Dit protocol beschrijft het ontwerp, de creatie en de toepassing van rapamycine-gereguleerde fosfatasen. Deze methode zorgt voor een hoge specificiteit en strakke temporele controle van de activering van fosfatase in levende cellen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit protocol beschrijft het ontwerp, de creatie en de toepassing van rapamycine-gereguleerde fosfatasen. Deze methode zorgt voor een hoge specificiteit en strakke temporele controle van de activering van fosfatase in levende cellen.
Tyrosinefosfatasen zijn een belangrijke familie van enzymen die kritieke fysiologische functies reguleren. Ze zijn vaak ontregeld bij ziekten bij de mens, waardoor ze belangrijke doelwitten zijn van biologische studies. Instrumenten die de regulatie van de fosfatase-activiteit mogelijk maken, zijn van groot belang bij de ontleding van hun functie. Traditionele benaderingen, zoals overexpressie van constitutief actieve of dominante negatieve mutanten, of downregulatie met behulp van siRNA, missen temporele controle. Fosfataseremmers hebben vaak een slechte specificiteit en stellen onderzoekers alleen in staat om te bepalen welke processen worden beïnvloed door de remming van de fosfatase.
We ontwikkelden een chemogenetische benadering, het Rapamycine-gereguleerde (RapR) systeem, dat allosterische regulatie van een fosfatase-katalytisch domein mogelijk maakt dat een strakke temporele controle van de fosfatase-activering mogelijk maakt. Het RapR-systeem bestaat uit een iFKBP-domein dat in een allosterische plaats in de fosfatase wordt ingevoegd. De intrinsieke structurele dynamiek van het RapR-domein verstoort het katalytische domein, wat leidt tot de inactivatie van het enzym. De toevoeging van rapamycine bemiddelt bij de vorming van een complex tussen iFKBP en een gezamenlijk tot expressie gebracht FRB-eiwit, dat iFKBP stabiliseert en de activiteit in het katalytische domein van de fosfatase herstelt.
Dit systeem zorgt voor een hoge specificiteit en strakke temporele controle van de activering van fosfatase in levende cellen. De unieke mogelijkheden van dit systeem maken de identificatie van voorbijgaande gebeurtenissen en het ondervragen van individuele signaalroutes stroomafwaarts van een fosfatase mogelijk. Dit protocol beschrijft richtlijnen voor de ontwikkeling van een RapR-fosfatase, de biochemische karakterisering ervan en de analyse van de effecten ervan op stroomafwaartse signalering en regulatie van celmorfodynamiek. Het biedt ook een gedetailleerde beschrijving van een strategie voor eiwitengineering, in vitro-assays die de fosfatase-activiteit analyseren en live celbeeldvormingsexperimenten die veranderingen in de celmorfologie identificeren.
Eiwittyrosinefosfatasen zijn een cruciale familie van eiwitten die betrokken zijn bij een overvloed aan celsignaleringsgebeurtenissen. Het is aangetoond dat ze een sleutelrol spelen bij de regulatie van celproliferatie, migratie en apoptose 1,2,3. Bijgevolg leidt de ontregeling van eiwittyrosinefosfatasen tot een verscheidenheid aan slopende ziekten en aandoeningen 4,5,6,7. Het bestuderen van de fysiologische functie van tyrosinefosfatasen en hun rol in de ontwikkeling van deze pathologieën is van oudsher belemmerd door een gebrek aan hulpmiddelen die nodig zijn om de fijne kneepjes van fosfatasesignalering te onderzoeken8.
Traditioneel worden fosfatasen bestudeerd met behulp van methoden die niet de gewenste specificiteit hebben en/of geen temporele controle van hun activiteit bieden. Deze kritische beperkingen van de beschikbare instrumenten maken het een uitdaging om specifieke rollen van fosfatasen in signaalroutes te ontleden. Overexpressie van constitutief actieve en dominante negatieve mutanten of neerwaartse regulatie van de expressie van de fosfatase zorgen voor specificiteit, maar missen temporele controle en kunnen vaak compensatiemechanismen in gang zetten die de ware functie van het enzym maskeren.
Farmacologische remmers zorgen voor de temporele regulatie van fosfatasen. Veel fosfataseremmers zijn echter notoir niet-specifiek vanwege de goed geconserveerde samenstelling van de actieve plaats in tyrosinefosfatasen9. Bovendien vertonen remmers die zich op de katalytische plaats richten vanwege ontwerpbeperkingen een slechte permeabiliteit van het celmembraan10. Een andere beperking van remmers is dat ze alleen het onderzoek naar de effecten van fosfatase-inactivatie mogelijk maken11. Er is dus nood aan instrumenten die een specifieke, temporeel regelbare activatie van fosfatasen mogelijk maken. Deze tools zullen onderzoekers in staat stellen om de directe effecten van fosfatase-activering te identificeren, door ze te scheiden van meerdere parallelle signaalcascades die vaak worden geactiveerd door biologische stimuli. Belangrijk is dat een strakke temporele controle van de activiteit de identificatie van voorbijgaande gebeurtenissen die door een fosfatase worden geïnduceerd, mogelijk maakt en de effecten van acute en langdurige fosfatase-activiteit scheidt. De combinatie van temporele regulatie met mutatieanalyse zal een gedetailleerde ontleding van specifieke rollen van individuele domeinen van de fosfatase mogelijk maken en de stroomafwaartse signalering ervan ondervragen12.
