단백질 항상성, 스트레스 및 노화 사이의 관계를 연구하기 위해 유전적으로 다루기 쉬운 후생동물인 Caenorhabditis elegans를 모델 시스템으로 사용하여 단백질 기능 장애, 세포 내 단백질 국소화 및 유기체, 세포 및 단백질 수준에서의 단백질 안정성을 추적하여 단백질 접힘의 변화를 모니터링했습니다.
방법 논문
단백질 항상성, 스트레스 및 노화 사이의 관계를 연구하기 위해 유전적으로 다루기 쉬운 후생동물인 Caenorhabditis elegans를 모델 시스템으로 사용하여 단백질 기능 장애, 세포 내 단백질 국소화 및 유기체, 세포 및 단백질 수준에서의 단백질 안정성을 추적하여 단백질 접힘의 변화를 모니터링했습니다.
단백질의 접힘과 조립은 단백질 기능, 세포의 장기적인 건강 및 유기체의 수명에 필수적입니다. 역사적으로 단백질 접힘의 기능과 조절은 시험관 내, 분리된 조직 배양 세포 및 단세포 유기체에서 연구되었습니다. 최근 연구에서는 단백질 항상성(단백질분해), 신진대사, 발달, 노화 및 온도 감지 사이의 연관성을 밝혀냈습니다. 이러한 발견은 모델 메타 동물 유기체 Caenorhabditis elegans에서 단백질 접힘을 모니터링하기위한 새로운 도구의 개발로 이어졌습니다. 저희 실험실에서는 단백질의 잘못 접힘을 모니터링하기 위해 온도에 민감하거나 자연적으로 발생하는 준안정 단백질을 접힘 환경의 센서로 사용하여 행동 분석, 이미징 및 생화학적 접근 방식을 결합합니다. 특정 단백질의 잘못된 접힘과 관련된 행동 분석은 단백질 접힘에 대한 간단하고 강력한 판독값을 제공하여 접힘을 조절하는 유전자 및 조건을 빠르게 스크리닝할 수 있습니다. 마찬가지로, 이러한 잘못된 접힘은 세포의 단백질 오국소화와 관련될 수 있습니다. 따라서 단백질 국소화를 모니터링하면 다양한 발달 단계와 변화하는 조건에 직면하여 서로 다른 조직에서 발생하는 세포 접힘 용량의 변화를 강조할 수 있습니다. 마지막으로, 생화학적 도구를 ex vivo 사용하여 단백질의 안정성과 형태를 직접 모니터링할 수 있습니다. 따라서 행동 분석, 이미징 및 생화학 기술을 결합함으로써 각각 유기체, 세포 및 단백질의 해상도에서 단백질 잘못 접히는 것을 모니터링할 수 있습니다.
단백질 접힘, 전좌 및 조립/분해뿐만 아니라 mRNA 전사, 처리 및 번역과 같은 단백질 생합성의 다양한 단계의 상호 작용은 기능을 위해 세포 단백질 품질 관리 기계에 의존하는 준안정 단백질의 부하를 결정합니다1. 따라서 단백질 품질 관리 기계의 부재 또는 오작동은 다양한 유형의 세포 기계의 기능 저하와 단백질 잘못 접힘 질환의 발병을 초래할 수 있습니다2-7. 단백질 접힘 및 제거 기계의 용량이 준안정 단백질의 부하와 균형을 이룰 때 단백질 항상성(proteostasis)이 달성되며, 이는 궁극적으로 잘못 접힌 단백질의 축적과 세포 내 응집을 방지하는 상태6입니다. 잘못 접힌 단백질의 축적은 열 충격 인자(HSF-1)와 같은 스트레스 유도 전사 인자를 활성화하고 세포 보호 스트레스 반응을 활성화하는 신호로 생각됩니다6,8.
후생동물에서 단백질분해 네트워크의 기능에 대한 우리의 이해는 대부분 체외 재구성 연구와 조직 배양 세포 및 단세포 유기체에 대한 관찰에서 파생되었습니다9. 예를 들어, 단백질 손상을 예방하고 해결하는 분자 샤페론에 대한 연구는 샤페론 매개 단백질 접힘, 분해 및 전좌 메커니즘에 대한 생화학적 및 세포 생물학적 연구에 중점을 두었습니다10-13. 이에 비해 후생동물의 서로 다른 세포와 조직에 있는 다양한 단백질분해 성분의 통합 기능에 대한 정보는 "정상적인" 성장 조건과 스트레스에 대한 반응에 대한 제한된 정보만 얻을 수 있습니다11. 예쁜꼬마선충(C. elegans)에서 세포 단백질의 품질 관리는 세포를 비자율적으로 조절할 수 있다는 발견은, 온도를 감지하는 두 뉴런의 돌연변이가 열 충격 반응의 활성화를 차단하고 내열성을 감소시킬 수 있다는 것을 보여주는 실험에서 반영된 바와 같이, 다세포 유기체의 단백질 단백 조절을 연구할 필요성을 보여주었습니다14-17. 그러나 다양한 분자 샤페론 패밀리(molecular chaperone family)와 같은 단백질분해 네트워크(proteostasis network)가 온전한 후생동물(metazoan)의 조직에서 어떻게 기능하는지, 그리고 이러한 네트워크가 발달 및 노화 과정에서 얼마나 역동적인지에 대한 응집력 있는 그림이 빠져 있습니다. 이 목표를 달성하기 위해서는 발달 및 노화 과정에서 다세포 유기체의 다양한 세포의 단백질 생성 능력을 결정하기 위해 살아있는 동물의 단백질체 유지 관리를 모니터링하기 위한 신뢰할 수 있는 센서가 필요합니다.
주어진 단백질이 세포 프로테오스타시스(cellular proteostasis)의 센서로 기능하기 위해서는 세포 내 관련 없는 단백질의 접힘을 최소한으로만 방해하면서 세포 접힘 환경의 변화에 반응해야 합니다. 살아있는 유기체에서 세포 단백질화(proteostasis)의 유지 및 회복을 탐구하기 위해 접힘 센서에 의존하는 두 가지 보완적인 접근 방식을 취할 수 있습니다. 첫 번째는 반딧불이 루시페라제18-20 또는 degron21-24로 태그된 GFP와 같은 단백질 단백 분해 기계에 의존하는 것으로 알려진 실험적으로 확인된 준안정 단백질을 기반으로 설계된 접힘 센서에 의존합니다. 두 번째 접근법에서는 세포 환경의 점진적인 변화에 반응하는 온도에 민감한 단백질(ts) 또는 연령 의존적 응집 단백질과 같은 내인성 준안정 단백질을 추적하여25-27. 설계된 접힘 센서는 필수적인 생물학적 기능을 제공하지 않지만 GFP 표지 단백질과 같은 강력한 보고 분석법으로 검출할 수 있는 이점을 제공하며 다양한 세포 및 동물 모델에 사용할 수 있습니다18. 그러나, 단일 외래 단백질을 도입하는 것은 접힘 환경에 영향을 미칠 수 있기 때문에(27), 이러한 폴리펩티드는 세포 단백질화 기계에 과부하를 일으킬 수 있다. 대안적으로, 그들이 보고하는 세포에 고유하지 않은 설계된 접힘 센서는 세포의 단백질 작용 용량의 변화에 영향을 받지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 하나의 GFP 표지된 프로테아솜 리포터 기질은 표현형이 검출되기 전에 프로테아솜의 ~90%가 억제되어야 했습니다23. 대조적으로, 세포의 단백질 단백질(proteostasis machineries)에 의존하는 내인성 준안정 단백질은 세포 민감도 범위 내에 있다는 이점을 제공합니다. 그러나 이러한 단백질의 잘못된 접힘과 관련된 기능 상실은 세포 기능과 유기체의 생존력에도 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에서는 내인성 C. elegans 접는 센서의 사용에 중점을 둘 것입니다.
C. elegans는 발달 및 노화 연구를 위한 잘 정립된 후생동물 모델로, 많은 보존된 생물학적 경로를 활용하고 세포 생물학, 생화학 및 유전적 접근법의 조합을 사용하여 세포의 단백질 접힘을 추적하는 데 사용할 수 있습니다. 우리는 준안정 단백질을 표현형, 국소화 및 안정성의 변화를 모니터링하여 단백질 발식 능력의 프로브로 사용했습니다. 또한 간단한 행동 분석을 통해 다양한 단백질 기능을 연구할 수 있습니다. 마찬가지로, 단백질의 실질적인 국소화 오소화(mislocalization)는 세포 단백질 품질 관리 네트워크가 세포의 요구에 적응하지 못할 때 발생합니다. 단백질은 형광 표지된 단백질을 사용하거나 면역 염색을 통해 살아있는 동물의 세포에서 쉽게 시각화할 수 있습니다. 마지막으로, ex vivo 방법을 사용하여 단백질 발현 및 안정성을 모니터링할 수 있습니다. 이를 통해 단백질 국소화 및 안정성에 대한 심층 분석과 함께 행동 및 생리학적 변화를 빠르고 간단하게 스크리닝할 수 있어 단백질 단백질 변형제(proteostasis modifier)를 모니터링할 수 있습니다. 이러한 다양한 방법을 결합하면 세포의 단백질 접힘 환경에 대한 광범위한 관점을 얻을 수 있습니다. 실제로, 이 전략은 예쁜꼬마선충(C. elegans), 효모, 조직 배양 및 박테리아15,25-35에서 프로테오스타시스 섭동을 모니터링하는 데 성공적으로 사용되었습니다.
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살아있는 유기체의 단백질 접힘을 모니터링하기 위한 행동 분석 사용
1. 행동 분석을 위한 동물 동기화
2. 이동 분석
동기화 된 동물을 선택하고 움직임 점수 (15-25 ° C)를 위해 원하는 온도에서 깨끗한 플레이트로 옮깁니다. 각 생물학적 복제에 대해 >20마리의 동물을 채점하고 실험 조건당 최소 3회 반복 분석을 수행합니다. Wilcoxon Mann-Whitney 순위합 검정을 사용하여 두 개의 독립적인 실험 조건을 비교할 수 있습니다.
