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Research Article
Chirag Vasavda*1, Nicholas W. Zaccor*1, Paul C. Scherer1, Charlotte J. Sumner1,2, Solomon H. Snyder1,3,4
1The Solomon H. Snyder Department of Neuroscience,Johns Hopkins University School of Medicine, 2Department of Neurology and neurosurgery,Johns Hopkins University School of Medicine, 3Departments of Pharmacology and Molecular Sciences,Johns Hopkins University School of Medicine, 4Department of Psychiatry and Behavioral Sciences,Johns Hopkins University School of Medicine
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
A ligação de trifosfato de guanosina (GTP) é um dos primeiros eventos na ativação do receptor acoplado com proteína G (GPCR). Este protocolo descreve como caracterizar farmacologicamente as interacções específicas de GPCR-ligando, monitorizando a ligação do análogo de GTP radio-marcado, [ 35 S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPγS), em Resposta a um ligando de interesse.
Os receptores acoplados a proteína G (GPCRs) são uma grande família de receptores transmembranares que desempenham papéis críticos na fisiologia celular normal e constituem um alvo farmacológico importante para múltiplas indicações, incluindo analgesia, regulação da pressão arterial e tratamento de doenças psiquiátricas. Após a ligação do ligando, os GPCR catalisam a ativação de proteínas G intracelulares estimulando a incorporação de trifosfato de guanosina (GTP). As proteínas G ativadas estimulam as vias de sinalização que suscitam respostas celulares. A sinalização de GPCR pode ser monitorizada medindo a incorporação de uma proteína radiomarcada e não hidrolisável de GTP, [35S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPγS), em proteínas G. Ao contrário de outros métodos que avaliam mais processos de sinalização a jusante, a ligação de [ 35 S] GTPγS mede um evento proximal na sinalização de GPCR e, importante, pode distinguir agonisTs, antagonistas e agonistas inversos. O presente protocolo descreve um método sensível e específico para estudar a sinalização GPCR usando preparações de membrana em bruto de um GPCR arquetípico, o receptor μ-opióide (MOR1). Embora existam abordagens alternativas para células e tecidos fracionados, muitos são custos proibitivos, tediosos e / ou requerem equipamentos de laboratório não-padrão. O presente método fornece um procedimento simples que enriquece as membranas brutas funcionais. Após o isolamento de MOR1, foram determinadas várias propriedades farmacológicas de seu agonista, [D-Ala, N-MePhe, Gly-ol] -enkephalin (DAMGO) e antagonista, naloxone.
Os receptores G-Protein-Coupled (GPCRs) são uma grande família de receptores de superfície celular responsáveis por uma série notável de processos fisiológicos, incluindo analgesia, olfação e comportamento 1 . Os GPCRs atuam detectando sinais externos específicos e subsequentemente estimulando a sinalização intracelular. Eles, portanto, marcam uma junção de chave entre os ambientes externos e internos de uma célula. Devido ao papel crítico que os GPCRs desempenham na biologia, eles se tornaram os principais alvos tanto da pesquisa básica como da descoberta de drogas 2 , 3 .
