物を全培養体積の10%に分けて準備し、実験モデルとしてSMAD2ユビキチン化を用います。100μLの血清フリーDMEMに1μgのHA-Ubプラスミド、1μgのFLAG-SMAD2プラスミド、0.5μgの空ベクターまたはMYC-SMURF2プラスミドを組み合わせます。別のチューブで、3.75μLのトランスフェクション試薬を100μLの血清フリーDMEMに希釈します。試薬混合物をプラスミド溶液に滴ずつ加え、室温で15分間培養し、細胞に均等に分散させます。
  4. 6〜8時間後にトランスフェクション培地を1ウェルあたり2mLの新鮮な完全DMEMに置き換えます。細胞を48時間培養します。
  5. 採取前に5μM MG132で12時間処理します。
    注意:MG132は手袋を着用したままバイオセーフティキャビネットで取り扱ってください。汚染物質は施設の安全手順に従って処分してください。

3. 細胞の収集

  1. 細胞は90〜100%の合流率(~3 × 10⁶ セル)で収穫します。培地を吸引し、それぞれ1mLの冷えたPBSで洗浄します。PBSを完全に削除してください。
  2. 各ウェルに1mLのPBSを加え、細胞を優しく再懸濁させます。懸濁液を1.5mLのチューブに移し、氷の上に置きます。
  3. 遠心分離機で380 × g、4°Cで5分間加熱します。 上澄液を取り除き、ペレットを保持します。

4. アガロースビーズの準備

  1. サンプルごとに50μLのプロテインA/Gアガロースビーズを新しいチューブに移します。ビーズを1 mLの溶解バッファーで3回洗います。洗浄の間隔で100× g で4°Cで1分間遠心分離機を置きます。
  2. ペレットを乱さずに残留バッファーを取り除きます。作動液100μLと抗FLAG抗体5μLを加えます。4°Cで6時間、穏やかな回転させて孵化させます。

5. 細胞溶解

  1. アイスバス法
    1. ペレットに500μLの予備冷却済み作業液を加えます。氷で30分間孵化します。
    2. ソニックは2Wで、4秒オン/4秒オフサイクルを5回繰り返します。超音波検査中はサンプルを氷に保管してください。残りのインキュベーション期間中はサンプルを氷に戻してください。
      注:弱いタンパク質相互作用については、NaCl濃度を50〜75 mMに減らし、超音波検査は省略してください。
  2. 熱処理方法
    1. ペレットに45μLの作動溶液を加えます。連続的に混ぜながら10%のSDSを5μL加えます。
    2. 一時的に渦を巻き、95°Cで加熱し、懸濁液が透明化し完全に液状化するまで加熱します。均一な変性を確保するために断続的に反転させてください。
    3. 作業液450μLを加えます。2Wでソニックを使い、4秒オン/4秒オフサイクルを5回繰り返し、サンプルを氷に保管します。
      注意:最終SDS濃度は<0.1%のままにしてください。可視ペレットの消失と溶液の均一な透明度を確認し、完全な溶解を確認します。

6. 免疫沈殿およびユビキチン化検出

  1. 遠心分離機は13,680 × g で4°Cで15分間溶解します。 上澄液を新しいチューブに移します。
  2. 溶解液60μLを残し、5×ローディングバッファー15μLを加えます。95°Cで15分間加熱し、入力としてラベルを貼ります。
  3. 残りの溶解液に抗体結合ビーズ100 μLを加えます(最終体積540 μL)。4°Cで8〜12時間、ローテーションしながら培養します。
  4. 遠心分離機で100 × g で4°Cで1分間ビーズし、上清液を捨てます。ビーズをリシスバッファーで3回洗います。1×SDSローディングバッファーを75μL加え、95°Cで15分間加熱してタンパク質を溶出します。IPとしてラベルを貼る。
  5. 標準的なJoVEプロトコルに従い、ウエスタンブロットでユビキチン化タンパク質を検出します。
    注:詳細な転送および検出手順についてはウェスタンブロットプロトコル29 を参照してください。分子量マーカー付きの全長未クロップドのブロットは 補足ファイル1に掲載されています。

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結果

TGF-βシグナル伝達経路における「分子メッセンジャー」として、SMAD2はTGF-β受容体によるリン酸化を受けた後、SMAD3およびSMAD4と複合体を形成し、核に移座して下流標的遺伝子30の転写を開始します。したがって、細胞外信号と細胞内遺伝子発現を結びつける重要な分子です。その分解は、標的タンパク質のポリユビキチン化を触媒し、プロテアソーム分解を標的にするE3ユビキチンリガーゼであるSMURF2によって媒介されます。このSMURF2介在のSMAD2分解は、TGF-βシグナル伝達の終了、下流遺伝子の過剰な活性化の防止、細胞の恒常性維持に不可欠です。SMURF2がSMAD2を分解する過程は、肺線維症など複数の疾患で機能的役割を果たす。SMURF2によるSMAD2分解の減少は、過剰なSMAD2蓄積と線維化遺伝子の過剰発現を引き起こす32。がんにおいて、SMURF2介在のSMAD2分解の強化は、初期がんにおける腫瘍抑制の役割を抑制...

