Préparation et<em> In Vivo</em> L'utilisation d'une sonde basée sur les activités pour<em> N</em> -acylethanolamine Amidase Acid
Summary
Ici, nous décrivons la préparation et l' utilisation d'une sonde basée sur les activités (ARN14686, undéc-10-ynyl- N – [(3S) -2-oxoazétidin-3-yl] carbamate) , qui permet la détection et la quantification de la forme active de l'enzyme proinflammatoire N amidase d'acide -acylethanolamine (PNEDA), à la fois in vitro et ex vivo.
Abstract
Le profilage de protéines à base d'activité (ABPP) est une méthode pour l'identification d'une enzyme d'intérêt dans un protéome complexe par l'utilisation d'une sonde chimique qui cible les sites actifs de l'enzyme. Un marqueur rapporteur introduit dans la sonde permet la détection de l'enzyme marquée par un balayage en gel par fluorescence, de la protéine par transfert, la microscopie de fluorescence, ou par spectrométrie de masse Chromatographie en phase liquide. Ici, nous décrivons la préparation et l' utilisation du ARN14686 composé, une sonde à base d'activité click chemistry (CC-ABP) qui reconnaît sélectivement la N amidase d'acide -acylethanolamine enzymatique (PNEDA). NAAA est une hydrolase cystéine qui favorise l'inflammation en désactivant endogène récepteur peroxysomes proliferator-activated (PPAR) agonistes de -Alpha tels que palmitoyléthanolamide (PEA) et oléoyléthanolamide (OEA). NAAA est synthétisée sous la forme d'une proenzyme inactive pleine longueur, qui est activé par autoprotéolyse dans le pH acide du lysosome. études de localisation have montré que NAAA est principalement exprimé dans les macrophages et d'autres cellules dérivées de monocytes, ainsi que dans les lymphocytes B. Nous fournissons des exemples de la façon dont ARN14686 peut être utilisée pour détecter et quantifier NAAA actif ex vivo dans les tissus de rongeurs par transfert de la protéine et la microscopie de fluorescence.
Introduction
Communément utilisé des méthodes pour étudier les profils d'expression, les interactions et les fonctions des protéines, y compris liquides plates – formes de spectrométrie de chromatographie de masse pour l' analyse de fusil de chasse 1,2, la levure méthodes deux hybrides 3,4, et des essais in vitro, sont limités en ce qu'ils sont incapable d'évaluer l'activité des protéines dans leur état natif. par activité protéine profilage (ABPP) peut être utilisé pour combler cette lacune. Dans cette approche, des petites molécules sondes capables de se lier de manière covalente au site actif d'une enzyme d'intérêt sont conjugués à un groupe reporter qui permet la détection de la cible. Utilisation de chimie clic (CC), le journaliste peut être intégré dans la sonde ou peut être introduit après l' engagement de la cible est survenue 5,6. Cette dernière procédure nécessite l'utilisation de sondes contenant des groupes chimiques appropriés, tel qu'un alcyne ou azoture terminal, qui peut être modifié avec un certain nombre de réactifs de rapporteur par des réactions bio-orthogonale SUCh comme le Cu (I) catalysées Huisgen [3 + 2] ou une cycloaddition 7-9 Staudinger ligation 10,11.
Récemment, nous avons dévoilé le ARN14686 composé comme le premier ABP pour la in vitro et in vivo de détection de l'hydrolase de cystéine, NAAA 12. NAAA catalyse la désactivation hydrolytique d'acides gras saturés et mono – insaturés, y compris FAE oléoyléthanolamide (BAE) et palmitoyléthanolamide (PEA), qui sont des agonistes endogènes du récepteur nucléaire PPAR-alpha anti-inflammatoire 13-15. NAAA est principalement exprimé dans les macrophages et d' autres cellules dérivées de monocytes, ainsi que dans les lymphocytes B 14,16, ce qui suggère un rôle dans la régulation de la réponse immunitaire innée. L'enzyme est synthétisée dans le réticulum endoplasmique rugueux sous une forme inactive et est activé dans les compartiments acides de la cellule par un mécanisme autoprotéolytique 17. Le clivage autoprotéolytique génère une nouvelle cystéine -terminale N (C131 chez la souris et le rat, chez l' homme C126), qui est le nucléophile chargé de l' hydrolyse EAF 18,19. L' inhibition pharmacologique de l' activité NAAA modifie l'équilibre de synthèse / dégradation EAF en faveur des niveaux cellulaires accrus du FAES 16,20,21. Plusieurs dérivés de β-lactone et de β-lactame a été démontré que pour inhiber l' activité NAAA avec une puissance élevée et une sélectivité 16,22-26. Ces inhibiteurs agissent par S acylation de la cystéine catalytique 16,27,28.
