Kvantificering agonistaktivitet på G-protein-koblede receptorer

Summary

En metode til at anslå affinitetskonstant af en agonist for den aktive tilstand (

Abstract

Når en agonist aktiverer en population af G-protein-koblede receptorer (GPCRs), det fremkalder en signalvej, der kulminerer i svaret fra den celle eller væv. Denne proces kan analyseres på niveau med en enkelt receptor, en befolkning på receptorer, eller en downstream svar. Her beskriver vi, hvordan at analysere det efterfølgende reaktion at opnå et estimat af de agonist affinitetskonstant til aktiv tilstand enkelt receptorer.

Receptorer opfører sig som kvantemekaniske switche, der veksler mellem aktive og inaktive stater (Figur 1). Den aktive tilstand interagerer med specifikke G proteiner eller andre signalering partnere. I mangel af ligander, dominerer den inaktive tilstand. Bindingen af agonist øges sandsynligheden for, at receptoren vil skifte til aktiv tilstand, fordi dens affinitetskonstant til aktiv tilstand (K _b) er meget større end for den inaktive tilstand (K _a). Sammenlægning af detilfældige udgange af alle de receptorer i befolkningen giver et konstant niveau af receptor-aktivering i tide. Den reciprokke værdi af koncentrationen af agonist fremkalde halv maksimal receptor aktivering svarer til den observerede affinitetskonstant (K _OBS), og den fraktion af agonist-receptor komplekser i den aktive tilstand er defineret som effekten (ε) (Figur 2).

Metoder til at analysere de efterfølgende reaktioner GPCRs er blevet udviklet, der muliggør estimering af K _OBS og relative effekt af en agonist ^1,2. I denne rapport, viser vi, hvordan du ændrer denne analyse at estimere agonist K _b værdi i forhold til en anden agonist. For analyser som udviser konstitutive aktivitet, viser vi, hvordan at estimere K _b i absolutte enheder af M ^-1.

Vores metode til at analysere agonist koncentrations-respons kurver ^3,4 beståraf den globale ikke-lineær regression ved hjælp af operationelle model ^5. Vi beskriver en procedure, ved hjælp af programmet, Prism (GraphPad Software, Inc., San Diego, CA). Analysen giver et estimat af produktet af K _obs. og en parameter i forhold til effekten (τ). Skønnet over τK _obs. af en agonist, divideret med en anden, er et relativt mål for K _b (RA _i) ^6. For enhver receptor udstille konstitutiv aktivitet, er det muligt at estimere et parameter i forhold til effekten af det frie receptor komplekset (τ _sys). I dette tilfælde er K _b værdien af en agonist, der svarer til τK _obs. / τ _sys ^3.

Vores metode er nyttig til bestemmelse af selektivitet af en agonist for receptor subtyper og for kvantificering af agonist-receptor-signalering gennem forskellige G-proteiner.

Protocol

1. Måling af agonist koncentrations-respons kurver: ingen konstitutiv aktivitet

1. Til estimering af relativ agonist K _b værdier (RA _i), er en serie på mindst to agonist koncentrations-respons kurver påkrævet. Enhver in vitro analyse til den funktionelle respons af en GPCR kan måles forudsat, at koncentrationen af agonist kan kontrolleres, og en enkelt type receptor formidler respons. Egnet cellebaserede assays omfatter måling af cAMP ^4,7 og inositolphosphate ophobning ^8,9 i en celle linie udtrykke en rekombinant receptor. Eksempler på hele væv analyser omfatter måling af sammentrækning af glat muskulatur ¹⁰ eller M ₂ muskarine receptor-og β _{1-adrenoceptor-medierede} ændringer i sammentrækning af feltet-stimuleret rotte venstre forkammer ^11.
2. Vælg en serie af agonister til analyse, herunder en meget effektiv agonist(F.eks, endogene ligand). I et givet eksperiment, måle komplet koncentration-respons kurver for hver agonist. Hvis antallet af agonister er for stor til at gennemføre analysen i et enkelt eksperiment, opdele agonister i undergrupper, som hver består af et overskueligt antal agonister til et enkelt eksperiment. For hver undergruppe, måle koncentrationen-respons kurve af meget effektive agonist, sammen med de øvrige agonister i undergruppen (se figur 3). Gentag forsøget for hver undergruppe 3 til 6 gange, ca, afhængigt af variation i data.
3. For hver koncentration-responskurve, måle responsen i mangel af agonist (basal respons), og i nærværelse af stigende koncentrationer af agonist. Space agonist koncentrationer ensartet på en log-skala cirka hver 0,3 til 0,7 log ₁₀ enheder, dækker området af svarene og definere den maksimale respons (E _max) (se figur 3). For experimforældre på cellelinjer, der hver måling udført i tre eksemplarer.
4. Træk den basale respons fra, at målt i nærværelse af hver koncentration af agonist. Svarene plottet i figur 3 blev beregnet på denne måde.

2. En foreløbig analyse af agonist koncentrations-respons kurver: ingen konstitutiv aktivitet

1. Indtast data fra koncentration-respons forsøg (fx figur 5) ind i en datatabel i Prism. Alle loggen agonist koncentrationer opført under kolonnen mærket X. Svaret målinger for agonist, som synes at have den største E _max værdi er indgået kolonne A, og for de øvrige agonist er indgået tilstødende bogstaver kolonner. Gentagne målinger af en koncentration-respons kurver er indgået sub-kolonner af en given bogstaver kolonne.
2. Vælg grafen ark, hvor data er plottet, og analysere dataene ved ikke-lineær regressionsanalyse ved anvendelseligningen med titlen, log (agonist) vs svar - Variable hældning (fire parametre). Begræns "Bottom" parameter til nul, og udføre regressionsanalyse. Kopier "Top" (E _max) og log EC ₅₀ parametre ind i et Excel-regneark til brug i beregningen af de første parameterestimater. Den agonist med den største E _max skøn er udpeget som "standard agonist", mens den anden agonister er udpeget som "test-agonister".
3. Beregn det oprindelige skøn af log τK _obs. (LOGR1) som den negative log EC ₅₀ værdi af standard agonist (-log EF ₅₀ ').
   
   Beregn den oprindelige skøn over log RA _i værdien af hver test agonist (LOGRA) som log {(Top * EF ₅₀ ') / (Top' * EC _50)}, hvor parametre for standard-agonist, er markeret med en apostrof .
   
   Beregn log affinitet constants af testen agonister (LOGK2 - LOGK5) som den negative log over deres respektive EC ₅₀ værdier.

3. Estimering af agonist RAI værdier ved hjælp af ikke-lineær regressionsanalyse: ingen konstitutive aktivitet

1. Indtast data i en datatabel i Prism, som beskrevet ovenfor under 2.1. Sørg for, at data for de standard-agonist er opført i kolonne A.
2. Indtast en bruger-defineret ligning, "log Rai", til Prism på flere linjer som vist for sag, der involverer i alt fem agonister:
   • <A> P = LOGK1
   • <A> Q = LOGR
   • <~ A> Q = LOGR + LOGRA
   • <B> P = LOGK2
   • <C> P = LOGK3
   • <D> P = LOGK4
   • <E> P = LOGK5
   • Y = MSYS / (1 + {[(1 +10 ^ (X + P)) / (10 ^ (X + Q))] ^ M})
3. Indtast de første parameterestimater som følger:
   Indtast en vilkårligt lav værdi på 0 for log affinitetskonstant (LOGK1) af standarden agonist.
   
   Indtast det oprindelige skøn påLOGR og affinitet konstanter (LOGK2 - LOGK5) og log Rai værdier (LOGRA) af test-agonister.
   
   Tildel det oprindelige skøn på transduceren hældning faktor (M) en værdi på 1,0.
   
   Tildel det oprindelige overslag for den maksimale respons af systemet (MSYS) en værdi svarende til E _max af standard-agonist (Top ').
4. Gælder følgende parameter begrænsninger: LOGK1 tvunget til konstant, 0; LOGR1, MSYS og M, fælles værdi for alle datasæt, LOGK2 - LOGK5 og LOGRA, ingen begrænsninger.
5. Indled ikke-lineær regressionsanalyse. Resultaterne giver det log K _OBS og logge RA _i værdier af testen agonister. Hvis standarden agonist er en fuld agonist, så både log K _OBS og logge RA _i værdier er korrekte. Hvis den mest effektive agonist (standard agonist) er faktisk en partiel agonist, så K _OBS værdierne af de mere effektive AGonists kan være overvurderet. Ikke desto mindre skøn af log RA _jeg er stadig præcis i denne situation.
6. Hvis regression ikke konvergerer, kan forsøgslederen ønsker at plotte den teoretiske kurve er defineret ved den oprindelige parameterestimater. Hvis der er store afvigelser mellem datapunkterne og teoretiske kurver, skal du kontrollere beregningen af ​​den oprindelige parameterestimater. Hvis en eller flere agonister har E _max værdier svarende til, at af standard-agonist, kan det være nødvendigt at begrænse deres log K _obs. værdier til 0 for regression til at konvergere på en løsning.

