Este protocolo descreve um sistema de triagem de alto rendimento que usa a polarização de fluorescência de uma sonda fluorescente específica ligada a um receptor nuclear como uma leitura para triagem de poluentes ambientais.
Method Article
Este protocolo descreve um sistema de triagem de alto rendimento que usa a polarização de fluorescência de uma sonda fluorescente específica ligada a um receptor nuclear como uma leitura para triagem de poluentes ambientais.
Níveis crescentes de compostos foram detectados no meio ambiente, causando poluição generalizada e representando riscos à saúde humana. No entanto, apesar de sua alta ocorrência ambiental, há informações muito limitadas sobre seus efeitos toxicológicos. É urgente desenvolver métodos de triagem de alto rendimento (HTS) para orientar estudos toxicológicos. Neste estudo, um ensaio de ligação receptor-ligante usando um sistema HTS foi desenvolvido para determinar a potência de ligação de poluentes ambientais em receptores nucleares. O teste é conduzido usando um leitor de microplacas (ou seja, uma placa de 96 poços contendo vários produtos químicos) medindo a polarização de fluorescência (FP) de uma sonda fluorescente específica. Este ensaio consiste em quatro partes: a construção e transformação de vetores recombinantes, a expressão e purificação da proteína receptora (domínio de ligação ao ligante), ligação receptor-sonda e ligação competitiva de produtos químicos com o receptor. A potência de ligação de dois poluentes ambientais, ácido perfluorooctanossulfônico (PFOS) e fosfato de trifenil (TPHP), com o receptor gama ativado por proliferador de peroxissomo (PPARγ) foi determinada para ilustrar o procedimento de ensaio. Por fim, também foram discutidas as vantagens e desvantagens desse método e suas potenciais aplicações.
Um grande número de produtos químicos foi amplamente detectado no meio ambiente e no corpo humano, levantando preocupações significativas sobre seu impacto no ambiente ecológico e na saúde humana 1,2,3. Apesar de sua alta ocorrência ambiental, informações sobre seus efeitos toxicológicos são escassas. Portanto, é urgente desenvolver métodos de triagem de alto rendimento (HTS) para facilitar a avaliação da toxicidade química.
Vários métodos de triagem de alto rendimento (HTS) foram relatados para avaliação de toxicidade química, como os bioensaios HTS usados nos programas Tox21 e ToxCast 4,5. Esses métodos podem identificar rapidamente potenciais tóxicos e fornecer informações valiosas sobre os mecanismos de toxicidade química. No entanto, esses bioensaios HTS dependem principalmente de sistemas baseados em células, que podem ser complexos e caros. Além disso, métodos de sequenciamento de alto rendimento também foram usados para avaliação de toxicidade química, mas alcançar a avaliação de alto rendimento de produtos químicos continua sendo um desafio6. Estudos anteriores desenvolveram ensaios de ligação competitiva receptor-ligante baseados em polarização de fluorescência (FP) para determinar a potência de ligação de vários poluentes ambientais, incluindo substâncias per e polifluoroalquil (PFAS) 7 , 8 , 9 , bisfenol A (BPA) 10 , 11 e material particulado (PM) 12 , com receptores nucleares como o receptor ativado por proliferador de peroxissomo (PPAR) 7 , 8,9,10,13, receptor farnesóide X (FXR)11,12 e receptor tireoidiano (TR)14,15. Essa abordagem é eficiente, econômica e fornece insights mecanicistas.
Neste estudo, o protocolo para o ensaio de ligação receptor-ligante é descrito com base na detecção da polarização de fluorescência (FP) de uma pequena sonda fluorescente. O princípio do ensaio de ligação receptor-ligante baseado em FP é ilustrado na Figura 1. Quando uma pequena molécula fluorescente é excitada por luz polarizada plana, a luz emitida torna-se altamente despolarizada devido à rápida rotação molecular. No entanto, quando o traçador se liga a um receptor maior, sua rotação é retardada. Um valor de FP alto é detectado quando o traçador está ligado ao receptor grande, enquanto um valor de FP baixo é observado quando o traçador está livre. O receptor gama ativado por proliferador de peroxissomo (PPARγ) foi purificado para a ligação da sonda ao receptor. Rosiglitazona (Rosi), ácido perfluorooctanossulfônico (PFOS) e fosfato de trifenil (TPHP) foram usados para competir pela ligação da sonda com o receptor. Rosi, um agonista específico do PPARγ, foi usado como controle positivo nos ensaios de ligação competitiva do receptor. Além disso, PFOS e TPHP foram previamente identificados como agonistas fracos de PPARγ em estudos anteriores 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Além disso, eles pertencem a diferentes categorias estruturais de compostos conhecidos pela exposição ambiental e são notáveis por suas taxas de detecção relativamente altas em populações humanas. Esses compostos foram usados para validar ainda mais a ampla aplicabilidade do ensaio de ligação competitiva. O procedimento consiste em quatro etapas: construção e transformação de vetores recombinantes, expressão e purificação da proteína receptora (domínio de ligação ao ligante), ligação receptor-sonda e ligação competitiva de produtos químicos com o receptor.
Os detalhes dos reagentes e do equipamento estão listados na Tabela de Materiais.
1. Construção e transformação de vetores recombinantes
NOTA: PPARγ é um fator de transcrição dependente de ligante com uma estrutura clássica de receptor nuclear, compreendendo um domínio de ligação ao DNA que regula os genes-alvo e um domínio de ligação ao ligante ativado por ligantes. Após a ativação do ligante, o PPARγ forma um heterodímero com outro receptor nuclear, o receptor retinóide X (RXR), e se liga a elementos de resposta do PPARγ, regulando assim a transcrição de genes-alvo a jusante 9,16.
2. Expressão e purificação da proteína receptora
3. Ensaio de ligação ao receptor
NOTA: Neste ensaio, C1-BODIPY-C12 foi usado como uma sonda fluorescente específica do local para estabelecer o sistema de ligação receptor-ligante. C1-BODIPY-C12, um ligante específico para PPARγ, é um análogo fluorescente de ácido graxo com o grupo fluorescente BODIPY incorporado ao ácido graxo na posição C1.
4. Ensaio de ligação competitiva
NOTA: Neste ensaio, 800 nM de PPARγ-LBD humano e sonda C1-BODIPY-C12 de 50 nM foram usados para ligação ao receptor. Rosiglitazona (Rosi), fosfato de trifenil (TPHP) e ácido perfluorooctanossulfônico (PFOS) foram usados para competir com a ligação da sonda ao PPARγ.
Expressão proteica e purificação de PPARγ-LBD
PPARγ-LBD foi expresso heterologicamente em BL21 (DE3) como uma proteína marcada com histidina. A proteína foi detectada nas frações solúveis, e o PPARγ-LBD purificado apresentou uma única banda no SDS-PAGE com peso molecular aparente de aproximadamente 34,9 kDa (Figura 2), consistente com o peso molecular previsto da proteína.
A ligação da sonda C 1-BODIPY-C12 ao PPARγ-LBD
No ensaio de ligação ao receptor, C1-BODIPY-C12, um ácido graxo marcado com BODIPY que pode se ligar ao PPARγ-LBD, foi usado como uma sonda de fluorescência para estudar a potência de ligação de poluentes ambientais com hPPARγ-LBD. Conforme mostrado na Figura 3A, os valores de polarização de fluorescência (FP) aumentaram de 20 para 250 após a adição de PPARγ-LBD, indicando a ligação de C1-BODIPY-C12 ao receptor. A curva de ligação atingiu saturação a 800 nM PPARγ-LBD, com uma constante de dissociação (Kd) de 253,5 nM ± 10,05 nM. Portanto, 800 nM PPARγ-LBD foi escolhido para os ensaios de ligação competitivos subsequentes.
A ligação competitiva de poluentes ambientais ao PPARγ-LBD
A rosiglitazona (Rosi), um agonista específico do PPARγ, foi usada como controle positivo para deslocar a sonda fluorescente nos ensaios de ligação competitiva do ligante. Conforme mostrado na Figura 3B, Rosi inibiu a ligação da sonda C1-BODIPY-C12 ao PPARγ-LBD de maneira dose-dependente, com um IC50 de 6,89 μM, demonstrando a viabilidade do ensaio. Em seguida, foram determinadas as afinidades de ligação de TPHP e PFOS ao PPARγ-LBD. Conforme mostrado na Figura 3C, D, TPHP e PFOS também inibiram a ligação da sonda C1-BODIPY-C12 ao PPARγ-LBD de maneira dose-dependente, com valores de IC50 de 60,45 μM e 37,27 μM, respectivamente.

Figura 1: Ilustração esquemática dos ensaios de ligação competitiva do receptor baseados em polarização de fluorescência (FP). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Análise SDS-PAGE do PPARγ-LBD purificado. M é o marcador de peso molecular da proteína. Cl é o lisado celular, FT é a fração de fluxo, W1-W6 são as soluções de lavagem, E1 é o eluído e E2-E4 são as proteínas PPARγ-LBD purificadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Curva de ligação do receptor baseada em polarização de fluorescência (FP) e curvas de ligação competitivas. (A) Curva de ligação baseada em FP de C 1-BODIPY-C12 para PPARγ-LBD humano. (BD) Curvas de ligação competitiva baseadas em FP de Rosi, TPH e PFOS para PPARγ-LBD humano. As barras de erro denotam o desvio padrão (DP) para três experimentos independentes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| ID | Seq | ||
| pET28a-PPARG-P1 humano | CAAATGGGTCGCGGATCCATGATCGACCAGCTGAATCCAGAGTCC | ||
| pET28a-PPARG-P2 humano | GTGGTGGTGGTGCTCGAGTCAGTACAAGTCCTTGTAGATCTC | ||
| Sequência de nucleotídeos PPARγ-LBD | AGACGACATTCCCTCTAGAATAATTTTGTTTAACTTTAAGAAGGAGAT ATACCATGGGCAGCAGCCATCATCATCATCATCATCACAGCAGCGGCCTG GTGCCGCGCGGCAGCCATATGGCTAGCATGACTGGTGGACAGCAAA TGGGTCGCGGATCCATGATCGACCAGCTGAATCCAGAGTCCGCTGAC CTCCGGGCCCTGGCAAAACATTTGTATGACTCATAAAGTCCTTCC CGCTGACCAAAGCAAAGGCGAGGGCGATCTTGACAGGAAAGACAACA GACAAATCACCATTCGTTATCTATGACATGAATTCCTTAATGATGGGAGA AGATAAAATCAAGTTCAAACACATCACCCCCCCCTGCAGGAGCAGAGCAGAGCAA AGAGGTGGCCATCCGCATCTTTCAGGGCTGCCAGTTTCGCTCCGTGG AGGCTGTGCAGGAGATCACAGAGTATGCCAAAAGCATTCCTGGTTTTG TAAATCTTGACTTGAACGACCAAGTAACTCTCCTCAAATGGAGTCCA CGAGATCATTTACACAATGCTGGCCTCCTTGATGAATAAAGATGGGGT TCTCATATCCGAGGGCCAAGGCTTCATGACAAGGGAGTTTCTAAAG AGCCTGCGAAAGCCTTTTGGTGACTTTATGGAGCCCAAGTTTGAGT TTGCTGTGAAGTTCAATGCACTGGAATTAGATGACAGCGACTTGGCAA TATTTATTGCTGTCATTATTCTCAGTGGAGACCGCCCAGGTTTGCTGAA TGTGAAGCCCATTGAAGACATTCAAGACAACCTGCTACAAGCCCTGG AGCTCCAGCTGAAGCTGAACCCTGAGTCCTCACAGCTGTTTG CCAAGCTGCTCCAGAAAATGACAGACCTCAGACAGATTGTCACGGA ACACGTGCAGCTACTGCAGGTGATCAAGAAGACGGAAACCGACATG AGTCTTCACCCGCTCCTGCAGGAGATCTACAAGGACTTGGACTGGGG CTCGAGGCCACCCACCC | ||
Tabela 1: A sequência de primer e nucleotídeo do domínio de ligação ao ligante PPARγ.
| Nomes de reagentes experimentais | Volume/Dose |
| pET28a-PPARG-P1 humano | 1 μL |
| pET28a-PPARG-P2 humano | 1 μL |
| 2×phanta Max Master Mix | 12,5 μL |
| cDNA | 2 μL |
| ddH2O | 8,5 μL |
Tabela 2: Sistema de reagentes experimentais de PCR.
| Nomes de experimentos | Temperatura | Hora |
| Pré-desnaturação | 95 °C | 3 minutos |
| Desnaturação | 95 °C | 15 s |
| Recozimento | 65 °C | 15 s |
| Extensão | 72 °C | 6 min |
| Loja | 12 °C | -- |
Tabela 3: Programa de reação experimental de PCR.
Polarização de fluorescência (FP), ressonância plasmônica de superfície (SPR) e ressonância magnética nuclear (RMN) são técnicas comuns usadas para avaliar interações de ligação direta entre proteínas e compostos19,20. O PF tem sido amplamente empregado na investigação de interações moleculares para descoberta de medicamentos e triagem química 21,22,23. Em comparação, os ensaios de SPR e RMN são caros e demorados, tornando-os menos adequados para aplicações de triagem de alto rendimento (HTS). Este protocolo descreve um método de análise receptor-ligante baseado em FP com um sistema de detecção de placas multipoços, permitindo o HTS de produtos químicos.
A escolha da sonda apropriada para um ensaio de ligação ao receptor é crucial. A sonda deve consistir em dois componentes: um ligante específico para o receptor nuclear e um grupo fluorescente. Normalmente, essas sondas podem ser obtidas comercialmente, como exemplificado pela sonda C1-BODIPY-C12 usada neste estudo. C1-BODIPY-C12 é um análogo fluorescente de ácido graxo, com o grupo fluorescente BODIPY incorporado na posição C1, e é um ligante específico para PPARγ. Se uma sonda fluorescente disponível comercialmente não for uma opção, ela deve ser sintetizada quimicamente anexando um grupo fluorescente a um ligante específico conhecido.
A estrutura clássica de um receptor nuclear inclui um domínio de ligação ao DNA responsável por regular a expressão do gene alvo e um domínio de ligação ao ligante (LBD), normalmente localizado no terminal C24 do receptor. O sítio de ligação do co-regulador é geralmente encontrado dentro do domínio da função de ativação transcricional do receptor nuclear, onde interage com fatores correguladores nucleares25. Esses co-reguladores podem aumentar ou suprimir a atividade transcricional do receptor, modulando assim a expressão gênica. O LBD, localizado em uma região específica da proteína receptora, regula as mudanças conformacionais do receptor após a ligação do ligante, que por sua vez ativa ou inibe sua atividade transcricional. Uma vez que o LBD é um domínio bem definido crucial para reconhecer e ligar ligantes específicos de pequenas moléculas24, apenas o receptor-LBD foi usado no ensaio de ligação competitiva do receptor neste estudo. Essa abordagem, que envolveu a expressão e purificação do domínio de ligação ao ligante do PPARγ, reduziu os custos do ensaio.
