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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
우리는 Xenopus 난모세포에서 효소의 이종 발현을 통해 K+-역수송 P형 ATPase의 활성을 정량화하고 원자 흡수 분광 광도법으로 개별 세포로의 Rb+ 또는 Li+ 흡수를 측정하는 방법을 설명합니다. 이 방법은 방사성 동위원소 플럭스 실험에 대한 민감하고 안전한 대안으로 복잡한 동역학 연구를 용이하게 합니다.
전기막 수송체 Na+,K+-ATPase에 의한 양이온 수송은 전기생리학으로 측정할 수 있는 반면, 전기중립으로 작동하는 위 H+,K+-ATPase는 조사하기가 더 어렵습니다. 많은 수송 분석은 충분한 신호 대 잡음 비율을 달성하기 위해 방사성 동위원소를 사용하지만, 필요한 보안 조치는 인체 노출 또는 분석 설계와 관련하여 엄격한 제한을 가합니다. 또한, 세포막을 통한 이온 수송은 막 전위에 의해 결정적인 영향을 받는데, 이는 세포 배양 또는 프로테오리포좀 제제에서 직접적으로 제어되지 않습니다. 여기에서는 미량의 화학 원소에 대한 원자 흡수 분광 광도법(AAS)의 뛰어난 감도를 활용하여 단일 세포에서 Na+,K+- 또는 위 H+,K+-ATPase에 의한 Rb+ 또는 Li+ 수송을 측정합니다. Xenopus 난모세포를 발현 시스템으로 사용하여 자동 시료 주입기에서 로드된 횡가열 흑연 분무기(THGA) 용광로가 장착된 AAS 장치에서 단일 난모세포 균질액 샘플을 측정하여 세포로 운반되는 Rb+(Li+)의 양을 측정합니다. 대조 난모세포로 또는 ATPase 특이적 억제제 적용 중 비특이적 Rb+ 흡수의 배경이 매우 작기 때문에 많은 수의 실험 조건을 동시에 포함하는 복잡한 동역학 분석 계획을 구현하거나 부위 특이적 돌연변이 수송체의 수송 용량과 동역학을 높은 정밀도로 비교할 수 있습니다. 또한, 양이온 흡수는 단일 셀에서 측정되기 때문에 플럭스 실험을 TEVC(two-electrode voltage-clamping)와 함께 수행하여 멤브레인 전위와 전류를 정확하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해 예를 들어 Na+,K+-ATPase의 3Na+/2K+ 수송 화학량론을 정량적으로 결정할 수 있었고 전기 중성으로 작동하는 위 H+,K+-ATPase에 의한 양이온 수송의 전압 의존성을 처음으로 조사할 수 있었습니다. 원칙적으로 이 분석은 K+ 수송 막 단백질에 국한되지 않지만, 중금속 또는 전이 금속 수송체의 활성 또는 세포내 과정에 의한 화학 원소 흡수를 처리하는 데에도 동일하게 효과적일 수 있습니다.
우리는 동위원소 실험실에 대한 접근, 안전 요구 사항 또는 리튬의 경우와 같이 매우 짧은 붕괴 시간으로 인해 사용할 수 없을 수도 있는 값비싼 방사성 동위원소의 사용과 관련된 제한을 피하기 위해 이온 전위막 단백질의 특정 수송 활성을 조사하기 위해 방사성 추적 실험에 대한 민감하고 안전하며 저렴한 대안을 개발하고 싶었습니다. 우리는 특히 전기중립으로 작동하는 위 H+,K+-ATPase의 활성을 결정하는 데 관심이 있었는데, 그 이유는 효소가 전류를 생성하지 않기 때문에 그 활성은 전기생리학적 방법으로 해결할 수 없기 때문입니다. Na+,K+-및 H+,K+-ATPase는 Rb+를 K+(및 Li+)만큼 효율적으로 수송하기 때문에 루비듐 또는 리튬에 대한 AAS 기술의 높은 감도는 수송 활동의 민감한 검출을 용이하게 합니다. 원자 흡수 분광 광도계는 화학 실험실에 널리 분포되어 있으며 많은 관심 있는 과학자들이 접근할 수 있어야 하는 일반적인 분석 장치입니다. 