4. Måling af agonist koncentrations-respons kurver i celle-baserede assays udstillende konstituerende receptor aktivitet

1. Til estimering af agonist K _b værdier i absolutte enheder af M ^-1, celle-baserede in vitro assays anvendes som udviser konstitutive receptor aktivitet. Forfatningsmæssigetive receptor aktivitet er defineret som stigningen i reaktion over det basale niveau skyldes udtryk for receptoren af ​​interesse.
2. Vælg agonister og design forsøget som beskrevet ovenfor i afsnit 1.2.
3. For hver koncentration-responskurve, måle responsen i mangel af agonist i ikke-transfekterede celler (basal respons) og i celler som er tilført de receptoren af ​​interesse (basal svar + konstituerende respons). Mål respons i tilstedeværelse af forskellige koncentrationer af de forskellige agonister, som beskrevet ovenfor i afsnit 1.3.
4. Beregn konstitutive receptor aktivitet og reaktionerne på hver koncentration af agonist, som den målte respons minus basale reaktion i cellerne ikke er tilført de receptoren. Figur 6 viser svarene på forskellige agonister beregnes på denne måde for en signalvej udstiller meget lav konstitutiv aktivitet.

5. Indledende enalysis af agonist koncentrations-respons kurver udstillende konstitutive aktivitet

1. Indtast data (fx figur 6) i en datatabel i Prism som beskrevet i afsnit 3.1, men også angive reaktion forårsaget af konstitutiv receptor aktivitet i de rigtige bogstaver kolonner svarende til en log agonist koncentration på -20. En stor negativ logaritme indtastes at tilnærme en agonist koncentration på nul.
2. Analyser de data som beskrevet ovenfor i afsnit 2.2, men med "Bottom" parameter begrænset, så det er "fælles for alle datasæt." Kopier "Top" (E _max), delt "Bottom" og logge EC50 parametre ind i et Excel-regneark til brug i beregningen af de første parameterestimater.
3. Beregn den indledende parameterestimaterne som følger:
   
   Loggen affinitetskonstant af standard agonist (LOGK1) eller en fuld, test-agonist skal fastsættes i separate eksperimenter som beskrevet tidligere ³
   Beregn den oprindelige skøn over log K _OBS værdi af hver partiel test-agonist (dvs. kun LOGK2 i dette tilfælde) som log {(Top'-Top) / _(EF-50 (Top'-Bund))}, hvor "Bottom "betegner den reaktion forårsaget af konstitutiv receptor aktivering.
   
   Beregn det oprindelige skøn over log K _b (LOGKb) for hver agonist som log {Top / (EC ₅₀ Bund)}.
   
   Beregn det oprindelige skøn af log τ _sys (LOGTsys) som log {Bund / (Top '- Bund)}.

6. Estimering af agonist Kb værdier for svar udstille konstitutive receptor aktivitet ved hjælp af ikke-lineær regressionsanalyse

1. Indtast data i en datatabel i Prism, som beskrevet ovenfor under 3,1
2. Indtast en bruger-defineret ligning, "Log Kb", til Prism på flere linjer som vist for tilstanden af ​​to agonister:
   • <A> LOGKOBS = LOGK1
   • <B> LOGKOBS = LOGK2
   • A = (10 ^ (X + LOGKOBS)) +1
   • B = 10 ^ (X + LOGTSYS + LOGKB)
   • C = (10 ^ (LOGTSYS))
   • Y = MSYS / {1 + [(A / (B + C)) ^ M]}
3. Indtast de første parameterestimater som følger:
   
   Indtast affinitet konstanter af hver agonist (LOGK1 - Indtast den værdi, der bestemmes i henhold til trin 5.3).
   
   Indtast K _OBS skøn fra hver test-agonist.
   
   Indtast Kb skøn over agonister.
   
   Indtast log τ _sys (LOGTsys) skøn.
   
   Tildel transduceren hældning (M) og den maksimale respons af systemet (MSYS) værdier på 1,0 og Top "(E _max af standarden agonist), hhv.
4. Gælder følgende parameter begrænsninger: LOGTsys, MSYS og M, fælles værdi for alle datasæt, LOGK2 og LOGKb, ingen begrænsninger.
5. Indled ikke-lineær regressionsanalyse. Resultaterne giver det log K _b af standarden agonist, log K _OBS K _b værdier af partielle agonister, og den maksimale respons af systemet (MSYS), den τ _sys værdi for den frie receptor komplekset (LOGTsys), og transduceren hældning faktor i den operationelle model (M).
6. Hvis regression ikke konvergerer, skal du følge de trin, der er beskrevet ovenfor under punkt 3.6.

7. Repræsentative resultater

Figur 5 viser nogle af vores tidligere offentliggjorte data om muskarine agonist-induceret phosphoinositide hydrolyse i kinesisk hamster ovarieceller stabilt udtrykker M ₃ muskarine ^receptor-12. Den koncentration-respons kurver af udvalgte muskarine agonister blev målt i denne analyse. Dataene blev analyseret som beskrevet ovenfor under § 3 til at estimere K _b værdi af hver agonist, udtrykkes i forhold til den, oxotremorine-M. Disse logge RA _i skøn er, carbachol, -0,56 ± 0,063; Arecolinje, -0,60 ± 0,074; pilocarpin, -1,20 ± 0,15 og MCN-A-343, -1,92 ± 0,31. Den teoretiske kurver repræsenterer de mindste kvadraters fit af regressionsligningen til data (afsnit 3.2). De tilsvarende estimater af den maksimale respons af systemet (M _sys) og transduceren hældning (M) var 53,9 ± 1,3 og 1,15 ± 0,09, hhv. Loggen K _OBS værdier agonister, undtagen oxotremorine-M var carbachol, 5,19 ± 0,14; arecoline, 5,49 ± 0,12; pilocarpin, 5,58 ± 0,16 og MCN-A-343, 5,27 ± 0,33.

Figur 6 viser resultaterne af eksperimenter på muskarine agonist-stimuleret phosphoinositide hydrolyse i HEK 293 celler stabilt udtrykker G _α15 ^3. Forbigående udtryk for M ₃ muskarine receptor forårsagede en stigning i basal phosphoinositide hydrolyse, hvilket blev tilskrevet konstituerende receptor Activtet. Dataene blev analyseret for at estimere log K _b værdier oxotremorine-M og MCN-A-343 som beskrevet under § 6. Denne analyse gav log K _b værdierne af 8,30 ± 0,59 og 6,59 ± 0,77 for oxotremorine-M og MCN-A-343, hhv. Den teoretiske kurver repræsenterer de mindste kvadraters fit af regressionsligningen til data (se afsnit 6.2). Estimaterne af log τ _sys, M _sys og M blev -2,29 ± 0,59, 95,8 ± 2,8 og 0,72 ± 0,08, hhv. Estimatet af K _OBS værdien af MCN-A-343 var 5,35 ± 0,46.

Figur 1. Forholdet mellem enkelt receptor aktivitet, og det gennemsnitlige niveau for aktivering af receptoren befolkningen. Single receptor aktivitet, den teoretiske opførsel af en enkelt receptor gennemgår transitions mellem aktive (Til) og inaktive (Off) hedder det i overværelse af en agonist er vist. Den affinitet konstanter af agonist for den aktive og inaktive stater er markeret med K _b og K _a, hhv. Population adfærd, den teoretiske opførsel af flere receptorer undergår tilfældige overgange mellem aktive og inaktive stater i tilstedeværelse af en agonist er vist. Population gennemsnittet, er det gennemsnitlige niveau for receptor aktivering i en population af receptorer i overværelse af en bestemt koncentration af agonist vist. Aktiveringen niveau af receptoren befolkningen er kendt som stimulus.

Figur 2. Forholdet mellem receptor aktivering funktion og effekten (ε) og observeret affinitetskonstant (K _OBS) af agonist. Population gennemsnittet, det gennemsnitlige niveau forreceptor aktivering fremkaldt af stigende koncentrationer af agonist er vist. receptor-aktivering, er det gennemsnitlige niveau for receptor aktivering plottet agonist log koncentration af agonist. Den negative log koncentration af agonist med halv-maksimal receptor aktivering svarer til log observerede affinitetskonstant af agonist (log K _obs.). Den højeste af receptor-aktivering funktion betegnes som effekt (ε).

Figur 3. Eksempler på koncentrations-respons kurver for stimulering af ^[3 H] inositolphosphate ophobning af forskellige muskarine agonister i kinesisk hamster ovarieceller udtrykker den menneskelige M ₃ muskarine receptor. I alt ni agonist koncentrations-respons kurver blev målt. Eksperimentet kan opdeles i to dele. For hver del, (standard-agonist oxotremorinEM) er altid testet sammen med yderligere agonister. Således er to eksperimenter af typen vist i A og B er forpligtet til at måle koncentrationen-respons kurver af ni-agonister, hvis kun fem agonister kan analyseres på én gang. Dataene er fra Ehlert et al. ^12.

Figur 4. Eksempler på koncentrations-respons kurver for stimulering af ^[3 H] inositolphosphate ophobning af forskellige muskarine agonister i HEK 293 celler, der udtrykker den menneskelige M ₂ muskarine receptorer og G _α15. Angivelse af M ₂ receptoren forårsagede en 30 - 35% ^[3 H] inositolphosphate svar, som blev tilskrevet konstitutivt receptor aktivitet. Dataene er fra Ehlert et al. ^12.

Figur 5. 3 muskarine receptor. Den koncentration-respons kurver af udvalgte muskarine agonister for at stimulere phosphoinositide hydrolyse er vist. Middelværdier fra tre eksperimenter ± SEM er vist. Dataene er fra Ehlert et al. ^12.

Figur 6. Oxotremorine-M-og MCN-A-343-medieret phosphoinositide hydrolyse i HEK 293 celler, der udtrykker G _α15 og M ₃ muskarine receptor. Phosphoinositide hydrolyse udtrykkes i forhold til E _max oxotremorine-M. I mangel af agonist, tilskrives phosphoinositide hydrolyse til udtryk for M ₃ receptoren tegnede sig for ca 2% af svaret. Den hjælp af tre eksperimenter ± SEM er vist. Den data er fra Ehlert et al. ^3.

Discussion

Fordi vores metode til at anslå RA _i (relativ K _b værdi) kræver kun måling af agonist koncentration-respons kurver, kan vores analyse gøres når som helst disse kurver måles.

Hvis dag-til-dag variation i svaret fra den eksperimentelle forberedelse (f.eks celler eller væv) er stor, kan svaret målinger af hver koncentration-responskurve være normaliseret i forhold til "Top" estimat af standarden agonist for hver dag, eksperiment. Et skøn over Top og log EF ₅₀ er estimeret for hver replikat koncentration-respons kurve af standarden agonist ved regressionsanalyse, som beskrevet i afsnit 2 og 5. Svaret værdier af alle de agonist koncentrations-respons kurver på en given dag er normaliseret i forhold til Top estimat af standarden agonist for den pågældende dag. Disse normaliserede data er derefter analyseret som beskrevet ovenfor beginnING på Afsnit 3.

Nøjagtigheden af estimering af K _b afhænger af en præcis estimering af konstitutiv receptor aktivitet. I vores tilfælde, forårsaget transfektion af M ₃ receptor i HEK 293 celler en stigning i phosphoinositide hydrolyse, der spænder fra omkring 500 - 1.000 CPM af ^[3 H] inositolphosphates målt i overværelse af lithium i cellerne pre-mærket med [3H] inositol . Den maksimale respons på carbachol var omkring 50.000 - 60.000 cpm. Havde konstitutive respons været større og mindre variabel, vores estimat af K _b værdier for oxotremorine-M og MCN-A-343 ville have været mere præcis. Skønnet over K _b også afhænger af at have et præcist skøn over den transducer hældning faktor (M) i den operationelle model. Derfor kan mere præcision have været opnået, hvis koncentrationen af ​​agonist var mere tætliggende, som anbefalet under afsnit 1.3. Running yderligere agonister i forsøget også i høj grad øger nøjagtigheden af estimatet af M, og dermed af K _b.

Hvis der er forskellige aktive tilstande af receptoren, der signalerer gennem forskellige kobling proteiner (fx G proteiner), så er vores analysemetode giver en nøjagtig vurdering af agonist K _b og RA _jeg værdier for hver effektor sti ^3,6. Hvis mere end ét aktivt bidrager staten til en enkelt målte respons, så er vores metode til estimering af RA _I og K _b repræsenterer et vægtet gennemsnit af forskellige aktive stater afhængigt af deres relative forekomst og aktivitet ^3.

Konstitutive receptor aktivitet kan være fremkaldt af over udtrykke GPCR og dens komplementære G-protein ^13. Dette kan ændre observerede affinitet og effekt af agonist-receptor kompleks og kan forårsage ikke-physiological signalering. Men ændringer i forhold til behovene og de observerede affinitet og effekt af receptoren befolkningen ikke indebære ændringer i de fundamentale kvantemekaniske tilstande af receptoren, kun en ændring i deres antal og sandsynligheden for isomerisering. Således G proteiner er ikke så meget en afgørende faktor for lægemiddel virkning så meget som et vindue på forskellige effektor-selektive tilstande af receptoren. Hvis vores analysemetode anvendes til specifikke GPCR signalering analyser involverer en enkelt effektor (fx G-protein), bør det være muligt at måle agonist K _b værdier for effektor-selektive tilstande af receptoren - det ultimative mål for agonist bias.