RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pt_BR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Este protocolo descreve o uso de biossensores baseados em BRAKET para medição em tempo real da ativação da proteína G em células vivas HEK293 após estimulação do ligante do receptor acoplado à proteína G. Aqui, o receptor β2-adrenérgico e o receptor canabinóide tipo 1 servem como exemplos para demonstrar a eficiência dos sensores para vários subtipos de proteína G e em vários GPCRs.
Os receptores acoplados à proteína G (GPCRs) constituem a maior família de receptores transmembrana, desempenhando um papel crucial na sinalização celular ao transduzir estímulos extracelulares em respostas intracelulares. A ativação do GPCR leva a mudanças conformacionais que permitem interações com proteínas G heterotriméricas. Após a ativação, a subunidade Gα sofre troca GDP-GTP, dissociando-se do dímero Gβγ e desencadeando cascatas de sinalização a jusante. Para estudar a ativação da proteína G mediada por GPCR, os biossensores baseados em transferência de energia de ressonância de bioluminescência (BRET) são uma abordagem altamente sensível e não invasiva. Os sensores de atividade tricistrônica baseados na proteína G (biossensores G-CASE), desenvolvidos por Schihada et al., detectam a dissociação do heterotrímero como um proxy para ativação e permitem o monitoramento em tempo real da atividade do GPCR usando uma única transfecção de plasmídeo, superando as limitações das abordagens de co-transfecção. Os ensaios BRET oferecem várias vantagens em relação às técnicas baseadas em fluorescência, como menor ruído de fundo, fotobranqueamento reduzido e sensibilidade aprimorada. Neste protocolo, os biossensores G-CASE baseados em BRET foram usados em células vivas e placas de 96 poços. Especificamente, avaliamos a atividade do receptor β2-adrenérgico (β2-AR) e do receptor canabinóide tipo 1 (CB1R) em termos de ativação da proteína G. Usando células do tipo selvagem HEK 293T transfectadas transitoriamente com β2-AR e células HEK293T expressando CB1R de forma estável, a robustez dos biossensores Gs e Gi3 G-CASE é confirmada. Este protocolo apóia a utilidade dessa abordagem para estudos farmacológicos e triagem de GPCR de alto rendimento para entender melhor a capacidade dos ligantes de ativar vias específicas, por exemplo, por meio de uma sinalização tendenciosa e, assim, facilitar a descoberta de novos compostos terapêuticos.
Os receptores acoplados à proteína G (GPCRs) representam a maior superfamília de receptores transmembrana, responsáveis por transduzir estímulos extracelulares em cascatas de sinalização intracelular, resultando em respostas biológicas específicas. Eles são alvos farmacológicos fundamentais, com aproximadamente 30% dos medicamentos comercializados atuando em GPCRs1. A ligação do ligante GPCR induz mudanças conformacionais no receptor, facilitando as interações com proteínas G heterotriméricas e/ou GPCR quinases (GRKs) e β-arrestinas, iniciando assim a sinalização a jusante ou a internalização do receptor2.
As proteínas G heterotriméricas servem como transdutores intracelulares primários da sinalização GPCR e consistem em três subunidades: Gα, Gβ e Gγ. Esses heterotrímeros são classificados em quatro famílias - Gi / o, Gs, Gq e G12/13 - com base no subtipo Gα , cada um ativando vias de sinalização distintas: o subtipo Gi / o inibe a adenilato ciclase, enquanto Gs a estimula, Gq ativa a fosfolipase C-β e G12/13 regula as GTPases da família Rho.
A ativação do GPCR leva a seus rearranjos conformacionais, permitindo o rápido envolvimento da proteína G na cinética de subsegundos. Este processo induz alterações conformacionais da proteína G, promovendo a troca GDP-GTP na subunidadeG α. A ligação ao GTP altera ainda mais a conformação da subunidade Gα, resultando em sua dissociação do dímero Gβγ, permitindo a propagação do sinal. As proteínas G são, portanto, cruciais na modulação da especificidade e dinâmica temporal das respostas celulares, regulando diversas proteínas efetoras, como adenilato ciclase ou canais iônicos 3,4,5.
Este protocolo descreve a medição da ativação ou inativação da proteína G usando biossensores baseados em transferência de energia de ressonância de bioluminescência (BRET) após estimulação do ligante GPCR em células vivas. Inspirado no trabalho pioneiro em biossensores de proteína G 6,7,8,9, o sistema G-CASE (sensores de atividade tricistrônica de proteína G), introduzido por Schihada et al.10, é baseado em BRET entre as subunidades Gα e Gβγ marcadas e oferece uma abordagem simplificada que requer apenas uma única transfecção de plasmídeo. Esse recurso aumenta a sensibilidade e mitiga os desafios associados à co-transfecção de múltiplos plasmídeos que codificam as três subunidades (Gα, Gβ e Gγ) da proteína G heterotrimérica. Esses sensores foram disponibilizados comercialmente para grupos de pesquisa acadêmica (ver Tabela de Materiais).
