$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Ubikitin-proteazom bozunma sistemi, tüm ökaryotlarda protein homeostazının sürdürülmesinde rol oynayan önemli bir düzenleyici makinedir. UPS başlangıçta birden fazla ubikuitin molekülünü bir hedef proteine konjuge eder, ardından poli-ubikuitin etiketli protein 26S proteazomu tarafından bozunur. Çoğu durumda, ubikitin aracılı bozunma için hız sınırlayıcı adım, E2 konjuge edici enzimler ve E3 bağlayıcı enzimlerin (E3 Ligazlar) aracılık ettiği substrat ubikitilasyonudur1. Sonuç olarak, spesifik proteinlerin hücre içi stabilitesi, ubikitin konjugasyonuna karşı duyarlılıklarını ve aynı kökenli ubikitilasyon enzimlerinin aktivitesini yansıtır.
E3 ligazları, UPS'in temel substrat tanıma bileşenleridir. Bu nedenle, bu enzimler, kararlı muadillerinde bulunmayan veya maruz kalmayan substratları içindeki degronları tanır 2. Örneğin, hücre döngüsünün birçok düzenleyicisi, hücre döngüsünün ilerlemesini düzenli tutmak için zamansal olarak belirli bir şekilde sentezlenmeli ve parçalanmalıdır. Bu proteinlerin bozunması genellikle hücre sinyalizasyonu ile düzenlenmiş kinazların aracılık ettiği fosforilasyon ile kontrol edilir 3,4. Öte yandan, anormal şekilde katlanmış proteinler, kriptik degronlar aracılığıyla tanınır. Bunlar normalde yerel yapıda gizlenen ve yapı bozulması üzerine açığa çıkan bölgelerdir. Bu tür degronlar, hidrofobik alanlar 5-7 ve içsel olarak düzensiz segmentler8'i içerir.
Retikülosit lizatları9'da protein bozunması ve temellerinin karakterizasyonu için ubikitin sisteminin ufuk açıcı keşfinden bu yana, maya genetiği, ubikitin sistemi10'un birçok bileşeninin keşfedilmesinde etkili oldu. KGK tarafından protein bozunmasının sistematik analizi için bir model organizma olarak mayanın başarısı, esas olarak UPS'in tüm ökaryotlarda4 yüksek oranda korunmuş olması ve deneysel bir sistem olarak uygunluklarından kaynaklanmaktadır. Gerçekten de, maya bazlı sistemler, ubikitilasyon mekanizmasının etki mekanizmalarını deşifre etmek için yaygın olarak kullanılır.
Biyokimyasal yollarla protein yıkımını incelemek genellikle hücre ekstraktlarının hazırlanmasını gerektirir. Hayvan hücresi proteinleri, protein etkileşimlerini ve işlevini koruyan nispeten hafif koşullar altında ekstrakte edilebilirken, maya11'de sağlam bir hücre duvarının varlığı, protein geri kazanımını etkileyebilecek önemli ölçüde daha sert bozulma koşulları gerektirir. Gerçekten de, maya hücresinin bozulması için farklı prosedürler, nispi hücresel bolluklarını doğru bir şekilde temsil eden miktarlarda bozulmamış proteinleri geri kazanma kapasitelerinde önemli ölçüde farklılık gösterir. Spesifik proteinlerin bozunma oranlarını belirlemek için kullanılan farklı yöntemlerde daha fazla yanlışlık vardır: Spesifik proteinleri12 izole etmek için metabolik etiketlemeye dayalı 'nabız kovalama' deneyleri ve ardından immünopresipitasyon genellikle kesin olarak nicel değildir. Bu nedenle, protein bozunması bu yöntemle karşılaştırıldığında, sonuçların yorumlanmasında ekstra dikkatli olunmalıdır. Bu dezavantajı aşmak için alternatif bir sikloheksimid (CHX) kovalama testi kullanılabilir12. Bu tahlilde, translasyon inhibitörü hücre kültürlerine eklenir ve daha sonra protein kararlı durum seviyelerindeki zamansal değişiklikler izlenir. Bununla birlikte, CHX'in kullanımı, protein sentezinin uzun süreli inhibisyonu sitotoksik olduğundan, nispeten kısa yarılanma ömrüne (< 90 dakika) sahip proteinlerle sınırlıdır. Özellikle, yukarıda belirtilen tahlillerin her ikisi de, her zaman mevcut olmayan proteine özgü antikorların kullanılmasını gerektirir.
Bu teknik sınırlamaların üstesinden gelmek için, araştırmacılar hücre ekstraksiyonu ve doğrudan protein kullanımı gerektirmeyen çeşitli yaklaşımlar geliştirdiler. Bir yaklaşım, esansiyel metabolik enzimleri kodlayan genlerin silinmesiyle elde edilen oksotrofik maya suşlarının kurulmasına dayanır. Bu tür genler, amino asit biyosentezi için gerekli enzimleri kodlayan HIS3, LEU2, LYS2 ve TRP1'in yanı sıra, pirimidin ribonükleotid biyosentezinin temel bir enzimi olan OMP dekarboksilazı (Ura3) kodlayan URA3'ü içerir. Ura3, protein bozunma çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tahlillerde, Ura3'ün yapısal ekspresyonu, urasil eksikliği olan ortamda13 ura3 hücrelerinin büyümesini kurtarır. Sonuç olarak, bir degronun füzyonu yoluyla Ura3'ün dengesizleştirilmesi, urasil içermeyen minimal ortamda hücre büyümesini azaltabilir. Bu yöntem, bozunma belirleyicilerinin5, E3 ligazlarının14 ve yardımcı ubikitilasyon faktörlerinin15 tanımlanması ve yeni UPS degronların16 keşfi dahil olmak üzere çeşitli protein bozunma çalışmalarında kullanılmıştır. Bu yöntemlerin tümü, tahlil okuması olarak agar plakaları üzerinde hücre büyümesini kullandı. Bununla birlikte, büyüme kriteri (pozitif/negatif büyüme), sağlam ve verimli olsa da, çoğunlukla kalitatiftir ve bir degronun gücünü veya çeşitli yardımcı bozunma faktörlerinin göreceli katkısını değerlendirmek için önemli olan nicel bilgi sağlamaz.
Bu nedenle, URA3-degron füzyon sistemi tarafından protein bozunmasının sistematik ve kantitatif analizini sağlayan maya vektörleri ve tarama yöntemleri geliştirdik ve kullandık. Protokol, Seçici koşullar (GiLS) altında Sıvı kültürde Büyüme kinetiğini ölçen kullanımı kolay bir teste ve standart büyüme eğrilerinin oluşturulmasına dayanmaktadır. Maya büyüme kinetiği üç ana faz ile karakterize edilir - gecikme, üstel (log) ve durağan faz. Ura3-degronun ekspresyon seviyeleri ile belirlenen seçici koşullar altında log fazı sırasında maya replikasyon kinetiğinin hesaplanması, protein bozunmasının tarafsız bir kantitatif ölçümünü sağlar. Bu yöntem, birden fazla suşta ve çeşitli koşullar altında aynı anda birden fazla UPS alt tabakasının bozunma oranlarının ölçülmesi ve karşılaştırılması için uygulanabilir.