또한, 우리는 단일 배치 내에서 단백질 발현 수준과 관련하여 현저하게 낮은 세포 간 변동성을 달성할 수 있는 큰 단일 세포(약 1.0-1.5mm 직경)를 활용하는 Xenopus 난모세포 발현 시스템을 활용하고 싶었습니다. THGA-AAS 기술을 사용한 루비듐의 검출 한계(특성 질량)는 10pg 또는 1.2·10-13mol(Rb: 85.47g/mol)이고, 리튬의 경우 5.5pg 또는 7.9·10-13mol(Li: 6.94g/mol)입니다. 제노푸스 난모세포에서 Na+,K+-ATPase의 이종성 발현에 따라 100nA의 펌프 전류가 달성될 수 있으며(이는 초당 약 6.2·1011 기본 전하 또는 1.03·10-12 mol s-1과 동일) 따라서 1분 이내에 6·10-6C의 전하가 수송됩니다. 하나의 순 전하의 수송은 두 개의 Rb+ 이온의 흡수에 해당하기 때문에(3Na+/2K+ 화학량론으로 인해) 1분 동안 100nA 전류는 1.2·10-10 mol Rb+의 흡수에 해당합니다. 따라서 1,000배 희석(1ml 물에서 약 1μl 부피의 난모세포의 균질화)에서도 일반적인 THGA-AAS 샘플(20μl)에는 검출 임계값을 훨씬 초과하는 2.4·10-12mol Rb+(또는 204pg)가 포함되어 있습니다. 따라서 수송 활성이 100배 이상 낮거나 원형질막 발현이 낮은 수송체라도 실험의 플럭스 시간을 적절하게 조정하여 이 기술로 분석할 수 있습니다.
펌핑 속도는 온도에 민감하게 의존하기 때문에(Na+,K+-ATPase에 대한 일반적인 활성화 에너지는 90kJ/mol - 130kJ/mol1-3 범위이며, 이는 20°C에서 22°C로 변화할 때 회전율이 약 30% 증가함), 잘 평형화된 버퍼 용액을 사용하여 정밀한 온도 제어(에어컨) 하에서 플럭스 측정을 수행해야 합니다. 또한, 난모세포는 이온 수송체의 발현을 위한 균질한 크기와 관련하여 신중하게 선택해야 합니다. 이러한 예방 조치를 통해 실험 조건당 약 10개의 세포에서 10% 미만의 실험 표준 오류를 일상적으로 달성할 수 있습니다. 이 기술을 사용하여 예를 들어 양이온 수송4-6의 명백한 Rb+ 친화도, 세포 외 및 세포 내 pH7의 영향 및 수송 중 양이온 배당에 관여하는 잔류물의 돌연변이 효과를 결정할 수 있었습니다4,8. 이 기술의 장점은 이온 플럭스를 난모세포의 2전극 전압 클램핑과 함께 측정할 수도 있다는 것인데, 이는 한편으로는 수송 중 멤브레인 전위의 정확한 제어를 보장하고 다른 한편으로는 이온 플럭스를 멤브레인 전류와 연관시킬 수 있습니다. 따라서, Na+,K+-ATPase의 3Na+/2K+ 화학량론을 검증하고(아래 예시적인 결과 참조) 위 H+/K+-ATPase7의 양이온 수송의 전압 의존성을 결정할 수 있었습니다.
1. Xenopus 난모세포의 cDNA 구조 및 단백질 발현
관심 멤브레인 단백질의 cDNA는 pTLN9 또는 pcDNA3.1X10과 같은 Xenopus laevis 난모세포에서 발현하기에 적합한 벡터로 클로닝되어야 합니다. 이러한 최적화된 벡터는 다중 클로닝 사이트(MCS) 옆에 있는 Xenopus laevis β-글로빈 유전자의 5' 및 3'-비번역 영역(UTR), 5' UTR 앞에 위치한 RNA 중합효소 프로모터 서열(pTLN: SP6, pcDNA3.1X: T7), 세포 내 cRNA 안정성을 보장하기 위해 MCS의 3' 방향으로 poly-A 스트레치, 그리고 더 나아가 플라스미드의 선형화를 위한 또 다른 단일 절단 제한 엔도뉴클레아제 부위의 또 다른 서열을 포함하여 다음을 위한 주형으로 작용합니다.in vitro cRNA 전사.
