変異型メチオニンtRNA合成酵素マウス株を用いた複合体組織からの細胞型特異的タンパク質精製・同定
April 13th, 2022
このプロトコルでは、変異型L274G-メチオニンtRNA合成酵素(MetRS*)を発現するマウス株を使用して、アジドノールロイシン(ANL)による細胞種特異的タンパク質標識を実行する方法と、標識された細胞種特異的タンパク質の単離に必要な手順について説明します。生きたマウスにおける2つの可能なANL投与経路を、(1)飲料水と(2)腹腔内注射によって概説します。
このプロトコルにより、細胞タイプ特異的な方法でタンパク質を標識することができます。これはそのような可能性を提供する最初の技術であり、インビトロまたはインビボで行うことができます。この技術の主な利点は、標識された細胞型特異的タンパク質を未同定で精製したり、免疫蛍光によってその場で可視化したりできることです。
組織の湿重量の12〜15倍の容量で溶解緩衝液を添加して組織ライセートを調製し始め、均質になるまで組織を粉砕する。このホモジネートを摂氏75度に15分間加熱してタンパク質を変性させ、サンプルを遠心分離して上清を新しいチューブに移します。このサンプルは摂氏マイナス80度で保存できます。
次に、アルキル化のために、均質化した試料をEDTA非含有プロテアーゼ阻害剤を含むリン酸生理食塩水緩衝液で2〜3倍に希釈する。次に、新たに調製したヨードアセトアミドを最終濃度20ミリモルまで加えます。暗所で摂氏20度でサンプルを1〜2時間放置します。
ヨードアセトアミドの添加とインキュベーションの手順を2回繰り返します。最初にカラムをボルテックスすることにより、製造元の指示に従ってカラムを準備します。次に、蓋を外して底部を切断し、遠心分離します。
次に、最初にクリックケミストリー交換バッファーを使用してバッファー交換カラムを平衡化し、次にすべてのアルキル化サンプルを交換することにより、バッファー交換を実行します。アジドノルロイシンの取り込みを評価するには、ほのめかしたサンプルを40マイクロリットル取り、リン酸生理食塩水を最終容量120マイクロリットルに加えます。次に、反応を20秒間ボルテックスすることにより、クリック化学反応を設定します。
各試薬を指示された順序でできるだけ早く添加した後、サンプルを摂氏4度の暗所で一晩連続回転させてインキュベートします。翌日、遠心分離後、サンプルを17, 000倍Gで5分間遠心分離すると、わずかにターコイズブルーのペレットが見えます。上清を新しいチューブに移し、サンプルを摂氏マイナス80度で保存します。
標識タンパク質精製用。平衡化バッファーとしてニュートラアビジン結合バッファーを使用して遊離アルキンの残り物を洗浄することが実証されているように、すべてのサンプルをバッファー交換手順にかけます。次に、ニュートラアビジン高容量ビーズを結合バッファーと混合することにより3回洗浄します。
混合物を遠心分離し、上清を捨ててこれを3回繰り返す。次に、同量のニュートラアジンドライビーズとニュートラアビジン結合バッファーを加えて1対1のスラリーを調製します。各サンプルを前精製ライセートとして20〜40マイクロリットル確保し、摂氏マイナス20度で保管します。
試料のタンパク質濃度を測定した後、1ミリグラムのタンパク質を40マイクロリットルのビーズスラリーと混合する。混合物を摂氏4度で一晩インキュベートし、連続的に回転させて標識タンパク質をビーズに結合させます。翌日遠心分離により上清を回収する。
後で分析するために上清の20〜40マイクロリットルのアリコートを取っておき、残りを摂氏マイナス80度で凍結します。次に、洗浄バッファー1液に冷やしたニュートラアビジンを加えてビーズを3回洗浄する。ビーズを沈降させ、上清を捨てる。
次に、同じバッファーを追加し、上清を廃棄する前に、摂氏4度で連続回転下でビーズを10分間インキュベートします。ニュートラアビジン洗浄バッファー2および3で洗浄を繰り返し、使用した乾燥ビーズの1容量に相当する量のニュートラアビジン溶出バッファーと共にビーズを摂氏20度で30分間インキュベートすることにより、クリックされたタンパク質を溶出する。溶出中は、サーモブロックシェーカーでビーズを毎分1000回転で懸濁状態に保ち、両方の溶出液を2回組み合わせます。
クリック反応は、SDSページおよびウエスタンイムノブロットによって分析した。腹腔内注射によるアジドノルロイシン投与および飲料水を介したアジドノルロイシン投与について、実験の代表的な画像を示す。さらなる実験は、最適なジスルフィドビオチン切断可能なアルキン濃度を決定するための例を提供する。
この例では、標識サンプルとコントロールとの間のフォールド変化は、14マイクロモルアルキン濃度で最も高くなります。対照と比較したアジドノルロイシン標識試料中の明確な富化を伴う質量分析結果の例をここに示す。この違いは、総タンパク質染色ですでに見られていました。
ペプチド強度の変化に加えて、両方のサンプルに見られるユニークなタンパク質もあります。これは技術的に複雑なプロトコルであり、適切なネガティブコントロールアルキル化、適切(不明瞭)、および非クリックアーカイブの適切なクリーニングを使用して、慎重に手順に従う必要があります。このプロトコルにおける当社の重要なステップである精製タンパク質は、研究者がタンパク質を研究することに興味がある場合は質量分析によって同定するか、ウェスタンブロットによって目的のタンパク質を研究するためにゲルにロードすることができます。
特定の細胞起源からのタンパク質を標識するこの方法の能力は、タンパク質の張力またはインビトロまたはインビボでのタンパク質合成の研究など、多くの用途があります。
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概要
このプロトコルは、変異体L274G-メチオニンtRNA合成酵素（MetRS*）を発現するマウスモデルを用いて、アジドノルロイシン（ANL）による細胞タイプ特異的タンパク質ラベリングの新しいアプローチを説明しています。この技術は、タンパク質合成と細胞機能の研究を促進するために、in vitroおよびin vivoでのタンパク質のラベリング、精製、可視化を可能にします。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- 細胞生物学
- タンパク質化学
背景
- このプロトコルは、特定の細胞タイプに特異的なタンパク質の選択的ラベリングを可能にします。
- in vitroとin vivoの両方の応用を示しています。
- アジドノルロイシンの使用は、タンパク質ラベリング技術の進歩を表しています。
- 免疫蛍光は、ラベル付けされたタンパク質の可視化に使用できます。
研究の目的
- 細胞タイプ特異的タンパク質を分離する方法を確立すること。
- タンパク質ラベリングと精製の詳細な手順を提供すること。
- 様々な細胞環境でのタンパク質合成の分析を強化すること。
使用された方法
- 研究には、タンパク質ラベリングのためにMetRS*を発現するマウスモデルが含まれています。
- 詳細な手順には、組織溶解物の調製、アルキル化、およびNeutravidinビーズを使用した精製手順が含まれています。
- アジドノルロイシンの組み込みを評価するためにクリック化学反応が使用されています。
- ANLの経口投与と腹腔内投与の両方のプロトコルが記述されています。
主な結果
- 様々な精製技術を通じて、タンパク質ラベリングの成功が実証されました。
- ラベル付けされたサンプルの明確な区別が観察され、アジドノルロイシンの効果的な組み込みを示しています。
- 主要な発見には、研究中の生物学的プロセスに関連する可能性のあるユニークなタンパク質の同定が含まれています。
- このプロトコルは、信頼性を確保するための厳密な管理と慎重な実行を強調しています。
結論
- この研究は、細胞タイプ特異的タンパク質を研究するための独特で複雑なプロトコルを提供しています。