O BRET oferece vantagens significativas sobre a Transferência de Energia por Ressonância de Förster (FRET). No BRET, a transferência de energia ocorre entre um doador bioluminescente e um aceptor fluorescente sem a necessidade de fontes de luz externas. Essa bioluminescência intrínseca reduz os problemas associados ao FRET, como autofluorescência e dispersão de luz, resultando em um sinal de fundo mais baixo e melhor sensibilidade do ensaio 6,7,11.
Essa ausência de excitação externa no BRET minimiza o fotobranqueamento e os efeitos fototóxicos, levando a sinais de fundo mais baixos em comparação com o FRET. Consequentemente, os ensaios BRET geralmente exibem sensibilidade aumentada, permitindo a medição da ativação da proteína G de GPCRs constitutivamente ativos. A sensibilidade aprimorada dos ensaios BRET facilita a detecção de interações biológicas sutis, o que é particularmente valioso em estudos farmacológicos onde a medição precisa da atividade do receptor é crucial.
Esses biossensores podem ser traduzidos em triagem de alto rendimento em placas de 96 ou 384 poços, como demonstrado recentemente por Scott-Dennis et al., onde um método usando esses biossensores foi desenvolvido em um ensaio de 384 poços baseado em membrana para analisar a atividade dos receptores canabinóides CB1R e CB2R12. Este artigo descreve o uso desses biossensores em placas de 96poços em células vivas, medindo a atividade do β2-AR como um GPCR prototípico de classe A, que se liga à proteína G s e ao CB1R que pertence aos GPCRs de classe A e ativa a proteína da família Gi / o . O uso de dois biossensores G-CASE é validado: Gs e Gi3 em células HEK 293T com o GPCR transitoriamente (com o β2-AR) ou expresso de forma estável (com o CB1R).
É importante ressaltar que esse experimento pode ser realizado em várias linhagens celulares, demonstrando a versatilidade e robustez dessa técnica em vários contextos celulares. Isso garante que o método possa ser aplicado a diversos modelos experimentais, tornando-o uma ferramenta valiosa para estudar a sinalização GPCR em diferentes ambientes fisiológicos e farmacológicos. A Figura 1 ilustra o princípio dos sensores de atividade da proteína G baseados em BRET.

Figura 1: Princípio dos sensores de atividade da proteína G baseados em BRET. Os sensores de proteína G consistem em três subunidades: Gα, Gβ nativo e Gγ. A subunidade Gα é fundida à pequena e brilhante NanoLuciferase (Nluc), enquanto a subunidade Gγ é marcada N-terminalmente com Vênus circularmente permutada (cpVenus173). Os genes que codificam essas subunidades da proteína G modificadas são combinados em um único plasmídeo. A ligação do ligante aos GPCRs induz alterações conformacionais do GPCR, promovendo o recrutamento da proteína G e subsequente dissociação seguida de hidrólise do GTP. Essa dissociação interrompe a transferência de energia entre os parceiros, resultando em uma diminuição no sinal BRET. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os reagentes e os equipamentos utilizados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.
1. Semeadura de placas de poços (Dia 1)
NOTA: Siga todos os protocolos de cultura de células em uma capela de fluxo laminar estéril para manter as condições estéreis. Placas de poços brancos com fundos planos transparentes são usadas para acompanhar o crescimento e a viabilidade celular. Use a placa de poço branco completo para evitar o uso de um adesivo na etapa 3.2.1.
2. Transfecção de plasmídeo (Dia 2)
NOTA: A transfecção celular pode ser realizada no primeiro dia em células suspensas antes do plaqueamento, durante a etapa 1.2.7 e aquisição de dados no dia 3.
3. Aquisição de dados (Dia 3)
4. Análise dos dados
NOTA: Colete os dados de cada leitura em arquivos de planilha de dados separados.




Figura 2: Principais etapas para a realização do ensaio BUD. Visão geral das três principais etapas experimentais descritas neste protocolo (semeadura celular, transfecção celular e aquisição de sinal BRET) e guia passo a passo detalhado para aquisição de dados. Configuração experimental: No dia 1, as células são semeadas em uma placa branca de 96 poços pré-revestida com PLL com um fundo plano e transparente a uma densidade de 30.000 células/poço. No dia 2, as células são transfectadas com o sensor de proteína G selecionado junto com os plasmídeos GPCR ou pcDNA3.1 estudados. Após 24 h de incubação, a atividade do sensor de proteína G é medida por meio de leituras de bioluminescência e fluorescência após a adição do ligante. Aquisição de dados: Após a lavagem das células com HBSS, 80 μL de HBSS são adicionados aos poços e a emissão de fluorescência cpVenus173 é medida entre 500 nm e 600 nm usando um monocromador de 535/30 nm (1). Em seguida, a bioluminescência de Nluc é medida entre 400 nm e 600 nm usando um monocromador de 450/40 nm, antes ( 2) e depois (3) da adição de furimazina. Finalmente, o sinal BRET para a atividade da proteína G basal e induzida por ligante é medido usando monocromadores de 450/40 nm e 535/30 nm, respectivamente, durante 3 min (3 ciclos de 60 s com um intervalo de medição de 0,30 s) (4) e 16 min (16 ciclos de 60 s com um intervalo de medição de 0,30 s) (5). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Um esquema generalizado da configuração e execução experimental é detalhado na Figura 2. A ativação de proteínas da família Gs ou Gi/o após a ativação do ligante de dois GPCRs foi avaliada usando os biossensores G-CASE. Primeiro, um GPCR prototípico da família A foi estudado, o β2-AR transitoriamente transfectado em células HEK 293T. Quando um agonista (ou seja, isoproterenol) foi aplicado às células HEK wt que expressam o β2-AR junto com o sensor da proteína Gs (curta) -CASE, foi observada uma diminuição dependente da concentração no sinal BRET, indicando ativação da proteína Gs ( Figura 3B). Os valores de ΔBRET diminuíram com a concentração do ligante até que a saturação fosse atingida, com um platô observado aproximadamente 5 min após a estimulação do ligante. Em contraste, as células HEK wt transfectadas com o plasmídeo pcDNA3.1 vazio e o sensor de proteína Gs (curto) -CASE exibiram uma resposta inversa, mas baixa e não significativa, à estimulação do isoproterenol ( Figura 3B ). Neste protocolo, os valores obtidos após 15 min de estimulação do ligante são plotados. Para garantir a consistência dos resultados e a independência da seleção de tempo, outros pontos de tempo devem ser testados, garantindo que o equilíbrio tenha sido alcançado. Além disso, para comparar os resultados em diferentes experimentos, a seleção de tempo deve ser ajustada com base na cinética de ativação de cada experimento.
Para gerar as curvas sigmoidais de dose-resposta mostradas na Figura 3C, os valores de ΔBRET medidos 15 min após a estimulação (quando o platô está estabilizado) foram plotados em relação às diferentes concentrações de ligantes. O EC50 observado (9,4 nM ± 2,1 nM) está na faixa de valores do receptor conhecido Kd para isoproterenol (13 nM ± 6 nM) 13 , 14 ( Figura 3C , D ). Esses resultados demonstram a eficiência dos sensores G-CASE na avaliação da ativação da proteína G com uma resposta observada especificamente associada à presença do β2-AR.

Figura 3: Avaliação do sensorde proteína G s em células HEK wt. Leituras cinéticas de ΔBRET após a adição do agonista isoproterenol a células HEK wt transfectadas com sensor de proteína Gs e β2-AR (A) ou pcDNA3.1 (B). (C) Curvas dose-resposta obtidas ajustando os valores de ΔBRET (%) após 15 min de estimulação do ligante em concentrações variadas do ligante. (D) Comparação dos valores máximos de ΔBRET entre as células controle transfectadas pcDNA3.1 e β2-AR estimuladas com isoproterenol. A diferença estatística para a condição pcDNA3.1 foi testada usando um teste não paramétrico de Mann-Whitney (**p < 0,01). Os dados mostram ± média de EPM de três experimentos independentes realizados em duplicata. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Em segundo lugar, os biossensores foram testados em células HEK CB1, uma linhagem celular HEK 293T que expressa de forma estável o CB1R. Essas células foram transfectadas transitoriamente com o sensor de proteína Gi3-CASE. A estimulação com o agonista CB1R WIN-55,212-2 induziu um sinal ΔBRET dependente da concentração, indicando ativação da via Gi3 (Figura 4A). Em contraste, as células HEK wt transfectadas com o sensor da proteína Gi3-CASE e estimuladas nas mesmas condições não mostraram nenhuma resposta, confirmando a especificidade da ativação do CB1R (Figura 4B). Um platô foi atingido aproximadamente 5 minutos após a ativação do ligante. A curva dose-resposta correspondente destacou a resposta ΔBRET dependente da concentração induzida pela estimulação WIN-55,212-2 em células HEK-CB1, enquanto tal resposta não foi observada em células HEK wt (Figura 4C). O EC50 observado (112 nM ± 25 nM) está na faixa de valores do EC50 conhecido do receptor para WIN-55,212-2 (354 nM ± 62 nM) 15 ( Figura 4C , D ). Finalmente, uma comparação dos valores de ΔBRET obtidos 15 min após estimulação agonista com 10 μM de WIN-55,212-2 em células HEK CB1 e HEK wt ilustram a ativação dependente de CB1R da via de sinalização Gi3 ( Figura 4D ).