과발현된 인간 Na+/K+-ATPase (α2-subunit+β1-subunit)의 활성을 난모세포의 내인성 Na+/K+-ATPase와 구별하기 위해, 돌연변이 Q116R 및 N127D를 도입하여 밀리몰 범위11에서 IC50을 가진 와바인 저항성 단백질을 얻었다. H+/K+-ATPase의 경우, Rb+ 플럭스가 전압 클램프 형광측정법(VCF) 실험의 동역학 데이터와 상관관계가 있었기 때문에 H+/K+-ATPase α단위체 돌연변이 S806C를 사용하여 플럭스 측정을 수행했습니다. VCF 기술(https://www.jove.com/video/2627/ in-situ-with-site-with-site-directed-fluo rescence-labeling)12은 효소의 구조적 변화를 보고하는 전략적으로 도입된 시스테인 잔기에 대한 형광단의 부위 특이적 부착을 기반으로 합니다.
2. DNA 템플릿의 선형화 및 정제
3. In Vitro cRNA 합성
4. 부분 난소 절제술로 Xenopus laevis 암컷으로부터 난소 재료 채취
이 의정서는 담당 국가 기관(Landesamt für Gesundheit und Soziales Berlin, 베를린 상원, 독일)의 승인을 받았습니다.
5. 개별 난모세포의 효소 분리
6. cRNA 주입
이종 ATPase 발현 난모세포의 전처리
Na+ 로딩 절차
Na+/K+-ATPase의 기능 측정을 위해서는 다음과 같이 세포 내 Na+ 농도13을 높이는 것이 중요합니다.
7. 내인성 Na+,K+-ATPase의 사전 차단
주의: Xenopus 난모세포는 내인성 Na+,K+-ATPase를 발현하기 때문에 다음과 같이 Rb+ 플럭스 실험 전에 이 내인성 펌프를 차단하는 것이 중요합니다.
8. 전기생리학
9. Rb+ 흡수 측정
10. THGA 용광로 시스템을 활용한 AAnalyst 800 준비
11. 큰 표본 수(50 이상) 측정에 대한 설명
루비듐에 권장되는 THGA-AAS 온도 프로토콜
<테이블 테두리="1">리튬에 권장되는 THGA-AAS 온도 프로토콜
<테이블 테두리="1">데이터 분석
또는 Michaelis-Menten function
의 핏을 데이터에 적용합니다. 이 방정식에서 [S]는 기판 농도, nH는 Hill 계수, K0.5는 절반 최대 활성화에 필요한 기판 농도입니다.Xenopus 난모세포 발현 시스템에서 AAS에 의한 K+-(또는 Rb+) 역수송 P형 ATPase에 의한 Rb+ 흡수의 정량화는 효소 동역학 매개변수의 신뢰할 수 있는 측정을 가능하게 합니다.
Na+/K+-ATPase의 수송 화학량론 결정
전기적 Na+/K+-ATPase의 경우, Rb+ 플럭스는 순 전하 전송(펌프 전류의 시간 적분)과 Rb + 전송 사이의 상관 관계를 목표로 하는 2전극 전압 클램프 실험에서 결정할 수 있습니다. 그림 1A는 1mM Rb+를 함유하는 용액으로 Na+,K+-ATPase 발현 난모세포의 관류에 의해 유도된 펌프 전류(약 40nA 정상 전류 진폭)의 기록을 보여줍니다. 전류 신호(현재 트레이스 아래의 회색 음영 영역)를 통합하면 총 수송 전하가 7839nC(전하 0.0822nmol에 해당)가 산출되었습니다. 동일한 난모세포를 AAS 측정법에 따라 후속 분석했을 때 총 0.176 nmol의 Rb+가 발견되었습니다. 총 전하와 Rb+ 플럭스 사이의 비율은 0.47이었으며, 이는 Na+,K+-ATPase의 3:2 Na+/K+(Rb+) 수송 화학량론에서 예상되는 값인 0.5에 가깝습니다(하나의 기본 전하의 순 외측 수송은 두 개의 Rb+/K+ 이온의 흡수에 해당). 이러한 단일 세포 실험을 여러 번 반복하면(그림 1B) 총 전하와 Rb+ 수송 사이에 0.49의 기울기 계수로 양호한 선형 상관 관계가 생성됩니다. 따라서 단일 세포 수준에서도 AAS 기술은 매우 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다.
