Ubiquitinatie, een onmisbare post-translationele modificatie, is een cruciale regulator van de functies van intracellulaire eiwitten1. Het ubiquitine-proteasoomsysteem (UPS), dat de afbraak van meer dan 80% van de eiwitten in eukaryoten bemiddelt, bestaat uit ubiquitine (Ub), E1-activerende enzymen, E2-conjugerende enzymen, E3-ligasen, deubiquitylerende enzymen (DUBs) en het 26S-proteasoom2. Dit systeem reguleert de eiwitomzet met hoge specificiteit, waardoor essentiële cellulaire processen zoals celcyclusprogressie3, signaaltransductie 4,5 en stressresponsen 6,7 worden gecontroleerd. Ubiquitinatie is een meerstaps enzymatisch proces. E1 hydrolyseert ATP om het C-terminus van Ub te adenyleren en vormt zo een Ub-AMP-intermediair. Vervolgens wordt de geactiveerde Ub overgedragen van E1 naar de actieve plaats cysteïne van een E2-conjugerend enzym, waarbij een thioesterbinding ontstaat. Ten slotte rekruteert een E3-ligase zowel het E2-Ub-complex als een doeleiwit, waardoor de overdracht van Ub van E2 naar een lysineresidu op substraat8 wordt gekatalyseerd.
Ubiquitine kan diverse polyubiquitineketens vormen via koppeling bij zeven lysineresiduen (Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48, Lys63) of Met1(M1)4. Elk linkagetype bepaalt verschillende biologische uitkomsten: K48-gekoppelde ketens richten zich voornamelijk op eiwitten voor proteasomale afbraak9, K63-gekoppelde ketens reguleren signaaloverdracht en DNA-reparatie10,11, en M1-gekoppelde ketens zijn cruciaal voor aangeboren immuunresponsen12. Ubiquitinatie en deubiquitinatie zijn cruciale posttranslationele modificatieprocessen die diverse cellulaire gebeurtenissen aansturen, variërend van eiwitafbraak tot signaaltransductie. Zo leidt bij colorectale kanker abnormale activatie van MDM2-gemedieerde p53-ubiquitinatie tot overmatige afbraak van p53, waardoor het vermogen om celcyclusstilstand en apoptose te induceren wordt aangetast, wat tumorprogressie en chemoresistentieaanwakkert. Bij leverischemie-reperfusieschade stabiliseert OTUD1 NRF2 door de K48-gelinkte polyubiquitinatie te verwijderen, waardoor intracellulaire oxidatieve stressniveaus15,16 worden verminderd. Een reeks proteasoomremmers, zoals bortezomib, carfilzomib en ixazomib, is geleidelijk in de klinische praktijk gekomen voor ziekten zoals multipel myeloom 17,18,19.
Momenteel zijn er tal van methoden om ubiquitinatie-eiwitten te detecteren, waaronder western blotting, radioactiviteitsgebaseerde assays en fluorescentieassays20. In wetenschappelijk onderzoek blijft de western blot echter de voorkeursmethode voor het detecteren van eiwit-ubiquitinatie vanwege het relatief snelle en rechtlijnige protocol. Traditionele methoden om ubiquitinatieve eiwitten te detecteren lijken op co-immunoprecipitatie (co-IP) technologie: ze gebruiken een lysisbuffer om celpellets bij lage temperatuur te incuberen en te lyseren om eiwitten vrij te geven, en gebruiken vervolgens antilichamen om de ubiquitinatie van substraateiwitten te detecteren21,22. Dit experimentele protocol vereist echter vaak een groot aantal cellen. Bovendien vergroot de relatief milde lysismethode bij lage temperatuur de eiwitinteracties niet volledig kan verstoren, waardoor de kans op vals-positieven bij gedetecteerde ubiquitinatie toeneemt. Verhitting en het gebruik van SDS kunnen de eiwitstructuur aanzienlijk verstoren, waardoor hun volledige denaturatie wordt geïnduceerd en zo effectief vals-positieve resultaten veroorzaakt door eiwit-eiwitinteracties worden verminderd 23,24,25. Evenzo ondergaan cellen voldoende lysis bij verwarming en SDS-behandeling, waardoor meer eiwitten vrijkomen en daarmee het aantal benodigde cellen voor het experiment wordt verminderd. Samenvattend worden zowel de ijsbadmethode als de warmtebehandelingsmethode gelyseerd door cellen en de ubiquitinatieniveaus van substraateiwitten gedetecteerd via antistofincubatie. De verwarmingsmethode resulteert echter in een grotere cellyse en sterkere eiwitdenaturatie.
TGF-β speelt een dubbele rol in de pathofysiologische processen van verschillende ziekten 26,27. SMAD2 is een cruciale downstream transcriptiefactor van TGF-β. SMURF2-gemedieerde uziëntheid van SMAD2 richt zich op proteasomale afbraak, waardoor TGF-β signaalintensiteit28 wordt verfijnd. Deze studie onderscheidt en vergelijkt twee cellysemethoden om ubiquitinatieniveaus in zoogdiercellen te meten, met SMURF2/SMAD2 als model. Hier werd eiwitoverexpressie in HEK293T cellen geïnduceerd door tijdelijke transfectie met HA-Ub, FLAG-SMAD2 en MYC-SMURF2 plasmiden. De cellen werden gelyseerd met respectievelijk de ijsbadmethode en de warmtebehandelingsmethode. Ubiquitineerde eiwitten werden gedetecteerd door Western blot-analyse. We ontdekten dat zowel de ijsbadmethode als de warmtebehandelingsmethode kunnen worden gebruikt om ubiquitinatieniveaus te detecteren, en de warmtebehandelingsmethode kan het mogelijk vergemakkelijken om ubiquitinatie van SMAD2 te detecteren. Dit protocol biedt een nieuw alternatief voor het detecteren van ubiquitinatieve eiwitten. Bovendien zorgt de warmtebehandelingsmethode voor bepaalde substraateiwitten die sterk geassocieerd zijn met ubiquitinatie voor een betere eiwitlysie-efficiëntie, waardoor de detectie van ubiquitinatie eenvoudiger wordt.