Om het gebrek aan gewenste mogelijkheden in de bestaande tools aan te pakken, heeft de Karginov-groep het Rapamycine Regulated (RapR) -systeem 13,14,15 ontwikkeld. Het RapR-systeem maakt gebruik van een speciaal ontwikkeld schakeldomein, iFKBP, dat allosterische regulatie van het eiwit van belang (POI) mogelijk maakt. De insertie van het iFKBP-domein op een positie die allosterisch gekoppeld is aan de katalytische plaats van de POI, maakt het vatbaar voor regulatie door rapamycine. Bij afwezigheid van rapamycine verstoort iFKBP de katalytische plaats als gevolg van de intrinsiek hoge structurele dynamiek van iFKBP en inactiveert zo de POI. De toevoeging van rapamycine induceert de interactie van iFKBP met het co-expressie eiwit FRB (Figuur 1). Dit zorgt voor stabilisatie van het switchdomein, waardoor de structuur en functie van het katalytische domein van de POI wordt hersteld. Als zodanig maakt de tool een specifieke en in de tijd regelbare activering van de POI mogelijk.

Figuur 1: Schema van het RapR-Shp2 rapamycine-gereguleerde systeem. RapR zorgt voor allosterische activering van het betreffende eiwit met de toevoeging van rapamycine. Dit cijfer is aangepast van Fauser et al.12. Afkortingen: iFKBP = invoegbaar FKBP12; FRB = FKBP-rapamycine-bindend domein; R = rapamycine; Shp2 = Src homologie-2 domein-bevattend eiwit tyrosinefosfatase. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De RapR-tool kan worden toegepast op verschillende eiwitfamilies. Het kan worden gebruikt om zowel eiwitkinasen als fosfatasen te reguleren12,14. Dit protocol zal zich richten op de toepassing van de RapR-tool om Shp2-fosfatase te beheersen. Shp2 is een alomtegenwoordig tot expressie gebracht eiwit tyrosinefosfatase dat betrokken is bij signaleringsprocessen zoals proliferatie, migratie, immunomodulatie en differentiatie 1,16,17,18. Ontregeling van Shp2 is in verband gebracht met een aantal solide kankers, myeloïde leukemie en ontwikkelingsstoornissen 5,7. Shp2 is echter het slachtoffer geworden van dezelfde tekortkomingen in de tool als hierboven beschreven. Om deze beperkingen tegen te gaan, werd RapR-Shp2, een specifiek en tijdelijk reguleerbaar Shp2-construct, ontwikkeld en gekarakteriseerd12.
Voorafgaand aan de ontwikkeling van RapR-Shp2 was bekend dat Shp2 betrokken was bij celmigratie 19,20,21. De specifieke rol ervan in de signalering die bij dit proces betrokken was, was echter onbekend. Het was ook onbekend op welke tijdschaal Shp2 de migratie van cellen reguleert en welke specifieke morfodynamische veranderingen het induceert op verschillende tijdstippen van zijn activering. Verder was het onduidelijk of acute en langdurige activering van Shp2 verschillende effecten zal veroorzaken. Met behulp van RapR-Shp2 werd vastgesteld dat acute activering van Shp2 voorbijgaande celverspreiding, een toename van uitsteeksels, celpolarisatie en migratie induceert. Specifieke routes stroomafwaarts van Shp2 die verschillende morfodynamische veranderingen reguleren, werden ook geïdentificeerd12. Dit protocol biedt details voor het ontwerp en de karakterisering van RapR-Shp2, die kunnen worden gebruikt om de ontwikkeling en toepassing van andere RapR-fosfatasen te begeleiden.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Ontwerp van RapR-fosfatasen

Figuur 2: Schema van overwegingen bij het ontwerpen van RapR-fosfatase. (A) Uitlijning van Shp2 (paars), PTP1B (groen) en PTP-PEST (roze) met de geconserveerde invoegplaatsen gemarkeerd. (B) Weergave van linker-insertie tussen Shp2 en iFKBP. (C) Fosfatasedomein van Shp2 in beige met invoegplaatsen aangegeven in blauw. Dit cijfer is aangepast van Fauser et al.12. Afkortingen: Shp2 = Src homologie-2 domein-bevattend eiwit tyrosinefosfatase; iFKBP = invoegbare FKBP12; PTP = eiwit tyrosinefosfatase; RapR = Rapamycine-gereguleerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Ontstaan van de RapR-fosfatase

Figuur 3: Schema van het ontwerp van de primer en de gewijzigde strategie voor het klonen van plaatsgerichte mutagenese. Stap 1 is de synthese van de iFKBP bevattende "megaprimer" met "kleverige uiteinden" die uitgloeien naar de inbrengplaats van de betreffende fosfatase, en stap 2 is het inbrengen van de "megaprimer" in de fosfatase van belang. Dit cijfer is aangepast van Karginov et al.13. Afkorting: iFKBP = invoegbaar FKBP12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Evaluatie van RapR-PTPase door middel van in vitro activiteitstest
OPMERKING: Dit protocol wordt gebruikt om de regulatie van de activiteit van gemanipuleerd RapR-PTPase te beoordelen. Hieronder wordt de analyse van immunoprecipiteerd Shp2 beschreven met behulp van een gefosforyleerd N-terminaal fragment van paxilline als substraat. Het kan nodig zijn een ander substraat te selecteren voor een specifiek PTPase dat van belang is.
