Kvantifisering agonistaktivitet på G protein-koblede reseptorer

Summary

En metode for estimering av affinitet konstant av en agonist for den aktive stat (

Abstract

Når en agonist aktiverer en populasjon av G protein-koblede reseptorer (GPCRs), utløser det et signalveien som kulminerer i respons i cellen eller vevet. Denne prosessen kan analyseres på nivå med en enkelt reseptor, en befolkning på reseptorer, eller nedstrøms respons. Her vil vi beskrive hvordan å analysere nedstrøms respons å få et estimat av agonist affinitet konstant for den aktive staten singel reseptorer.

Reseptorer oppfører seg som quantal brytere som veksler mellom aktive og inaktive stater (Figur 1). Den aktive stat samhandler med spesifikke G proteiner eller annen signalering partnere. I fravær av ligander, dominerer de inaktive tilstand. Bindingen av agonist øker sannsynligheten for at reseptoren vil gå over til aktiv tilstand fordi dets affinitet konstant for den aktive stat (K _b) er mye større enn for de inaktive tilstand (K _a). Den summering avtilfeldige utganger av alle reseptorer i befolkningen gir et konstant nivå av reseptor aktivering i tid. Den gjensidige av konsentrasjonen av agonist fremlokkende halv maksimal receptor aktivering tilsvarer den observerte affinitet konstant (K _obs), og brøkdel av agonist-reseptor komplekser i aktiv tilstand er definert som effekt (ε) (figur 2).

Metoder for å analysere nedstrøms reaksjoner GPCRs har blitt utviklet som muliggjør estimering av K _obs og relative effekten av en agonist ^1,2. I denne rapporten viser vi hvordan du kan endre denne analysen å estimere agonist K _b verdi i forhold til kvarandre agonist. For analyser som viser konstitutive aktivitet, viser vi hvordan man skal beregne K _b i absolutte enheter av M ^-1.

Vår metode for å analysere agonist konsentrasjon-respons kurver ^3,4 bestårav global lineære regresjon ved hjelp av driftsmodell ^5. Vi beskriver en prosedyre med program, Prism (GraphPad Software, Inc., San Diego, CA). Analysen gir et estimat av produktet av K _obs og en parameter proporsjonal effekt (τ). Estimatet på τK _obs på en agonist, dividert med at en annen, er et relativt mål på K _b (RA _i) ^seks. For noen reseptor viser konstitutive aktivitet, er det mulig å estimere en parameter proporsjonal med effekten av gratis reseptor kompleks (τ _sys). I dette tilfellet er K _b verdien av en agonist tilsvarer τK _obs / τ _sys ^3.

Vår metode er nyttig for å bestemme selektiviteten av en agonist for reseptorsubtyper og for å kvantifisere agonist-reseptor-signalering gjennom ulike G proteiner.

Protocol

1. Måling av agonist konsentrasjon-respons kurver: ingen konstituerende aktivitet

1. For estimering av relativ agonist K _b verdier (RA _i), er en serie av minst to agonist konsentrasjon-respons kurver nødvendig. Eventuelle in vitro test for den funksjonelle respons av en GPCR kan måles forutsatt at konsentrasjonen av agonist kan kontrolleres og én type reseptor formidler respons. Egnet celle-baserte analyser inkluderer måling av cAMP ^4,7 og inositolphosphate akkumulering ^8,9 i en cellelinje som uttrykker en rekombinant reseptor. Eksempler på hele vev analyser inkluderer måling av sammentrekning av glatt muskulatur ¹⁰ eller M ₂ muskarine reseptor-og β _{1-adrenoseptor-mediert} endringer i sammentrekning av felt-stimulerte rotte venstre atrium ^11.
2. Velg en rekke agonister for analyse, inkludert en svært effektiv agonist(F.eks endogen ligand). I et gitt eksperiment, måle fullstendig konsentrasjon-respons kurver for hver agonist. Dersom antallet agonister er for stort til å fullføre analysen i et enkelt eksperiment, dele agonister inn i undergrupper, hver bestående av et håndterlig antall agonister for et enkelt eksperiment. For hver undergruppe, måle konsentrasjonen-respons kurve av den svært effektive agonist sammen med de andre agonister i undergruppen (se Figur 3). Gjenta eksperimentet for hver undergruppe 3-6 ganger, ca, avhengig av variasjonen i data.
3. For hver konsentrasjon-respons kurve, måle responsen i fravær av agonist (basal respons), og i nærvær av økende konsentrasjoner av agonist. Space den agonist konsentrasjonene jevnt på en log skala omtrent hver 0,3 til 0,7 log ₁₀ enheter, som dekker ulike svar og definere maksimal respons (E _max) (se Figur 3). For experimentene på cellelinjer, er hver måling gjort i tre eksemplarer.
4. Trekk basal respons fra at målt i nærvær av hver konsentrasjon av agonist. Svarene plottet i figur 3 ble beregnet på denne måten.

2. Foreløpige analyser av agonist konsentrasjon-respons kurver: ingen konstituerende aktivitet

1. Oppgi dataene fra konsentrasjon-respons eksperimenter (f.eks figur 5) inn i en datatabell i Prism. Alle loggen agonist konsentrasjonene føres under kolonnen merket X. Responsen målinger for de agonist som synes å ha den største E _max verdi er inngått kolonne A, og de ​​som for de andre agonist er inngått tilstøtende bokstavmerkede kolonner. Replikere målinger av en konsentrasjon-respons kurvene inngås sub-kolonner av en gitt bokstavmerkede kolonne.
2. Velg grafen arket hvor dataene er plottet, og analysere dataene ved lineær regresjonsanalyse ved hjelpligningen tittelen, log (agonist) vs respons - Variable skråningen (fire parametre). Begrens på "Bottom" parameter til null, og utføre regresjonsanalyse. Kopier "Top" (E _max) og logg EC ₅₀ parametre til et Excel-regneark for bruk i beregning av første parameter estimater. Den agonist med størst E _max estimatet er utpekt som "standard agonist", mens de andre agonister er utpekt som "test agonister".
3. Beregn den første estimat log τK _obs (LOGR1) som negative log EC _50-verdi av standard agonist (-log EC ₅₀ ').
   
   Beregn den første estimat av loggen RA _i verdien av hver test agonist (LOGRA) som log {(Top * EC ₅₀ ') / (Top' * EC _50)}, der parametre i standarden agonist er merket med en apostrof .
   
   Beregn loggen affinitet constants av testen agonister (LOGK2 - LOGK5) som negative log av deres respektive EC _50-verdier.

3. Beregning av agonist RAI verdier ved hjelp av lineær regresjonsanalyse: ingen konstituerende aktivitet

1. Tast inn dataene i en datatabell i Prism som beskrevet ovenfor under 2.1. Kontroller at data for standard agonist legges inn i kolonne A.
2. Tast inn en brukerdefinert ligning, "log Rai", til Prism på flere linjer som vist for saken med totalt 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 + {[(en 10 ^ (X + P)) / (10 ^ (X + Q))] ^ M})
3. Tast inn den første parameter estimatene som følger:
   Tast inn en vilkårlig lav verdi på 0 for loggen affinitet konstant (LOGK1) av standard agonist.
   
   Oppgi første estimat avLOGR og affinitet konstanter (LOGK2 - LOGK5) og log Rai verdier (LOGRA) av testen agonister.
   
   Tilordne første estimat av svingeren skråningen faktor (M) en verdi på 1,0.
   
   Tilordne første estimat for maksimal respons av systemet (Msys) en verdi tilsvarende E _maks av standard agonist (Top ').
4. Bruk følgende parameter begrensninger: LOGK1 begrenset til den konstante, 0; LOGR1, Msys og M, felles verdier for alle datasett; LOGK2 - LOGK5 og LOGRA, ingen begrensninger.
5. Initiere lineær regresjonsanalyse. Resultatene yield loggen K _obs og logge RA _i verdier av testen agonister. Dersom standarden agonist er en full agonist, så både loggen K _obs og logge RA _i verdier er korrekte. Hvis de mest effektive agonist (standard agonist) er egentlig en partiell agonist, så K _obs verdiene av de mer effektive agonists kan overvurderes. Likevel anslagene på log RA _jeg fremdeles er nøyaktige i denne situasjonen.
6. Hvis regresjonen ikke konvergerer, kan eksperimentator ønsker å plotte den teoretiske kurven definert av den første parameter estimatene. Hvis det er store avvik mellom datapunktene og de teoretiske kurvene, sjekk beregningen av den første parameter estimatene. Hvis ett eller flere agonister har E _max verdier som tilsvarer standarden agonist, kan det være nødvendig å begrense sine logge K _obs verdier til 0 for regresjon til å nærme seg en løsning.

