$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
System degradacji ubikwityny i proteasomu jest główną maszyną regulacyjną, która jest zaangażowana w utrzymanie homeostazy białek u wszystkich eukariontów. UPS początkowo sprzęga wiele cząsteczek ubikwityny z białkiem docelowym, po czym białko znakowane poli-ubikwityną jest degradowane przez proteasom 26S. W większości przypadków etapem ograniczającym szybkość degradacji za pośrednictwem ubikwityny jest ubikwitylacja substratu, w której pośredniczą enzymy sprzężone E2 i enzymy ligujące E3 (ligazy E3)1. W związku z tym stabilność wewnątrzkomórkowa określonych białek odzwierciedla ich podatność na sprzęganie ubikwityny i aktywność pokrewnych im enzymów ubikwitylacji.
E3 ligazy są głównymi komponentami UPS do rozpoznawania substratów. W związku z tym enzymy te rozpoznają degrony w swoich substratach, które są albo nieobecne, albo nie są odsłonięte w ich stabilnych odpowiednikach 2. Na przykład wiele regulatorów cyklu komórkowego musi być syntetyzowanych i degradowanych w określony czasowo sposób, aby utrzymać porządek w cyklu komórkowym. Degradacja tych białek jest często kontrolowana przez fosforylację, w której pośredniczą kinazy regulowane sygnalizacją komórkową 3,4. Z drugiej strony, nieprawidłowo pofałdowane białka są rozpoznawane przez tajemnicze degrony. Są to obszary, które zwykle są ukryte w strukturze natywnej i są odsłonięte podczas perturbacji struktury. Do takich degronów należą domeny hydrofobowe 5-7 i wewnętrznie nieuporządkowane segmenty8.
Od czasu odkrycia przełomowego systemu ubikwityny do degradacji białek i scharakteryzowania jego podstaw w lizatach retikulocytów9, genetyka drożdży odegrała kluczową rolę w odkryciu wielu składników układu ubikwityny10. Sukces drożdży jako organizmu modelowego do systematycznej analizy degradacji białek przez UPS wynika głównie z faktu, że UPS jest wysoce konserwatywny u wszystkich eukariontów4, w połączeniu z ich podatnością jako systemu eksperymentalnego. Rzeczywiście, systemy oparte na drożdżach są powszechnie stosowane do rozszyfrowywania mechanizmów działania maszynerii ubikwitylacji.
Badanie degradacji białek za pomocą środków biochemicznych zazwyczaj wymaga przygotowania ekstraktów komórkowych. Podczas gdy białka komórek zwierzęcych mogą być ekstrahowane w stosunkowo łagodnych warunkach, które zachowują interakcje i funkcję białek, obecność solidnej ściany komórkowej u drożdży11 wymaga znacznie ostrzejszych warunków rozerwania, które mogą wpływać na regenerację białek. Rzeczywiście, różne procedury rozbijania komórek drożdży różnią się znacznie pod względem ich zdolności do odzyskiwania nienaruszonych białek w ilościach, które prawidłowo reprezentują ich względną obfitość komórkową. Dalsza nieścisłość jest nieodłącznie związana z różnymi metodami stosowanymi do określania szybkości degradacji określonych białek: eksperymenty oparte na znakowaniu metabolicznym polegające na "pogoni za impulsami", po których następuje immunoprecypitacja w celu wyizolowania określonych białek12, często nie są ściśle ilościowe. W związku z tym, gdy degradacja białek jest porównywana tą metodą, należy zachować szczególną ostrożność przy interpretacji wyników. Aby obejść tę wadę, można zastosować alternatywny test pościgowy cykloheksymidu (CHX)12. W tym teście inhibitor translacji jest dodawany do kultur komórkowych, a następnie monitorowane są czasowe zmiany poziomów białka w stanie stacjonarnym. Niemniej jednak stosowanie CHX jest ograniczone do białek o stosunkowo krótkim okresie półtrwania (< 90 min), ponieważ długotrwałe hamowanie syntezy białek jest cytotoksyczne. Warto zauważyć, że oba wyżej wymienione testy wymagają użycia przeciwciał specyficznych dla białka, które nie zawsze są dostępne.
Aby przezwyciężyć te techniczne ograniczenia, badacze opracowali kilka podejść, które nie wymagają ekstrakcji komórek i bezpośredniego obchodzenia się z białkami. Jedno z podejść opiera się na tworzeniu auksotroficznych szczepów drożdży, otrzymywanych przez delecję genów kodujących niezbędne enzymy metaboliczne. Do takich genów należą HIS3, LEU2, LYS2 i TRP1, kodujące enzymy niezbędne do biosyntezy aminokwasów, a także URA3, który koduje dekarboksylazę OMP (Ura3), niezbędny enzym biosyntezy rybonukleotydów pirymidynowych. Ura3 jest szeroko stosowany w badaniach degradacji białek. W tych testach konstytutywna ekspresja Ura3 ratuje wzrost komórek ura3 w pożywce z niedoborem uracylu 13. W związku z tym destabilizacja Ura3 poprzez fuzję degronu może zmniejszyć wzrost komórek na minimalnym podłożu pozbawionym uracylu. Metoda ta została wykorzystana w różnych badaniach degradacji białek, w tym w identyfikacji determinantów degradacji5, ligaz E314 i pomocniczych czynników ubikwitylacji15 oraz odkryciu nowych degronów UPS16. Wszystkie te metody wykorzystywały wzrost komórek na płytkach agarowych jako odczyt testu. Jednak kryterium wzrostu (wzrost dodatni/ujemny), choć solidne i skuteczne, ma głównie charakter jakościowy i nie dostarcza informacji ilościowych, które są ważne dla oceny siły działania degronu lub względnego udziału różnych pomocniczych czynników degradacji.
Dlatego opracowaliśmy i wykorzystaliśmy wektory drożdży oraz metody przesiewowe, które umożliwiają systematyczną i ilościową analizę degradacji białek przez system fuzji URA3-degron. Protokół opiera się na łatwym w obsłudze teście, który mierzy kinetykę wzrostu w kulturze płynnej w warunkach selektywnych (GiLS) oraz na generowaniu standardowych krzywych wzrostu. Kinetyka wzrostu drożdży charakteryzuje się trzema głównymi fazami - fazą opóźnienia, fazą wykładniczą (logarytmiczną) i fazą stacjonarną. Obliczanie kinetyki replikacji drożdży podczas fazy logarytmicznej w warunkach selektywnych, które jest określane na podstawie poziomów ekspresji Ura3-degronu, zapewnia bezstronny ilościowy pomiar degradacji białka. Metoda ta może być stosowana do pomiaru i porównywania szybkości degradacji wielu podłoży UPS jednocześnie, w wielu szczepach i w różnych warunkach.