Os reagentes usados neste método, incluindo tampões para purificação de proteínas, sonda C1-BODIPY-C12 e Tris-HCl, estão disponíveis comercialmente e são baratos, o que é uma vantagem significativa para o ensaio. A detecção de polarização de fluorescência (FP) é realizada em uma placa de vários poços (96 poços ou 384 poços), com um tempo de leitura rápido de 3 a 5 minutos por placa, aumentando o rendimento e a eficiência do teste. A abordagem de ligação receptor-ligante é altamente flexível e pode ser facilmente adaptada a vários receptores, desde que as proteínas receptoras estejam disponíveis. Essa adaptabilidade amplia o escopo da pesquisa que pode ser conduzida usando esse método. No geral, a combinação dessas vantagens - facilidade de uso, eficiência de custos, alta capacidade de rendimento, processamento rápido e flexibilidade na adaptação do receptor - torna esse método uma opção promissora para a triagem de poluentes ambientais tóxicos.
Os presentes resultados demonstram que PFOS e TPHP podem se ligar ao PPARγ, o que é consistente com achados anteriores de ensaios de docking molecular e gene repórter 9,26. Além disso, o método descrito neste manuscrito foi utilizado para avaliar a potência de ligação de vários poluentes ambientais com receptores nucleares. Por exemplo, usando o ensaio de ligação competitiva receptor-ligante baseado em FP, a potência de ligação de 19 substâncias per e polifluoroalquil (PFASs) e 7 compostos de bisfenol A (BPA) ao receptor ativado por proliferador de peroxissomo β/δ (PPARβ/δ)7,10, 12 PFASs a PPARγ 9,13, 7 compostos de BPA e 3 componentes de material particulado (PM2,5) ao receptor farnesóide X (FXR)11, 12 e 8 éteres difenílicos polibromados (PBDEs) e 6 bifenilos policlorados (PCBs) para o receptor da tireoide (TR) 14 , 15 foram determinados. Essas descobertas destacam o potencial desse método para rastrear as interações de ligação entre poluentes ambientais e receptores nucleares.
Estudos anteriores relataram métodos de ensaio de polarização de fluorescência (FP) para PPARγ que envolvem o uso de filtração em gel para medir a ligação, o que requer pelo menos 1,5 h para detectar a ligação de um único composto23. Em contraste, este método permite a detecção de afinidades de ligação para pelo menos 12 compostos com PPARγ em 10 min. Além disso, alguns kits de ensaio disponíveis comercialmente (consulte a Tabela de Materiais) custam mais de US$ 3000 para um formato de 800 × 20 μL. Esses métodos são notavelmente caros e demorados. Este estudo apresenta melhorias em relação a esses métodos existentes.
Uma limitação potencial desse método é que a sonda de fluorescência deve ser um ligante para o receptor, e as sondas de fluorescência não interagem diretamente com poluentes ambientais. Portanto, é crucial garantir que a sonda e os poluentes ambientais sejam mantidos separados na solução. Além disso, este ensaio reflete uma situação in vitro e não pode capturar totalmente as interações in vivo , pois os receptores são heterodiméricos in vivo27. Consequentemente, embora este método sirva como uma ferramenta de triagem rápida, é necessária uma investigação mais aprofundada da ativação do receptor e dos mecanismos toxicológicos relacionados in vivo .
Outra desvantagem é o fenômeno de "deslocamento para a direita" observado nos ensaios de polarização de fluorescência (FP) ao avaliar a afinidade de ligação, o que pode levar a uma subestimação sistemática das afinidades medidas. Em estudos anteriores, a afinidade de ligação da rosiglitazona com o PPARγ foi avaliada usando o ensaio de transferência de energia de ressonância de fluorescência resolvida no tempo (TR-FRET)28, que é um método altamente sensível para medir a afinidade de ligação ligante-receptor. No entanto, o ensaio TR-FRET é relativamente demorado e complicado, exigindo uma incubação de 4 h da solução de reação à temperatura ambiente antes da detecção. Embora o ensaio FP exiba menor sensibilidade em comparação com o ensaio TR-FRET, ele é mais adequado para triagem de alto rendimento de ligantes ambientais que se ligam a receptores nucleares. No entanto, o ensaio FP pode perder alguns ligantes ambientais fracos. Além disso, em estudos anteriores, a afinidade de ligação do PFOS com o PPARγ foi determinada usando diálise de equilíbrio (EqD)29, outro método altamente sensível para medir a afinidade de ligação ligante-receptor. No entanto, o EqD depende de equipamentos analíticos caros (LC-MS/MS), o que limita sua aplicação e impede recursos de triagem de alto rendimento.
Embora este ensaio de polarização de fluorescência (FP) exiba um fenômeno de "deslocamento para a direita", que pode resultar em valores de IC50 calculados geralmente mais altos, ele não afeta a classificação de afinidade relativa ou as previsões subsequentes de avaliação de risco. Além disso, o ensaio FP é econômico, eficiente em termos de tempo e capaz de rastrear uma ampla gama de compostos quanto à sua afinidade com vários receptores nucleares. No geral, a triagem de alto rendimento baseada em PF de ligantes ambientais facilita a rápida identificação de poluentes ambientais tóxicos.
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant No. 82103875).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| C1-BODIPY-C12 Sonda | Thermo Fisher Scientific, China | 102209-82-3 | Liga-se a PPARγ-LBD e emite fluorescência. |
| Coomassie Brilliant Blue R-250 | Solarbio, China | 6104-59-2 | Manchar as bandas de proteína. |
| Prisma GraphPad | Dotmatics | https://www.graphpad.com/features | |
| imidazol | Solarbio, China | I8090 | Prepare tampões para o processo de purificação de proteínas. |
| Isopropil β-D-1-tiogalactopiranosídeo | Solarbio, China | 367-93-1 | Induza a expressão de PPARγ-LBD |
| Leitor de microplacas | Biotek, EUA | Synergy H1 | Detectando o valor FP |
| Reagente NaCl | Shanghai | 7647-15-5 | Prepare tampões para o processo de purificação de proteínas. |
| NaH2PO4 · 2H2O | Reagente de Xangai | 13472-35-0 | Prepare tampões para o processo de purificação de proteínas. |
| Ni NTA Beads 6FF | Smart-Lifesciences, China | SA005005 | Purificação de proteínas. |
| Origem 8.5 | OriginLab, Northampton, MA, EUA | ||
| Ácido perfluorooctanossulfônico (PFOS) | J& K Scientific Ltd, China | 1763-23-1 | Os poluentes ambientais detectados |
| Fluoreto de fenilmetilsulfonil (PMSF) | Solarbio, China | P0100 | Inibe a degradação de proteínas. |
| PPARγ-Kit de Ensaio Concorrente | Thermo Fisher Scientific | PV6136 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/PV6136 |
| PPARγ-LBD Kit de Ensaio de Triagem de Ligante | Cayman | 600616 | https://www.caymanchem.com/product/600616 |
| Rosiglitazona (Rosi) | aladdin, China | 122320-73-4 | Os agonistas de PPARγ |
| Shaker | ZHICHENG, China | ZWY-211C | Expansão da cultura bacteriana e indução da expressão de proteínas |
| Fosfato de trifenil (TPHP) | Macklin, China | T819317 | Os poluentes ambientais detectados |
| Tris | Solarbio, China | T8230 | Prepare tampões para o processo de purificação de proteínas. |
| Tryptone | OXOID Limited, China | LP0042B | Prepare o meio de caldo de lisogenia (LB). |
| Limpador ultrassônico | Kimberly, China | LHO-1 | Interrompa as bactérias para obter uma lise completa |
| Ureia | Solarbio, China | U8020 | Prepare tampões para o processo de purificação de proteínas. |
| Extrato de levedura | OXOID Limited, China | LP0021B | Prepare o meio de caldo de lisogenia (LB). |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission