Summary

Caractérisation au niveau moléculaire à l'aide d'approches biochimiques robustes d'une nouvelle protéine Kinase

Published: June 30, 2019
doi:

Summary

Nous avons caractérisé une nouvelle protéine de kinase utilisant des approches biochimiques robustes : analyse de blot occidental avec un anticorps spécifique consacré sur différentes lignées et tissus de cellules, interactions par des expériences de coimmunoprecipitation, activité de kinase détectée par l’ouest Blot à l’aide d’un anticorps spécifique au phospho et par l’étiquetage ATP de32P.

Abstract

Le séquençage complet du génome entier a permis d’identifier de nombreux cadres de lecture ouverts (ORF) fournissant de nombreuses protéines potentielles. Ces protéines peuvent avoir des rôles importants pour la cellule et peuvent démêler de nouveaux processus cellulaires. Parmi les protéines, les kinases sont des acteurs majeurs car elles appartiennent à des voies de signalisation cellulaire et ont la capacité d’allumer ou d’éteindre de nombreux processus cruciaux pour le sort de la cellule, tels que la croissance cellulaire, la division, la différenciation, la motilité et la mort.

Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur une nouvelle protéine kinase potentielle, LIMK2-1. Nous avons démontré son existence par Western Blot à l’aide d’un anticorps spécifique. Nous avons évalué son interaction avec une protéine régulatrice en amont à l’aide d’expériences de coimmunoprécipitation. La coimmunoprécipitation est une technique très puissante capable de détecter l’interaction entre deux protéines cibles. Il peut également être utilisé pour détecter de nouveaux partenaires d’une protéine d’appât. La protéine d’appât peut être purifiée soit par l’intermédiaire d’une étiquette conçue à sa séquence ou par l’intermédiaire d’un anticorps le ciblant spécifiquement. Ces complexes protéiques peuvent ensuite être séparés par SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate PolyAcrylamide Gel) et identifiés à l’aide de la spectrométrie de masse. LimK2-1 immunoprécicé a également été utilisé pour tester son activité kinase in vitro par l’étiquetage ATP de32P. Cet exemple bien établi peut utiliser de nombreux substrats différents, et des versions mutées de l’appât peuvent être utilisées pour évaluer le rôle de résidus spécifiques. Les effets des agents pharmacologiques peuvent également être évalués puisque cette technique est à la fois très sensible et quantitative. Néanmoins, la gestion de la radioactivité exige une prudence particulière. L’activité de Kinase peut également être évaluée avec des anticorps spécifiques ciblant le groupe de phospho de l’acide aminé modifié. Ces types d’anticorps ne sont pas disponibles dans le commerce pour tous les résidus modifiés par le phospho.

Introduction

Pendant de nombreuses décennies, de nombreuses voies de signalisation ont été élucidées et leur implication dans des processus cellulaires cruciaux tels que la division cellulaire, la différenciation, la motilité, la mort cellulaire programmée, l’immunité et la neurobiologie, a été démontrée. Les kinases jouent un rôle important dans ces voies de signalisation car elles régulent souvent finement leur activation ou leur inactivation et font partie de complexes polyvalents transitoires qui répondent aux stimuli externes1,2,3. La mutation et la dysrégulation des kinases conduisent souvent à des maladies chez l’homme, et ils sont donc devenus l’une des cibles les plus importantes de drogue au cours des quarante dernières années4.

Dans ce contexte, il est important de pouvoir détecter l’interaction kinase avec leurs régulateurs en amont ou leurs substrats en aval et d’identifier de nouveaux partenaires. La purification d’affinité et l’immunoprécipitation sont des techniques très puissantes pour l’isolement des complexes protéiques5. La protéine d’appât ou la kinase peut être étiquetée avec une séquence spécifique de peptide permettant l’utilisation des perles commerciales covalently couplées avec des anticorps ciblant le peptide. Ce matériau permet une haute reproductibilité dans les expériences6,7,8. Les protéines endogènes peuvent également être immunoprécipitées à l’aide d’anticorps ciblant directement la protéine d’appât. Les anticorps peuvent être reliés entre les protéines A ou protéines G perles d’agarose ou tout simplement incubé avec ces perles avant d’ajouter du lysate. Les tampons de lysis doivent être optimisés pour permettre la solubilité des protéines sans perdre l’interaction et pour éviter la dégradation des protéines. Un inconvénient majeur de cette approche est que l’interaction est détectée sur la lyse cellulaire; par conséquent, les interactions transitoires ou faibles, ainsi que celles qui nécessitent un contexte subcellulaire peuvent être manquées. D’autres techniques peuvent être utilisées pour travailler directement dans la cellule, comme l’analyse de la liaison de proximité (ApL)9, la purification in vivo d’affinités croisées (XAP)10, le transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) ou l’énergie de résonance de La Transfert (FRET)11,12. En outre, l’immunoprécipitation n’est pas appropriée pour déterminer les constantes thermodynamiques de la liaison, pour lesquelles des techniques physiques telles que la résonance plasmon de surface, la calorimétrie de titration isothermale ou la thermophoresis à microéchelle sont nécessaires 13,14.