H+/K+-ATPase 분석을 위한Rb+ 플럭스 실험
전기중립으로 작동하는 H+/K+-ATPase의 경우 Rb+ 흡수의 [Rb+] 의존성과 특정 억제제 SCH28080에 대한 민감도를 결정할 수 있습니다. 표 1에 열거된 데이터는 서로 다른 난모세포 배치에 대한 3가지 실험 세트에서 획득되었으며, H+,K+-ATPase에 의해 매개되는 Rb+ 플럭스(15분 플럭스 시간)는 서로 다른 외부 Rb+ 농도에 대해 pHex 5.5의 Na+-free 완충액에서 측정되었습니다. 주입되지 않은 난모세포로의 비특이적 흡수는 최대로 검출된 Rb+ 흡수량의 10% 미만이며, 이는 SCH28080 첨가에 둔감한 반면, H+,K+-ATPase 발현 난모세포의 플럭스는 10μM SCH28080 첨가 시 백그라운드 수준으로 감소합니다(pHex 5.5에서). (주입되지 않은 난모세포로부터의) 비특이적 Rb+ 흡수를 빼면 그림 2와 같은 데이터가 생성됩니다. 그림 2의 검은색 사각형은 표 1의 데이터를 나타내는 반면, 열린 사각형은 Na+ 함유 버퍼에서 Rb+ 플럭스를 측정한 유사한 실험 세트에서 획득했습니다. 이러한 데이터는 (1) Rb+에 대한 H+,K+-ATPase turnover 수송의 겉보기 친화도에 대한 값, (2) 겉보기 친화도가 세포 외 Na+에 의해 어떻게 수정되는지를 산출하며, 이는 세포 외 Na+ 이온이 수송 중에 세포 외를 향하는 양이온 결합 포켓을 놓고 경쟁하여 Rb+ 4에 대한 겉보기 친화력의 감소로 이어진다는 것을 보여줍니다.
TEVC 및 AAS 결정에 의한 막 전위 제어 하에서 Rb+ 흡수 실험의 조합은 다양한 pH 조건에서 H+/K+(Rb+) 회전율 수송의 전압 의존성을 결정하기 위해 적용될 수도 있습니다. 이러한 결합 실험에서 비롯된 데이터는 표 2에 나열되어 있으며, H+,K+-ATPase에 의한 Rb+ 수송은 멤브레인 전압을 약 -10mV에서 -100mV로 변경해도 약하게 영향을 받는다는 것을 보여줍니다. 또한, 표 2의 데이터는 H+,K+-ATPase에 의한 Rb+ 수송이 pHex 7.4에 비해 pHex 5.5에서 약 2배 정도 자극됨을 보여준다. 언뜻 보기에 이 결과는 직관적이지 않은데, 세포 외 H+ 농도의 증가는 효소가 더 가파른 H+ 구배에 대해 펌핑해야 하기 때문에 오히려 회전율 감소로 이어지기 때문입니다. 그러나, 추가 실험에 의해 세포질 pH를 약 0.5 단위 정도 조절된 감소가 세포 외 pH7에 관계없이 수송에 동일한 자극 효과를 가진다는 것을 보여줄 수 있습니다. 이러한 자극은 pHex 5.57의 용액에서 배양 시 난모세포 내부의 약간의 산성화 때문입니다. 표 2에서 도출할 추가 정보는 10μM SCH28080 억제제의 첨가가 pHex 7.4 및 5.5에서 상이한 수준의 억제를 유발한다는 것입니다. 이것은 양성자화된 형태의 SCH28080만이 약리학적으로 활성화되기 때문입니다. pHex 5.5에서 화합물의 50%는 양성자화된 활성 형태인 반면, pHex 7.4에서는 1%에 불과하여 훨씬 약한 억제7로 이어집니다.