Fire. Måling av agonist konsentrasjon-respons kurver i celle-baserte analyser viser konstituerende reseptor aktivitet

1. For estimering av agonist K _b verdier i absolutte enheter på ^-1 M, celle-basert in vitro analyser brukes som viser konstitutive reseptor aktivitet. Constitutive reseptor aktivitet er definert som økningen i responsen over den basale nivået forårsaket av uttrykk av reseptoren av interesse.
2. Velg agonister og design forsøket som beskrevet ovenfor i avsnitt 1.2.
3. For hver konsentrasjon-respons kurve, måle responsen i fravær av agonist i ikke-transfektert celler (basal respons) og i celler transfektert med reseptoren er av interesse (basal respons + konstitutive respons). Måle responsen i nærvær av ulike konsentrasjoner av de ulike agonister som beskrevet ovenfor i avsnitt 1.3.
4. Beregn konstituerende reseptor aktivitet og responsen til hver konsentrasjon av agonist som målte responsen minus basal respons i celler ikke transfektert med reseptoren. Figur 6 viser responser til ulike agonister beregnet på denne måten for en signalveien viser svært lav konstituerende aktivitet.

5. Foreløpige enalysis av agonist konsentrasjon-respons kurvene viser konstituerende aktivitet

1. Skriv inn data (for eksempel, figur 6) inn i en datatabell i Prism som beskrevet i avsnitt 3.1, men også inn responsen skyldes konstituerende reseptor aktivitet i de aktuelle lettered kolonnene tilsvarer en logg agonist konsentrasjon av -20. En stor negative logaritmen angis å omtrentlige en agonist konsentrasjon av null.
2. Analysere dataene som beskrevet ovenfor i avsnitt 2.2, men med "Bottom" parameter begrenses slik at det er "felles for alle datasett." Kopier "Top" (E _max), delte "Bottom" og logg EC50 parametre til et Excel-regneark for bruk i beregning av første parameter estimater.
3. Beregn den første parameter estimatene som følger:
   
   Loggen affinitet konstant av standard agonist (LOGK1) eller full, test agonist må bestemmes i egne eksperimenter som beskrevet tidligere ³
   Beregn den første estimat av log K _obs verdien av hver partiell test agonist (dvs. kun LOGK2 i dette tilfellet) som log {(Top'-Top) / (EC ₅₀ (Top'-Bottom))}, der "Bottom "betegner responsen som forårsakes av konstitutive receptor aktivering.
   
   Beregn den første estimat log K _b (LOGKb) for hver agonist som log {Topp / (EC ₅₀ Bottom)}.
   
   Beregn den første estimat log τ _sys (LOGTsys) som log {Bunn / (Top '- Bottom)}.

Seks. Beregning av agonist Kb verdier for svarene viser konstituerende reseptor aktivitet ved hjelp av lineære regresjonsanalyser

1. Tast inn dataene i en datatabell i Prism som beskrevet ovenfor under 3.1
2. Tast inn en brukerdefinert ligning, "Logg Kb", til Prism på flere linjer som vist for tilstanden av 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. Tast inn den første parameter estimatene som følger:
   
   Angi affinitet konstantene for hver agonist (LOGK1 - angi verdien bestemt under steg 5.3).
   
   Oppgi K _obs estimatene for hver test agonist.
   
   Oppgi Kb estimater for agonister.
   
   Tast log τ _sys (LOGTsys) estimat.
   
   Tilordne svingeren skråningen faktor (M) og maksimal respons av systemet (Msys) verdier på 1,0 og Top '(E _maks av standard agonist), henholdsvis.
4. Bruk følgende parameter begrensninger: LOGTsys, Msys og M, felles verdier for alle datasett, LOGK2 og LOGKb, ingen begrensninger.
5. Initiere lineær regresjonsanalyse. Resultatene yield loggen K _b standard agonist, loggen K _obs K _b verdier partielle agonister, og maksimal respons av systemet (Msys), den τ _sys verdi for de gratis reseptor kompleks (LOGTsys), og svingeren skråningen faktor i den operasjonelle modellen (M).
6. Hvis regresjonen ikke konvergerer, følg trinnene beskrevet ovenfor under punkt 3.6.

7. Representant Resultater

Figur 5 viser noen av våre tidligere publiserte data på muskarine agonist-indusert phosphoinositide hydrolyse i kinesiske hamster ovarieceller stabilt uttrykker M ₃ muskarine receptor ^12. Konsentrasjonen-respons kurver av utvalgte muskarine agonister ble målt i denne analysen. Dataene ble analysert som beskrevet ovenfor under punkt 3 for å beregne K _b verdien av hver agonist, uttrykt i forhold til at av oxotremorine-M. Disse logg RA _i estimater, carbachol, -0.56 ± 0,063; Arecolinje, -0.60 ± 0,074; pilokarpin, -1.20 ± 0.15, og MCN-A-343, -1,92 ± 0,31. Den teoretiske kurvene representerer den minste kvadraters tilpasning av regresjonsligningen til data (punkt 3.2). Tilsvarende beregninger av maksimal respons system (M _sys) og svingeren skråningen faktor (M) var 53,9 ± 1.3 og 1.15 ± 0.09, henholdsvis. Loggen K _obs verdier av agonister, unntatt det av oxotremorine-M var carbachol, 5.19 ± 0.14; arecoline, 5.49 ± 0.12, pilokarpin, 5.58 ± 0.16 og MCN-A-343, 5.27 ± 0.33.

Figur 6 viser resultatene av eksperimenter på muskarine agonist-stimulerte phosphoinositide hydrolyse i HEK 293 celler stabilt uttrykker G _α15 ^3. Forbigående uttrykk for M ₃ muskarine reseptoren forårsaket en økning i basal phosphoinositide hydrolyse, som ble tilskrevet konstituerende reseptor activligheten. Dataene ble analysert for å estimere den log K _b verdier av oxotremorine-M og MCN-A-343 som beskrevet under punkt 6. Denne analysen ga log K _b verdier av 8.30 ± 0.59 og 6.59 ± 0.77 for oxotremorine-M og MCN-A-343, henholdsvis. Den teoretiske kurvene representerer den minste kvadraters tilpasning av regresjonsligningen til data (se punkt 6.2). Anslagene på log τ _sys, M _sys og M var -2,29 ± 0,59, 95,8 ± 2.8 og 0.72 ± 0.08, henholdsvis. Anslaget for K _obs verdien av MCN-A-343 var 5.35 ± 0.46.

Figur 1. Forholdet mellom singel reseptor aktivitet og det gjennomsnittlige nivået på aktivering av reseptoren befolkningen. Enkeltstående reseptor aktivitet, teoretisk oppførselen til en enkelt reseptor som gjennomgår transitions mellom aktiv (på) og inaktiv (Off) sier i nærvær av en agonist er vist. Den affinitet konstanter av agonist for den aktive og inaktive stater er merket med K _b og K _a, hhv. Befolkning adferd, den teoretiske oppførselen til flere reseptorer gjennomgår tilfeldig overganger mellom aktive og inaktive stater i nærvær av en agonist er vist. Befolkning gjennomsnitt er det gjennomsnittlige nivået på reseptor aktivering i en populasjon av reseptorer i nærvær av en bestemt konsentrasjon av agonist vist. Aktiveringen nivået av reseptoren befolkningen er kjent som stimulans.

Figur 2. Forholdet mellom reseptor aktivering funksjon og effekt (ε) og observerte affinitet konstant (K _obs) av agonist. Befolkning gjennomsnitt, det gjennomsnittlige nivået påreseptor aktivering fremkalte ved økende konsentrasjoner av agonist er vist. Receptor aktivering, er det gjennomsnittlige nivået på reseptor aktivering plottet agonist loggen konsentrasjon av agonist. Den negative log konsentrasjon av agonist som kreves for halv maksimal receptor aktivering tilsvarer loggen observerte affinitet konstant av agonist (log K _OBS). Den maksimale av reseptoren aktivering funksjonen er betegnet som effekt (ε).

Figur 3. Eksempler på konsentrasjon-respons kurver for stimulering av ^[3 H] inositolphosphate opphopning av ulike muskarine agonister i kinesiske hamster ovarieceller uttrykker den menneskelige M ₃ muskarine reseptoren. I alt ni agonist konsentrasjon-respons kurver ble målt. Forsøket kan deles inn i to deler. For hver del, standarden agonist (oxotremorinEM) er alltid testes sammen med ekstra agonister. Dermed to eksperimenter av typen vist i a og b er nødvendig for å måle konsentrasjonen-respons kurver ni agonister hvis bare fem agonister kan analyseres samtidig. Dataene er fra Ehlert et al. ^12.

