Isolement humain de neutrophile de sang périphérique pour interroger la voie de kinase LRRK2 associée de Parkinson en évaluant la phosphorylation de Rab10
Summary
Les mutations dans le gène riche de leucine de répétition de kinase 2 (LRRK2) causent la maladie héréditaire de Parkinson. Nous avons développé une méthode facile et robuste pour évaluer la phosphorylation LRRK2-contrôlée de Rab10 dans les neutrophiles périphériques humains de sang. Ceci peut aider à identifier des individus avec l’activité accrue de voie de kinase de LRRK2.
Abstract
La kinase répétée riche en leucine 2 (LRRK2) est le gène le plus souvent muté dans la maladie héréditaire de Parkinson (PD) et toutes les mutations pathogènes de LRRK2 ont comme conséquence l’hyperactivation de sa fonction de kinase. Ici, nous décrivons un essai facile et robuste pour quantifier l’activité de voie de kinase de LRRK2 dans les neutrophiles périphériques humains de sang en mesurant la phosphorylation LRRK2-contrôlée de l’un de ses substrats physiologiques, Rab10 à la thréonine 73. L’analyse de l’immunoblotting décrite nécessite un anticorps entièrement sélectif et phosphospécifique qui reconnaît le phosphore épitopique Rab10 Thr73 par LRRK2, comme l’anticorps monocnel MJFF-pRab10 lapin. Il utilise des neutrophiles sanguins périphériques humains, parce que le sang périphérique est facilement accessible et les neutrophiles sont un constituant abondant et homogène. Fait important, les neutrophiles expriment des niveaux relativement élevés de LRRK2 et Rab10. Un inconvénient potentiel des neutrophiles est leur activité intrinsèque élevée de protéase de sérine, qui nécessite l’utilisation des inhibiteurs très puissants de protéase tels que la neurotoxine d’organophosphorus diisopropylfluorophosphate (DIFP) dans le cadre du tampon de lyse. Néanmoins, les neutrophiles sont une ressource précieuse pour la recherche sur l’activité de la voie kinase LRRK2 in vivo et devraient être considérés pour l’inclusion dans les collections de biorepository.
Introduction
Les tentatives visant à ralentir ou à stopper la maladie de Parkinson (MP) ont jusqu’à présent échoué. La découverte de mutations hyperactivantes dans la kinase répétitive riche en leucine 2 (LRRK2) qui causent et/ou augmentent le risque de a conduit au développement des inhibiteurs de la kinase LRRK21,2,3. Ceux-ci sont maintenant entrés dans les essais cliniques4. La fonction exacte de LRRK2 n’est pas claire, mais un progrès majeur a été l’identification d’un sous-ensemble de protéines Rab GTPase, y compris Rab10, comme les premiers substrats physiologiques de bonne foi de la kinase LRRK25,6,7. Les principaux défis à l’ère des thérapies modificateurs de la maladie sont les marqueurs biochimiques de l’état d’activation de kinase LRRK2 et l’engagement cible des inhibiteurs de la kinase LRRK2.
Jusqu’à présent, le principal marqueur pharmacocinétique pour les inhibiteurs LRRK2 in vivo a été un groupe de résidus de sérines constitutivement phosphorylated de LRRK2, en particulier la sérine 935, qui deviennent déphosphorylated en réponse à divers inhibiteurs LRRK28,9. Cependant, la phosphorylation de la sérine 935 ne est pas corrélée avec l’activité intrinsèque de kinase cellulaire LRRK2 parce qu’elle n’est pas directement phosphorée par LRRK2 et est encore phosphorylée dans LRRK210,inactive à la kinase. LRRK2 activité kinase se corrèle bien avec l’autophosphorylation de la sérine 1292, mais il n’est en termes pratiques pas une lecture appropriée pour l’activité endogène LRRK2 kinase par l’analyse immunoblot des extraits de cellules entières en raison de l’absence actuelle d’anticorps fiables et phosphospecific pour ce site10,11.
