이 프로토콜은 공초점 현미경을 적용하여 형광 펩티딜 ClpP 억제제 FAM-FAPAL-CMK(카복시플루오레세인-FAPAL-클로로메틸 케톤)의 선택적 위치 추적을 모니터링하는 정량적 영상 워크플로우를 구축하며, ClpP 억제로 인해 미토콘드리아의 형태학적 변화를 관찰합니다.
이 프로토콜은 공초점 현미경을 적용하여 형광 펩티딜 ClpP 억제제 FAM-FAPAL-CMK(카복시플루오레세인-FAPAL-클로로메틸 케톤)의 선택적 위치 추적을 모니터링하는 정량적 영상 워크플로우를 구축하며, ClpP 억제로 인해 미토콘드리아의 형태학적 변화를 관찰합니다.
미토콘드리아 ATP 의존성 프로테아제는 손상되거나 잘못 접힌 단백질의 분해를 통해 단백질 항상성을 유지하는 데 필수적입니다. 이 중 ClpXP 프로테아제 복합체는 미토콘드리아 기질 내에 위치하며 생리적 및 스트레스 조건에서 미토콘드리아 품질 관리에 기여합니다. 이 연구는 형광 펩티딜 억제제 FAM-FAPAL-CMK의 미토콘드리아 표적화와 포유류 세포 내 ClpXP 억제와 관련된 미토콘드리아 형태학적 변화를 평가하기 위한 정량적 형광 현미경 워크플로우를 입증합니다. HeLa 세포는 FAM-FAPAL-CMK 처리를 하였으며, 미토콘드리아 마커의 면역형광 염색과 정량적 영상 분석을 결합한 공초점 현미경 검사를 이용해 분석하였습니다. Costes 임계값 분석과 Manders의 중복 계수를 이용한 공동위치 분석을 통해 억제제 신호의 미토콘드리아 농축이 입증되었습니다. 그 결과, ClpP 억제는 미토콘드리아 형태를 변화시켰다. 면역블롯 분석 결과 억제제 치료 후 ClpP 단백질 풍부도에 유의한 변화가 없음을 확인하였습니다. 이 연구는 산화 스트레스와 같은 항상성 교란에 반응하여 온전한 세포 내 미토콘드리아 ClpXP 기능을 재현 가능한 영상 기반 워크플로우로 설명합니다.
미토콘드리아 ATP 의존성 프로테아제는 단백질 항상성에 중심적인 역할을 하며, 잘못 접히거나 손상된 단백질 1,2,3,4,5,6을 분해합니다. 이 중 ClpXP는 미토콘드리아 매트릭스에 위치한 이종 올리고머 AAA+ 프로테아제 복합체입니다. ClpX ATPase는 단백질을 인식하고 펼친 후 이를 ClpP 단백질분해 챔버 7,8,9로 옮깁니다. 다른 미토콘드리아 프로테아제들과 함께 ClpXP는 정상 및 스트레스 조건, 특히 산화 스트레스 및 대사 교란 1,2,4 모두에서 단백질 품질 관리를 유지합니다. 미토콘드리아 단백질 항상성 파괴는 신경퇴행성 및 암과 같은 질병과 연관되어 있어, 온전한 세포 시스템에서 이러한 프로테아제 활성을 이해하는 것이 중요함을 강조합니다 3,6,10.
이 분야의 주요 과제는 온전한 세포에서 공간 해상도를 가진 미토콘드리아 프로테아제 활동을 직접 모니터링할 방법이 부족하다는 점입니다. 기존 접근법은 주로 정제된 단백질이나 세포 용해체를 이용한 생화학적 분석에 의존하는데, 이는 상세한 동역학적 정보를 제공하지만 세포 내 맥락을 보존하지 못합니다 11,12,13,14. 화학 생물학 전략은 플루오로생성 펩타이드 기질과 활성 부위 지향 억제제 개발을 통해 이 한계를 부분적으로 해결했습니다. 형광 펩티딜 기질은 ATP 의존성 펩티다아제 활성을 정량적으로 측정할 수 있게 하며, 펩티딜 억제제는 단백질 분해 부위와 가역적 공유 상호작용을 형성하여 선택적 억제 13,15,16,17,18,19를 달성합니다. 이전에 실험실에서 합성된 ClpXP 억제제 FAPAL-CMK가 ClpP20과 공유 결합을 형성하는 것으로 밝혀졌습니다. 본 연구에서는 FAPAL-CMK의 형광 표지 유도체인 FAM-FAPAL-CMK가 ClpP의 기전 기반 억제제로 개발되어 세포 내 위치 시각화를 가능하게 했습니다.