ARN14686 le composé a été conçu sur la base de la structure chimique de l'inhibiteur à action systémique, de la sérine dérivé β-lactame NAAA, ARN726 (4-cyclohexylbutyl- N – [(S) -2-oxoazétidin-3-yl] carbamate) 16. Le groupe 4-butyl-cyclohexyle de ARN726 a été remplacé par une chaîne aliphatique C9 saturé portant une étiquette alcyne terminal pour CC ultérieure conjugaison avec un journaliste de tag azoture de palier. Nous avons choisi de concevoir un ABP en deux étapes pour Minimally modifier la structure de l'échafaudage d'origine, conservant ainsi l'affinité de la sonde pour NAAA. De plus, en évitant l'introduction d'étiquettes volumineux, une telle sonde pourrait être plus approprié pour le traitement in vivo d'une ABP directe. ARN14686 inhibe NAAA avec une puissance élevée (hNAAA CI50 = 6 nM, rNAAA IC50 = 13 nM) en formant un adduit covalent avec la cysteine catalytique de l'enzyme 12. Des expériences sur des rats vivants ont montré que la sonde est sélective dans la capture NAAA exprimé dans les poumons. Céramidase acide, une autre cystéine amidase qui partage une identité de 33-34% avec NAAA, a également été identifiée comme étant une cible de faible affinité pour l'utilisation de concentrations élevées de sonde (10 uM in vitro, 10 mg / ml par voie intraveineuse, iv) 12. Nous avons également utilisé ARN14686 pour étudier la présence de NAAA actif dans les tissus de rats enflammées après l' administration de l'adjuvant complet de Freund (CFA) 29.
Ici, nous décrivons un protocole pour les preparatisur des ARN14686 (Figure 1) et son application à l'enquête de NAAA activation ex vivo. A titre d'exemple, nous décrivons une procédure expérimentale pour visualiser NAAA dans les pattes de rat après administration CFA. Dans cette expérience, les protéines sont extraites à partir du tissu de la patte après l'injection intraveineuse de la sonde, et le protéome PBA marqué est soumis à CC avec de la biotine-azide. échantillons biotinylés sont enrichis en utilisant des billes de streptavidine, et empreintes de protéines sont effectuées. Dans une autre application, on décrit la localisation de NAAA actif par microscopie de fluorescence dans les poumons de souris provenant de souris traitées à la sonde. Dans ce cas, le tissu est sectionné et sections sont soumis à CC pour l'addition de rhodamine. Un système de workflow est illustré à la figure 2.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'activité enzymatique est finement réglée à différents niveaux, y compris la transcription d'ARN, la synthèse protéique, la translocation des protéines, modification post-traductionnelle, et une interaction protéine-protéine. Souvent, l'expression de l'enzyme seule ne tient pas compte de son activité. ABPP a été développé pour étudier l'activité des protéines dans leur état natif. Deux éléments sont nécessaires: une sonde chimique qui se lie de manière covalente au site actif …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the Nikon Imaging Center at Istituto Italiano di Tecnologia, Genova, Italy (NIC@IIT).
