W tym raporcie przedstawiono dwie metody oparte na biotynylacji, przeznaczone do określania ekspresji na powierzchni komórki i szybkości endocytarnej białek wyrażanych na błonie plazmatycznej.
Method Article
W tym raporcie przedstawiono dwie metody oparte na biotynylacji, przeznaczone do określania ekspresji na powierzchni komórki i szybkości endocytarnej białek wyrażanych na błonie plazmatycznej.
Białka na powierzchni komórki pośredniczą w szerokim zakresie funkcji. W wielu przypadkach ich aktywność jest regulowana przez procesy endocytarne, które modulują ich poziom na błonie plazmatycznej. W tym miejscu przedstawiamy szczegółowe protokoły dla 2 metod, które ułatwiają badanie takich procesów, z których obie opierają się na zasadzie biotynylacji białek powierzchniowych komórek. Pierwszy z nich został zaprojektowany, aby umożliwić półilościowe określenie względnych poziomów określonego białka na powierzchni komórki. W nim reszty lizyny białek błony komórkowej komórek są najpierw znakowane ugrupowaniem biotyny. Po lizie komórek białka te mogą być następnie specyficznie wytrącone za pomocą streptawidyny immobilizowanej agarozą, wykorzystując naturalne powinowactwo tej ostatniej do biotyny. Wyizolowane w ten sposób białka mogą być następnie analizowane za pomocą standardowego podejścia western blotting. Druga metoda umożliwia określenie szybkości endocytarnej określonego celu na powierzchni komórki w pewnym okresie czasu. Białka na powierzchni komórki są najpierw modyfikowane pochodną biotyny zawierającą rozszczepialne wiązanie dwusiarczkowe. Komórki są następnie przenoszone z powrotem do normalnych warunków hodowli, co powoduje endocytarny wychwyt części biotynylowanych białek. Następnie wiązania dwusiarczkowe niezinternalizowanych grup biotyny są redukowane za pomocą nieprzepuszczalnego dla błony środka redukującego glutationu. Dzięki takiemu podejściu białka endocytozowane mogą być zatem izolowane i oznaczane ilościowo z wysokim stopniem swoistości.
Białka na powierzchni komórki odgrywają różne role kluczowe dla utrzymania funkcji komórki. W wielu przypadkach ich aktywność jest zależna od procesów endocytarnych, które albo tymczasowo sekwestrują je w miejscach wewnątrzkomórkowych, albo kierują je w stronę szlaków degradacji1,2,3,4,5. W tym miejscu zwracamy uwagę na 2 podejścia oparte na biotynylacji, zaprojektowane tak, aby umożliwić użytkownikowi specyficzne znakowanie i izolowanie białek ulegających ekspresji w błonie plazmatycznej oraz tych nowo zinternalizowanych. Za pomocą tych metod można określić ilościowo ekspresję na powierzchni komórki i tempo endocytarne dowolnego białka będącego przedmiotem zainteresowania, co pozwala na jaśniejszą ocenę jego regulacji.
Określanie względnej ekspresji białek na powierzchni komórki za pomocą biotynylacji
Biotyna, lub witamina B7, wcześniej znana jako witamina H6, to mała rozpuszczalna w wodzie cząsteczka, która może być używana do chemicznej modyfikacji reaktywnych grup aminowych, sulfhydrylowych i karboksylowych cząsteczek biologicznych. Obecny zbiór odczynników biotynylacji na powierzchni komórki składa się głównie z nieprzerobionych błonowo sulfonowanych sulfonowanych N-hydroksysukcynimidów (sulfo-NHS) biotyny lub jej pochodnych, zaprojektowanych do reagowania z aminami obecnymi w łańcuchach bocznych reszt lizyny białek ulegających ekspresji na powierzchni komórki, gdy ulegają one deprotonacji w warunkach podstawowych, w wyniku czego te ostatnie tworzą wiązanie amidowe z ugrupowaniem biotyny7. Tak zmodyfikowane białka powierzchniowe komórki mogą być następnie izolowane za pomocą awidyny, tetramerycznego białka o masie 66 - 69 kDa o dużym powinowactwie do biotyny, wiążącego się z tą ostatnią ze stałą dysocjacji około 10-15, co oznacza, że jest to jedno z najsilniejszych znanych oddziaływań niekowalencyjnych8,9.
W poprzednich badaniach stosowano wiele alternatywnych metod ilościowego określania ekspresji białek na powierzchni komórki. Znakowanie nieprzepuszczalnych komórek za pomocą znakowanych fluorescencyjnie przeciwciał specyficznych dla białka będącego przedmiotem zainteresowania, a następnie wizualizacja za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, na przykład, jest powszechnie stosowanym podejściem, ale w dużym stopniu zależy od dostępności przeciwciał, które mogą wiązać się z epitopami zewnątrzkomórkowymi. Ostatnio z powodzeniem zastosowano również metody polegające na wykorzystaniu białek chimerycznych zawierających fluorofory wrażliwe na pH, które reagują na wystawienie na działanie kwaśnych mediów10. Jednak takie testy zwykle obejmują egzogenną ekspresję tych konstruktów w liniach komórkowych, w których białko będące przedmiotem zainteresowania nie występuje natywnie. Podejścia te są jednak w stanie dostarczyć cennych informacji na temat lokalizacji subkomórkowej i trasy egzocytarnej białka docelowego, a zatem powinny być stosowane w połączeniu z opisanymi tutaj podejściami opartymi na biotynylacji, jeśli dostępne są narzędzia.
W typowym teście biotynylacji, komórki są najpierw dokładnie myte w 4 °C PBS. Usuwa to wszelkie ślady białek surowicy wprowadzonych przez pożywkę hodowlaną, zapewniając w ten sposób, że nie będą one zużywać nadmiernych ilości biotyny w następnym etapie. Co ważniejsze, obniżenie temperatury powoduje znaczne spowolnienie endocytozy. Następnie dodaje się odczynnik do biotynylacji. Następnie komórki są ponownie myte, a następnie inkubowane z buforem wygaszającym zawierającym glicynę lub NH4Cl, którego celem jest dezaktywacja wszystkich pozostałych śladów nieprzereagowanej biotyny. Komórki są następnie poddawane lizie, po czym dodaje się streptawidynę unieruchomioną agarozą w celu wytrącenia biotynylowanych białek. Analiza jest zwykle przeprowadzana za pomocą western blot, co pozwala na ilościowe określenie względnej ekspresji różnych białek na powierzchni komórki.
Ze względu na podstawę tego testu, nadaje się on do stosowania tylko z białkami, których części są wystawione na działanie środowiska zewnątrzkomórkowego. Wieloprzebiegowe białka transbłonowe, które prawdopodobnie posiadają pewną liczbę reaktywnych lizyn w swoich regionach pętli, są najbardziej podatne na tę metodę, podczas gdy białka jednoprzebiegowe są mniej podatne na biotynylację. Nawet w takich przypadkach istnieje możliwość, że zmiany konformacyjne lub interakcje międzycząsteczkowe mogą blokować pewne miejsca reaktywne, co skutkuje niższą niż oczekiwano wydajnością biotynylacji.
Określanie szybkości internalizacji białek na powierzchni komórki za pomocą biotynylacji
Zasady tego testu są w dużej mierze podobne do zasad biotynylacji na powierzchni komórki, z wieloma wyjątkami, z których najważniejszym jest użycie odwracalnych odczynników do biotynylacji. Grupy biotyny (spośród nich) posiadają wiązania dwusiarczkowe w swoich strukturach, które są podatne na czynniki redukujące; Jest to wykorzystywane w celu zapewnienia, że tylko białka na powierzchni komórki pobrane do miejsc wewnątrzkomórkowych w okresie oznaczania pozostaną biotynylowane. Test zazwyczaj odbywa się w następujący sposób. Komórki są najpierw myte i biotynylowane zimnymi odczynnikami, następnie ponownie wprowadza się pożywkę do hodowli komórkowych w temperaturze 37 °C, a komórki są zwracane do inkubatora; Powoduje to, że znakowane białka na powierzchni komórki ulegają endocytozie. Środek redukujący glutation - który nie może przeniknąć przez błonę - jest następnie dodawany w celu zerwania wiązań dwusiarczkowych ugrupowań biotyny przyłączonych do białek pozostających na powierzchni komórki. Na koniec zerwane wiązania dwusiarczkowe reagują z jodoacetamidem, zużywając labilne grupy tiolowe i zapobiegając reformowaniu wiązań. Tak jak poprzednio, komórki są następnie poddawane lizie, a znakowane białka są wytrącane za pomocą streptawidyny-agarozy.
Ograniczenia omówione w poprzedniej sekcji obowiązują również tutaj ze względu na podobieństwa między metodami. Ponadto warto pamiętać, że zmiany temperatury związane z tym testem uniemożliwiają dokładne określenie, ile białka jest endocytozowane w każdym kroku czasu, szczególnie w przypadku białek szybko internalizowanych lub szybko poddawanych recyklingowi. Test zapewnia zatem jedynie półilościowe oszacowanie wskaźników endocytarnych. Mikroskopia fluorescencyjna z całkowitym wewnętrznym odbiciem może być wykorzystana do śledzenia wychwytu każdego obciążonego pęcherzyka i zapewnienia bardziej precyzyjnego pomiaru kinetyki endocytozy. Może zatem stanowić bardzo użyteczne uzupełnienie tego testu, zakładając, że dostępny jest fluorescencyjnie znakowany chimeryczny konstrukt białka będącego przedmiotem zainteresowania11.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Określanie względnej ekspresji białek na powierzchni komórki w astrocytach za pomocą biotynylacji
UWAGA: Tutaj ilustrujemy zastosowanie tej techniki biotynylacji do badania wpływu cząsteczki macierzy zewnątrzkomórkowej lamininy na lokalizację na powierzchni komórki przepuszczalnego dla wody kanału akwaporyny-4 (AQP4). Specjalistyczne materiały wymagane do tego testu obejmują sulfo-NHS-LC-biotynę i żywicę streptawidyno-agarozową (patrz tabela materiałów).