4. Analyse van RapR-Shp2 activiteit in levende cellen
OPMERKING: Dit protocol wordt gebruikt om het vermogen van RapR-Shp2 te bepalen om endogene substraten te defosforylaten en stroomafwaartse signalering te induceren. Andere RapR-PTPases vereisen analyse van hun specifieke substraten en routes.
5. Analyse van morfodynamische veranderingen geïnduceerd door RapR-Shp2-activering in HeLa-cellen met behulp van live celbeeldvorming
OPMERKING: Dit protocol wordt gebruikt om het effect van RapR-Shp2-activering op de vorming van celuitsteeksels, celverspreiding en migratie te bepalen.
6. Analyse van het beeld
OPMERKING: Dit protocol beschrijft het maken van celmaskers op basis van . TIF-stapelbestanden die zijn verzameld uit live beeldvormingsexperimenten. Vervolgens wordt beschreven hoe u een macro in ImageJ kunt maken om de maskers te analyseren, wat zal resulteren in een spreadsheet met het celgebied dat vervolgens wordt geanalyseerd op veranderingen in de loop van de tijd. Ten slotte zal de protrusieve en intrekkingsactiviteit van cellen worden geanalyseerd met behulp van Metamorph.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Figuur 4 toont de resultaten die kunnen worden verwacht van de op paxilline gebaseerde fosfatase-activiteitstest. In dit experiment werd constitutief actieve en dominante negatieve Shp2-fosfatase-activiteit vergeleken met die van actief en inactief RapR-Shp2 met fosfo-paxillin als uitlezing. De Shp2-constructen werden immunoprecipiteerd en onderworpen aan de activiteitstest zoals beschreven in het protocol. De fosfo-paxilline-uitlezingen voor constitutief ac...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit protocol biedt gedetailleerde stappen voor de ontwikkeling, karakterisering en toepassing van chemogenetisch gecontroleerde fosfatasen. De RapR-Shp2-tool is gebaseerd op een rapamycine-gereguleerde schakelaar die in het Shp2-katalytische domein is ingevoegd. De kracht van deze tool is de specificiteit en strakke temporele controle van de fosfatase-activiteit. De tool is toepasbaar op andere fosfatasen en maakt, in combinatie met de eerder beschreven RapR-TAP-technologie, de reconstru...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen belangenconflicten bekend te maken.