생화학적 분석과 비교할 때, 공초점 형광 현미경은 온전한 세포 내 프로브 분포와 미토콘드리아 형태를 공간적으로 평가할 수 있게 하여 용해액만으로는 얻을 수 없는 정보를 제공합니다. 그러나 효소 분석과 달리 형광 위치 지정은 촉매 활성이나 분자 결합 이벤트를 직접 측정하지 않으며, 프로브 흡수 효율, 미토콘드리아 역학, 영상 조건의 영향을 받을 수 있습니다. 또한, 성공적인 구현은 충분한 프로브 축적과 충분히 해소된 미토콘드리아 네트워크에 달려 있어, 명확하게 구별되는 미토콘드리아 형태를 가진 부착 배양 세포에 가장 적합합니다.
본 연구의 목표는 메커니즘 기반 형광 탐침과 공초점 현미경을 통합하여 미토콘드리아 프로테아제의 위치 및 기능을 온전한 세포에서 모니터링하는 정량적 워크플로우를 확립하는 것입니다. 선택적 화학 탐침과 고해상도 공초점 영상을 결합함으로써, 이 워크플로우는 미토콘드리아 위치 지정, 프로브 분포, 그리고 미토콘드리아 항상성 교란에 대한 형태학적 반응을 평가할 수 있게 합니다. 이는 프로테아제 활성을 직접 측정하는 기존 생화학적 분석법을 보완할 수 있지만 공간 해상도는 부족합니다.
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실험은 시중에서 구할 수 있는 HeLa 셀을 사용하여 수행되었습니다. 인간 참가자, 척추동물, 또는 인간 또는 척추동물에서 유래한 주요 생물학적 재료는 사용되지 않았습니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 세포 배양 및 처리
2. 고정 및 투과화
3. 면역형광 염색
4. 이미지 획득
5. 생세포 처리 및 영상
6. 미토콘드리아 형태 분석
7. 공존 위치 분석
8. 세포 용해액 생성
9. 브래드포드 분석
10. 면역 블롯팅
11. 덴시토메트릭 분석
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ClpP 억제는 미토콘드리아 형태와 네트워크 조직을 변화시킵니다
미토콘드리아 형태학을 평가하여 ClpP 억제가 HeLa 세포 내 미토콘드리아 조직에 변화를 주는지 여부를 확인하였습니다. 대표성 형광 영상은 대조군과 FAM-FAPAL-CMK 처리 세포 간에 미토콘드리아 조직에 뚜렷한 차이를 보여주었습니다(그림 1A). 정량적 분석 결과, 미토콘드리아 면적은 대조군 세포에서 1.15 ± 4.8 μm2 (n = 8013)에서 억제제 처리 후 0.47 ± 1.1 μm2 (n = 8516)로 감소하였습니다. 이 감소는 억제 시 미토콘드리아 둘레가 8.1 ± 20 μm에서 4.6 ± 6.4 μm로 감소하는 것을 동반했다(그림 1B, C). 또한, 미토콘드리아 형태 인자는...
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펩티딜 클로로메틸 케톤 FAPAL-CMK15는 이전에 미토콘드리아 ATP 의존성 프로테아제 ClpXP의 프로테아제 소단위(ClpP)를 가역적으로 억제할 수 있는 잠재적 억제제로 밝혀졌습니다. 동역학 실험은 억제제의 효능과 작용 기전을 입증했으나, 시험관 내 접근법으로는 FAPAL-CMK가 온전한 세포에서 선택적 미토콘드리아 ClpP 억제제로서 효능을 평가하지 못했습니다. 형광 공초점 현미경 검사 결과 FAM-FAPAL-CMK는 ClpP가 위치한 미토콘드리아에 선택적으로 국소되어 있음을 확인했습니다. 미토콘드리아 위치 지정만으로는 직접적인 표적 상호작용이 입증되지 않으므로, 여기서 공동위치 측정은 공유 결합의 직접적 증거가 아니라 ClpP 국소화와 일치하는 미토콘드리아 풍부의 증거로 해석됩니다. FAM-FAPAL-CMK는 다른 미토콘드리아 ATP 의존성 프로테아제인 Lon과 반응하지 않았기 때문에, FAM-FAP...
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저자들은 서로 상충하는 이해관계가 없다고 선언한다.
저자들은 제공된 서비스와 장비에 대해 펜실베이니아 주립대학교의 현미경 코어 시설(RRID: SCR_024457)에 감사드립니다. 이 연구는 I. Lee에게 NSF 보조금 MCB-2210869를 지원받았습니다.
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| CHAPS | VWR | M127 | |
| ClpP 토끼 PolyAb | Proteintech | 15698 | |
| cOmplete 프로테아제 억제제 칵테일 | Roche | 11697498001 | |
| D-PBS | Corning | 21-031-CV | |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium | Corning | 10-013-CV | |
| Dylight405-결합 마우스 이차 항체 | Jackson Immuno Research | 715-475-150 | |
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