2. Określanie szybkości internalizacji białek powierzchniowych komórek w astrocytach za pomocą biotynylacji
UWAGA: Poniżej opisujemy typowy eksperyment biotynylacji z pogonią za impulsem, używany w tym przypadku do śledzenia endocytozy AQP4 w astrocytach. Metoda ta opiera się na metodzie zastosowanej przez Madrida i wsp.15. Wymagane specjalistyczne materiały to sulfo-NHS-SS-biotyna, żywica streptawidyno-agarozowa, zredukowany glutation i jodoacetamid (zobacz Tabelę Materiałów).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wykorzystanie biotynylacji powierzchni komórki do oceny ekspresji AQP4 w błonie plazmatycznej astrocytów
Hodowle astrocytów traktowane lamininą i nieleczone komórki kontrolne poddano biotynylacji powierzchni komórki przy użyciu opisanych metod. Biotynylowane białka wytrącono streptawidyną sprzężoną z agarozą, a następnie rozdzielono za pomocą SDS-PAGE. Frakcje powierzchni komórek badano pod kątem AQP4 i β-dystroglikanu (β-DG) jako kontroli obciążenia powierzchni komór...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Modyfikacje:
Ponieważ metody te zostały zaprojektowane do stosowania z komórkami adherentnymi, określiliśmy użycie PBS zawierającego 100 mg/L MgCl2∙6H2O i
100 mg/l CaCl2 (CM-PBS) do etapów przemywania oraz jako podstawa niektórych, tak aby zapewnić, że komórki pozostają połączone z powierzchnią hodowli i że połączenia komórka-komórka nie są przerwane. Jednak protokoły mogą być również stosowane do nieprzylegających typów komórek, jeśli kom...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Ten projekt był wspierany przez Kanadyjski Instytut Badań nad Zdrowiem PG#20R47867.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Chlorek amonu (NH4Cl) | Fisher Scientific | A661-500 | |
| Albumina surowicy bydlęcej (BSA) | Sigma-Aldrich | A9647-50 | |
| Błękit bromofenolowy | Bio-Rad | #1610404 | |
| cKompletny koktajl inhibitorów proteazy | Sigma-Aldrich | 11697498001 | |
| Dihydrat dihydratu etylenodiaminotetraoctanu ( EDTA) | Bio-Rad | #1610729 | |
| Ditiothreitol (DTT) | Bio-Rad | #1610611 | |
| Zmodyfikowane podłoże Dulbecco's Eagle (DMEM) | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 11960-044 | |
| EZ-Link Sulfo-NHS-LC-Biotyna | Thermo Fisher Scientific | #21335 | |
| EZ-Link Sulfo-NHS-SS-Biotyna | Thermo Fisher Scientific | #21331 | |
| Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 16000-044 | |
| Glicerol | Fisher Scientific | BP229-1 | |
| Glicyna | Sigma-Aldrich | G8898 | |
| Jodoacetamid | Bio-Rad# | 163-2109 | |
| Laminina z błony podstawnej mięsaka mysiego Engelbreth-Holm-Swarm | Sigma-Aldrich | L2020 | Rozmrażanie na lodzie. |
| L-glutamina | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 25030-081 | |
| Mysie przeciwciało monoklonalne anty-β-aktyny (AC-15) | Sigma-Aldrich | A5441 | |
| Mysie przeciwciało monoklonalne anty-β-dystroglikanu (43DAG1/8D5) | Leica Biosystems | B-DG-CE | |
| Penicylina/streptomycyna | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| Peroksydaza AffiniPure Donkey anty-mysie IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 715-035-150 | |
| Peroksydaza AffiniPure Goat anty-królicza IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 111-035-045 | |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami (PBS) | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 10010-023 | |
| Zredukowany glutation | Sigma-Aldrich | G6529 | |
| Chlorek sodu (NaCl) | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Dodecylosiarczan sodu (SDS) | Sigma-Aldrich | 862010 | |
| Wodorotlenek sodu (NaOH) | Fisher Scientific | S318-100 | |
| Żywica agarozowa streptawidyny | Thermo Fisher Scientific | #20347 | |
| Królicze przeciwciało poliklonalne anty-AQP4 | Alomone | AQP-004 | |
| Baza Tris (zasada Trizma) | Fisher Scientific | BP152-1 | |
| Tris-HCl | Fisher Scientific | BP153-1 | |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission