Badanie to ustanowiło metodę wykorzystującą rozszerzenie kodu genetycznego do skutecznej inkorporacji laktylizyny (Klac) w określonych miejscach ludzkiej enolazy-1 (hENO1) i superfolderu GFP (sfGFP) w komórkach Escherichia coli i ssaków.
Artykuł metodologiczny
Badanie to ustanowiło metodę wykorzystującą rozszerzenie kodu genetycznego do skutecznej inkorporacji laktylizyny (Klac) w określonych miejscach ludzkiej enolazy-1 (hENO1) i superfolderu GFP (sfGFP) w komórkach Escherichia coli i ssaków.
Laktylacja to niedawno odkryta modyfikacja posttranslacyjna (PTM) o różnorodnych funkcjach biologicznych. Od momentu pierwszego zidentyfikowania w 2019 roku jako regulatora polaryzacji makrofagów, laktylacja histonowych stała się kluczowym ogniwem łączącym metabolizm komórkowy z regulacją funkcjonalną. Biochemicznie polega na kowalencyjnym transferze grupy laktylowej na reszty lizyny, pośredniczonym albo przez laktylotransferazy wykorzystujące laktylo-CoA jako dawcę acyklu, albo przez aminoacylo-tRNA syntetazy (AARS) za pośrednictwem laktylo-AMP pośredniego. Dzięki tym mechanizmom poziomy mleczanu wewnątrzkomórkowego są bezpośrednio powiązane z modyfikacją i funkcją białka. Mleczenie pośredniczi w szeregu kluczowych procesów komórkowych, od funkcji fizjologicznych, takich jak regulacja genów, naprawa DNA, przeprogramowanie metaboliczne i modulacja immunologiczna, po procesy patologiczne, takie jak postęp guza i przerzuty. Pomimo identyfikacji licznych miejsc laktylacji za pomocą proteomiki, osiągnięcie specyficznej dla konkretnego miejsca laktylacji lizyny poprzez mutagenezę pozostaje wyzwaniem. Aby temu zaradzić, stosujemy technologię rozszerzania kodu genetycznego, wykorzystując specyficzną aminoaceyl-tRNA syntetazę laktylolizynową (KlacRS) oraz jej odpowiedni tRNA, aby precyzyjnie włączyć laktylizynę (Klac) w wyznaczonych resztach. Strategia ta umożliwia generowanie jednorodnie laktylowanych wariantów białek do bezpośrednich badań funkcjonalnych. Tutaj opisujemy uprościony protokół laktylacji białek specyficznych dla miejsca, zweryfikowany zarówno w komórkach Escherichia coli (E. coli), jak i ssaków, wykorzystując ludzką enolazę-1 (hENO1) i superfolder GFP (sfGFP) jako systemy modelowe.
Laktylacja lizyny (Klac), pierwotnie zidentyfikowana na histonach, stała się kluczowym węzłem łączącym nieprawidłowy metabolizm nowotworów z regulacją epigenetyczną1. Nagromadzenie mleczanu wynikające z zwiększonej glikolizy tlenowej w komórkach nowotworowych stanowi metaboliczne podstawy laktylacji, umożliwiając mleczanowi działanie nie tylko jako produkt metaboliczny, ale także jako cząsteczka sygnalizująca, która bezpośrednio moduluje funkcję białka. Rosnące dowody wskazują, że laktylacja szeroko uczestniczy w inicjacji i progresji guza poprzez koordynację proliferacji komórek nowotworowych 2,3,4,5, przerzutów6, przeprogramowania metabolicznego7 oraz oporności terapeutycznej 8,9.
Na poziomie fenotypowym podwyższona lakttylacja jest ściśle związana ze zwiększoną agresywnością guza. Na przykład w raku nerki z komórek przezroczystych (ccRCC) laktilacja H3K18 sprzyja proliferacji i przerzutom poprzez zwiększenie regulacji receptora czynnika wzrostu β pochodzącego z płytek krwi (PDGFRβ), ustanawiając dodatnią pętlę sprzężenia zwrotnego między akumulacją mleczanu a sygnałem onkogennym10. Podobnie w raku jelita grubego (CRC) podwyższona lakttylacja H3K18 napędza progresję guza poprzez zwiększoną transkrypcję autofagii podobnej do Rubikonu (RUBCNL), co sprzyja dojrzewaniu autofagosomów i wspiera przeżycie komórek nowotworowych11.
Poza bezpośrednim wpływem na agresywność guza, laktylacja pośredniczy także w przeprogramowaniu metabolicznym guza poprzez modulację ekspresji i aktywności genów związanych z metabolizmem7. W niedrobnokomórkowym raku płuca (NSCLC) laktylacja histonów obniża poziom enzymów związanych z glikolizą, jednocześnie zwiększając enzymy cyklu kwasu trikarboksylowego (TCA), co zwiększa pobieranie glukozy przez komórki nowotworowe i pogłębia zaburzenia metaboliczne12. Konsekwentnie globalne profilowanie laktylomów pokazuje, że laktylacja preferencyjnie celuje w enzymy zaangażowane w centralne szlaki metabolistyczne, w tym metabolizm glukozy, cykl TCA, metabolizm aminokwasów i kwasów tłuszczowych, a te modyfikacje silnie korelują z agresywnymi fenotypami nowotworowymi7.
Co istotne, biologiczne konsekwencje laktylacji są silnie zależne od miejsca, a ta modyfikacja stała się kluczowym czynnikiem determinującym oporność terapeutyczną nowotworów. W CRC laktylacja K673 rekombinacji mejotycznej 11 (MRE11) wzmacnia naprawę rekombinacji homologicznej (HR), co zwiększa odporność na chemioterapię i inhibitory polimerazy poli(ADP-rybozy) (PARP)13. W glejaku (GBM) interakcja między członkiem rodziny aldehydrogenazy 1, członkiem rodziny aldehydrogenaz 1, A3 (ALDH1A3), a kinazą piruwanianową M2 (PKM2) zwiększa produkcję mleczanu, co następnie indukuje laktilację K247 białka krzyżowego uzupełniającego rentgenowskie 1 (XRCC1), co zwiększa naprawę uszkodzeń DNA, a tym samym napędza radiooodporność i chemooodporność na temozolomid (TMZ)14. Badania te łącznie podkreślają, że precyzyjna kontrola laktylacji przy określonych resztach lizyny jest niezbędna dla mechanistycznej sekcji i celowania terapeutycznego.
Postępy w spektrometrii mas wysokiej rozdzielczości ujawniły powszechną laktylację enzymów metabolicznych, czynników transkrypcjowych oraz przetworników sygnalizacji, podkreślając jej szeroką rolę w kontrolowaniu metabolizmu, transdukcji sygnałów oraz fizjologii komórkowej 15,16,17,18. Do tej pory zgłoszono kilka enzymów katalizujących laktylację – na przykład AARS1 pośredniczy laktylację p53, wspierając tumourigenezę19, a AARS1/2 reguluje laktylację cGAS, tłumiąc odporność wrodzoną – jednak te enzymy są selektywne pod względem substratów i obecnie nie są w stanie osiągnąć w pełni specyficznej miejscowej lakttylacji na dowolnych białkach20. W związku z tym dziedzina pozostaje wyzwaniem dla sposobu ukierunkowanej manipulacji Klac w celach badawczych lub terapeutycznych.
Badania funkcjonalne wciąż w dużej mierze opierają się na mutagenezie ukierunkowanej na miejsce – zazwyczaj zastępując lizynę (K) glutaminą (Q), aby naśladować stan nienaładowany modyfikacji acylolizyny, takich jak acetylacja lub laktilacja 21,22,23,24. Jednak to podejście ma istotne ograniczenia w wiernym odtwarzaniu natywnej laktylacji: struktura chemiczna i geometria łańcuchów bocznych glutaminy różnią się od tych w przypadku lizyny laktylacyjnej, a co istotne, podstawienie K do Q nie może odróżnić stanów acetylowanych od laktylacowanych, gdy oba modyfikacje mogą zachodzić w tym samym miejscu.
Rozszerzenie kodu genetycznego (GCE) stanowi potężne rozwiązanie tych ograniczeń, umożliwiając bezpośrednie włączenie niekanonicznych aminokwasów do białek w określonych miejscach. Dzięki pozytywnemu testowi biblioteki mutantów Methanosarcina mazei pyrrolysyl-tRNA syntezazy (MmPylRS) Methanosarcina mazei wcześniej zidentyfikowaliśmy wariant wykazujący wzrost zależny od Klac. Ten mutant, posiadający mutacje L301M, Y306L, L309A i C348F, został oznaczony jako KlacRS125,26. KlacRS1 aminoacyluje swoje równorzędne ortogonalne tRNA z Klac, tłumi bursztynowy kodon stop i umożliwia efektywną, specyficzną dla miejsca inkorporację Klac do białek docelowych. Oprócz KlacRS1, zgłoszono kilka innych wariantów aaRS zdolnych do włączenia Klac, w tym LacKRS (L270I/Y271L/L274A/C313F) pochodzący z MbPylRS oraz LacKRS3 (Y271M/C313S)19,27, a także LacKRS (C348T/Y384F)28 pochodzący zMm PylRS. Razem te narzędzia tworzą wszechstronny zestaw genetyczny do produkcji specyficznych dla miejsca wariantów białek laktylacycznych, aby zrozumieć biologiczne konsekwencje poszczególnych zdarzeń laktylacji.
W naszych poprzednich badaniach zastosowaliśmy ten system oparty na GCE do ekspresji białek ALDOA z laktylacją specyficzną dla miejsca Lys147 zarówno w komórkach E. coli, jak i ssaków. Analizy funkcjonalne wykazały, że laktylacja w Lys147 wywiera negatywny wpływ sprzężenia zwrotnego na glikolizę, zwiększa stabilność termiczną i chemiczną ALDOA oraz sprzyja jej translokacji z cytoplazmy do jądra. Wyniki te nie tylko ujawniły wcześniej nieznany mechanizm regulacyjny ALDOA, ale także potwierdziły odporność, wszechstronność i praktyczną użyteczność tej specyficznej dla lokalizacji platformy laktylacji25,26. Bazując na tym fundamencie, używamy tutaj ludzkiego enolazy-1 (hENO1) oraz superfolderu GFP (sfGFP) jako reprezentatywnych przykładów, aby opisać uproszczeną strategię precyzyjnej inkorporacji Klac przy użyciu naszego ortogonalnego systemu KlacRS/tRNA.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Bursztynowa mutageneza kodu kodonowego do kodowania genowego laktylizyny do genu docelowego
2. Ekspresja białka mleczonego w komórkach E. coli
3. Kodowanie genetyczne laktylizyny w komórkach HEK 293T
4. Oczyszczanie białka mlecylnego za pomocą jego tagu w komórkach E. coli
5. Charakterystyka biochemiczna białka mleczonego
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Najpierw oceniliśmy specyficzność włączenia Klac do białek w E. coli. Gen dla ludzkiej enolazy 1 (hENO1) został zaprojektowany tak, aby zawierał bursztynowy kodon stop w pozostałości K89 (hENO1-89TAG), a ten konstrukt był współekspresjonowany z ortogonalnym KlacRS i jego odpowiednią parą tRNA w E. coli. W braku suplementacji 1 mM Klac nie wykryto pełnowymiarowego hENO1; dla porównania, gdy do podłoża wzrostu dodano 1 mM Klac, powstał pełnowymiarowy hENO1 zawierający Klac na pozycji 89 (hENO1-89...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Tutaj opisujemy strategię specyficznej inkorporacji Klac w białkach zarówno w komórkach prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Poprzez wprowadzenie bursztynowego kodona stopowego w pożądanej pozycji docelowego genu i współekspresję z ortogonalną parą KlacRS/tRNA w komórkach gospodarza, autentyczna lizyna laktylowa może być precyzyjnie włączana do białek w komórkach żywych, stanowiąc potężne narzędzie do badania biologii specyficznej dla laktylacji.
Wykazaliśmy wykonalność tego workflow, używ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają konfliktów interesów do ujawnienia.
Badania te były wspierane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (22377058), Interdyscyplinarne Finansowanie Biologii Syntetycznej w Tradycyjnej Medycynie Chińskiej Uniwersytetu Chińskiego w Nankinie oraz Narodowe Specjalne Programy Wsparcia Talentów Wysokiego Poziomu (Program 10 000 Talentów) – Młode Talenty.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 6*jego, Jego tag Rekombinowane przeciwciało monoklonalne | Proteintech | 84814-1-RR | Klasa specyficznych immunoglobulin, celujących w 6&; Jego tag (krótki peptyd złożony z sześciu kolejnych reszt histydyny, HHHHHH) w białkach rekombinowanych. |
| System UPLC AQUITY | Wody | UltraPerformance Chromatografia Cieczowa | |
| Królik mAb anty-L-Lakttyllizyny | PTM Biolabs | PTM-1401RM | Klasa specyficznych immunoglobulin skierowanych na L-Lactyl Lysine (Klac), modyfikację posttranslacyjną (PTM) białek. |
| Klonowanie ClonExpress II w jednym kroku | Vazyme | C112 | Dzięki prostej, szybkiej i efektywnej technologii bezszwowowego klonowania DNA, fragmenty insertów można sklonować kierunkowo do dowolnego miejsca dowolnego wektora. |
| Cytometr przepływowy CytoFlex | Beckmann Coulter | Cytometr przepływowy z wysokoczułą możliwością wykrywania i analizy wielokolorowej | |
| DH10B | Biokrólik | EC005H-S | Typ kompetentnych komórek do transformacji plazmidów, klonowania genów oraz niebiesko-białego przesiewu. |
| DH5α | Vazyme | C502 | Typ kompetentnych komórek do transformacji plazmidów, klonowania genów oraz niebiesko-białego przesiewu. |
| System EASY-nano LC 1200 | Thermo Fisher Scientific | Nano-cieczowa chromatografia do separacji próbek złożonych o wysokiej czułości i wysokiej rozdzielczości | |
| Spektrometr masowy Orbitrap Eclipse Tribrid | Thermo Fisher Scientific | flagowy system wysokiej klasy tribridowej chromatografii cieczowej i spektrometrii masowej (LC-MS) | |
| Polimeraza DNA Phanta Max Super-Fidelity | Vazyme | P505 | Wysokowierny pojedynczy enzym łączący szybkie wzmocnienie i wierność |
| PolyJet | SignaGen | SL100688 | PolyJet DNA In Vitro Tranfection Reagent został sformułowany jako silny odczynnik transfekcyjny, który zapewnia skuteczną i powtarzalną transfekcję przy mniejszej cytotoksyczności. |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie