Aqui, apresentamos o ensaio de deslocamento térmico, uma técnica baseada em fluorescência de alto rendimento usada para investigar a ligação de pequenas moléculas a proteínas de interesse.
Artigo de método
Aqui, apresentamos o ensaio de deslocamento térmico, uma técnica baseada em fluorescência de alto rendimento usada para investigar a ligação de pequenas moléculas a proteínas de interesse.
Definir a importância biológica de proteínas com funções desconhecidas representa um obstáculo significativo na compreensão dos processos celulares. Embora as previsões bioinformáticas e estruturais tenham contribuído para o estudo de proteínas desconhecidas, as validações experimentais in vitro são frequentemente dificultadas pelas condições ideais e cofatores necessários para a atividade bioquímica. A ligação ao cofator não é apenas essencial para a atividade de algumas enzimas, mas também pode aumentar a estabilidade térmica da proteína. Uma aplicação prática desse fenômeno reside na utilização da mudança na estabilidade térmica, medida por alterações na temperatura de fusão da proteína, para sondar a ligação do ligante.
O ensaio de deslocamento térmico (TSA) pode ser usado para analisar a ligação de diferentes ligantes à proteína de interesse ou encontrar uma condição estabilizadora para realizar experimentos como cristalografia de raios-X. Aqui, descreveremos um protocolo para TSA utilizando a pseudoquinase, Selenoproteína O (SelO), para um método simples e de alto rendimento para testar a ligação de metais e nucleotídeos. Em contraste com as quinases canônicas, o SelO se liga ao ATP em uma orientação invertida para catalisar a transferência de AMP para as cadeias laterais de hidroxila das proteínas em uma modificação pós-traducional conhecida como AMPilação da proteína. Ao alavancar a mudança nas temperaturas de fusão, fornecemos informações cruciais sobre as interações moleculares subjacentes à função do SelO.
Grande parte do proteoma humano permanece mal caracterizado. O "efeito de iluminação pública" descrito por Dunham e Kustatscher et al. refere-se ao fenômeno em que proteínas extensivamente pesquisadas recebem mais atenção, deixando as proteínas pouco estudadas negligenciadas 1,2. Os fatores que contribuem para esse efeito incluem a importância biológica e a relevância da doença de certas proteínas. Além disso, pesquisas prévias que oferecem conhecimento fundamental, bem como a disponibilidade de ferramentas para análise funcional, estimulam ainda mais a pesquisa sobre proteínas altamente estudadas 1,2. Projetos como a Iniciativa de Proteínas Pouco Estudadas, o Consórcio de Genômica Estrutural e a Iniciativa de Função Enzimática visam caracterizar proteínas pouco estudadas usando proteômica estrutural e funcional 2,3,4. Uma abordagem complementar para identificar as funções moleculares de proteínas pouco estudadas é examinar as interações dessas proteínas com pequenas moléculas para obter informações valiosas sobre a regulação e a especificidade do substrato.
A ligação de pequenas moléculas pode aumentar a estabilidade térmica de uma proteína5. Esse fenômeno, conhecido como estabilização de conformação induzida por ligante, geralmente resulta em um aumento na temperatura de fusão de uma proteína, fornecendo uma indicação mensurável de ligação ao ligante6. A estabilidade térmica de uma proteína pode ser medida usando Fluorimetria de Varredura Diferencial (DSF), também conhecida como Thermofluor, ou Thermal Shift Assay (TSA)7,8,9,10. No TSA, uma amostra de proteína é submetida a temperaturas crescentes na presença de um corante ambientalmente sensível6. À medida que a proteína se desdobra e se desnatura, o corante se liga às regiões hidrofóbicas expostas da proteína e emite fluorescência. Os corantes fluorescentes extrínsecos, ou corantes ambientalmente sensíveis, carecem de fluorescência intrínseca e, em vez disso, fluorescem ao interagir com sua molécula-alvo 9,11,12. O corante mais comumente usado, SYPRO Orange, oferece várias vantagens, como maior estabilidade e fluorescência de fundo mínima 8,9,12. Notavelmente, o SYPRO Orange é compatível com sistemas de Reação em Cadeia da Polimerase em Tempo Real (RT-PCR) devido aos seus comprimentos de onda de excitação e emissão em torno de 470 nm e 570 nm, respectivamente. Esse recurso exclusivo permite medições de alto rendimento, precisas e sensíveis que são compatíveis com os sistemas de detecção de fluorescência comumente usados em sistemas RT-PCR8.
O TSA é uma ferramenta versátil para investigar interações proteicas com potenciais cofatores ou drogas e para identificar condições estabilizadoras para cristalografia. Algumas de suas vantagens sobre outros métodos de triagem são sua relativa simplicidade de configuração e alto rendimento com placas de 96 ou 384 poços 13,14,15. O desenvolvimento dessa técnica tem sido transformador para estudos de descoberta de fármacos, oferecendo conveniência e possibilitando o estudo de diversos aditivos, como íons, ligantes e fármacos 6,16. Além disso, a adaptabilidade do TSA encorajou os cientistas a expandir sua utilidade, facilitando a medição das afinidades de ligação ao lado dos ensaios de triagem17,18. A TSA é uma ferramenta eficaz em estudos de biologia estrutural para identificar condições que promovam a estabilização da proteína de interesse para cristalização19. Assim, sua flexibilidade e relativa facilidade posicionaram a TSA como uma técnica fundamental na caracterização de proteínas. Aqui, usaremos TSA para analisar a ligação de metais e nucleotídeos à pseudoquinase pouco estudada, Selenoproteína O (SelO), como exemplo.
As quinases são uma das famílias de proteínas mais visadas na descoberta de medicamentos20. Prevê-se que aproximadamente 10% das quinases humanas sejam inativas e denominadas pseudoquinases porque não possuem os principais resíduos catalíticos necessários para a catálise21,22. A selenoproteína O (SelO) é uma pseudoquinase evolutivamente conservada que não possui o aspartato conservado no motivo catalítico HRD23. Em eucariotos, o SelO localiza-se nas mitocôndrias e protege as células do estresse oxidativo24,25. Análises estruturais e bioquímicas mostram que o SelO transfere monofosfato de adenosina (AMP) do ATP para substratos proteicos em uma modificação pós-traducional conhecida como AMPilação25. Estudos recentes indicam que enzimas que catalisam a AMPilação podem se ligar a nucleotídeos alternativos, como UTP in vitro26,27. Notavelmente, estudos demonstraram que o homólogo SelO de Salmonella typhimurium catalisa a proteína UMPilação, ou a transferência de UMP, de maneira dependente de manganês28. Dadas essas observações intrigantes, testamos a ligação de SelO a ATP e UTP na presença de magnésio e manganês, servindo como um exemplo representativo das aplicações da TSA. O protocolo a seguir pode ser prontamente adaptado para otimizar e examinar as interações de outras proteínas e aditivos de interesse.
1. Configuração experimental
2. Determinação da concentração ideal de corante (Figura 2A)
3. Determinação da concentração ideal de proteínas (Figura 2B)
4. Configurando um experimento TSA (Figura 3A)
NOTA: Após a otimização das concentrações de proteína e corante SYPRO Orange, o ensaio pode ser realizado com a adição das pequenas moléculas desejadas para analisar a ligação.
5. Análise dos dados
O SelO eucariótico consiste em uma sequência de direcionamento mitocondrial N-terminal, um domínio semelhante à quinase e uma selenocisteína altamente conservada no terminal C da proteína23. Esta enzima residente mitocondrial codifica um domínio pseudoquinase que é conservado de bactérias para humanos23. A análise estrutural do homólogo SelO de Pseudomonas syringae revelou alterações de aminoácidos no sítio ativo que facilitam a ligação do ATP em orientação invertida em comparação com as quinases canônicas25. Assim, o SelO catalisa a AMPilação, em vez da fosforilação, de várias proteínas envolvidas na sinalização antioxidante para proteger as células do dano oxidativo e da morte celular25. Além da AMPilação, algumas AMPilases procarióticas e eucarióticas demonstraram catalisar a UMPilação27,28.