Nous avons développé un essai robuste et facile pour quantifier l’activité de la voie de la kinase LRRK2 dans les cellules sanguines périphériques humaines qui mesure la phosphorylation LRRK2 de sa protéine cible physiologique Rab10 à la thréonine 7311. Le sang périphérique est facilement accessible par venesection, qui est un faible risque et une procédure rapide qui provoque un inconfort minimal. Nous nous concentrons sur les neutrophiles sanguins périphériques humains parce qu’ils constituent une population abondante (37-80% de tous les globules blancs) et les cellules homogènes qui exprime des niveaux relativement élevés de LRRK2 et Rab1011. En outre, les neutrophiles sanguins périphériques peuvent être isolés rapidement et efficacement en employant une approche négative immunomagnétique. Pour s’assurer que la phosphorylation Rab10 observée ultérieure est médiée par LRRK2, chaque lot de neutrophiles est incubé avec ou sans un inhibiteur puissant et sélectif de la kinase LRRK2 (nous utilisons et recommandons MLi-2)2,12. Ceci est ensuite suivi par la lyse cellulaire dans un tampon contenant l’inhibiteur de la protéase diisopropyl fluorophosphate (DIFP), qui est nécessaire pour supprimer l’activité intrinsèque de protéase de sérine qui est connue pour être élevée dans les neutrophiles13. Pour l’analyse finale par immunoblotting quantitatif, nous recommandons d’utiliser l’anticorps monoclonal de lapin MJFF-pRab10 qui détecte spécifiquement le Rab10 Thr73-phosphoepitope et ne réagit pas contre-réagit avec d’autres protéines Rab phosphorylated14. La sélectivité et la spécificité de cet anticorps ont été validées dans des modèles de surexpression de différentes protéines Rab et une ligne cellulaire A549 Rab10 knock-out14. Ainsi, nous mesurons la différence dans la phosphorylation Rab10 dans les lysates neutrophiles qui ont été traités avec et sans un inhibiteur puissant et sélectif de la kinase LRRK22. Alternativement, les échantillons pourraient également être analysés par d’autres méthodes, telles que la spectrométrie quantitative de masse.
En conclusion, la phosphorylation Rab10 contrôlée par LRRK2 est un marqueur supérieur de l’activité de kinase LRRK2 à la phosphorylation LRRK2 à la serine 935 et les neutrophiles du sang périphérique humain sont une ressource précieuse pour la recherche de dans LRRK2. Notre protocole fournit un essai robuste et facile pour interroger l’activité de voie LRRK2 dans les neutrophiles périphériques de sang et permet la stratification biochimique des individus avec l’activité accrue de kinase de LRRK215. Fait important, ces personnes peuvent bénéficier du futur traitement inhibiteur de la kinase LRRK2.
Protocol
Representative Results
Discussion
Des preuves cliniques, génétiques et biochimiques convaincantes indiquent un rôle important pour LRRK2 et en particulier sa fonction de kinase dans la maladie de Parkinson7. LRRK2 inhibiteurs de kinase ont été développés et entrent essais cliniques2,4,12. En tant que tel, il est nécessaire d’exploiter LRRK2 comme biomarqueur pour l’engagement cible ainsi que la stratification des patients. Not…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions les bénévoles en bonne santé qui ont gentiment donné du sang pour la présente étude. Nous remercions la Michael J. Fox Foundation for Parkinson’s Research (MJFF) et le leadership de l’étude Fox BioNet (FBN) pour leur soutien et leur contribution au protocole écrit et à la vidéo. Nous remercions le professeur Alexander Zimprich de l’Université de Vienne en Autriche d’avoir testé notre protocole et notre collaboration. Nous apprécions la contribution de Paul Davies au projet (directeur général de la MRC PPU). Nous reconnaissons également l’excellent soutien technique de l’Unité de phosphore et d’ubiquitylation des protéines de la MRC (PPU), à savoir la synthèse chimique (Natalia Shpiro pour la synthèse MLi-2), les équipes de purification des anticorps du PPU Hilary McLauchlan et James Hastie). Nous remercions Mhairi Towler et Fraser Murdoch de Vivomotion pour leur aide à faire les vidéos et les animations. Nous remercions Steve Soave de 81 films pour l’aide avec les montages finaux. Esther Sammler est soutenue par une bourse universitaire clinique senior écossaise et a reçu un financement de Parkinson’s UK (K-1706).