Materials
| 1,1’-sulfonyldiimidazole | Sigma Aldrich | 367818 | Harmful |
| 2-dipyridylcarbonate | Fluorochem | 11331 | Harmful |
| 2-Methylbutan | Sigma Aldrich | M32631 | Flamable, toxic,hazardous to the aquatic environment |
| 4-(Dimethylamino)pyridine | Sigma Aldrich | 107700 | Toxic |
| Acetic acid | Sigma Aldrich | 695092 | Flammable, Corrosive |
| Acetonitrile | Sigma Aldrich | 34998 | Flammable, Toxic |
| Activated charcoal | Sigma Aldrich | 161551 | |
| Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | Harmful |
| Azide-PEG3-Biotin | Jena Biosciences | CLK-AZ104P4 | |
| Azide-PEG3-Fluor 545 | Jena Biosciences | CLK-AZ109 | |
| BCA protein assay kit | Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
| Bio-spin columns | Biorad | 732-6204 | |
| Biotin | Sigma Aldrich | B4501 | |
| Blocking buffer | Li-Cor Biosciences | 927-40000 | |
| b-mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M6250 | Higly toxic |
| Bovin serum albumine (BSA) | Sigma Aldrich | A7030 | |
| Bromophenol blue | Sigma Aldrich | B0126 | |
| Bruker Avance III 400 | Bruker | ||
| Celite | Sigma Aldrich | 419931 | Health hazard |
| Ceric ammonium nitrate | Sigma Aldrich | 22249 | Oxidizing, Harmful |
| Chloral hydrate | Sigma Aldrich | C8383 | Higly toxic |
| CuSO4.5H2O | Sigma Aldrich | 209198 | Toxic |
| Cyclohexadiene | Sigma Aldrich | 125415 | Flammable, Health hazard |
| Cyclohexane | Sigma Aldrich | 34855 | Flammable, Harmful, Health hazard, Environmental hazard |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 34856 | Harmful, Health hazard |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 296082 | Flammable, Harmful |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Acros Organics | 348441000 | |
| Dimethyl sulfoxide d6 (DMSO-d6) | Sigma Aldrich | 175943 | |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 2860 | Flammable, Harmful |
| Ethyl acetate | Sigma Aldrich | 34858 | Flammable, Harmful |
| Glycerol | Sigma Aldrich | G5516 | |
| Irdye 680-LT Streptavidin | Li-Cor Biosciences | 925-68031 | |
| IRDye680-LT Streptavidin | Licor | 925-68031 | Briefly centrifuge before use to precipitate protein complexes |
| Methanol | Sigma Aldrich | 34966 | Highly toxic |
| Methanol | Sigma Aldrich | 34860 | Flammable, Toxic, Health hazard |
| N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride | Sigma Aldrich | E7750 | Harmful, Corrosive |
| N,N-diisopropylethylamine | Sigma Aldrich | D125806 | Flammable, Corrosive, Toxic |
| N,N-dimethylformamide | Sigma Aldrich | 227056 | Flammable, Harmful, Health hazard |
| N-Cbz-L-Serine | Fluorochem | M03053 | Harmful |
| Nikon A1 confocal microscopy | Nikon | Read the user manual | |
| NuPAGE 4-12% Bis-Tris gel | Thermo Fisher Scientific | NP0335BOX | |
| Palladium on carbon | Sigma Aldrich | 330108 | |
| p-anisidine | Sigma Aldrich | A88255 | Toxic, Health hazard, Environmental hazard |
| Paraformaldehyde | sigma Aldrich | 441244 | Toxic, respiratory harmful, corrosive, falmable |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma Aldrich | P3265 | |
| ProLong Gold antifade mountant with DAPI | Thermo Fisher Scientific | P36931 | Avoid bubbles formation |
| Protease inhibitor cocktail | Sigma Aldrich | P8340 | |
| Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S6014 | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Sigma Aldrich | L3771 | Toxic, corrosive, falmmable |
| Sodium hydride | Sigma Aldrich | 452912 | Flammable |
| Sodium sulfate | Sigma Aldrich | 239313 | |
| Starion FLA-9000 immage scanner | FUJIFILM | Read the user manual | |
| Streptavidin agarose | Thermo Fisher Scientific | 20349 | |
| Sucrose | Sigma Aldrich | S7903 | |
| Tert-butanol | Sigma Aldrich | 360538 | Toxic, flammable |
| Tetrahydrofuran | Sigma Aldrich | 186562 | Flammable, Harmful, Health hazard |
| Thiourea | Acros Organics | 424542500 | Toxic, warm at 50 °C to dissolve |
| Tris | Sigma Aldrich | RDD008 | |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) | Sigma Aldrich | C4706 | |
| Tris[(1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl]amine (TBTA) | Sigma Aldrich | 678937 | |
| Triton-x100 | Sigma Aldrich | X100 | Toxic |
| Tween-20 | Sigma Aldrich | P9416 | |
| Tween-80 | Sigma Aldrich | P1754 | |
| Ultra turrax IKA T18 basic tissue homogenizer | IKA | ||
| Undec-10-yn-1-ol | Fluorochem | 13739 | Harmful |
| Urea | Sigma Aldrich | U5378 | Toxic, warm at 50 °C to dissolve |
Riferimenti
- Gygi, S. P., Han, D. K., Gingras, A. C., Sonenberg, N., Aebersold, R. Protein analysis by mass spectrometry and sequence database searching: tools for cancer research in the post-genomic era. Electrophoresis. 20, 310-319 (1999).
- Washburn, M. P., Wolters, D., Yates, J. R. Large-scale analysis of the yeast proteome by multidimensional protein identification technology. Nat Biotechnol. 19, 242-247 (2001).
- Zhu, H., Bilgin, M., Snyder, M. Proteomics. Annu Rev Biochem. 72, 783-812 (2003).
- Ito, T., et al. Roles for the two-hybrid system in exploration of the yeast protein interactome. Mol Cell Proteomics. 1, 561-566 (2002).
- Evans, M. J., Cravatt, B. F. Mechanism-based profiling of enzyme families. Chem Rev. 106, 3279-3301 (2006).
- Cravatt, B. F., Wright, A. T., Kozarich, J. W. Activity-based protein profiling: from enzyme chemistry to proteomic chemistry. Annu Rev Biochem. 77, 383-414 (2008).
- Rostovtsev, V. V., Green, L. G., Fokin, V. V., Sharpless, K. B. A stepwise huisgen cycloaddition process: copper(I)-catalyzed regioselective “ligation” of azides and terminal alkynes. Angew Chem Int Ed Engl. 41, 2596-2599 (2002).
- Meldal, M., Tornoe, C. W. Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition. Chem Rev. 108, 2952-3015 (2008).
- Speers, A. E., Adam, G. C., Cravatt, B. F. Activity-based protein profiling in vivo using a copper(i)-catalyzed azide-alkyne [3 + 2] cycloaddition. J Am Chem Soc. 125, 4686-4687 (2003).
- Saxon, E., Bertozzi, C. R. Cell surface engineering by a modified Staudinger reaction. Science. 287, 2007-2010 (2000).
- Kohn, M., Breinbauer, R. The Staudinger ligation-a gift to chemical biology. Angew Chem Int Ed Engl. 43, 3106-3116 (2004).
- Romeo, E., et al. Activity-Based Probe for N-Acylethanolamine Acid Amidase. ACS Chem Biol. 10, 2057-2064 (2015).
- Ueda, N., Yamanaka, K., Yamamoto, S. Purification and characterization of an acid amidase selective for N-palmitoylethanolamine, a putative endogenous anti-inflammatory substance. J Biol Chem. 276, 35552-35557 (2001).
- Tsuboi, K., et al. Molecular characterization of N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase, a novel member of the choloylglycine hydrolase family with structural and functional similarity to acid ceramidase. J Biol Chem. 280, 11082-11092 (2005).
- Tsuboi, K., Takezaki, N., Ueda, N. The N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase (NAAA). Chem Biodivers. 4, 1914-1925 (2007).
- Ribeiro, A., et al. A Potent Systemically Active N-Acylethanolamine Acid Amidase Inhibitor that Suppresses Inflammation and Human Macrophage Activation. ACS Chem Biol. 10, 1838-1846 (2015).
- Zhao, L. Y., Tsuboi, K., Okamoto, Y., Nagahata, S., Ueda, N. Proteolytic activation and glycosylation of N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase, a lysosomal enzyme involved in the endocannabinoid metabolism. Biochim Biophys Acta. 1771, 1397-1405 (2007).
- Wang, J., et al. Amino acid residues crucial in pH regulation and proteolytic activation of N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase. Biochim Biophys Acta. 1781, 710-717 (2008).
- West, J. M., Zvonok, N., Whitten, K. M., Wood, J. T., Makriyannis, A. Mass spectrometric characterization of human N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase. J Proteome Res. 11, 972-981 (2012).
- Bandiera, T., Ponzano, S., Piomelli, D. Advances in the discovery of N-acylethanolamine acid amidase inhibitors. Pharmacol Res. 86, 11-17 (2014).
- Sasso, O., et al. Antinociceptive effects of the N-acylethanolamine acid amidase inhibitor ARN077 in rodent pain models. Pain. 154, 350-360 (2013).
- Duranti, A., et al. N-(2-oxo-3-oxetanyl)carbamic acid esters as N-acylethanolamine acid amidase inhibitors: synthesis and structure-activity and structure-property relationships. J Med Chem. 55, 4824-4836 (2012).
- Ponzano, S., et al. Synthesis and structure-activity relationship (SAR) of 2-methyl-4-oxo-3-oxetanylcarbamic acid esters, a class of potent N-acylethanolamine acid amidase (NAAA) inhibitors. J Med Chem. 56, 6917-6934 (2013).
- Solorzano, C., et al. Synthesis and structure-activity relationships of N-(2-oxo-3-oxetanyl)amides as N-acylethanolamine-hydrolyzing acid amidase inhibitors. J Med Chem. 53, 5770-5781 (2010).
- Vitale, R., et al. Synthesis, structure-activity, and structure-stability relationships of 2-substituted-N-(4-oxo-3-oxetanyl) N-acylethanolamine acid amidase (NAAA) inhibitors. ChemMedChem 9. 9, 323-336 (2014).
- Fiasella, A., et al. 3-Aminoazetidin-2-one derivatives as N-acylethanolamine acid amidase (NAAA) inhibitors suitable for systemic administration. ChemMedChem 9. 9, 1602-1614 (2014).
- Armirotti, A., et al. beta-Lactones Inhibit N-acylethanolamine Acid Amidase by S-Acylation of the Catalytic N-Terminal Cysteine. ACS Med Chem Lett. 3, 422-426 (2012).
- Nuzzi, A., et al. Potent alpha-amino-beta-lactam carbamic acid ester as NAAA inhibitors. Synthesis and structure-activity relationship (SAR) studies. Eur J Med Chem. 111, 138-159 (2016).
- Bonezzi, F. T., et al. An Important Role for N-Acylethanolamine Acid Amidase in the Complete Freund’s Adjuvant Rat Model of Arthritis. J Pharmacol Exp Ther. 356, 656-663 (2016).
- Smith, P. K., et al. Measurement of protein using bicinchoninic acid. Anal Biochem. 150, 76-85 (1985).
- Speers, A. E., Cravatt, B. F. Activity-Based Protein Profiling (ABPP) and Click Chemistry (CC)-ABPP by MudPIT Mass Spectrometry. Curr Protoc Chem Biol. 1, 29-41 (2009).
- Rybak, J. N., Scheurer, S. B., Neri, D., Elia, G. Purification of biotinylated proteins on streptavidin resin: a protocol for quantitative elution. Proteomics. 4, 2296-2299 (2004).
- Penna, A., Cahalan, M. Western Blotting using the Invitrogen NuPage Novex Bis Tris minigels. J Vis Exp. (264), (2007).
- Giuffrida, A., Piomelli, D. Isotope dilution GC/MS determination of anandamide and other fatty acylethanolamides in rat blood plasma. FEBS Lett. 422, 373-376 (1998).
- Buczynski, M. W., Parsons, L. H. Quantification of brain endocannabinoid levels: methods, interpretations and pitfalls. Br J Pharmacol. 160, 423-442 (2010).
