L'isolamento potenziato Hsp104 Varianti Utilizzando lievito Proteinopathy modelle
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
Lievito proteinopathy modelli sono stati sviluppati per i disordini di proteine misfolding tra cui la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e la malattia (PD) 1-3 di Parkinson. L'espressione delle proteine TDP-43 e FUS, che misfold nei pazienti con SLA, sono tossici e mislocalize a formare aggregati citoplasmatici in lievito 1,2. Analogamente, l'espressione di α-sinucleina (α-syn), che è implicato nel PD, è tossico e mislocalizes formare aggregati citoplasmatici in lievito 3. Queste caratteristiche ricapitolano fenotipi in pazienti con questi disturbi 4,5. Così, i modelli di lievito forniscono una piattaforma utile per lo screening di proteine o piccole molecole che impediscono o invertire questi fenotipi 2,6-13. Ci interessa lo sviluppo di proteine che sono in grado di invertire aggregazione e tossicità dovuta al TDP-43, FUS, e α-syn. Ci concentriamo su Hsp104, un AAA + proteine da lievito che è l'unica in grado di disaggregare proteine sia fraggregati amorfi OM e amiloide nel lievito, eppure non ha l'omologo umano 14,15. Hsp104 è finemente sintonizzato per disaggregare i prioni di lievito endogene e ha solo limitata capacità di disaggregare substrati implicati nelle malattie neurodegenerative umane, che non ha mai incontra ordinariamente 16,17. Così, ci proponiamo di progettare versioni avanzate di Hsp104 in grado di disaggregare efficacemente questi substrati umani. A tale scopo, costruiamo grandi biblioteche di Hsp104 varianti mediante PCR soggetto a errori; queste librerie possono essere sottoposti a screening utilizzando i modelli di lievito proteinopathy 17. Abbiamo adottato un approccio dominio mirato alla costruzione di screening e biblioteche, come Hsp104 è molto grande 17. Inizialmente concentrati sul dominio centrale (MD) di Hsp104 17, anche se gli approcci simili possono essere impiegati per lo screening altri domini. Questi modelli consentono lo screening per l'attività disaggregase direttamente, al contrario di tecniche alternative come la visualizzazione di superficie, che è riposoricted da utilizzare per il monitoraggio vincolante 18.
Il nostro protocollo si basa su due fasi di screening (Figura 1). In primo luogo, vengono selezionati varianti Hsp104 che sopprimono la tossicità del substrato malattia in lievito. Per fare ciò, il Hsp104 varianti e le malattie associate substrato sono cotransformed in lieviti Δ Hsp104. Ci avvaliamo di lievito Hsp104 Δ per esplorare Hsp104 sequenza spazio in assenza di wild-type (WT) Hsp104 17. È importante sottolineare che l'eliminazione di Hsp104 non influisce α-syn, FUS, o TDP-43 della tossicità in lievito, e l'espressione di Hsp104 WT fornisce il minimo soccorso 1,13,17. Il lievito viene poi placcato sulla indurre media per indurre l'espressione di entrambe le proteine. Lievito ospitare varianti Hsp104 che sopprimono la tossicità della crescita substrato conferiscono associata a malattia della colonia. Queste varianti sono state selezionate per ulteriori analisi, mentre le colonie mantenendo le varianti che non sopprimono la tossicità die. Tuttavia,falsi positivi sono un problema sostanziale in questa schermata. Espressione di TDP-43, FUS, e α-syn sono altamente tossici, che crea una forte pressione selettiva per la comparsa di soppressori genetiche spontanee di tossicità correlato alla variante Hsp104 espressi. Così, abbiamo utilizzato uno schermo secondario che è anche relativamente ad alto throughput per eliminare questi soppressori di tossicità non specifici 17. In questa schermata secondaria, lieviti selezionati sono trattati con 5-Fluorootic Acid (5-FOA) per contrastare selezione per il plasmide Hsp104 19. I ceppi sono poi valutati per substrato (TDP-43, FUS o α-syn) tossicità tramite individuazione test per garantire che la tossicità del substrato viene ripristinata dopo la perdita del plasmide Hsp104. Così, lievito in cui tossicità è ripristinato in questa schermata secondaria visualizzata presumibilmente originariamente soppressione tossicità dovuta alla presenza della variante Hsp104. Questi lieviti sono designati come "hit" e il plasmide Hsp104 dovrebbe quindi essererecuperato e sequenziato per identificare le mutazioni nel gene Hsp104 17 (Figura 1). Tutti i colpi devono poi essere riconfermati costruendo la mutazione indipendente utilizzando mutagenesi sito-diretta e poi ripetere il test per la soppressione tossicità. Le potenziali applicazioni di questo protocollo sono ampi. Usando questi metodi, librerie di qualsiasi tipo di proteina potrebbero essere sottoposti a screening per le varianti che sopprimono tossicità di qualsiasi proteina substrato che è tossica in lievito.