H+/K+-ATPase 돌연변이의 기능적 효과를 조사하기 위한Rb+ 플럭스 실험
AAS 검출 기술의 성취 잠재력에 대한 또 다른 예가 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3A는 H+,K+-ATPase α-subunit의 C-말단에서 1개(ΔY), 2개(ΔYY) 또는 5개(ΔQELYY)의 아미노산이 삭제된 여러 H+,K+-ATPase 구성에 대한 Rb+ 플럭스를 비교합니다. Na+,K+-ATPase의 경우, C-말단은 양이온 결합 부위 14-16의 구조적 안정화에 중요한 별개의 구조 요소인 것으로 나타났습니다. 2개의 C-말단 Tyr 잔기(ΔYY) 또는 마지막 5개의 아미노산(ΔKETYY)의 결실은 양이온 수송의 전압 의존 매개변수에 큰 영향을 미쳤고 세포 외 K+ 17-19가 없는 상태에서 H+- 및 Na+ 자극 정지 내부 전류의 발생으로 이어졌습니다. C-말단 절단이 H+,K+-ATPase에 의한 양이온 수송에도 영향을 미치는지 여부를 밝히기 위해 그림 3A와 같이 H+,K+-ATPase 야생형 및 C-말단 절단 구조체의 Rb+ 수송 활성을 분석했습니다. 이러한 데이터는 Rb+ 흡수 활성이 C-말단 결실 정도에 따라 점차 감소한다는 것을 보여줍니다. 더욱이, WT 효소에 대해 높은 10μM SCH28080에 의한 Rb+ 흡수 억제의 정도는 ΔY 작제물에 대해 매우 감소하고 ΔYY 및 ΔQELYY 작제물에 대해서는 본질적으로 존재하지 않습니다. 이 시점에서, 특정 Rb+ 흡수 활성의 감소가 수송 회전율에 대한 돌연변이의 특징적인 영향 때문이라고 직접 결론을 내릴 수는 없는데, 이는 단백질 접힘, 안정성 또는 원형질막 표적화에 대한 일반적인 영향과 같은 다른 설명도 고려해야 하기 때문입니다. 측정된 Rb+ 플럭스를 원형질막의 H+,K+-ATPase 단백질의 양과 연관시키기 위해 그림 3A의 구조체를 발현하는 난모세포에서 원형질막(PM) 분획 및 총 세포막 분획(TM)을 준비하고 샘플을 SDS-PAGE(https://www.jove.com/video/758/electrophoretic-separation-of-proteins)20 및 H+,K+-ATPase α-subunit에 대한 항체를 사용한 웨스턴 블롯팅. 이 원형질막 정제 절차는 Kamsteeg와 Deen21에 의해 처음 설명되었으며 나중에4,22에서 일부 수정되었습니다. 아래 패널의 그림 3B는 TM 분획 내 총 H+,K+-ATPase α-subunit 단백질의 상대적 양이 조사된 모든 H+,K+-ATPase 구성에 대해 매우 유사하다는 것을 보여줍니다. 그러나 PM 분획(그림 3B 상단 패널)에서 단백질의 상대적 양은 C-말단 결실의 범위가 증가함에 따라 점차 감소합니다. 따라서 이러한 실험 조합을 통해 H+,K+-ATPase의 α-subunit의 C-terminus의 절단이 원형질막 발현에 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있으며, 이는 α-subunit의 접힘 및 구조적 안정성 또는 β-subunit과의 연관성이 절단의 영향을 받을 수 있음을 나타냅니다. 이는 특정 Rb+ 흡수의 감소에 대한 설명으로도 사용됩니다. 그러나 SCH28080 억제 데이터는 절단 구문에 대한 추가 정보를 제공합니다. SCH28080 억제제는 촉매 주기의 특정 구조적 하위 상태, 즉 양이온 결합 부위가 세포외액을 향하고 Rb+/K+에 대한 친화력이 높은 소위 E2(P) 형태(P는 인산화 중간체를 나타냄)를 표적으로 합니다. Rb+ 흡수 실험에서 C 말단이 절단된 양성자 펌프의 감도가 10μM SCH28080로 크게 감소한 경우(그림 3A의 검은색 막대)는 반응 주기 중간체의 정상 상태 분포가 양이온 결합 포켓이 세포 내 매질에 노출되는 E1(P)와 같은 구조적 하위 상태로 이동함을 시사합니다4. 이러한 데이터는 또한 심오한 기계론적 결론을 원하는 경우 기능적 데이터와 생화학적 데이터를 연관시키는 것이 중요하다는 것을 보여줍니다.
Rb+ 플럭스의 온도 의존성
Rb+ 플럭스는 활성화 에너지와 같은 열역학적 매개변수를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 그림 4A에서 볼 수 있듯이, H+,K+-ATPase를 발현하는 난모세포에 의한 Rb+ 흡수는 온도에 크게 의존합니다. 특히, Rb+ 흡수 중 34°C 배양 온도에서도 비특이적 Rb+ 흡수는 여전히 낮으며, 이는 SCH28080 억제제가 존재하는 34°C에서 플럭스의 낮은 값에서 알 수 있습니다. 역수 온도에 대한 Rb+ 흡수의 데카딕 로그(Arrhenius 플롯)를 플로팅하면 데이터의 우수한 선형 상관 관계가 생성되어 곡선의 기울기에서 96kJ/mol의 활성화 에너지가 생성되며, 이는 효소 촉매 반응에 일반적이며 Na+의 펌프 전류에 대해 결정된 값과도 잘 일치합니다. Xenopus 난모세포 발현 시스템에서 측정된 K+-ATPase1.
Li+ 흡수 측정
Rb+ 외에도 H+,K+-ATPase에 의한 Li+ 흡수는 AAS 기술에 의해 민감하게 결정될 수 있습니다. 그림 5는 주입되지 않은 난모세포에서 비특이적 Li+ 흡수가 매우 낮고, Li+ 농도가 최대 60mM까지 증가함에 따라 H+,K+-ATPase 발현 난모세포에 대한 흡수가 증가한다는 것을 보여줍니다. 이는 Rb+의 경우 다르며, Rb+ 흡수의 포화 상태는 이미 5mM 이상의 농도에서 관찰됩니다. 특히 Li+ 흡수 활성은 Rb+ 흡수 활성보다 큽니다. 또한 10μM SCH28080는 Li+ 흡수를 거의 감소시키지 않는 반면(억제제가 있는 경우와 없는 경우 30mM Li+의 막대 비교), Rb+의 경우 억제가 더 강합니다. 특히, 이 실험은 pHex 7.4에서 수행되었으며, 여기서 SCH28080 화합물의 작은 부분만이 활성(양성자화) 형태입니다. 따라서 Li+는 정지 H+/Li+ 턴오버 사이클링 동안 E1(P) 상태7에 대한 효소의 선호를 유도하는 측면에서도 작용할 수 있습니다.
<테이블 테두리="1">표 1. HKα-S806C/HKβ를 발현하는 난모세포에 의한 Rb+ 흡수의 SCH28080 민감도. Rb+ 흡수는 10μM SCH28080의 부재 또는 존재 하에서 상이한 Rb+ 농도를 함유하는 세포외 Na+-free 용액에서 pH 5.5에서 측정되었습니다. 데이터는 5mM[Rb+]에서 Rb+ 흡수로 정규화되었으며 단일 배치에서 10-15개의 난모세포에서 평균 ± S.E.M.으로 제공됩니다.
<테이블 테두리="1">표 2. HKα-S806C/HKβ를 발현하는 난모세포에 의한 Rb+ 흡수의 전압 의존성. 값은 HKαS806C/βWT를 발현하는 난모세포에 대해 5mM Rb+ 및 pHex 7.4 또는 5.5에서 Rb+ 흡수(pmol/난모세포/min)를 나타내며, 이는 2전극 전압 클램핑에 의해 -100mV에서 유지되거나 전압 제어 없이 Rb+ 흡수를 적용되었습니다("휴지" 막 전위는 10 및 -20mV, 독립적으로 결정됨). 데이터는 한 세포 배치(N=12...23)의 난모세포에서 얻은 S.D.± 평균입니다.

그림 1. 2전극 전압 클램프(TEVC) 실험에서 Na+,K+-ATPase와 펌프 전류에 의한 Rb+ 흡수의 상관관계. (A) 와바인 내성 인간 Na+,K+-ATPase α2/β 1-subunit 복합체를 발현하는 난모세포에서 측정된 -10mV 멤브레인 전위에서 정지 펌프 전류 기록. 펌프 전류는 Rb+-free에서 1mM Rb+ 함유 용액(각각 전류 트레이스 위의 흰색 및 부화한 막대)으로의 용액 교환에 의해 시작되었습니다. 전류의 시간 적분(여기서는 7840nC)은 0.082nmol의 기본 전하의 순 외부 전송에 해당합니다. 측정된 난모세포를 기록실에서 제거하고 AAS 절차를 진행했을 때 세포에서 총 0.176nmol Rb+가 발견되었으며, 이는 수송된 전하량의 약 2.1배입니다. (B) 단일 난모세포에 대한 2전극 전압 클램프 Rb+ 플럭스 실험에서 측정된 총 수송 전하(펌프 전류의 시간 적분)와 AAS에 의해 이후에 측정된 셀당 Rb+의 양 사이의 상관관계. 그래프는 단일 셀에서도 전하와 Rb+ 흡수 사이의 양호한 선형 상관관계(감소된χ2 및 상관 계수 R2 값 참조)를 얻을 수 있음을 나타냅니다. 데이터에 대한 선형 적합도(0.49 ± 0.10)에서 파생된 기울기 계수는 Na+,K+-ATPase의 3Na+/2K+(Rb+) 수송 화학량론과 일치하여 수송된 전하당 2Rb+ 이온의 흡수와 일치합니다.

그림 2. H+,K+-ATPase에 의한 농도 의존적 Rb+ 흡수. pH 5.5에서 세포 외 Na+의 부재(채워진 사각형) 또는 존재(열린 사각형)에서 정규화된 Rb+ 흡수가 표시됩니다. 난모세포는 HKα-S806C 돌연변이 및 HKβ-subunit에 대한 cRNA를 주입했습니다. 데이터는 다음 값으로 사용된 최대 RbCl 농도에서 Rb+ 흡수로 정규화되었습니다(pmol/난모세포/최소: Na+가 없는 경우 29.3, 27.4, 30.8, Na+가 있는 경우 21.1, 23.4). 데이터는 S.E.M.± 평균으로, 3개의 실험에서 8-12개의 난모세포에서 추출됩니다. 겉보기 반최대 활성화 상수 K0.5는 Michaelis-Menten 함수를 데이터에 적합하여 얻었습니다(각각 점선과 점선으로 표시된 맞춤 곡선

그림 3. C-말단이 잘린 H+,K+-ATPase 구조체에 의한 Rb+ 흡수. (A) 10μM SCH28080의 부재(부화 막대) 또는 존재(검은색 막대)에서 5mM RbCl에서 H+,K+-ATPase 매개 Rb+ 흡수. 주입되지 않은 대조군 난모세포, HKβ-subunit의 cRNA가 주입된 난모세포 및 표시된 C-말단 절단이 있는 HKα-S806C 또는 HKα-구조체의 결과가 표시됩니다. 데이터는 15-20개의 난모세포를 사용한 3번의 개별 실험에서 얻은 ±S.E.M.의 평균으로, HKα-S806C/HKβ의 Rb+ 흡수(각각 20.4, 23.7 및 29.5 pmol/난모세포/분에 해당)로 정규화되었습니다. (B) H+,K+-ATPase 발현 난모세포에서 분리된 원형질막(PM, 상부 패널) 및 총 막분율(TM, 하부 패널)의 웨스턴 블롯 분석. 검출은 항-HKα-서브유닛 항체 HK12.18을 사용했다23. 서로 다른 난모세포 배치에서 나온 최소 3개의 서양 블롯 중 하나의 대표적인 웨스턴 블롯이 표시되어 있습니다.

그림 4. 위 H,K-ATPase에 의한 Rb+ 흡수의 온도 의존성. (A) 표시된 바와 같이 18 및 34 ° C 사이의 온도에서 5 mM Rb+ 및 pHex 5.5 (밝은 회색 막대)에서 H +, K + - ATPase 매개 Rb+ 흡수 (pmol / oocyte / min). 흰색 막대는 동일한 조건의 각 온도에서 주입되지 않은 제어 난모세포의 Rb+ 흡수를 나타냅니다. 34°C의 회색 막대는 10μM SCH28080억제제가 있는 상태에서 pHex 5.5에서 Rb+ 흡수를 나타냅니다. 각 열의 데이터는 한 세포 배치의 난모세포에서 20-25개의 난모세포를 가진 평균입니다. (B) Arrhenius 다이어그램 (A)의 데이터에서 온도 의존적 Rb+ 흡수에 대한 Rb+ 흡수 대 역수 로그의 그래프). 각 데이터 포인트는 3개의 독립적인 실험의 평균 ± S.E.M.으로 제공됩니다. 정규화를 위해 각 실험에 대해 34°C에서 Rb+ 흡수를 취했습니다. 데이터(점선)에 직선이 맞음으로써 얻어지는 활성화 에너지는 약 96kJ/mol입니다.

그림 5. H+,K+-ATPase에 의한 Li+ 및 Rb+ 흡수 비교. H+,K+-ATP표시된 LiCl 농도에서 Li+의 흡수 및 5mM RbCl에서 Rb+의 흡수. 세포외 pH는 7.4였습니다. 주입되지 않은 대조군 난모세포와 특정 [Li+] 또는 [Rb+] 및 10μM 억제제 SCH28080이 존재하는 상태에서 H+,K+-ATPase를 발현하는 난모세포의 결과도 포함됩니다. 데이터는 단일 배치의 8-15개 난모세포에서 S.E.M.± 평균입니다.
저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.
우리는 Xenopus 난모세포에서 효소의 이종 발현을 통해 K+-역수송 P형 ATPase의 활성을 정량화하고 원자 흡수 분광 광도법으로 개별 세포로의 Rb+ 또는 Li+ 흡수를 측정하는 방법을 설명합니다. 이 방법은 방사성 동위원소 플럭스 실험에 대한 민감하고 안전한 대안으로 복잡한 동역학 연구를 용이하게 합니다.
저자는 방법 개발의 초기 단계에서 아낌없는 지원을 해준 Ernst Bamberg(막스-플랑크-생물물리학 연구소, 독일), 수많은 유익한 토론을 해준 Kazuhiro Abe(일본 교토 대학), 기술 지원을 해준 Michael Kohl 박사(Analytik-Service, Woltersdorf, 독일)에게 감사를 표합니다. 저자들은 독일 연구 재단 DFG(Cluster of Excellence "Unifying Concepts in Catalysis")의 자금 지원에도 감사를 표하며, 이 기금은 Perkin Elmer AAnalyst 800 장치(SFB 498)에도 자금을 지원했습니다.
| 4.0 Ethicon Vicryl 봉합사 재료 | Johnson | V633H | |
| Clostridium hystolyticum의 콜라겐분해효소 1A | 형Sigma Aldrich | C9891 | |
| 고순도 PCR 제품 정제 키트 | Roche Applied Science | 11732676001 | |
| Nuclease-free water | Ambion | AM9937 | |
| mMessage mMachine Kit SP6/ T7 | Ambion | 1340, 1344 | |
| Ouabain octahydrate | Sigma Aldrich | O3125 | |
| Tricain (에틸 3-aminobenzoate 메탄 설포 네이트 염) | Sigma Aldrich | A5040 | |
| 닭 달걀 흰자위의 트립신 억제제 III-O | 형Sigma Aldrich | T2011 | |
| SCH28080 | Sigma Aldrich | S4443 | |
| AAnalyst 800 | Perkin Elmer | 0993-5256 | |
| WinLab32TM | Perkin Elmer | ||
| BioPhotometer | Eppendorf | 6131 000.012 | |
| 붕규산 모세 혈관 | 과학 제품 | GB150F-8P | |
| 헤마토크릿 튜브 3.5" | Drummond Scientific | 3 000-203-G/X | |
| 중공 음극 램프 리튬 | Photron | P929LL | |
| 중공 음극 램프 루비듐 | Photron | P945 | |
| 마이크로 피펫 풀러 | Narishige | 모델 PC-10 | |
| 난모 세포 기록 챔버 RC-10 | Warner Instr. | W4 64-0306 | |
| Nanoject II 주입 펌프 | Drummond Scientific | 3-000-204 | |
| pCLAMP 소프트웨어 | Molecular Devices | ||
| 폴리프로필렌 샘플 컵 (1.2 ml) | Perkin Elmer | B0510397 | |
| Speedvac - Concentrator 모델 5301 | Eppendorf | 5301 000.210 | |
| THGA 튜브 | Perkin Elmer | B3000641 | |
| 터보 TEC-10CX 증폭기 | NPI 전자 | TEC-10CX |