3. 내열성
면역염색 및 태그가 지정된 단백질을 사용하여 특정 세포의 단백질 접힘 모니터링
4. 면역염색을 통한 단백질 국소화 모니터링
5. 태그가 지정된 단백질의 국소화 모니터링
단백질 접힘 및 안정성을 모니터링하기 위해 ex vivo 분석 사용
6. 부분 분해
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손상된 접힘 환경은 단백질의 잘못된 접힘 및 응집으로 이어질 수 있습니다. 단백질 잘못 접힘은 변형된 형태와 관련이 있으며 단백질 기능의 상실을 초래합니다. 당사는 보완적인 접근법을 사용하여 온전한 동물, 특정 세포 및 단백질 추출물에서 단백질 접힘과 기능을 모니터링합니다. 그런 다음 알려진 불안정한 돌연변이와 관련된 강력한 행동 및 세포 표현형을 기반으로 하는 접힘 센서를 지능적으로 선택하여 단백질 접힘 환경의 변화를 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 온도에 민감한 내인성 돌연변이 단백질의 예로는 두꺼운 근육 필라멘트 단백질인 파라마이신(C. elegans UNC-15)의 L799F 돌연변이가 있습니다37. 미스센스 돌연변이는 coiled-coil 상호 작용에 영향을 미쳐 paramyosin(ts)가 제한 온도에서 근육 육종 대신 paracrystalline assembly로 잘못 접히고 잘못 국소화됩니다. 이러한 국소화 오류(mislocalization)는 두꺼운 필라멘트 형성을 방해하...
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세포 단백질 정체 용량의 프로브는 접힘 환경의 변화에 매우 민감해야 하며 단백질 접힘 품질 관리 기능을 실시간으로 평가할 수 있도록 쉽게 모니터링할 수 있어야 합니다. 준안정 단백질을 단백질 정체 능력의 프로브로 사용하여 표현형, 세포내 단백질 국소화 및 단백질 형태의 변화를 모니터링했습니다. 여기에 제시된 프로토콜은 운동성, 근육 필라멘트 조직 및 미오신 안정성을 포함한 근육 단백질 관련 표현형에 중점을 둡니다. 그러나 이러한 프로토콜은 다른 접이식 센서를 모니터링하기 위해 수정할 수 있습니다. 행동 표현형의 경우 유기체 수준에서 단백질 기능을 결정하기 위한 간단하고 강력한 분석을 설계하는 것이 중요합니다. 예를 들어, dyn-1 의 ts 돌연변이는 제한 조건에서 엔도사이토시스 및 시냅스 소포 재활용의 급속한 손실로 이어집니다. 결과적으로, 체강액으로 분비된 GFP의 흡수 또는 GFP(SNB-1::GFP)로 태그된 시냅스 단백질인 시냅스토브레빈-1의 국소화에 의해 각각 모니터링될 수 있습니다28
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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.
이 작업에 사용된 모든 선충 균주는 NIH National Center for Research Resources(NCRR)의 자금 지원을 받는 Caenorhabditis Genetics Center에서 제공했습니다. H.F. 엡스타인(H.F. Epstein)이 개발한 단클론 항체는 NICHD의 후원 하에 개발되고 아이오와 대학교 생물학과에서 유지 관리하는 발달 연구 하이브리도마 은행(Developmental Studies Hybridoma Bank)에서 얻었습니다. N. Shemesh는 Fay and Bert Harbour 상의 지원을 받았습니다. A.B.-Z. 이스라엘 고등교육위원회 알론 펠로우십(Alon Fellowship), 마리 퀴리 국제 재통합 보조금, 양국 과학 재단 및 이스라엘 과학 재단(보조금 번호 91/11)의 보조금의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 항체 staning 및 fiaxtion | 파라포름알데히드 | Merc | 8187151000 |
| Tween-20 | Bio-Rad | 1706531 | |
| 콜라겐 분해 효소 | 시그마 | C5138-100MG | |
| DABCO | Merc | 8034560100 | |
| Triton X-100 | Alfa Aesar | A16046 | |
| β -ME | Sigma | 8057400250 | |
| BSA | Di Cam | 000-40-100 | |
| 부분 다이제스트 | Chymotrypsin | Sigma | C4129-250MG |
| 내열성 | SYTOX 오렌지 | Invitrogen | S11368 |
| 콜레스테롤 | Amaresco | 0433-250G | |
| 장비 | |||
| M165 FC 형광 입체경 | Leica | TXR 필터 | |
| EXi 블루 형광 현미경 카메라 | QImaging | EXI-BLU-R-F-M-14-C | |
| ConfoCor 3/510 META 컨포칼 현미경 | Zeiss | ||
| 펠릿 유봉 | Sigma | Z359947-100EA | |
| 펠릿 유봉 무선 모터 | Kontes | K749540-0000 | |
| MicroCL 17 마이크로 원심분리기 시리즈 | 열 | 75002455 | 냉장, , 230 V 50/60 Hz, ClickSeal 생물 봉쇄 뚜껑이 있는 24x 1.5/2.0 ml 로터 포함 |
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