Usamos E. coli recombinante purificada SelO em TSA para examinar a ligação de nucleotídeos ATP e UTP a SelO na presença de cátions divalentes. Semelhante às quinases canônicas, SelO abriga o motivo DFG no qual o aspartato se liga ao íon metálico para coordenar o nucleotídeo no sítio ativo. Primeiro, otimizamos a concentração de proteína e corante para medições robustas de fluorescência em TSA, determinando que 5 μM a 10 μM de E. coli SelO era ideal com 5x SYPRO Orange (Figura 2). Além disso, mostramos que a proteína no, assim como os controles sem corante, tinham baixo sinal de fluorescência que não respondia ao aumento da temperatura. Detectamos aumentos de aproximadamente +4 °C e +12 °C na estabilidade térmica de E. coli SelO na presença de ATP-Mg2+ e ATP-Mn2+, respectivamente (Figura 3). No entanto, não observamos uma mudança na estabilidade térmica após a incubação com UTP, indicando que E. coli SelO pode não exibir ligação detectável ao UTP.

Figura 1: Configuração do termociclador. Um exemplo do programa termociclador usado para aumentar a temperatura da amostra em +0,5 °C/min durante a medição da fluorescência SYPRO Orange usando o canal FRET. A recomendação também inclui uma incubação à temperatura ambiente no início e no final do protocolo. Abreviatura: FRET = transferência de energia de ressonância de Förster. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Otimização das concentrações de proteínas e corantes. (A) Resultados representativos da otimização da concentração do corante SYPRO Orange usando 5 μM de Escherichia coli SelO. (B) Resultados representativos da otimização da concentração de E. coli SelO usando o corante 5x SYPRO Orange. A curva de desnaturação térmica representa unidades de fluorescência relativas (eixo y) em relação à temperatura (eixo x). Os resultados representam ± DP médio de poços triplicados (n = 3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Curvas de desnaturação térmica e análises ΔTm de SelO na presença de nucleotídeos e cátions divalentes. (A) Dados brutos das curvas de desnaturação térmica das amostras (5 μM de Escherichia coli SelO na presença de 200 μM de ATP ou UTP e 2 mM de cátions divalentes, 5x SYPRO Orange) exportados da máquina de RT-PCR e plotados. SelO ATP-Mg representa amostras com SelO, ATP e MgCl2, SelO ATP-Mn representa amostras com SelO, ATP e MnCl2, SelO UTP-Mg representa amostras com SelO, UTP e MgCl2, SelO UTP-Mn representa amostras com SelO, UTP e MnCl2. Observe que os controles sem corante e sem proteína exibem baixa fluorescência. Os resultados representam ± DP médio de poços triplicados (n = 3). (B) Curvas de desnaturação térmica plotadas para a intensidade mais alta e ajustadas à equação sigmoidal de Boltzmann. Embora a desnaturação térmica de SelO não tenha sido afetada pelo UTP, observamos uma mudança acentuada na desnaturação térmica na presença de ATP (curvas roxas). Os resultados representam ± DP médio de poços triplicados (n = 3). (C) Histograma representando os valores de Tm derivados do ajuste sigmoidal de Boltzmann dos dados representados na Figura 3B. Os resultados representam ± DP médio de poços triplicados (n = 3). SelO 39,2 °C ± 0,085, SelO ATP-Mg 43,3 °C ± 0,133, SelO ATP-Mn 50,9 °C ± 0,085, SelO UTP-Mg 39,1 °C ± 0,056, SelO UTP-Mn 39,9 °C ± 0,087. (D) Histograma que descreve a mudança na temperatura de fusão ΔTm (Tm aditivo- Tm tampão). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela Suplementar S1: Dados de exemplo para TSA de SelO na presença de metais e nucleotídeos. Planilha de dados brutos exportados da máquina RT-PCR e dados processados para excluir valores após a intensidade máxima de RFU, conforme descrito nas etapas 5.1 e 5.2 do protocolo. Clique aqui para baixar este arquivo.
O Thermal Shift Assay (TSA) serve como um método eficiente para rastrear interações proteína-ligante, incluindo aquelas com cofatores e inibidores. Neste protocolo, usamos TSA para medir a ligação da pseudoquinase SelO a nucleotídeos e cátions divalentes. Nossos achados mostram que o SelO exibe maior estabilidade térmica na presença de ATP e Mg2+/Mn2+. Esta observação se alinha com relatórios anteriores indicando que homólogos SelO de E. coli, S. cerevisiae e H. sapiens catalisam a transferência de AMP de ATP para a cadeia lateral hidroxila de substratos proteicos25,29. Embora o TSA forneça informações valiosas sobre a ligação de nucleotídeos, ele pode não identificar o substrato in vivo. Outras moléculas, não apenas o substrato, também podem influenciar a estabilidade térmica de uma proteína. Para identificar com precisão um substrato, fatores como concentração celular e afinidade de ligação devem ser considerados. No entanto, o TSA é uma excelente ferramenta para rastrear uma grande variedade de condições, como a ligação de pequenas moléculas, usando a estabilização térmica como leitura.
A utilidade do TSA vai além de sua aplicação na análise de ligações de pequenas moléculas a sítios ativos ou reguladores de proteínas. A TSA contribuiu significativamente para a caracterização biofísica das proteínas, fornecendo condições estabilizadoras que tornam a proteína mais propícia aos experimentos de cristalografia. Notavelmente, a TSA oferece várias vantagens, incluindo sua configuração simples e recursos de alto rendimento usando materiais de laboratório comumente disponíveis, como placas de PCR e máquinas de RT-PCR. Essas vantagens permitem o teste de inúmeras condições que podem não ser viáveis ou tão diretas com outras técnicas. Vários estudos usaram TSA para medir a estabilidade térmica de proteínas recombinantes com uma biblioteca de compostos para determinar as condições ideais para a cristalização de proteínas19,33.
A inclusão de controles apropriados é necessária para evitar interpretações errôneas das curvas de fusão, com a autofluorescência das placas ou aditivos sendo uma preocupação comum. O TSA pode não ser adequado para compostos que exibem autofluorescência ou extinguem a fluorescência da laranja SYPRO. Uma solução potencial é rastrear corantes alternativos descritos em 12. O protocolo TSA descrito aqui pode ser facilmente adaptado para outras proteínas e aditivos de interesse. Os aditivos não se limitam apenas a compostos solúveis em água, como demonstrado em nosso protocolo com nucleotídeos e cátions divalentes. Em vez disso, os aditivos podem abranger uma ampla gama de condições, como pH variável, ligantes ou medicamentos solubilizados em DMSO8. Além disso, a pré-incubação do ligante com a proteína pode fornecer resultados mais reprodutíveis, reduzindo a interferência e os artefatos do corante. Aditivos como lipídios e detergentes podem levar a alta fluorescência devido às suas interações com SYPRO Orange. Um exemplo de uma curva de desnaturação é mostrado na Figura 3A , que mostra baixa fluorescência de fundo emparelhada com um aumento significativo na fluorescência após a desnaturação térmica da proteína. A concentração ideal de corante e proteína produzirá a relação sinal-ruído máxima, mantendo um sinal de fluorescência consistente entre as réplicas.
O TSA oferece a vantagem da simplicidade com seus componentes mínimos, reduzindo assim o número de variáveis para otimização. As etapas críticas incluem a determinação das concentrações ideais do corante e da proteína. É importante observar que o TSA requer proteína purificada e "bem comportada". A proteína e o aditivo devem ser estáveis no tampão nas concentrações utilizadas na TSA. Proteínas ou condições propensas a agregação ou oligomerização podem resultar em leituras de fluorescência errôneas. Proteínas agregadas ou desdobradas podem exibir alta fluorescência inicialmente, com apenas um pequeno aumento após a desnaturação. A oligomerização de proteínas também pode resultar em múltiplos estados de transição, complicando a análise10. A concentração de proteína pode ser ajustada para evitar a agregação.
O TSA é compatível com uma ampla gama de tampões e sais, permitindo a otimização das condições de estabilização da proteína e do aditivo11. Os volumes das soluções proteicas e aditivas podem ser ajustados para superar as limitações das concentrações de proteínas e aditivos. Por exemplo, concentrações mais baixas de aditivo, como 5x, podem ser usadas em vez da solução 10x usada nos resultados representativos. Notavelmente, a quantidade relativa de proteína e aditivo necessária para realizar o ensaio é baixa, uma vez que as placas de PCR de 384 poços podem acomodar volumes tão baixos quanto 10 μL da amostra total.
Dados os pontos fortes do TSA, é ideal para investigar proteínas pouco estudadas, como pseudoquinases. As pseudoenzimas são proteínas cataliticamente inativas que são estruturalmente homólogas às enzimas ativas34. Estudos estruturais e bioquímicos recentes demonstraram que algumas pseudoenzimas são enzimas ativas, enquanto a maioria tem funções não catalíticas35,36. Embora cataliticamente inativas, as pseudoenzimas estão implicadas em várias doenças e desempenham papéis importantes, incluindo andaimes e modulação alostérica37. No entanto, o mecanismo de ação e o significado funcional de muitas pseudoenzimas são desconhecidos. As atividades de algumas pseudoenzimas são reguladas pela ligação do ligante, o que resulta em aumento da estabilidade térmica associada a alterações conformacionais da proteína14. Propomos que o TSA é uma ferramenta valiosa para examinar a ligação de ligantes a pseudoenzimas para determinar o ligante ideal para a atividade funcional.
Os autores declaram não haver interesses conflitantes.
A.S. é bolsista W.W. Caruth, Jr. em Pesquisa Biomédica, bolsista do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas (CPRIT) e bolsista do corpo docente do Centro Charles e Jane Pak de Metabolismo Mineral e Pesquisa Clínica. Este trabalho foi apoiado pelo NIH Grant K01DK123194 (AS), CPRIT Grant RR190106 (AS), Welch (I-2046-20200401) e Welch (I-2046-20230405).
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Adenosina 5′-trifosfato dissódico sal hidratado | Sigma Aldrich | A2383-10G | usado para resultados representativos, mas não é necessário para realizar TSA |
| Avanti J-15R com conjunto de suporte de microplacas | Beckman Coulter | C19416 | |
| CFX Opus 384 Sistema de PCR em tempo real | Bio-Rad | 12011452 | |
| Hard-Shell 384-Well PCR Plates, parede fina, rodapé, transparente/branco | Cloreto de magnésio Bio-Rad | HSP3805 | |
| Sigma Aldrich | M8266-100G | usado para resultados representativos, mas não necessário para executar | |
| cloreto de manganês (II) tetrahidratado | Sigma Aldrich | M3634-500G | usado para resultados representativos, mas não necessário para executar |
| filme de vedação de placa de PCR TSA Microseal 'B', adesivo, óptico | Bio-Rad | MSB1001 | |
| Mancha de gel de proteína laranja SYPRO | Sigma Aldrich | S5692-500UL | |
| Uridina 5′-trifosfato sal trissódico hidrato | Sigma Aldrich | U6625-100MG | usado para resultados representativos, mas não é necessário para realizar TSA |
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