Protocol
Representative Results
Discussion
Qui vi presentiamo il nostro approccio per isolare le varianti Hsp104 potenziati che sopprimono la tossicità di substrati associate alla malattia che utilizzano modelli di lievito proteinopathy. Usando questo approccio, grandi librerie di varianti possono essere proiettati in alta velocità, con l'unica limitazione è il numero di varianti che passano schermo secondario 5-FOA. Per eseguire le operazioni descritte in 96 formati bene, abbiamo regolarmente dello schermo fino a 200 colpi alla volta nella fase 5-FOA nel…
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
- Johnson, B. S., McCaffery, J. M., Lindquist, S., Gitler, A. D. A yeast TDP-43 proteinopathy model: Exploring the molecular determinants of TDP-43 aggregation and cellular toxicity. Proc Natl Acad Sci USA. 105 (17), 6439-6444 (2008).
- Sun, Z., et al. Molecular Determinants and Genetic Modifiers of Aggregation and Toxicity for the ALS Disease Protein FUS/TLS. PLoS Biol. 9 (4), (2011).
- Outeiro, T. F., Lindquist, S. Yeast Cells Provide Insight into Alpha-Synuclein Biology and Pathobiology. Science. 302 (5651), 1772-1775 (2003).
- Forman, M. S., Trojanowski, J. Q., Lee, V. M. Neurodegenerative diseases: a decade of discoveries paves the way for therapeutic breakthroughs. Nat Med. 10 (10), 1055-1063 (2004).
- Morimoto, R. I. Stress, aging, and neurodegenerative disease. N Engl J Med. 355 (21), 2254-2255 (2006).
- Elden, A. C., et al. Ataxin-2 intermediate-length polyglutamine expansions are associated with increased risk for ALS. Nature. 466 (7310), 1069-1075 (2010).
- Cooper, A. A., et al. Alpha-synuclein blocks ER-Golgi traffic and Rab1 rescues neuron loss in Parkinson’s models. Science. 313 (5785), 324-328 (2006).
- Gitler, A. D., et al. Alpha-synuclein is part of a diverse and highly conserved interaction network that includes PARK9 and manganese toxicity. Nature genetics. 41 (3), 308-315 (2009).
- Su, L. J., et al. Compounds from an unbiased chemical screen reverse both ER-to-Golgi trafficking defects and mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease models. Disease models & mechanisms. (3-4), 194-208 (2010).
- Tardiff, D. F., et al. Yeast reveal a ‘druggable’ Rsp5/Nedd4 network that ameliorates alpha-synuclein toxicity in neurons. Science. 342 (6161), 979-983 (2013).
- Tardiff, D. F., Tucci, M. L., Caldwell, K. A., Caldwell, G. A., Lindquist, S. Different 8-hydroxyquinolines protect models of TDP-43 protein, alpha-synuclein, and polyglutamine proteotoxicity through distinct mechanisms. The Journal of biological chemistry. 287 (6), 4107-4120 (2012).
- Kim, H. J., et al. Therapeutic modulation of eIF2alpha phosphorylation rescues TDP-43 toxicity in amyotrophic lateral sclerosis disease models. Nature. 46 (2), 152-160 (2014).
- Ju, S., et al. A yeast model of FUS/TLS-dependent cytotoxicity. PLoS Biol. 9 (4), (2011).
- Shorter, J. Hsp104: a weapon to combat diverse neurodegenerative disorders. Neurosignals. 16 (1), 63-74 (2008).
- Vashist, S., Cushman, M., Shorter, J. Applying Hsp104 to protein-misfolding disorders. Biochem Cell Biol. 88 (1), 1-13 (2010).
- DeSantis, M. E., et al. Operational Plasticity Enables Hsp104 to Disaggregate Diverse Amyloid and Nonamyloid Clients. Cell. 151 (4), 778-793 (2012).
- Jackrel, M. E., et al. Potentiated Hsp104 Variants Antagonize Diverse Proteotoxic Misfolding Events. Cell. 156 (1-2), 170-182 (2014).
- Wittrup, K. D., Verdine, G. L., Wittrup, K. D., Verdine, G. L. . Methods in Enzymology. 503, 13-14 (2012).
- Boeke, J. D., Trueheart, J., Natsoulis, G., Fink, G. R. . Methods in Enzymology. 154, 164-175 (1987).
- Miyazaki, K. Creating Random Mutagenesis Libraries by Megaprimer PCR of Whole Plasmid (MEGAWHOP). Directed Evolution Library Creation: Methods in Molecular Biology. eds FrancesH Arnold & George Georgiou. 231, 23-28 (2003).
- Saibil, H. Chaperone machines for protein folding, unfolding and disaggregation. Nat Rev Mol Cell Biol. 14 (10), 630-642 (2013).
- Gietz, R. D., Schiestl, R. H. High-efficiency yeast transformation using the LiAc/SS carrier DNA/PEG method. Nat. Protocols. 2 (1), 31-34 (2007).
- Armakola, M., Hart, M. P., Gitler, A. D. TDP-43 toxicity in yeast. Methods. 53 (3), 238-245 (2011).
- Alberti, S., Gitler, A. D., Lindquist, S. A suite of Gateway® cloning vectors for high-throughput genetic analysis in Saccharomyces cerevisiae. Yeast. 24 (10), 913-919 (2007).
