Tutaj prezentujemy test przesunięcia termicznego, wysokoprzepustową technikę opartą na fluorescencji, używaną do badania wiązania małych cząsteczek z białkami będącymi przedmiotem zainteresowania.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy test przesunięcia termicznego, wysokoprzepustową technikę opartą na fluorescencji, używaną do badania wiązania małych cząsteczek z białkami będącymi przedmiotem zainteresowania.
Definiowanie biologicznego znaczenia białek o nieznanych funkcjach stanowi istotną przeszkodę w zrozumieniu procesów komórkowych. Chociaż przewidywania bioinformatyczne i strukturalne przyczyniły się do badań nad nieznanymi białkami, walidacje eksperymentalne in vitro są często utrudnione ze względu na optymalne warunki i kofaktory wymagane do aktywności biochemicznej. Wiązanie kofaktora jest nie tylko niezbędne dla aktywności niektórych enzymów, ale może również zwiększać stabilność termiczną białka. Jednym z praktycznych zastosowań tego zjawiska jest wykorzystanie zmiany stabilności termicznej, mierzonej zmianami temperatury topnienia białka, do badania wiązania ligandów.
Test przesunięcia termicznego (TSA) może być użyty do analizy wiązania różnych ligandów z białkiem będącym przedmiotem zainteresowania lub znalezienia warunków stabilizujących do przeprowadzenia eksperymentów, takich jak krystalografia rentgenowska. Tutaj opiszemy protokół TSA wykorzystujący pseudokinazę, selenoproteinę O (SelO), w celu uzyskania prostej i wysokoprzepustowej metody testowania wiązania metalu i nukleotydu. W przeciwieństwie do kinaz kanonicznych, SelO wiąże ATP w odwróconej orientacji, aby katalizować transfer AMP do hydroksylowych łańcuchów bocznych białek w modyfikacji potranslacyjnej znanej jako AMPylacja białek. Wykorzystując zmianę temperatur topnienia, dostarczamy kluczowych informacji na temat interakcji molekularnych leżących u podstaw funkcji SelO.
Znaczna część ludzkiego proteomu pozostaje słabo scharakteryzowana. "Efekt światła ulicznego" opisany przez Dunhama i Kustatschera i in. odnosi się do zjawiska, w którym szeroko badanym białkom poświęca się więcej uwagi, pozostawiając niedobadane białka pomijane1,2. Czynniki przyczyniające się do tego efektu obejmują znaczenie biologiczne i znaczenie chorobowe niektórych białek. Co więcej, wcześniejsze badania, które oferują podstawową wiedzę, a także dostępność narzędzi do analizy funkcjonalnej, dodatkowo stymulują badania nad wysoko zbadanymi białkami1,2. Projekty takie jak Understudy Proteins Initiative, Structural Genomics Consortium i Enzyme Function Initiative mają na celu scharakteryzowanie niedostatecznie badanych białek za pomocą proteomiki strukturalnej i funkcjonalnej2,3,4. Uzupełniającym podejściem do identyfikacji funkcji molekularnych niedostatecznie badanych białek jest badanie interakcji tych białek z małymi cząsteczkami w celu uzyskania cennych informacji na temat regulacji i swoistości substratów.
Wiązanie małych cząsteczek może zwiększyć stabilność termiczną białka5. Zjawisko to, znane jako stabilizacja konformacji indukowana przez ligand, często powoduje wzrost temperatury topnienia białka, co stanowi mierzalne wskazanie wiązania liganda6. Stabilność termiczną białka można zmierzyć za pomocą różnicowej fluorymetrii skaningowej (DSF), znanej również jako Thermofluor lub test przesunięcia termicznego (TSA)7,8,9,10. W TSA próbka białka jest poddawana działaniu rosnących temperatur w obecności wrażliwego na środowisko barwnika o wysokiej klasie barwników6. W miarę rozwoju i denaturacji białka barwnik wiąże się z odsłoniętymi hydrofobowymi obszarami białka i emituje fluorescencję. Zewnętrzne barwniki fluorescencyjne lub barwniki wrażliwe na środowisko nie mają wewnętrznej fluorescencji, a zamiast tego fluoryzują po interakcji z cząsteczką docelową9,11,12. Najczęściej stosowany barwnik, SYPRO Orange, oferuje kilka zalet, takich jak zwiększona stabilność i minimalna fluorescencja tła8,9,12. Warto zauważyć, że SYPRO Orange jest kompatybilny z systemami reakcji łańcuchowej polimerazy w czasie rzeczywistym (RT-PCR) ze względu na długości fal wzbudzenia i emisji odpowiednio około 470 nm i 570 nm. Ta unikalna funkcja pozwala na wykonywanie pomiarów o wysokiej przepustowości, dokładnych i czułych, które są kompatybilne z systemami detekcji fluorescencji powszechnie stosowanymi w systemach RT-PCR8.
TSA to wszechstronne narzędzie do badania interakcji białek z potencjalnymi kofaktorami lub lekami oraz do identyfikowania warunków stabilizujących krystalografię. Niektóre z jej zalet w porównaniu z innymi metodami przesiewowymi to względna prostota konfiguracji i wysoka przepustowość z płytkami 96- lub 384-dołkowymi13,14,15. Rozwój tej techniki był przełomowy dla badań nad odkrywaniem leków, oferując wygodę i umożliwiając badanie różnych dodatków, takich jak jony, ligandy i leki6,16. Co więcej, zdolności adaptacyjne TSA zachęciły naukowców do rozszerzenia jego użyteczności, ułatwiając pomiar powinowactwa wiązania wraz z testami przesiewowymi17,18. TSA jest skutecznym narzędziem w badaniach biologii strukturalnej do identyfikacji warunków, które sprzyjają stabilizacji białka będącego przedmiotem zainteresowania do krystalizacji19. W związku z tym jego elastyczność i względna łatwość sprawiły, że TSA stała się podstawową techniką w charakterystyce białek. Tutaj użyjemy TSA do analizy wiązania metali i nukleotydów z niedostatecznie zbadaną pseudokinazą, selenoproteiną O (SelO), jako przykładem.
Kinazy są jedną z najbardziej pożądanych rodzin białek w odkrywaniu leków20. Przewiduje się, że około 10% ludzkich kinaz jest nieaktywnych i nazywa się je pseudokinazami, ponieważ brakuje im kluczowych reszt katalitycznych wymaganych do katalizy21,22. Selenoproteina O (SelO) jest ewolucyjnie konserwatywną pseudokinazą, która nie ma konserwatywnego asparaginianu w katalitycznym motywie HRD23. U eukariontów SelO lokalizuje się w mitochondriach i chroni komórki przed stresem oksydacyjnym24,25. Analizy strukturalne i biochemiczne pokazują, że SelO przenosi monofosforan adenozyny (AMP) z ATP do substratów białkowych w modyfikacji potranslacyjnej znanej jako AMPylation25. Ostatnie badania wskazują, że enzymy katalizujące AMPylację mogą wiązać alternatywne nukleotydy, takie jak UTP in vitro26,27. Warto zauważyć, że badania wykazały, że homolog SelO z Salmonella typhimurium katalizuje białko UMPylacja, czyli transfer UMP, w sposób zależny od manganu28. Biorąc pod uwagę te intrygujące obserwacje, testujemy wiązanie SelO z ATP i UTP w obecności magnezu i manganu, służąc jako reprezentatywny przykład zastosowań TSA. Poniższy protokół można łatwo dostosować w celu optymalizacji i zbadania interakcji innych białek i dodatków będących przedmiotem zainteresowania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Konfiguracja eksperymentalna
2. Określenie optymalnego stężenia barwnika (Rysunek 2A)
3. Określenie optymalnego stężenia białka (Rysunek 2B)
4. Przygotowanie eksperymentu TSA (Rysunek 3A)
UWAGA: Po optymalizacji stężenia białka i barwnika SYPRO Orange, test może być przeprowadzony z dodatkiem pożądanych małych cząsteczek w celu analizy wiązania.
5. Analiza danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Eukariotyczne SelO składa się z N-końcowej sekwencji kierującej do mitochondriów, domeny przypominającej kinazę oraz silnie konserwowanej selenocysteiny na C-końcu białka23. Ten enzym zlokalizowany w mitochondriach koduje domenę pseudokinazy, która jest konserwowana od bakterii do ludzi23. Analiza strukturalna homologu SelO z Pseudomonas syringae ujawniła zmiany aminokwasowe w centrum aktywnym, które ułatwiają wiązanie ATP w orientacji odwróconej w porównaniu do ka...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Test przesunięcia termicznego (TSA) służy jako skuteczna metoda badań przesiewowych interakcji białko-ligand, w tym tych z kofaktorami i inhibitorami. W tym protokole użyliśmy TSA do pomiaru wiązania pseudokinazy SelO z nukleotydami i kationami dwuwartościowymi. Nasze odkrycia pokazują, że SelO wykazuje zwiększoną stabilność termiczną w obecności ATP i Mg2+/Mn2+. Obserwacja ta jest zgodna z wcześniejszymi doniesieniami wskazującymi, że homologi SelO z E. coli, S. cerevisiae i H. sapiens...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.
A.S. jest stypendystą W.W. Caruth, Jr. w dziedzinie badań biomedycznych, stypendystą Instytutu Zapobiegania i Badań nad Rakiem w Teksasie (CPRIT) oraz stypendystą Centrum Metabolizmu Minerałów i Badań Klinicznych im. Charlesa i Jane Pak. Prace te były wspierane przez NIH Grant K01DK123194 (AS), CPRIT Grant RR190106 (AS), Welch (I-2046-20200401) i Welch (I-2046-20230405).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Hydrat soli disodowej adenozyno-5&trifosforanu | Sigma Aldrich | A2383-10G | używany do uzyskania reprezentatywnych wyników, ale nie jest wymagany do wykonania TSA |
| Avanti J-15R z zespołem nośnika mikropłytek | Beckman Coulter | C19416 | |
| CFX Opus 384 System PCR w czasie rzeczywistym | Bio-Rad | 12011452 | |
| Hard-Shell 384-Well PCR Płytki, cienkościenne, z listwą przypodłogową, przezroczyste/białe | Bio-Rad | HSP3805 | |
| Chlorek magnezu | Sigma Aldrich | M8266-100G | stosowany do uzyskania reprezentatywnych wyników, ale niewymagany do wykonania TSA |
| Tetrahydrat chlorku manganu (II) | Sigma Aldrich | M3634-500G | stosowany do uzyskania reprezentatywnych wyników, ale niewymagany do wykonania folii |
| uszczelniającej do PCR TSA Microseal "B", klej, optyczny | Bio-Rad | MSB1001 | |
| SYPRO Pomarańczowa plama białkowa w żelu | Sigma Aldrich | S5692-500UL | |
| Hydrat soli trisodowej 5&trifosforanu | urydyny Sigma | Aldrich U6625-100MG | stosowany do uzyskania reprezentatywnych wyników, ale nie jest wymagany do wykonania TSA |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.