Figur 4. Eksempler på konsentrasjon-respons kurver for stimulering av ^[3 H] inositolphosphate opphopning av ulike muskarine agonister i HEK 293 celler uttrykker den menneskelige M ₂ muskarine reseptoren og G _α15. Uttrykk for M ₂ reseptoren forårsaket en 30 - 35% ^[3 H] inositolphosphate respons, som ble tilskrevet konstitutive reseptor aktivitet. Dataene er fra Ehlert et al. ^12.

Figur 5. 3 muskarine reseptoren. Konsentrasjonen-respons kurver av utvalgte muskarine agonister for å stimulere phosphoinositide hydrolyse vises. Mean verdier fra tre eksperimentene ± SEM vises. Dataene er fra Ehlert et al. ^12.

Figur 6. Oxotremorine-M-og MCN-A-343-mediert phosphoinositide hydrolyse i HEK 293 celler uttrykker G _α15 og M ₃ muskarine reseptoren. Phosphoinositide hydrolyse er uttrykt i forhold til E _maks oxotremorine-M. I fravær av agonist, tilskrives phosphoinositide hydrolyse til uttrykk for M ₃ reseptoren utgjorde ca 2% av responsen. Det betyr tre eksperimenter ± SEM vises. Data er fra Ehlert et al. ^3.

Discussion

Fordi vår metode for å anslå RA _i (relativ K _b verdi) bare krever måling av agonist konsentrasjon-respons kurver, kan vår analyse gjøres når som helst disse kurvene er målt.

Hvis dag-til-dag variasjon i responsen av den eksperimentelle forberedelser (f.eks, celler eller vev) er stor, kan responsen målinger av hver konsentrasjon-respons-kurven være normalisert i forhold til "Top" estimat av standarden agonist for hver dag eksperiment. Et estimat av Top og logge EC ₅₀ er beregnet for hver replikere konsentrasjon-respons kurve av standard agonist ved regresjonsanalyse som beskrevet i punkt 2 og 5. Responsen verdier av alle de agonist konsentrasjonen-respons kurver på en gitt dag er normalisert i forhold til Top estimat av standard agonist for denne dagen. Disse normaliserte dataene blir deretter analysert som beskrevet ovenfor, begynning i § 3.

Nøyaktigheten av estimere K _b er avhengig av en nøyaktig estimering av konstitutive reseptor aktivitet. I vårt tilfelle forårsaket transfeksjon av M ₃ reseptor i HEK 293 celler en økning i phosphoinositide hydrolyse som varierte fra ca 500 - 1000 cpm av ^[3 H] inositolphosphates målt i nærvær av litium i celler pre-merket med [3H] inositol . Maksimal respons til carbachol var omtrent 50 000 - 60 000 cpm. Hadde det konstituerende responsen vært større og mindre variabel, våre estimat av K _b verdiene av oxotremorine-M og MCN-A-343 ville ha vært mer nøyaktige. Estimatet av K _b er også avhengig av å ha et nøyaktig estimat av svingeren skråningen faktor (M) i driftsmodell. Følgelig kunne mer nøyaktighet vært oppnådd dersom konsentrasjonen av agonist var mer tett linjeavstand som anbefalt under pkt. 1.3. Running ekstra agonister i forsøket også kraftig øker nøyaktigheten av anslaget for M, og dermed av K _b.

Hvis det er forskjellige aktive tilstander av reseptoren som signal gjennom ulike kobling proteiner (f.eks G proteiner), da vår metode for analysen gir en nøyaktig beregning av agonist K _b og RA _i verdier for hver effektor pathway ^3,6. Hvis mer enn én aktiv staten bidrar til et enkelt målte respons, da vår metode for estimering av RA _I og K _b representerer et veid gjennomsnitt av forskjellige aktive stater avhengig av deres relative overflod og aktivitet ^3.

Konstituerende reseptor aktivitet kan induseres av over uttrykker GPCR og dens komplementære G protein ^13. Dette kan endre de observerte affinitet og effekt av agonist-reseptor kompleks og kan forårsake ikke-physiological signalering. Men endringer i naturen av responsen og den observerte affiniteten og effekt av reseptoren befolkningen ikke innebærer endringer i de fundamentale quantal statene i reseptoren, bare en endring i sine tall og sannsynlighet for isomerisering. Dermed G proteiner er ikke så mye en determinant av narkotika effekter så mye som et vindu mot forskjellige effektor-selektiv statene i reseptoren. Hvis våre analysemetode brukes til spesifikke GPCR signaliserer analyser som involverer en enkelt effektor (f.eks G protein) det skal være mulig å måle agonist K _b verdier for effektor-selektiv statene reseptoren - det ultimate mål på agonist bias.