Figura 4: Avaliação do sensor de proteína Gi3 em células HEK CB1. Leituras cinéticas de ΔBRET após a adição do agonista WIN-55,212-2 às células HEK CB1 (A) ou HEK wt (B). Curvas dose-resposta obtidas ajustando os valores de ΔBRET (%) após 15 min de estimulação do ligante contra a concentração do ligante (C). Comparação dos valores máximos de ΔBRET entre as células controle HEK wt e HEK CB1 estimuladas com WIN-55.212-2 (D). A diferença estatística para a condição de peso HEK foi testada usando um teste não paramétrico de Mann-Whitney (****p < 0,0001). Os dados mostram ± média de EPM de cinco experimentos independentes realizados em duplicata. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm nada a divulgar.
Este protocolo descreve o uso de biossensores baseados em BRAKET para medição em tempo real da ativação da proteína G em células vivas HEK293 após estimulação do ligante do receptor acoplado à proteína G. Aqui, o receptor β2-adrenérgico e o receptor canabinóide tipo 1 servem como exemplos para demonstrar a eficiência dos sensores para vários subtipos de proteína G e em vários GPCRs.
As células HEK-CB1 foram um presente gentil de M. Guzman (Universidade Complutense, Madri, Espanha), e o plasmídeo do receptor β2-adrenérgico foi um presente gentil de D. Perrais (IINS, Instituto Interdisciplinar de Neurociência, Bordeaux, França). Gi3-CASE e Gs(short)-CASE foi um presente de Gunnar Schulte (plasmídeo Addgene # 168122; Plasmídeo Addgene # 168124). Algumas das ilustrações foram criadas usando BioRender.com. Este trabalho é apoiado pelo Ministério do Ensino Superior e da Pesquisa e financiamento da agência nacional de pesquisa francesa (ANR) PolyFADO (ANR-21-CE44-0019), AlzCaBan (ANR-24-CE44-4647) e SCHIZOLIP (ANR-22-CE44-0034).
| Placa avançada de cultura de 96 poços, branca com fundo plano transparente, com tampa, Greiner bio-one | Dutscher | 655983 | |
| Filme Branco BrightMax ClearLine | Dutscher | 760245 | |
| ClarioSTAR LVF | BMG Labtech | ||
| Dimetil sulfóxido (DMSO) | Sigma | D4540 | |
| DPBS Modificado, sem cloreto de cálcio e cloreto de magnésio, líquido, filtrado por estéril, adequado para células | Sigma | D8537 | |
| Dulbecco' s modificado Eagle' s medium (DMEM) GlutaMAX | Sigma | D0822 | Quente em 37 graus e graus; Banho-maria C antes do uso |
| Soro fetal bovino (FBS) | Sigma | F9665 | |
| Galphai3-Nluc-Gbeta1-Ggamma2-Vênus | Addgene | 168122 | https://www.addgene.org/Gunnar_Schulte/ Presente de Gunnar Schulte |
| Galphas (isóforma curta)-Nluc-Gbeta3-Ggamma1-Vênus | Addgene | 168124 | https://www.addgene.org/Gunnar_Schulte/ Presente de Gunnar Schulte |
| HEK-293T expressando CB1R de forma estável (HEK CB1) | Gentil presente de M. Guzman (Universidade Complutense, Madri, Espanha) | ||
| HEK-293T tipo selvagem (HEK wt) | |||
| Isoproterenol | Sigma | I6504 | Solubilizado em H20 e armazenado em – 20 & deg; C |
| Lipofectamina 2000 | Invitrogen | 11668019 | |
| Opti-MEM I Soro Reduzido Suplemento Médio GlutaMAX | Fischer | 11564506 | |
| pcDNA3 Flag etiqueta beta-2-receptor adrenérgico FLAG C-ter | Generoso presente de D. Perrais (IINS, Bordeaux) | ||
| pcDNA3.1-(vazio)-TAG | Addgene | 138209 | |
| Penicilina/estreptomicina | Sigma | P4333 | |
| Solução de poli-L-lisina (PLL) | Sigma | RNBL7086 | |
| Tripsina-EDTA | Sigma | T3924 | |
| VITÓRIA - 55.212-2 | Cayman Chemicals | 10009023 | Solubilizado em DMSO e armazenado em – 20 & deg; C |