Ao contrário de outras famílias de receptores que se ligam a ligandos discretos, os GPCRs podem ligar tipos diferentes de moléculas. Enquanto um GPCR pode interagir com péptidos, outro pode sentir fótons, pequenas moléculas ou íons 1 , 4 . Enquanto seus ligandos são diversos, os GPCRs são unificados em seu arquiteto geralUre e função. GPCRs individuais são constituídos por sete proteínas transmembranares α-helicoidais com terminais amino extracelulares e terminais carboxílicos intracelulares 5 , 6 . Os GPCRs são acoplados a proteínas intracelulares - complexos de proteínas heterotriméricas compostos por subunidades α, β e γ - que medeiam diversas vias de sinalização 7 . A subunidade G α é uma proteína de ligação a nucleótidos de guanina que é inativa quando vinculada ao difosfato de guanosina (PIB) e ativa quando vinculada ao trifosfato de guanosina (GTP) 8 , 9 . Quando os GPCRs ligam seus ligandos, eles sofrem uma mudança conformacional que permite que G α se dissocie de G βγ , permitindo que G α troque PIB por GTP 7 . O próprio receptor é fosforilado no seu terminal carboxílico por várias serina / tremonIne quinases 10 , 11 e internalizadas para atenuar a sinalização do receptor 12 , 13 , 14 . Enquanto isso, o monómero G α ativado e o dímero G βγ passam a ativar vias de sinalização distintas 7 . Existem várias isoformas de cada subunidade de proteína G, e cada isoforma tem como alvo vias a jusante particulares e sistemas de mensageiro secundário. As principais isoformas de G α incluem G s , G q , G i / o e G 12-13 . Normalmente, os GPCR individuais se associam a uma isoforma particular de G α , ligando assim um estímulo externo a uma resposta celular específica 1 .
A caracterização de uma interação GPCR-ligando é fundamental para a compreensão da biologia do receptor. Como a troca GDP / GTP é uma das primeiras vésperasO que segue a ligação do ligando, o monitoramento da ligação GTP pode medir a ativação ou a inibição do GPCR. O ensaio de eventos mais a jusante na sinalização de GPCR geralmente não é quantitativo ou estequiométrico, pode não distinguir os agonistas completos de parciais e pode exigir reagentes caros. Além disso, o aumento da ligação GTP às proteínas G α é um evento quase universal após a ativação do GPCR, o que significa que a medição da ligação GTP é um ensaio amplamente aplicável para o monitoramento da atividade da maioria dos GPCRs. Medir a ligação GTP é uma abordagem simples e rápida para monitorar a sinalização GPCR em células que sobreexpressam o receptor de interesse ou no tecido nativo. O presente protocolo detalha um ensaio funcional de ligação de GTP usando um GPCR arquetípico, o receptor de opióides μ (MOR1), para determinar quantitativamente a atividade de um agonista e antagonista na sinalização GPCR.
Este protocolo descreve primeiro como isolar as membranas brutas das células que sobre-expressam o MOR1. Observe queEste protocolo não se limita aos sistemas de sobreexpressão e pode ser aplicado a muitas fontes de membrana, incluindo tecido nativo ou preparações que expressam múltiplos receptores e proteínas G 15 . O protocolo então detalha como medir a ligação de um análogo GTP radioativo a essas membranas em resposta a concentrações variáveis de [D-Ala, N-MePhe, Gly-ol] -enkephalin (DAMGO) ou naloxone, um agonista e antagonista MOR1, respectivamente. O análogo GTP, [35S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPγS) não é hidrolisável. Esta propriedade é crítica porque as subunidades de G α exibem atividade de GTPase intrínseca 7 e eliminariam o fosfato de gama marcado em um radioquímico GTP hidrolisável. As membranas são então presas em filtros de fibra de vidro e lavadas, após o que a GTP radiomarcada é quantificada por contagem de cintilação líquida. Múltiplos parâmetros farmacológicos podem ser derivados para caracterizarE a interação receptor-ligando, incluindo a resposta semi-máxima (EC 50 ) e coeficiente de Hill (n H ) para agonistas e a concentração inibidora semi-máxima (IC50) e constante de dissociação de equilíbrio (Kb) para antagonistas 16 , 17 , 18 .
1. Expressão de HA-MOR1 recombinante em células cultivadas
NOTA: Siga todos os protocolos de cultura celular em uma capa de fluxo laminar estéril.
2. Coleta de células e coleta de membrana
3. Encadernação [ 35 S] GTPγS
NOTA: Use o protocolo de segurança radioquímico padrão ao manusear [ 35 S] GTPγS e ao realizar experiências de ligação [ 35 S] GTPγS. Use sempre luvas de proteção e um bata de laboratório. Verifique o material de embalagem quanto a vazamentos ou fissuras. Descarte os resíduos e os reagentes em excesso de acordo com os protocolos institucionais.4. Filtração de membrana
5. Contagem de cintilação líquida
6. Análise de dados
O fraccionamento celular pode ser utilizado para isolar e enriquecer proteínas associadas à membrana a partir de proteínas citosolares e nucleares. A Figura 1 é uma mancha de Western que demonstra os conteúdos das três fracções primárias que podem ser recolhidas durante o processo de fraccionamento subcelular. Especificamente, a Figura 1 mostra que o fraccionamento separa de forma limpa as proteínas da membrana ( ou seja, Na + / K + ATPase, proteína dissulfureto isomerase (PDI) e HA-MOR1) da histona H2B e da gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH), proteínas nucleares e proteínas citosólicas, respectivamente. Além disso, a Figura 1 demonstra o enriquecimento de proteínas (pista 1 em comparação com a pista 4) em suas respectivas frações subcelulares como resultado do fraccionamento. Uma mancha representativa de Ponceau demonstra carga igual de proteína em cada fração. É importante notar que esta fraçãoO protocolo de onação não distingue entre diferentes membranas celulares. O PDI é geralmente localizado no retículo endoplasmático (ER), enquanto que Na + / K + ATPase é predominantemente na membrana plasmática. No entanto, ambas as proteínas estão presentes na fração final da membrana bruta ( Figura 1 , pista 4). Além disso, enquanto este protocolo separa vigorosamente as proteínas nucleares da fração de membrana citosólica e final ( Figura 1 , pistas 2-4), a fração enriquecida para proteínas nucleares contém algumas proteínas de membrana ( Figura 1 , pista 2), possivelmente da ER.
Múltiplos parâmetros farmacológicos podem ser derivados para caracterizar uma interação GPCR-ligando através de experiências de ligação a GTP ( Tabela 1 ). Por exemplo, a resposta semi-máxima (EC 50 ) e o coeficiente Hill (n H ) de um agonista podem ser obtidos monitorando a ligação GTP emResposta a doses variáveis do agonista. A Figura 3A demonstra a ligação de GTP com resposta de dose ao MOR1 após o tratamento com DAMGO. Quando os dados são adequados a uma regressão não linear de quatro parâmetros, o ajuste descreve uma interação receptor-ligando com uma CE 50 de 185 ± 23 nM e um coeficiente de Hill de 0,46 ± 0,06. A curva de ligação de GTP pouco profunda observada após o tratamento com DAMGO sugere cooperatividade negativa entre DAMGO e MOR1. Este método também pode identificar e descrever a farmacologia de um antagonista. Como a Figura 3A e B ilustra, a naloxona é um antagonista MOR1. A potência agonista (K b ) de naloxona, 97 ± 20 nM, foi determinada variando a concentração de naloxona em competição com uma concentração fixa de DAMGO ( Figura 3A ). A naloxona exibiu um coeficiente de Hill de 0,88 ± 0,06, sugerindo ligação independente entre naloxona e MOR1. Se o acA indicação de um ligando é desconhecida, este ensaio pode discriminar entre um agonista, antagonista e agonista inverso. Se o ligando for um agonista, haveria um aumento da ligação GTP, como na Figura 3A , após a aplicação DAMGO. Se o ligando for um agonista inverso, haveria ligação diminuída de GTP em relação à ligação basal. Se o ligando for um antagonista, não haveria efeito sobre o tratamento com o ligando sozinho. Se aplicado de forma concomitante com um agonista, um antagonista inibiria a capacidade do agonista para estimular a ligação GTP. A Figura 3A ilustra a actividade antagonista de naloxona contra o agonista DAMGO.

Figura 1: Fracionamento de células separa proteínas associadas à membrana, nucleares e citossólidas. ( Top ) A pista 1 representa oProteína presente em toda a célula. A pista 2 contém proteínas nucleares e associadas à membrana separadas durante as primeiras etapas de centrifugação. A pista 3 é a fração citosólica separada após 20 min de centrifugação a 11 000 x g. A pista 4 contém uma fração de membrana em bruto adequada para experiências de ligação de [ 35 S] GTPγS. ( Parte inferior ) A mancha de Ponceau de uma membrana ocidental demonstra carga de proteínas por cada fração celular. Os seguintes anticorpos foram utilizados para imunotransferência: anti-Na + / K + -ATPase de rato (1: 1.000), anti-GAPDH de rato (1: 5.000), anti-H2B de rato (1: 2.500), anti-PDI de coelho (1 : 1.000) e anti-HA de rato (1: 2.000). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Fluxograma que descreve o procedimento de fração e [ 35 S] GTPγS-binding. Primeiro transfira as células para expressar o GPCR de interesse. Após 48 h, colher e fracionar as células para isolar o receptor (vermelho) e as proteínas G associadas (verde = G α , roxo = G β e laranja = G γ ). Para realizar experimentos de ligação ao GTP, adicionar [35S] GTPγS e incubar as membranas com o ligando de interesse. Para medir a atividade da proteína G, unir as membranas a um filtro para lavar qualquer radioquímico não ligado e depois quantificar o [ 35 S] GTPγS ligado por contagem de cintilação líquida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Agonismo aNd Antagonismo em μ-opióides Receptores Definido por [ 35 S] ligação GTPγS. ( A ) [ 35 S] GTPγS curva dose-resposta para DAMGO sozinho (azul) ou naloxona em competição com 2,5 μM DAMGO (verde). [ 35 S] A ligação de GTPγS foi normalizada para a estimulação máxima em cada experiência e foi expressa como uma porcentagem. Os pontos apresentados são a média das determinações em triplicado e são expressos como média ± SEM ( B ) Antagonismo de [ 35 S] GTPγS estimulado por DAMGO Ligação por naloxona. [ 35 S] GTPγS A ligação foi quantificada após a adição de naloxona isolada (100 μM), DAMGO sozinha (10 μM) ou DAMGO (10 μM) em competição com naloxona (100 μM). Os resultados são expressos como a média ± SEM de três experimentos independentes. Por favor clique elePara ver uma versão maior dessa figura.
| Ligando | EC 50 ou IC 50 (nM) | N H | K b (nM) |
| DAMGO | 185 ± 23 | 0,46 ± 0,06 | |
| Naloxona | 420 ± 87 | 0,88 ± 0,06 | 97 ± 20 |
Tabela 1: Parâmetros Farmacológicos da Actividade DAMGO e Naloxona em receptores μ-opióides. A resposta semi-máxima (EC 50 ) eo coeficiente de Hill (n H ) para DAMGO foram derivados da ligação de [ 35 S] GTPγS em resposta a doses variáveis de DAMGO. A concentração inibitória semi-máxima(IC 50 ) e a constante de dissociação de equilíbrio (Kb) para a naloxona foram determinadas a partir do efeito da competição entre naloxona e DAMGO 2,5 μM na ligação [ 35 S] GTPγS. Os resultados são expressos como a média ± SEM de três experimentos independentes.
Os autores não declaram interesses concorrentes.
A ligação de trifosfato de guanosina (GTP) é um dos primeiros eventos na ativação do receptor acoplado com proteína G (GPCR). Este protocolo descreve como caracterizar farmacologicamente as interacções específicas de GPCR-ligando, monitorizando a ligação do análogo de GTP radio-marcado, [ 35 S] guanosina-5'-O- (3-tio) trifosfato ([35S] GTPγS), em Resposta a um ligando de interesse.