L’activité kinase peut être évaluée à l’aide de plusieurs techniques. Ici, nous nous sommes concentrés sur les anticorpsspécifiques au phospho et l’étiquetage in vitro de l’ATP (Adenosine TriPhosphate). Les anticorps spécifiques au phospho ciblent la modification du phosphate d’un résidu particulier dans une protéine. Ils peuvent être utilisés dans Western Blot ou ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) après la lyse cellulaire, pour l’immunohistochimie, et aussi sur les cellules intactes en utilisant la cytométrie du flux ou l’immunofluorescence. Leurs inconvénients peuvent inclure leur manque de spécificité, qui peut être évalué à l’aide d’une version mutée de la protéine cible, et leur absence de commerce disponible pour toutes les protéines. L’étiquetageATP in vitro est une méthode très robuste, bien établie et très sensible15. Des protéines immunoprécipitées ou recombinantes peuvent être utilisées, et différents substrats peuvent être testés. Les effets des médicaments peuvent également être évalués car cette méthode est quantitative. Son principal inconvénient est que la radioactivité associée à l’approche nécessite une manipulation avec prudence. D’autres méthodes sont également possibles sur la base de la mesure des substrats peptidiques fluorescents ou luminescents et en tirant parti des propriétés fluorescentes/luminescentes altérées lors de la phosphorylation. Ces méthodes permettent également un débit élevé, ce qui est nécessaire, par exemple, dans le dépistage de molécules qui peuvent être des inhibiteurs potentiels de la kinase cible. En effet, les kinases représentent l’une des plus grandes catégories de cibles pharmaceutiques poursuivies par les sociétés pharmaceutiques16.

Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la protéine LIMK2-1 (LIMK2-1 signifie Lin11, Isle1, Mec3 Kinase isoforme 2-1). La protéine LIMK2 kinase a été décrite pour la première fois en 199517. Trois isoformes de LIMK2 sont produits par épissage alternatif : LIMK2a, LIMK2b et LIMK2-1. À l’heure actuelle, LIMK2-1 n’a été décrit qu’au niveau de l’ARNm dans une seule étude18. Ici, nous caractérisons cette nouvelle protéine kinase potentielle au niveau moléculaire en utilisant des approches biochimiques robustes. Tout d’abord, nous démontrons que LIMK2-1 est en effet synthétisé. Semblable à ses deux homologues, LIMK2a et LIMK2b, il interagit avec la kinase ROCK en amont (protéine kinase associée à Rho). Nous montrons LIMK2-1 a une activité kinase sur myéline protéine de base (MBP), mais pas sur la cofiline, le substrat canonique de kinases LIM.

Protocol

1. Préparation cellulaire pour la transfection CAUTION: Toutes les étapes de la culture cellulaire doivent être effectuées dans un laboratoire dédié, et les cellules sont manipulées dans un cabinet microbiologique de classe 2. Seed HEK-293 (Human Embryonic Kidney) cells in ’10 cm plates in 10 ml of DMEM (Dulbecco’s Modified Eagles Medium) complété par 10% de sérum fœtal de veau. Culture pendant 3 à 5 jours sous 5% CO2, à 37 oC, jusqu’à ce que les cellules att…

Representative Results

La protéine LIMK2-1 est synthétiséeLIMK2-1 est mentionné dans les banques de données, mais jusqu’à présent un seul document a montré l’existence de son ARNm18. Par rapport à ses deux homologs, LIMK2a et LIMK2b, LIMK2-1 a un domaine C-terminal supplémentaire identifié comme un domaine inhibiteur de la phosphatase de protéine 1 (PP1i). Nous avons conçu un anticorps qui cible un peptide de ce domaine, les acides aminés 671-684 (<stro…

Discussion

Ici, nous avons utilisé des outils biochimiques robustes pour caractériser au niveau moléculaire une nouvelle protéine, LIMK2-1, considérée comme une kinase basée sur sa séquence et sur ses homologs, LIMK2a et LIMK2b20.

Tout d’abord, nous avons démontré l’existence de LIMK2-1 au niveau des protéines en utilisant l’analyse Western Blot avec un anticorps spécifique. Par la suite, nous avons évalué son interaction avec la kinase ROCK1 en amont, qui est connue…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par La Ligue contre le Cancer, l’Association Neurofibromatoses et Recklinghausen, et la Région Centre Val de Loire. Un grand merci à Aurélie Cosson et Déborah Casas pour les données de cytométrie des flux, et à Keyron Hickman-Lewis pour la relecture approfondie du manuscrit.

Materials

Antibody anti-actin Sigma-Aldrich A1978 for Western Blot
Antibody anti-c-Myc Invitrogen MA1-21316 for Western Blot
Antibody anti-cofilin Cell signaling Technology 3312/5175 for Western Blot
Antibody anti-GFP Santa Cruz sc-9996 for Western Blot
Antibody anti-HA Roche Applied Science 11687423001 for Western Blot
Antibody anti-phospho-cofilin Cell signaling Technology 3313 for Western Blot
Antibody Anti-PP1i Eurogentec designed for this study for Western Blot
Aprotinin Euromedex A-162B for lysis buffer
ATP Invitrogen PV3227 for g[32P] labeling
g[32P] ATP Perkin Elmer NEG502A for g[32P] labeling
BES buffered saline Sigma-Aldrich 14280 for transfection
b-glycerophosphate Sigma-Aldrich G9422 for lysis and kinase buffer
b-mercaptoethanol Sigma-Aldrich M3148 for Laemmli
BSA Sigma-Aldrich A3059 for blocking buffer
Bromophenol Blue Sigma-Aldrich B0126 for Laemmli
CaCl2 Sigma-Aldrich C3881 for transfection
Centrifuge Sigma 111-541
Collagen R Pan Biotech P06-20166 for transfection
Control siRNA Ambion AM4611 for PP1i antibody specificity
Coomassie PageBlue Protein Staining Solution Thermo-Fisher 24620 for gel staining
EDTA Sigma-Aldrich 3690 for lysis buffer
Electrophoresis Unit Biorad Mini-Protean for Western Blot
EZview Red anti-HA affinity gel Sigma-Aldrich E6779 for immunoprecipitation
GeneSys software Ozyme for Western Blot acquisition
GeneTolls software Ozyme for Western Blot quantification
GFP-trap beads Chromtek for immunoprecipitation
Glycine Euromedex 26-128-6405 for transfer buffer
GST-cofilin Upstate Cell signaling 12-556 for g[32P] labeling
Hamilton syringe 100 mL Hamilton 710 to remove carefully supernatant from beads without aspirating them
HEPES Sigma-Aldrich H3375 for kinase buffer
ImageQuant TL software GE Healthcare for radioactivity acquisition and quantification
LIMK2 siRNA Ambion s8191 for PP1i antibody specificity
Leupeptin Sigma-Aldrich SP-04-2217 for lysis and kinase buffer
MBP Upstate Cell signaling 13-173 for g[32P] labeling
MgCl2 Sigma-Aldrich M8266 for kinase buffer
MnCl2 Sigma-Aldrich 244589 for kinase buffer
NaCl Euromedex 1112 for lysis and kinase buffer
NaF Sigma-Aldrich S-1504 for lysis and kinase buffer
Okaidic acid Euromedex 0-2220 for lysis buffer
PMSF Sigma-Aldrich 78830 for lysis and kinase buffer
p-nitrophenylphosphate Euromedex 1026 for lysis buffer
PVDF membrane Immobillon-P Merck-Millipore IPVH00010 pore size 0,45 mm for Western Blot
Rotating wheel Labinco for bead incubation
Safe lock eppendorf Eppendorf 0030120.086 for kinase assay
SDS Sigma-Aldrich 5030 for Laemmli and migration buffer
Sodium orthovanadate LC Laboratories S8507 for lysis and kinase buffer
Sodium pyrophosphate Fluka 71501 for lysis buffer
Super Signal West Dura Protein Biology 34075 for Western Blot
Syngene Pxi Ozyme for Western Blot
Tissue extracts

 
Biochain

 
P1234035 Brain
P12345152 Lung
P1234149 Liver
P1234188 Pancreas
P1234260 Testis
for Western Blot analysis

