酵母Proteinopathyモデルを用いた増強Hsp104のバリアントを分離
Summary
Yeast proteinopathy models are valuable tools to assess the toxicity and aggregation of proteins implicated in disease. Here, we present methods for screening Hsp104 variant libraries for toxicity suppressors. This protocol could be adapted to screen any protein library for toxicity suppressors of any protein that is toxic in yeast.
Abstract
Many protein-misfolding disorders can be modeled in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Proteins such as TDP-43 and FUS, implicated in amyotrophic lateral sclerosis, and α-synuclein, implicated in Parkinson’s disease, are toxic and form cytoplasmic aggregates in yeast. These features recapitulate protein pathologies observed in patients with these disorders. Thus, yeast are an ideal platform for isolating toxicity suppressors from libraries of protein variants. We are interested in applying protein disaggregases to eliminate misfolded toxic protein conformers. Specifically, we are engineering Hsp104, a hexameric AAA+ protein from yeast that is uniquely capable of solubilizing both disordered aggregates and amyloid and returning the proteins to their native conformations. While Hsp104 is highly conserved in eukaryotes and eubacteria, it has no known metazoan homologue. Hsp104 has only limited ability to eliminate disordered aggregates and amyloid fibers implicated in human disease. Thus, we aim to engineer Hsp104 variants to reverse the protein misfolding implicated in neurodegenerative disorders. We have developed methods to screen large libraries of Hsp104 variants for suppression of proteotoxicity in yeast. As yeast are prone to spontaneous nonspecific suppression of toxicity, a two-step screening process has been developed to eliminate false positives. Using these methods, we have identified a series of potentiated Hsp104 variants that potently suppress the toxicity and aggregation of TDP-43, FUS, and α-synuclein. Here, we describe this optimized protocol, which could be adapted to screen libraries constructed using any protein backbone for suppression of toxicity of any protein that is toxic in yeast.
Introduction
酵母proteinopathyモデルは、筋萎縮性側索硬化症（ALS）およびパーキンソン病（PD）1-3を含む、タンパク質の誤った折りたたみに起因する疾患のために開発されている。 ALS患者において誤って折り畳まタンパク質TDP-43とFUSの発現は、酵母1,2-細胞質凝集体を形成するために有毒でmislocalizeある。同様に、PDに関与するαシヌクレイン（α-synの）の発現は、毒性であり、mislocalizes酵母3の細胞質の凝集体を形成する。これらの機能は、これらの疾患4,5を有する患者での表現型を再現。このように、酵母のモデルは防止又はこれらの表現型2,6-13を逆にタンパク質または小分子をスクリーニングするための有用なプラットフォームを提供します。私たちは、TDP-43、FUS、及びα-synのに凝集と毒性を逆転することができるタンパク質の開発に興味を持っています。我々はHsp104の、両方のFRタンパク質を脱凝集の一意可能な酵母からAAA +タンパク質に焦点を当てる酵母におけるアモルファス凝集体およびアミロイドOM、まだそれはないヒトホモログ14,15を持っていません。 Hsp104のは細かく、内因性酵母プリオンを分解するように調整し、それが通常16,17に遭遇したことがない人間の神経変性疾患に関与する基質を脱凝集する唯一の限られた能力を持っています。従って、我々は効果的にこれらのヒトの基質を分解することができますHsp104のの強化されたバージョンを設計することを目指しています。そうするために、我々はHsp104の大量のライブラリーを構築すると、エラープローンPCRを用いて、変異体;これらのライブラリーは、酵母proteinopathyモデル17を用いてスクリーニングすることができる。 Hsp104のは17非常に大きいように我々は、ライブラリーを構築およびスクリーニングへのドメインを標的とするアプローチを採用しています。同様のアプローチは他のドメインをスクリーニングするために用いることができるが、我々は最初に、Hsp104の17の中央ドメイン（MD）に焦点を当てた。そのような残りの表面ディスプレイなどの代替技術とは対照的に、これらのモデルは、直接disaggregase活性についてスクリーニングイネーブル18を結合監視するために使用するricted。