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ディスカッション

本研究は、E3リガーゼ媒介基質のユビキチン化を検出するために特化した2つの詳細なタンパク質溶解プロトコルを提示し比較します。検出可能性を確保するために、細胞内でプラスミドベースの過剰発現(例:タグ付きSMAD2、SMURF2、またはUb)を使用し、これにより特定のユビキチン化シグナルを可視化するのに十分なタンパク質レベルが得られ、本研究におけるE3リガーゼ-基質相互作用の検証に重要でした。細胞採取前に、強力なプロテアソーム阻害剤であるMG132が添加され、プロテアソーム媒介によるユビキチン化タンパク質の分解を阻害しました。このステップにより、ユビキチンタンパク質の結合体が蓄積され、その後のアッセイでユビキチン化シグナルの検出性が向上しました。MG132の作動濃度範囲は一般的に5〜50μMで、処理時間は24時間を超えないようにすべきです。MG132は半減期が短い速作用型プロテアソーム阻害剤であるため、長期プロテアソーム阻害が必要な場合は、代替のプロテアソーム阻害剤を検討するか、実験中にMG132を含む新しい培地に置き換える必要があります。脱ビビキチン化は、20 mM N-...

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開示事項

著者には利益相反を主張するものはありません。

謝辞

この研究は中国国家自然科学基金(Nia Natural Science Foundation)の支援を受けており、82370647号(W.H.)、第82170642号(J-X.)が支援しました。Z)、81801923号(X-F.Z)、81670575号(J-X.Z)、番号81570570(W.H.)および番号81070355(J-X.および華中科技大学学術フロンティア青年チームプログラム(2018QYTD02)を受賞しました。湖北再生医療および学際的トランスレーショナル研究重点研究所オープン財団(2022zsyx003)。中国国家重点研究開発プログラム(2024YFA1107601)。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1.5 mLマイクロチューブサービスバイオEP-150-M
100 mm TC処理済み培養皿サービスバイオCCD-100
6ウェル円盤サービスバイオCCP-6H
アンチFLAG抗体プロテインテック20543-1-AP希釈はIPに1:200、WBに1:10000を使用。
抗GAPDH抗体プロテインテックMA5-15738希釈使用量:1:10000
抗HA抗体プロテインテック51064-2-AP希釈使用量:1:10000
抗IgG抗体CST#3900希釈はIPに1:200を使用しました
抗MYC抗体プロテインテック60003-2-Ig希釈使用量:1:10000
抗SMAD2抗体CST#5339希釈はIPに1:200、WBに1:2000を使用しました。
ブロモフェノールブルーサービスバイオGC307006-5g
EDTA (pH=8.0)サービスバイオG1207-1L
FBSABW
グリセロールシノファーム10010618
加熱・冷却ドライバス国城
HEK293T細胞ATCCCRL-3216
高グルコースDMEMサービスバイオG4515-500ML
HRP結合ヤギ抗マウスIgGライトチェーンおよびnbsp;アブクローナルAS062希釈使用量:1:5000
HRP結合マウス抗ウサギIgGライトチェーン アブクローナルAS061希釈使用量:1:10000
リポ8000ビヨタイムC0533
MG132アラジンM421264
マイクロ遠心分離機ラブギックCF1524R
NaClパウダーサービスバイオGC102004
PBS サービスバイオG4202-500ML
pCMV-FLAG-SMAD2哺乳類の発現について
pCMV-HA-Ub哺乳類の発現について
pCMV-MYC哺乳類の発現について
pCMV-MYC-SMURF2哺乳類の発現について
ペニシリン・ストレプトマイシンサービスバイオG4003-100ML
EDTAなしのプロテアーゼ阻害剤カクテルターゲットモルC0001
プロテインA/GアガロースビーズビヨタイムP2017
PVDF膜ヴァイズメE801
SDSパウダーソーラービオS8010-500g
SDS-PAGEシステムシステムテムAervicebioBVE4-BVT4
ソニックスウイブラ・セル
トリスHCl粉末バイオトップHST-0372
トライトン X-100サービスバイオGC204003-100ml
トリプシンサービスバイオG4021-100ML
ボルテックスミキサーヴァイズメよりご厚意で寄贈されました
&β;-メルカプトエタノールアラジンM301573

参考文献

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