Materials
| 1 mL Pipette tips | Sarstedt | 70.762 | or equivalent |
| 1.5 mL Micro tubes | Sarstedt | 72.690.001 | or equivalent |
| 10 mL Pipette tips | Sarstedt | 86.1254.025 | or equivalent |
| 10 μL Pipette tips | Sarstedt | 70.113 | or equivalent |
| 15 mL falcon tube | Cellstar | 188 271 | or equivalent |
| 200 μL Pipette tips | Sarstedt | 70.760.002 | or equivalent |
| 25 mL Pipette tips | Sarstedt | 86.1685.001 | or equivalent |
| 50 mL falcon tube | Cellstar | 227 261 | or equivalent |
| BD Vacutainer Hemogard Closure Plastic K2-EDTA Tube | BD | BD 367525 | or equivalent |
| Beckman Coulter Allegra X-15R centrifuge | Beckman | or equivalent centrifuge with swimging bucket rotator for 15 mL and 50 mL falcon tubes at speed 1000-1200 x g | |
| Category 2 biological safety cabinet. | |||
| cOmplete(EDTA-free) protease inhibitor cocktail | Roche | 11836170001 | |
| DIFP (Diisopropylfluorophosphate) | Sigma | D0879 | Prepare 0.5M stock solution in isopropanol using special precautions |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma | 6250 | |
| Dry ice or liquid nitrogene | |||
| Dulbecco's phosphate-buffered saline | ThermoFisher | 14190094 | or equivalent |
| Easy 50 EasySep Magnet | Stemcell | 18002 | for holding 1 x 50ml conical tube |
| EasySep Direct Human Neutrophil Isolation Kit | Stemcell | 19666 | This contains Solutions called “Isolation Cocktail” and “RapidSpheres magnetic beads |
| EGTA | Sigma | E3889 | |
| Eppendorf centrifuge 5417R centrifuge | Eppendorf | ||
| Ethanol, in spray bottle | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma | E6758 | |
| Ice | |||
| Isopropanol (anhydrous grade) | Sigma | 278475 | |
| Lysis buffer (50 mM Tris-HCl pH 7.5, 1%(v/v) Triton X-100, 1 mM EGTA, 1 mM Na3VO4, 50 mM NaF, 10 mM β-glycerophosphate, 5 mM sodium pyrophosphate, 0.27 M sucrose, 0.1% (v/v) β-mercaptoethanol, 1x cOmplete(EDTA-free) protease inhibitor cocktail (Roche), 1 μg/ml Microcystin-LR, 0.5 mM diisopropylfluorophosphate (DIFP). | alternatively frozen lysis buffer in aliquots without Microcystin-LR, DIFP available from MRC-PPU Reagents (http://mrcppureagents.dundee.ac.uk/) | ||
| Merck LRRK2 inhibitor II (MLi-2) | Merck | 438194-10MG | or equivalent (potent and selective LRRK2 inhinitor) |
| Microcystin-LR | Enzo Life Sciences | ALX-350-012-M001 | 1 mg/ml stock in DMSO and store at -80 oC. |
| Na3VO4 | Aldrich | 450243 | |
| NaF | Sigma | S7920 | |
| Odyssey CLx scan Western Blot imaging system | Odyssey | ||
| Permanent marker pen | |||
| Personal protection equipment | |||
| RPMI 1640 Medium | ThermoFisher | 21875034 | or equivalent |
| sodium pyrophosphate | Sigma | S22 | |
| sucrose | Sigma | S0389 | |
| β-glycerophosphate | Sigma | 50020 | |
| β-mercaptoethanol | Sigma | M3148 | |
| Suggested antibodies for Western blotting | |||
| Anti-RAB10 (phospho T73) antibody [MJF-R21] | abcam | ab230261 | |
| Anti-α-tubulin | Cell Signaling Technologies | 5174 | used at 1:2000 dilution |
| Goat anti-mouse IRDye 680LT | LI-COR | 926-68020 | used at 1:10,000 dilution |
| Goat anti-mouse IRDye 800CW | LI-COR | 926-32210 | used at 1:10,000 dilution |
| Goat anti-rabbit IRDye 800CW | LI-COR | 926-32211 | used at 1:10,000 dilution |
| MJFF-total Rab10 mouse antibody | generated by nanoTools (nanotools.de) | not applicable* | used at 2 μg/ml final concentration; * The MJFF-total Rab10 antibody generated by nanoTools (www.nanotools.de) [11] will be commercialised by the Michael J Fox Foundation in 2018 |
| Mouse anti-LRRK2 C-terminus antibody | Antibodies Incorporated | 75-253 | used at 1 μg/ml final concentration |
| pS935-LRRK2 | MRC PPU Reagents and Services | UDD2 | MJFF-total Rab10 mouse antibody |
References
- Paisan-Ruiz, C., et al. Cloning of the gene containing mutations that cause PARK8-linked Parkinson’s disease. Neuron. 44 (4), 595-600 (2004).