Este trabalho foi apoiado pela bolsa DA-000266 dos Institutos Nacionais de Saúde e pela concessão T32 do Programa de Treinamento Médico Científico (CV, NWZ e PCS). Os autores também gostariam de reconhecer o somersault18: 24 (somersault1824.com) para a Biblioteca de Ciência e Ilustrações Médicas.
| DMEM, glicose alta, piruvato, sem glutamina | Thermo Fisher Scientific | 10313021 | Quente em um 37° C banho-maria antes |
| do uso L-glutamina | Thermo Fisher Scientific 25030081 | Quente em um 37° C banho-maria antes | |
| do uso Penicilina-Estreptomicina | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | Quente em um 37° C banho maria antes do uso |
| Opti-MEM I Sérum Reduzido Médio | Thermo Fisher Scientific | 31985070 | Quente em um 37° C banho de água antes do uso |
| Soro Fetal Bovino (FBS) | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | Quente em um 37° C banho-maria antes do uso |
| Placa de cultura de células de 10 cm | Reagente Sigma-Aldrich | CLS430167 | |
| Lipofectamine 3000 | Thermo Fisher Scientific | L3000-008 | |
| Tubos de microcentrífuga de 1,6 mL | USA Scientific | 1615-5500 | 4 |
| -(2-hidroxietil)-1-piperazinaetanossulfônico (HEPES) | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Tris( hidroximetil)aminometano (base Trizma) | Thermo Fisher Scientific | BP152-1 | |
| etilenoglicol-bis(β-éter aminoetílico)-N,N,N',N',N'-ácido tetracético (EGTA) | Sigma-Aldrich | E3889 | |
| Ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) | Sigma-Aldrich | E9884 | |
| Sacarose | Sigma-Aldrich | S5016 | |
| cOmplete ULTRA Comprimidos, Mini, EASYpack Inibidor de Protease Coquetel | Sigma-Aldrich | 2900 | |
| DL-Ditiotreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | DO632 | |
| Cloreto de sódio (NaCl) | Thermo Fisher Scientific | BP358-1 | |
| Cloreto de magnésio (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M1028-1 | |
| Motor | de pilões de pelletsSigma-Aldrich | Z359971 | |
| Pestles | Bel Art | F19923-0001 | |
| Albumina de soro bovino (BSA) | Affymetrix | 10857 | |
| [35S]guanosina-5'-O-(3-tio)trifosfato ([35S]GTPγ S) | Perkin Elmer | NEG030H | |
| guanosina-5'-O-(3-tio)trifosfato não radiomarcado (GTP&gama; S) | Sigma-Aldrich | 89378 | |
| difosfato de guanosina (GDP) | Sigma-Aldrich | 51060 | |
| Bradford reagente | Bio-Rad | 5000006 | |
| espectrofotômetro UV/VIS | Beckman Coulter | DU640 | |
| espectrofotômetro cuvetes | USA Scientific | 9090-0460 | |
| agitador orbital | Thermo Fisher Scientific | 2314 | |
| termomixer | Eppendorf | 535027903 | |
| filtros de fibra de vidro | Aparelho de filtração a vácuoGE Healthcare Life Sciences | 1821-021 | |
| Millipore Corporation | XX2702550 | ||
| microcentrífuga de mesa | Contador de cintilaçãoEppendorf | 65717 | |
| Beckman Coulter | LS6500 | ||
| fluido de cintilação | Frascos de contador de cintilaçãoEcoscint A | LS-273 | |
| frascos de cintilação | Beckman Coulter 592690 Beckman Coulter 592928 | ||
| Prism 6 | Software GraphPad PRISM | 6 | |
| ATP1A1 anticorpo | Estudos de desenvolvimento Hibridoma | a6F | 1:1000 em 3% BSA |
| GAPDH anticorpo EMD Millipore | |||
| CB1001 | 1:5000 em 3% BSA | ||
| H2B anticorpo | Sinalização celular | 2934S | 1:2500 em 3% BSA |
| PDI anticorpo | Sinalização celular | 3501S | 1:1000 em 3% BSA |
| HA anticorpo | Roche | 11867423001 | 1:2000 em 3% BSA |