Ricostituzione funzionale e attività Canale Misure di purificata di tipo selvatico e mutante CFTR proteine
Summary
Descritto qui è una procedura rapida ed efficace per la ricostituzione funzionale di purificato wild-type e proteina CFTR mutata che preserva l'attività per questo canale del cloro, che è difettoso in fibrosi cistica. Efflusso ioduro da proteoliposomi ricostituiti mediati da CFTR permette studi di attività di canale e gli effetti di piccole molecole.
Abstract
La fibrosi cistica regolatore della conduttanza transmembrana (CFTR) è un membro di canali che formano unico della ATP Binding Cassette (ABC) superfamiglia dei trasportatori. L'attività del canale fosforilazione e nucleotide cloruro di dipendenti di CFTR è stato spesso studiato in sistemi cellulari interi e come singoli canali in patch di membrana escisse. Molte mutazioni-fibrosi cistica provocando hanno dimostrato di alterare questa attività. Mentre un piccolo numero di protocolli di purificazione sono stati pubblicati, un metodo ricostituzione veloce che mantiene l'attività del canale e un metodo adatto per studiare l'attività del canale popolazione in un sistema purificato sono stati carenti. Qui metodi rapidi sono descritti per la purificazione e la ricostituzione funzionale della proteina CFTR full-length in proteoliposomi di definita composizione lipidica che mantiene l'attività come canale alogenuro regolamentato. Questo metodo ricostituzione con un nuovo saggio basato flux-dell'attività del canale è un sistema adatto perlo studio delle proprietà del canale popolazione di selvatici tipo CFTR e causano malattie mutanti F508del- e G551D-CFTR. In particolare, il metodo ha utility a studiare gli effetti diretti di fosforilazione, nucleotidi e piccole molecole quali potenziatori e gli inibitori sull'attività del canale CFTR. I metodi sono anche suscettibili di studio di altri canali di membrana / trasportatori per substrati anionici.
Introduction
Trasporto di cloruro attraverso le membrane apicale delle cellule epiteliali in tali tessuti come le ghiandole polmone, intestino, pancreas e sudore è mediata principalmente dalla fibrosi cistica regolatore della conduttanza transmembrana (CFTR), un ATP e membro fosforilazione regolamentato della ABC (ATP Binding Cassette) C sottofamiglia di proteine di membrana (rivisto in 1). Come altri membri della sottofamiglia ABCC, CFTR è un grande, multi-spanning proteina integrale di membrana che lega l'ATP a due siti di legame di nucleotidi formate all'interfaccia dei suoi domini nucleotide binding (NBDS), dove possiede ATPasi modesta in un unico site. Tuttavia, a differenza di altri membri sottofamiglia ABCC, CFTR è evoluto come un canale unico regolamentato Cl, piuttosto che come un soluto transporter attiva.
Le mutazioni in CFTR causa la fibrosi cistica, una malattia che colpisce diversi organi tra cui i polmoni, tratto gastrointestinale, del pancreas e del tratto riproduttivo, portando a Morbidity e mortalità nei giovani adulti. Malattia polmonare solitamente rappresenta mortalità precoce nella fibrosi cistica e nella maggior parte dei casi è causata dalla perdita di funzione di CFTR sulla superficie dell'epitelio delle vie aeree di conduzione. La mancanza di CFTR canale attività cloruro provoca una riduzione sia Cl – e il movimento dell'acqua attraverso l'epitelio superficie per modificare lo strato di liquido sulla superficie apicale dell'epitelio respiratorio ciliato. Ciò si traduce in un liquido viscoso di superficie delle vie aeree che riducono la capacità di cellule epiteliali respiratorie ciliate a patogeni efficacemente sgombrare delle vie aeree. Di conseguenza, la maggior parte dei pazienti con fibrosi cistica soffrono di attacchi ricorrenti di infezione polmonare e danni ai polmoni a causa di infiammazione.
Come previsto, studi del meccanismo di azione della normale proteina CFTR è concentrata principalmente su studi elettrofisiologici modalità della sua attività gating canale. Studi di canale singolo hanno dimostrato direttamente che funziona CFTR come PKA-dipendente Cl– Canale che possiede un ATP cancello regolamentato 2. Dettagliati studi elettrofisiologici forniscono una grande quantità di informazioni sui canali CFTR singoli 1,3, ma ci possono essere preoccupazioni sul fatto che le caratteristiche di un particolare singolo canale che è stato studiato è riflettente di tutta la popolazione di canali CFTR e quindi il singolo canale risultati devono sempre essere considerati insieme con i metodi per studiare la popolazione macroscopico. Analisi diretta del canale attività popolazione di CFTR purificato ha il potenziale per fornire una conoscenza del difetto molecolare associata a mutazioni che causano malattie e per guidare la scoperta di modulatori chimici quali riparazione proteine CFTR mutante. Ad oggi, ci sono in eccesso di 1.900 differenti mutazioni nel CFTR pensato per causare la fibrosi cistica 4. La mutazione importante, F508del-CFTR, che si trova in almeno un allele in circa il 90% dei pazienti in Nord America e in Europa conduce alle proteine misfolding unritenzione nd nel reticolo endoplasmatico 5. F508del-CFTR ha anche altre conseguenze, tra cui l'attività del canale difettoso 6-9. La risultante assenza di CFTR dalla superficie cellulare è associata con la malattia grave. G551D-CFTR, una mutazione meno comune, è pensato per essere adeguatamente ancora piegato è disfunzionale come canale del cloro sulla superficie cellulare 6. Lo sviluppo di piccole molecole correttori e potenziatori ha rispettivamente lo scopo di correggere piegatura e / o traffico di mutanti, come F508del-CFTR alla superficie cellulare, e di potenziamento o aumentando l'attività del canale di mutazioni come G551D quando presenti sulla superficie cellulare, . Mentre i correttori VX-809 e VX-661 (non sono ancora approvati per l'uso nei pazienti, il potenziatore Kalydeco (ivacaftor, VX-770) viene utilizzata a 150 mg ogni 12 h nei pazienti con FC> 6 anni con almeno un G551D mutazione -CFTR, e più recentemente per i pazienti con uno dei G178R, S549N, S549R, G551S, G1244E, S1251N, S1255Pe G1349D. Kalydeco è sicuro e si traduce in un miglioramento delle misure cliniche della malattia CF 10, ma il meccanismo di azione di questo piccola molecola è stato poco compreso al momento della approvazione della FDA per l'uso in pazienti.
Una manciata di metodi di purificazione CFTR sono state descritte in precedenza 2,11-18, molti dei quali richiedono un considerevole periodo di tempo per completare. In una recente pubblicazione 19, un metodo di purificazione e ricostituzione rapida unico è stato descritto per CFTR sovraespresso in S f sistema di espressione 9 cellule, e questa proteina purificata in sistemi lipidici definiti stato usato per sviluppare un alogenuro CFTR determinazione dell'attività canale per una popolazione di CFTR molecole. Il test ricapitola i noti effetti di fosforilazione, nucleotidi e gli inibitori sulla funzione CFTR. Il sistema è stato utilizzato per interrogare gli effetti del potenziatore VX-770 / Kalydeco su WT- (wild-type), e F508del- G551D-CFTR ed è stato mostrato per la primatempo che il farmaco interagisce direttamente con la proteina CFTR potenziano l'attività del canale in maniera indipendente ATP, dimostrando l'utilità e l'applicabilità di questi metodi per lo studio dell'interazione di CFTR e mutanti con nucleotidi e piccole molecole da una prospettiva popolazione rispondere alle domande clinicamente rilevanti circa la proteina. I metodi sono stati utilizzati per studiare altre molecole potenziatore e loro derivati 20, nonché gli effetti di una piccola molecola di correttore sull'attività della proteina 21.
Saggi efflusso sono stati utilizzati in molti studi precedentemente per studiare l'attività di mutanti CFTR e gli effetti dei composti CFTR-modulatori sulla sua attività, compresi saggi cellulari totali utilizzando elettrodi, traccianti radioattivi e fluorofori 22,23, vescicole di membrana con elettrodi iono selettivi 24 , e purificato CFTR ricostituito con traccianti radioattivi 25. Tuttavia the l'uso di elettrodi iono selettivi per studiare purificato CFTR ricostituito è stato segnalato di recente 19. Un adattamento del metodo attuale è stata utilizzata per la ricostituzione e la caratterizzazione funzionale di due proteine di membrana in Pseudomonas aeruginosa, un patogeno CF comune. Ricostituzione di purificato Alge proteina della membrana esterna insieme con misure di efflusso ioduro sono stati usati per sostenere un modello per la secrezione alginato anionici attraverso questo trasportatore 26. Ricostituzione e misurazioni efflusso ioduro stati applicati alla proteina Wzx purificata, che ha permesso un modello da proporre che suggerisce un meccanismo antiport -dipendente H + per lipidi-linked oligosaccaride traslocazione attraverso la membrana interna batterica da questa proteina 27. In entrambi i casi ioduro è stato usato come un surrogato per il substrato anionico, anche se a velocità inferiore a quanto ci si potrebbe aspettare per un substrato nativo. Il metodo può essere adatto per l'adattamento ad altre proteine con cdi trasporto o di conduzione percorsi ationic per substrati anionici.
Qui una procedura di purificazione rapida è descritto per la proteina CFTR e la sua ricostituzione in proteoliposomi di lipidi definito. La procedura di ricostituzione rapida può essere facilmente adattato per l'uso con CFTR purificato con altri metodi, a condizione che il tipo di detersivo utilizzato nella purificazione è facile da eliminare con i metodi qui o può essere sostituito con un detergente adatto prima della procedura di ricostituzione. Il metodo efflusso ioduro di misurazione dell'attività di proteina canale CFTR purificata e ricostituito è descritta in dettaglio e alcuni risultati tipici che possono essere ottenuti da questo metodo sono rappresentati.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ci sono stati un numero limitato di protocolli di purificazione per tutta lunghezza, isolamento CFTR funzionale, da una varietà di sistemi iperespressione cellulari. Il metodo qui descritto è vantaggioso in quanto consente una rapida purificazione di Wt-CFTR o alto arricchimento di F508del- e G551D-CFTR in quantità moderate, che è altamente funzionale in saggi, tra cui ATPasi e misure dirette di funzione del canale, tra cui le misure a canale singolo a doppio strato planare sistemi e le misure dimostrato di funzione…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Materials
| fos-choline 14 detergent | Anatrace Affymetrix (www.anatrace.affymetrix.com) | F312 | Affymetrix: Anatrace Products; CAS# :77733-28-9 |
| cOmplete EDTA-free protease inhibitor cocktail tablets | Roche (www.roche-applied-science.com) | 04 693 132 001 | EDTA-free Protease inhibitor cocktail tablets (1 in 50 ml or mini:1 in 10 mL) (Roche Diagnostics GmbH; Ref: 11873 580 001 |
| cOmplete ULTRA Tablets, Mini, EDTA-free, EASYpack | Roche (www.roche-applied-science.com) | 05 892 791 001 | |
| Ni-NTA Agarose | Qaigen GmbH | 1018240 | |
| Fisherbrand Screening columns | Fisher Healthcare | 11-387-50 | |
| Amicon Ultra Centrifugal filters, Ultracel-100K | Millipore (www.millipore.com) | UFC910008 | |
| cAMP-Dependent Protein Kinase A (PKA), Catalytic Subunit | New England Biolabs (www.neb.com/products/p6000-camp-dependent-protein-kinase-pka-catalytic-subunit) | Peirce PKA is also suitable | |
| PC, Chicken Egg | Avanti Polar Lipids (www.avantilipids.com) | 840051C | |
| POPC | Avanti Polar Lipids (www.avantilipids.com) | 850457C | |
| PS, Porcine Brain | Avanti Polar Lipids (www.avantilipids.com) | 840032C | (CFTR has been successfully reconstituted into Egg PC, POPC, 2:1 (w/w) Egg PC:POPC, or a mixture of PE:PS:PC:ergosterol, 5:2:2:1 (w/w)) |
| PE, Chicken Egg | Avanti Polar Lipids (www.avantilipids.com) | 841118C | |
| Ergosterol | Sigma (www.sigmaaldrich.com) | 45480 | |
| Pierce Detergent removal spin column | Thermo Scientific | 87779 | 1 ml capacity columns |
| valinomycin | Sigma (www.sigmaaldrich.com) | V-0627 | |
| VX-770 (ivacaftor) | Selleck Chemicals | S1144 | |
| iodide selective microelectrode | Lazar Research Laboratories (www.shelfscientific.com/cgi-bin/tame/newlaz/microionn.tam) | LIS-146ICM | |
| Clampex 8.1 software | Axon Instruments (www.axon.com) | we use components of the ClampX system with a home made filter to monitor and record the response to our electrode | |
| Alternate Software: ArrowLabb System | Lazar Research Laboratories (www.shelfscientific.com/cgi-bin/tame/newlaz/ionsystems.tam) | LIS-146LICM-XS | Lazar Research sells a meter that can interface with a computer and software to record the probe response. This software should serve a similar function to our setup |
| small stir bars | Big Science Inc (www.stirbars.com) | SBM-0502-CMB | choose a stir bar small enough to easily fit into a well of a 96-well plate |
| Sephadex G50, fine | GE Health Care (www.gelifesciences.com) | 17-0042-01 | |
| Sonicator | Laboratory Supplies Co, Inc. | G112SP1G | Bath sonicators from other manufacturers should also be suitable |
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