- Fell, M. J., et al. MLi-2, a Potent, Selective, and Centrally Active Compound for Exploring the Therapeutic Potential and Safety of LRRK2 Kinase Inhibition. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 355 (3), 397-409 (2015).
- Zimprich, A., et al. Mutations in LRRK2 cause autosomal-dominant parkinsonism with pleomorphic pathology. Neuron. 44 (4), 601-607 (2004).
- Sardi, S. P., Cedarbaum, J. M., Brundin, P. Targeted Therapies for Parkinson’s Disease: From Genetics to the Clinic. Journal of Movement Disorders. 33 (5), 684-696 (2018).
- Steger, M., et al. Phosphoproteomics reveals that Parkinson’s disease kinase LRRK2 regulates a subset of Rab GTPases. Elife. 5, (2016).
- Ito, G., et al. Phos-tag analysis of Rab10 phosphorylation by LRRK2: a powerful assay for assessing kinase function and inhibitors. Biochemical Journal. 473 (17), 2671-2685 (2016).
- Alessi, D. R., SammLer, E. LRRK2 kinase in Parkinson’s disease. Science. 360 (6384), 36-37 (2018).
- Yue, M., et al. Progressive dopaminergic alterations and mitochondrial abnormalities in LRRK2 G2019S knock-in mice. Neurobiology of Disease. 78, 172-195 (2015).
- Doggett, E. A., Zhao, J., Mork, C. N., Hu, D., Nichols, R. J. Phosphorylation of LRRK2 serines 955 and 973 is disrupted by Parkinson’s disease mutations and LRRK2 pharmacological inhibition. Journal of Neurochemistry. 120 (1), 37-45 (2012).
- Sheng, Z., et al. Ser1292 autophosphorylation is an indicator of LRRK2 kinase activity and contributes to the cellular effects of PD mutations. Science Translational Medicine. 4 (164), (2012).
- Fan, Y., et al. Interrogating Parkinson’s disease LRRK2 kinase pathway activity by assessing Rab10 phosphorylation in human neutrophils. Biochemical Journal. 475 (1), 23-44 (2018).
- Scott, J. D., et al. Discovery of a 3-(4-Pyrimidinyl) Indazole (MLi-2), an Orally Available and Selective Leucine-Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) Inhibitor that Reduces Brain Kinase Activity. Journal of Medicinal Chemistry. 60 (7), 2983-2992 (2017).
- Pham, C. T. Neutrophil serine proteases: specific regulators of inflammation. Nature Reviews Immunology. 6 (7), 541-550 (2006).
- Lis, P., et al. Development of phospho-specific Rab protein antibodies to monitor in vivo activity of the LRRK2 Parkinson’s disease kinase. Biochemical Journal. 475 (1), 1-22 (2018).
- Mir, R., et al. The Parkinson’s disease VPS35[D620N] mutation enhances LRRK2-mediated Rab protein phosphorylation in mouse and human. Biochemical Journal. 475 (11), 1861-1883 (2018).
- Rieckmann, J. C., et al. Social network architecture of human immune cells unveiled by quantitative proteomics. Nature Immunology. 18 (5), 583-593 (2017).
- Borregaard, N. Neutrophils, from marrow to microbes. Immunity. 33 (5), 657-670 (2010).
- Bain, B., Dean, A., Broom, G. The estimation of the lymphocyte percentage by the Coulter Counter Model S Plus III. Clinical & Laboratory Haematology. 6 (3), 273-285 (1984).
- Tomazella, G. G., et al. Proteomic analysis of total cellular proteins of human neutrophils. Proteome Science. 7, 32 (2009).