我々のプロトコルは、2スクリーニング工程（ 図1）に基づいています。まず、酵母における疾患基板の毒性を抑制Hsp104の変異体が選択されている。これを行うには、Hsp104の変異体および疾患関連基板は、ΔHSP104酵母に同時形質転換される。我々は、野生型（WT）Hsp104の17の非存在下ではHsp104のシーケンススペースを探検する、ΔHSP104酵母を採用している。重要なことは、Hsp104のの削除は、酵母中のα-synの、FUS、またはTDP-43の毒性には影響しません、とHsp104のWTの発現は最小限の救助1,13,17を提供しています。酵母は、両方のタンパク質の発現を誘導するためにメディアを誘導する上でメッキされる。コロニーの疾患関連基板トリシン成長の毒性を抑えるHsp104の変異体を保有する酵母。コロニーを毒性型を抑制しない変異体を維持しながら、これらの変異体は、さらなる分析のために選択される。しかし、偽陽性は、この画面の大幅な問題である。 TDP-43、FUS、及びα-synの発現は、発現されているHsp104の変種とは無関係の毒性の自発的な遺伝的抑制の出現のための強力な選択圧を作成する、非常に有毒である。従って、我々はまた、これらの非特異的毒性サプレッサ17を除去するために比較的高いスループットで二次スクリーニングを使用している。この二次スクリーニングでは、選択された酵母をHsp104のプラスミド19ためのセレクト対抗する5-Fluorootic酸（5-FOA）で処理する。株は、基板の毒性はHsp104のプラスミドの喪失後に復元されることを保証するためにアッセイをスポッティングを介して基板（TDP-43、FUS、またはα-SYN）毒性について評価される。したがって、毒性がこの二次スクリーニングで復元された酵母は、おそらく、もともとHsp104の変異体の存在に起因する毒性の抑制を示した。これらの酵母は、「ヒット」として指定され、Hsp104のプラスミドは、その後でなければならない回収しHsp104の遺伝子17（ 図1）における変異を同定するために配列決定。任意のヒットは、その後独立して、突然変異を構築する部位特異的変異誘発を使用して、その後、毒性抑制のため再試験により再確認する必要があります。このプロトコルの潜在的なアプリケーションが広範である。これらの方法を用いて、タンパク質の任意のタイプのライブラリーは、酵母における毒性である任意の基質蛋白質の毒性を抑制する変異体についてスクリーニングすることができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、酵母proteinopathyモデルを用いた疾患関連基質の毒性を抑制増強Hsp104の変異体を単離するための我々のアプローチを提示します。このアプローチを用いて、変異体の大きなライブラリーは、唯一の制限は、5-FOA二次スクリーニングを渡すバリアントの数であると、高スループットでスクリーニングすることができる。 96ウェルフォーマットにこれらのステップを実行することにより、?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Sue Lindquist, Aaron Gitler, and Martin Duennwald for kindly sharing reagents. Our studies were supported by: an American Heart Association Post-Doctoral Fellowship (M.E.J); NIH Director’s New Innovator Award DP2OD002177, NIH grants R21NS067354, R21HD074510, and R01GM099836, a Muscular Dystrophy Association Research Award (MDA277268), Packard Center for ALS Research at Johns Hopkins University, Target ALS, and an Ellison Medical Foundation New Scholar in Aging Award (J.S.).
Materials
| Table of Specific Materials/Equipment | |||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| GeneMorphII EZClone Domain Mutagenesis Kit | Agilent | 200552 | |
| 150mm Petri dishes | Falcon | 351058 | |
| 5-Fluorootic Acid | Research Products International | f10501-5.0 | |
| 96-DeepWell 2mL Plates | Eppendorf | 0030 502.302 | |
| 96 bold replicator tool | V&P Scientific | vp-404 | |
| ExoSAP-IT | Affymetrix | 78200 |
References
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