Genetycznie podatny na uszkodzenia nicień Caenorhabditis elegans może być używany jako prosty i tani model do odkrywania leków. Opisano tutaj protokół identyfikacji leków przeciwnowotworowych, które hamują dalszą sygnalizację białek RAS i EGFR.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Genetycznie podatny na uszkodzenia nicień Caenorhabditis elegans może być używany jako prosty i tani model do odkrywania leków. Opisano tutaj protokół identyfikacji leków przeciwnowotworowych, które hamują dalszą sygnalizację białek RAS i EGFR.
Zmiany w lokalizacji receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) i jego efektora RAS w błonie komórkowej są związane z wieloma chorobami, w tym z rakiem. Wolno żyjący nicień C. elegans posiada ewolucyjną i funkcjonalnie zachowaną kaskadę sygnałową EGFR-RAS-ERK MAP, która ma kluczowe znaczenie dla rozwoju sromu. Mutacje wzmocnienia funkcji w homologu RAS LET-60 i homologu EGFR LET-23 indukują wytwarzanie widocznego, niefunkcjonalnego ektopowego sromu rzekomego wzdłuż brzusznej ściany ciała tych robaków. Wcześniej wykazano, że fenotyp wielosromu (Muv) u tych robaków jest hamowany przez małe cząsteczki chemiczne. W tym miejscu opisujemy protokół użycia robaka w teście na bazie płynu w celu identyfikacji inhibitorów, które znoszą aktywność białek EGFR i RAS. Korzystając z tego testu, pokazujemy, że R-fendylina, pośredni inhibitor K-RAS, hamuje fenotyp Muv wyrażony w zmutowanych robakach let-60 (n1046) i let-23 (sa62). Test jest prosty, niedrogi, nie jest czasochłonny w konfiguracji i może być wykorzystany jako wstępna platforma do odkrycia terapii przeciwnowotworowych.
Szlaki komórkowe, które regulują procesy rozwojowe w organizmach, są wysoce zachowane wśród wszystkich metazoan. Jednym z takich szlaków jest kaskada sygnalizacyjna kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAPK) EGFR-RAS-ERK, która jest krytycznym szlakiem regulującym proliferację, różnicowanie, migrację i przeżycie komórek1,2. Defekty w tym szlaku sygnałowym mogą prowadzić do stanów patologicznych lub chorobowych, takich jak rak. Wykazano, że receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) ulega silnej ekspresji w ludzkich nowotworach, w tym w 50% raków płaskonabłonkowych jamy ustnej, i przyczynia się do rozwoju nowotworów złośliwych3,4,5. Natomiast mutacje w trzech izoformach RAS, H-, K i N-RAS, są głównymi czynnikami powodującymi złośliwe przemiany w wielu nowotworach u ludzi. Spośród tych trzech izoform RAS, mutacje onkogenne w K-RAS są najbardziej rozpowszechnione6,7,8. Aby EGFR i RAS działały, muszą zlokalizować się w błonie komórkowej (PM). Zapobieganie lokalizacji tych cząsteczek w PM może całkowicie znieść aktywność biologiczną tego szlaku sygnałowego9,10. W związku z tym hamowanie lokalizacji tych białek w PM jest strategią terapeutyczną mającą na celu zablokowanie dalszej sygnalizacji i wynikających z niej niekorzystnych wyników. Za pomocą testu przesiewowego o wysokiej zawartości fendyliny, blokera kanału wapniowego typu L, zidentyfikowano jako inhibitor aktywności K-RAS11. Nanogrupowanie K-RAS do wewnętrznej ulotki PM jest znacznie zmniejszone w obecności fendyliny. Ponadto K-RAS jest redystrybuowany z błony plazmatycznej do retikulum endoplazmatycznego (ER), aparatu Golgiego, endosomów i cytozolu. Co ważniejsze, proliferacja linii komórkowych raka trzustki, okrężnicy, płuc i endometrium wykazujących ekspresję onkogennego mutanta K-RAS jest blokowana przez hamowanie dalszej sygnalizacji przez fendiline11. Dane te sugerują, że fendylina funkcjonuje jako specyficzny lek przeciwnowotworowy K-RAS, który powoduje nieprawidłową lokalizację białka RAS w PM.
Nicień Caenorhabditis elegans został dokładnie przebadany w kontekście rozwoju. Wiele ścieżek sygnałowych, które rządzą rozwojem robaka, jest ewolucyjnych i funkcjonalnie zachowanych. Na przykład, aktywacja RAS za pośrednictwem EGFR i następująca po niej aktywacja kaskady sygnałów ERK MAPK są zachowane w worm12. Kaskada jest reprezentowana przez następujące białka: LET-23 > LET-60 > LIN-45 > MEK-2 > MPK-1. LET-60 jest homologiczny do RAS, podczas gdy LET-23 jest homologiczny do EGFR. U robaka szlak ten reguluje rozwój sromu13. Srom to otwór nabłonkowy na brzusznej ścianie ciała robaka, który umożliwia składanie zapłodnionych jaj. Tworzenie się sromu u robaka zależy od ekspozycji komórek prekursorowych sromu (VPC) na gradient aktywacji kaskady sygnałowej EGFR-RAS-MAPK. Podczas normalnego rozwoju proksymalne VPC otrzymują silne sygnały z komórek kotwiczących gonad, aby różnicować się w losy komórek 1° i 2°, które dają początek funkcjonalnemu sromowi12. Natomiast dystalne VPC różnicują się w losy komórek 3°, które łączą się z syncytium podskórnym i nie tworzą sromu z powodu zubożonej sygnalizacji. W przypadku braku sygnalizacji wszystkie VPC różnicują się w losy komórek 3°, co prowadzi do braku sromu. Jednak sygnalizacja konstytutywna prowadzi do powstania jednego lub więcej niefunkcjonalnych sromów w wyniku indukcji wszystkich VPC do przyjmowania losów komórek 1° i 2°.
Mutacje, które powodują wadliwą lub nadmierną indukcję sromu, zostały zidentyfikowane dla wielu genów kodujących białka reprezentujące ten szlak. Wadliwa indukcja sromu skutkuje fenotypem bezsromowym (Vul), podczas gdy nadmierna indukcja sromu powoduje fenotyp wielosromowy (Muv), który jest reprezentowany przez rozwój licznych niefunkcjonalnych ektopowych pseudosromów w całej brzusznej ścianie ciała. Fenotyp Muv wyrażony przez szczep let-60 (n1046) jest spowodowany mutacją wzmocnienia funkcji w RAS, podczas gdy w szczepie let-23 (sa62) jest spowodowany mutacją aktywującą w EGFR14,15. Wykazano, że silny fenotyp Muv w tych zmutowanych szczepach jest zaburzony przez interwencje farmakologiczne, jak wykazano w leczeniu robaków let-60 (n1046) inhibitorem MEK-1 U012616,17. Co ciekawe, wykazaliśmy, że R-fendylina i inhibitory wpływające na metabolizm sfingomieliny hamują fenotyp Muv u robaka18. Aby zademonstrować, że te inhibitory blokują sygnalizację let-60 na poziomie RAS, wykorzystano szczep zerowy lin-117. Lin-1 jest hamującym czynnikiem transkrypcyjnym podobnym do Ets, który działa jako represor w rozwoju sromu19. Silna rewersja fenotypu Muv u robaków let-60(n1046) i brak wpływu na robaki zerowe lin-1 sugerują, że hamowania te występują na poziomie RAS.
W tym protokole demonstrujemy użycie C. elegans jako modelu do identyfikacji inhibitorów białek RAS i EGFR. Korzystając z testu na bazie cieczy, wykazujemy hamujące działanie R-fendyliny poprzez tłumienie fenotypów Muv w zmutowanych szczepach let-60 (n1046) i let-23 (sa62) C. elegans. Test ten potwierdza zastosowanie C. elegans jako narzędzia w początkowej fazie odkrywania leków przeciwnowotworowych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie płytki z podłożem do wzrostu nicieni (NGM)
2. Rozmnażanie C. elegans
3. Przygotowanie synchronicznej kultury C. elegans
4. Przygotowanie testów leków
UWAGA: Kroki w tym teście są pokazane w Rysunek 1.
5. Preparat z agarozy do mikroskopii
6. Obserwacja fenotypu Muv w szczepach let-60, let-23 i lin-1
UWAGA: Tylko potencjalne leki, które hamują fenotypy Muv w szczepach let-23 i let-60, będą badane przy użyciu szczepu lin-1 w celu określenia, czy zahamowanie występuje na poziomie RAS czy EGFR.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W pierwszej kolejności wykazaliśmy, że R-fendilina jest w stanie zahamować fenotyp Muv w szczepie mutantów let-60(n1046) w porównaniu do nicieni traktowanych DMSO. Nasze dane pokazują, że R-fendilina blokuje fenotyp Muv w let-60(n1046) w sposób zależny od dawki (Rycina 2A,B). Jednak w szczepie mutantów null lin-1 zaobserwowano brak odwrócenia fenotypu Muv w odpowiedzi na zwiększające się stężenia R-fendiliny (Rycina 2B...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Testy, które opisujemy przy użyciu robaka, są proste i niedrogie do zidentyfikowania inhibitorów funkcji EGFR i RAS. C. elegans jest atrakcyjnym modelem do odkrywania leków, ponieważ jest łatwy w hodowli w laboratorium ze względu na krótki cykl życia (3 dni w temperaturze 20 °C) i zdolność do generowania dużej liczby larw. Co ważniejsze, szlak EGFR-RAS-ERK MAPK jest ewolucyjnie i funkcjonalnie zachowany, a ssaki zapewniają genetycznie podatny system do analizy wpływu inhibitorów EGFR i RAS. Co więcej, przezroczy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Dziękujemy dr Swathi Arur (MD Anderson Cancer Center) za udostępnienie let-60(n1046). Dziękujemy również dr Davidowi Reinerowi (Texas A&M Health Science Center, Institute of Biosciences & Technology w Houston) za szczep lin-1. Na koniec dziękujemy dr Danielle Garsin i jej laboratorium (The University of Texas, McGovern Medical School) za dostarczenie niektórych odczynników. Niektóre szczepy robaków zostały dostarczone przez CGC, które jest finansowane przez Biuro Programów Infrastruktury Badawczej NIH (P40 OD010440). Badania te były wspierane przez Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) grant RP200047 dla JF Hancocka.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Media i chemikalia | |||
| Agaroza | Millipore Sigma | A9539-50G | |
| Pepton baktowy | Fisher Scientific | DF0118-17-0 | |
| BD Difco Agar | Fisher Scientific | DF0145-17-0 | |
| BD Difco LB Bulion | Fisher Scientific | DF0446-17-3 | |
| Chlorek wapnia | Fisher Scientific | BP510-500 | |
| Cholesterol | Fisher Scientific | ICN10138201 | |
| Siarczan magnezu | Fisher Scientific | BP213-1 | |
| Nystatyna | Acros organiczna | ||
| Fosforan potasu dwuzasadowy | Fisher Scientific | BP363-500 | |
| Fosforan potasu jednozasadowy | Fisher Scientific | BP362-500 | |
| R-Fendylina | komercyjnie syntetyzowana (klasa farmaceutyczna) | ||
| Azydek sodu | Millipore Sigma | S2002-25G | |
| Chlorek sodu | Fisher Scientific | BP358-1 | |
| Wodorotlenek sodu | Fisher Scientific | SS266-1 | |
| 8,25% podchloryn sodu | Wybielacz | ||
| Fosforan sodu dwuzasadowy | Fisher Scientific | BP332-500 | |
| Siarczan streptomycyny | Fisher Scientific | BP910-50 | |
| (−)-Chlorowodorek tetramizolu | Millipore Sigma | L9756 | |
| UO126 (inhibitor MEK) | Millipore Sigma | 19-147 | |
| materiały eksploatacyjne | |||
| 15mL stożkowe sterylne probówki wirówkowe z polipropylenu | Fisher Scientific | 12-565-269 | |
| 50 ml stożkowe sterylne polipropylenowe probówki wirówkowe | Fisher Scientific | 12-565-271 | |
| Jednorazowe pipety serologiczne z polistyrenu 10 ml | Fisher Scientific | 07-200-574 | |
| Jednorazowe pipety serologiczne z polistyrenu 25 ml | Fisher Scientific | 07-200-575 | |
| Nr 1,5 18 mm X 18 mm Szkiełka nakrywkowe | Fisher Scientific | 12-541A | |
| Szalka Petriego z przezroczystą pokrywką (60 x 15 mm) | Fisher Scientific | FB0875713A | |
| Szalki Petriego z przezroczystą pokrywką (100X15mm) | Fisher Scientific | FB0875712 | |
| Szkiełka mikroskopowe ze zwykłego szkła (75 x 25 mm) | Fisher Scientific | 12-544-4 | |
| 12-dołkowe płytki do hodowli tkankowych | Fisher Scientific | 50-197-4804 | |
| Software | |||
| Prism | Graphpad | ||
| Szczepy bakteryjne | |||
| E. coli OP50 | |||
| Worm Szczepy | |||
| Szczep | Genotyp | Transgene< | strong>Źródło |
| MT2124 | let-60(n1046) IV. | CGC | |
| MT7567 | lin-1(sy254) IV. | CGC | |
| PS1839 | let-23(sa62) II. | CGC |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.