- タンパク質をラベル付けする能力は、細胞メカニズムとタンパク質合成に関する貴重な洞察を提供します。
- この研究結果は、様々な生物学的機能と疾病モデルの理解を進める可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Cell-type-specific protein labeling and purification using the MetRS* mouse line enables precise interrogation of proteomic changes within complex tissues, supporting mechanistic de-risking and target validation in early discovery. This approach reduces sample complexity, allowing for the identification of subtle proteomic shifts relevant to disease and therapeutic intervention. The method enhances predictive confidence at critical inflection points in the discovery pipeline by enabling direct measurement of newly synthesized proteins in defined cellular populations.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct assessment of protein synthesis dynamics in specific cell types within heterogeneous tissues.
- Supports functional target validation by isolating proteomic changes linked to genetic or pharmacological perturbations.
- Facilitates mechanistic de-risking by clarifying cell-type contributions to disease-relevant pathways.
- Improves predictive confidence for target engagement and downstream biological effects.
Screening & Assay Development
- Provides validated, cell-type-specific proteomes for downstream assay development and screening workflows.
- Enables quantitative and reproducible measurement of newly synthesized proteins for assay standardization.
- Supports scalability and platform reuse by allowing both in vitro and in vivo applications.
- Improves reliability of compound evaluation by reducing background from non-target cell types.
Translational & Preclinical Research
- Aligns proteomic outputs with disease-relevant cellular populations for translational biomarker discovery.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation by tracking protein synthesis in vivo.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by providing cell-type-resolved proteomic data.
- Enhances predictive de-risking for translational research by clarifying cellular mechanisms.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical research, providing a reusable platform for cell-type-specific proteomic analysis.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling selective protein labeling in defined cell populations.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative proteomic outputs for assay readiness and compound screening.
- Analytics: Provides mass spectrometry and immunoblot readouts to compare proteomic profiles across experimental conditions.
- Translational Research: Connects discovery-stage findings to preclinical models by enabling in vivo protein synthesis tracking.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, scalable workflow for repeated use across diverse research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable proteomic workflows.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions and capital efficiency by clarifying cell-type-specific effects.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in proteomics, mouse genetics, and click chemistry techniques.
- Demands access to mass spectrometry, immunoblotting, and specialized labeling reagents.
- Necessitates rigorous cross-team standardization and negative controls to ensure data reliability.
- May require adaptation for different tissue types or model systems based on cellular complexity.
- Technical complexity and need for careful execution are critical for reproducible results.