De auteurs erkennen Dr. Jordan Fauser voor haar bijdrage aan de ontwikkeling van RapR-Shp2 en bijbehorende protocollen. Het werk werd ondersteund door een 5R35GM145318-prijs van NIGMS, een R33CA258012-prijs van NCI en een P01HL151327-prijs van NHLBI.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| #1.5 Glass Coverslips 25 mm Round | Warner Instruments | 64-0715 | |
| 1.5 mL Tubes | USA Scientific | cc7682-3394 | |
| 2x Laemmli Buffer | Voor 500 mL: 5.18 g Tris-HCL, 131.5 mL glycerol, 52.5 mL 20% SDS, 0.5 g bromofenolblauw, pH 6.8 | ||
| 4-20% Mini-PROTEAN TGX Precast Gel | Biorad | 4561096 | |
| 5x Phusion Plus Buffer | Thermo Scientific | F538L | |
| A431 Cells | ATCC | CRL-1555 | |
| Agarsose | GoldBiotech | A-201 | |
| Attofluor Cell Chamber | invitrogen | A7816 | |
| Benchmark Fetal Bovine Serum (FBS) | Gemini Bio-products | 100-106 | Heat geïnactiveerd Triple 0.1 µm sterieel gefilterd |
| Brig 35,30 w/v % | Acros | 329581000 | |
| BSA | GoldBiotech | A-420 | |
| CellGeo | N/A | N/A | Gepubliceerd in 10.1083/jcb.201306067 |
| CellMask Deep Red plasma membrane dye | invitrogen | c10046 | |
| Colony Screen MasterMix | Genesee | 42-138 | |
| DH5a competent cells | NEB | C2987H | |
| DMEM | Corning | 15-013-CV | |
| DMSO | Thermo Scientific | F-515 | |
| DNA Ladder | GoldBio | D010-500 | |
| dNTPs | NEB | N04475 | |
| DpnI Enzyme | NEB | R01765 | |
| DTT | GoldBio | DTT10 | DL-Dithiothreitol, Clelands Reagents |
| EGTA | Acros | 409910250 | |
| Fibronectin from bovine plasma | Sigma | F1141 | |
| FuGENE(R) 6 Transfection Reagent | Promega | E2692 | transfectiereagens |
| Gel extraction Kit | Thermo Scientific | K0692 | GeneJET Gel Extraction Kit |
| Gel Green Nucleic Acid Stain | GoldBio | G-740-500 | |
| Gel Loading Dye Purple 6x | NEB | B7024A | |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | GlutaMAX-l (100x) 100 mL |
| HEK 293T Cells | ATCC | CRL-11268 | |
| HeLa Cells | ATCC | CRM-CCL-2 | |
| HEPES | Fischer | BP310-500 | |
| ImageJ Processing Software | N/A | N/A | |
| Igepal CA-630 (NP40) | Sigma | I3021 | |
| Imidazole Buffer | 25 mM Imidazol pH 7.2, 2.5 mM EDTA, 50 mM NaCl, 5 mM DTT | ||
| KCl | Sigma | P-4504 | |
| L-15 1x | Corning | 10-045-CV | |
| LB Agar | Fisher | BP1425-2 | |
| Lysis Buffer | 20 mM Hepes-KOH, pH 7.8, 50 mM KCl, 1 mM EGTA, 1% NP40 | ||
| MATLAB | MathWorks | N/A | R 2022b update werd gebruikt om CellGeo-functies uit te voeren |
| Metamorph Microscopy Automation and Image Analysis Software | N/A | N/A | |
| MgCl2 | Fisher Chemical | M33-500 | |
| Mineral Oil | Sigma | M5310 | |
| MiniPrep Kit | Gene Choice | 96-308 | |
| Mini-PROTEAN TGX Precast Gels 12 well | Bio-Rad | 4561085 | |
| Molecular Biology Grade Water | Corning | 46-000-CV | |
| Multiband Polychroic Mirror | Chroma Technology | 89903BS | |
| NaCl | Fisher Chemical | S271-3 | |
| Olympus UPlanSAPO 40x objectief | Olympus | N/A | |
| PBS zonder Ca en Mg | Corning | 21-031-CV | |
| PCR Tubes | labForce | 1149Z65 | 0.2 mL 8-Strip Tubes and Caps, Rigid Strip Individually Attached Dome Caps |
| Phusion Plus DNA Polymerase | Thermo Scientific | F630S | |
| Primers | IDT | ||
| Protein-G Sepharose | Millipore | 16-266 | |
| PVDF Membranes | BioRad | 1620219 | Immun-Blot PVDF/Filter Paper Sandwiches |
| Rapamycin | Fisher | AAJ62473MF | |
| 0.25% Trypsin, 2.21 mM EDTA, 1x [-] natrium | Corning | 25-053-CI | |
| Tris-Acetaat-EDTA (TAE) 50x | Fischer | BP1332-1 | voor elektroforese |
| Wasbuffer | 20 mM Hepes-KOH, pH 7.8, 50 mM KCl, 100 mM NaCl, 1 mM EGTA, 1% NP40 | ||
| β-Mercaptoethanol | Fisher Chemical | O3446I-100 | |
| Antilichamen | |||
| Anti-EGFR Antilichaam | Cell Signaling | 2232 | |
| Anti-Erk 1/2 Antilichaam | Cell Signaling | 9102 | |
| Anti-Flag Antilichaam | Millipore-Sigma | F3165 | |
| Anti-GAPDH Antilichaam | invitrogen | AM4300 | |
| Anti-GFP Antilichaam | Clontech | 632380 | |
| Anti-mCherry Antilichaam | invitrogen | M11217 | |
| Anti-paxillin Antilichaam | Thermo Fischer | BDB612405 | |
| Anti-fosfo-EGFR Y992 Antilichaam | Cell Signaling | 2235 | |
| Anti-fosfo-Erk 1/2 T202/Y204 Antilichaam | Cell Signaling | 9101 | |
| Anti- |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.