 
Transfer Unit Biorad Mini-Trans-Blot for Western Blot
Tris Euromedex 26-128-3094 B for lysis buffer
Tween-20 Sigma-Aldrich P7949 for blocking buffer
Typhoon FLA9500 GE Healthcare to read autoradiography
Typhoon Trio Amersham Bioscience to read autoradiography
Whatman paper GE Healthcare 3030-672 for Western Blot

References

  1. Manning, G., Plowman, G. D., Hunter, T., Sudarsanam, S. Evolution of protein kinase signaling from yeast to man. Trends in Biochemical Sciences. 27, 514-520 (2002).
  2. Manning, G., Whyte, D. B., Martinez, R., Hunter, T., Sudarsanam, S. . The protein kinase complement of the human genome. 298, 1912-1934 (2002).
  3. Ochoa, D., Bradley, D., Beltrao, P. Evolution, dynamics and dysregulation of kinase signalling. Current Opinion in Structural Biology. 48, 133-140 (2018).
  4. Bhullar, K. S., et al. Kinase-targeted cancer therapies: progress, challenges and future directions. Molecular Cancer. 17, 48 (2018).
  5. Kaboord, B., Perr, M. Isolation of proteins and protein complexes by immunoprecipitation. Methods in Molecular Biology. 424, 349-364 (2008).
  6. Arnau, J., Lauritzen, C., Petersen, G. E., Pedersen, J. Current strategies for the use of affinity tags and tag removal for the purification of recombinant proteins. Protein Expression and Purification. 48, 1-13 (2006).
  7. Wood, D. W. New trends and affinity tag designs for recombinant protein purification. Current Opinion in Structural Biology. 26, 54-61 (2014).
  8. Young, C. L., Britton, Z. T., Robinson, A. S. Recombinant protein expression and purification: a comprehensive review of affinity tags and microbial applications. Biotechnology Journal. 7, 620-634 (2012).
  9. Greenwood, C., et al. Proximity assays for sensitive quantification of proteins. Biomolecular Detection and Quantification. 4, 10-16 (2015).
  10. Wang, X., Huang, L. Dissecting Dynamic and Heterogeneous Proteasome Complexes Using In vivo Cross-Linking-Assisted Affinity Purification and Mass Spectrometry. Methods in Molecular Biology. 1844, 401-410 (2018).
  11. Raykova, D., et al. Let There Be Light!. Proteomes. 4, (2016).
  12. Weibrecht, I., et al. Proximity ligation assays: a recent addition to the proteomics toolbox. Expert Review of Proteomics. 7, 401-409 (2010).
  13. Podobnik, M., et al. How to Study Protein-protein Interactions. Acta Chimica Slovenica. 63, 424-439 (2016).
  14. Rao, V. S., Srinivas, K., Sujini, G. N., Kumar, G. N. Protein-protein interaction detection: methods and analysis. International Journal of Proteomics. 2014, 147648 (2014).
  15. Peck, S. C. Analysis of protein phosphorylation: methods and strategies for studying kinases and substrates. The Plant Journal: For Cell and Molecular Biology. 45, 512-522 (2006).
  16. Jia, Y., Quinn, C. M., Kwak, S., Talanian, R. V. Current in vitro kinase assay technologies: the quest for a universal format. Current Drug Discovery Technologies. 5, 59-69 (2008).
  17. Okano, I., et al. Identification and characterization of a novel family of serine/threonine kinases containing two N-terminal LIM motifs. The Journal of Biological Chemistry. 270, 31321-31330 (1995).
  18. Croft, D. R., et al. p53-mediated transcriptional regulation and activation of the actin cytoskeleton. Cell Research. 21, 666-682 (2011).
  19. Tastet, J., et al. LIMK2-1 is a Hominidae-Specific Isoform of LIMK2 Expressed in Central Nervous System and Associated with Intellectual Disability. Neuroscience. 399, 199-210 (2019).
  20. Vallee, B., et al. LIMK2-1, a new isoform of human LIMK2, regulates actin cytoskeleton remodeling via a different signaling pathway than that of its two homologs, LIMK2a and LIMK2b. The Biochemical Journal. 475, 3745-3761 (2018).
  21. Lee, Y. C., et al. Impact of Detergents on Membrane Protein Complex Isolation. Journal of Proteome Research. 17, 348-358 (2018).

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Cite This Article
Vallée, B., Doudeau, M., Godin, F., Bénédetti, H. Characterization at the Molecular Level using Robust Biochemical Approaches of a New Kinase Protein. J. Vis. Exp. (148), e59820, doi:10.3791/59820 (2019).

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