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Biologia dello sviluppo

細胞分化中のマイトジェン活性化プロテインキナーゼ経路の光媒介可逆的調節<em>アフリカツメガエル</em>胚発生

Published: June 15, 2017
doi:
10.3791/55823
, , , , , , ,
1Department of Biochemistry,University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Department of Comparative Biosciences,University of Illinois at Urbana-Champaign, 3Neuroscience Program,University of Illinois at Urbana-Champaign, 4Center for Biophysics and Quantitative Biology,University of Illinois at Urbana-Champaign

Summary

このプロトコルは、細胞分化およびアフリカツメガエル胚発生の間にマイトジェン活性化タンパク質キナーゼ（MAPK）活性を調節するための光発生戦略を記載する。この方法は、哺乳動物細胞培養物およびアフリカツメガエル胚のような多細胞生きている生物において、高い空間的および時間的分解能を有するMAPKシグナル伝達経路の可逆的活性化を可能にする。

Abstract

キナーゼ活性は、細胞増殖、分化、移動、およびアポトーシスを含む多数の細胞機能にとって重要である。初期胚発生の間、キナーゼ活性は非常に動的であり、胚全体に広がっている。薬理学的アプローチおよび遺伝的アプローチは、キナーゼ活性をプローブするために一般的に使用される。残念なことに、これらの戦略を使用して優れた空間的および時間的解像度を達成することは困難です。さらに、生細胞および多細胞生物において可逆的様式でキナーゼ活性を制御することは実現可能ではない。そのような制限は、発達および分化の間のキナーゼ活性の定量的理解を達成するためのボトルネックのままである。この研究は、光活性化可能タンパク質シロイヌナズナクリプトクローム2（CRY2）およびクリプトクローム相互作用塩基性ヘリックスループヘリックス（CIBN）のN末端ドメインを含むバイシストロン系を利用する光発生戦略を提示する。リバーシマイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）シグナル伝達経路の活性化は、生細胞における光媒介タンパク質転位を介して達成される。このアプローチは、哺乳類の細胞培養物および生きている脊椎動物の胚に適用することができる。このバイシストロン系は、類似の活性化機構を有する他のキナーゼの活性を制御するために一般化され、他のモデル系にも適用することができる。

Introduction

増殖因子は、増殖、分化、遊走、およびアポトーシスを含む広範囲の細胞機能に関与し、胚発生、老化および精神状態の調節1,2,3,4,5などの多くの生物学的事象において中心的な役割を果たす。 5 。多くの増殖因子は、複雑な細胞内シグナル伝達カスケードを介してシグナル伝達する。これらのシグナル伝達事象は、しばしば可逆的なタンパク質リン酸化によって正確に制御された様式で操作される6,7。従って、タンパク質リン酸化を担うプロテインキナーゼのシグナル伝達結果の理解は基本的に重要である。

異なる成長因子は、それらがdistを刺激するにもかかわらず、むしろ一般的な細胞内シグナル伝達ネットワークを介して作用するinct細胞応答8,9 。レセプターチロシンキナーゼの一般的な細胞内メディエーターには、Ras、Raf、細胞外シグナル調節キナーゼ（ERK）、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）/ ERKキナーゼ（MEK）、ホスホイノシチド3-キナーゼ（PI3K）、AktおよびホスホリパーゼCガンマ（PLCγ） 10,11 。シグナリングの多様性および特異性は、シグナル伝達活性の空間的および時間的調節に依存することが示唆されている12 。例えば、ラット褐色細胞腫細胞（PC12）において、細胞増殖をもたらす表皮成長因子（EGF）刺激は、ERK経路を一時的に活性化する9 。一方、細胞分化につながる神経成長因子（NGF）による刺激は、ERK経路を持続的に活性化させる9,13。培養rにおいて海馬ニューロンでは、脳由来神経栄養因子（BDNF）による一過性シグナル伝達が原発性神経突起伸長を促進するが、持続シグナル伝達は神経突起分岐の増加14につながる。初期胚発生の間、リン酸化されたERK活性は時間的に動的であり、胚6に広がっている。初期のアフリカツメガエル胚発生中の最近の遺伝子スクリーニングでは、下流の原発性増殖因子経路の2つのERKおよびAktシグナル伝達カスケードがステージ特異的活性化プロファイルを示すことが示された7 。したがって、キナーゼシグナル伝達結果の理解は、十分な分解能でキナーゼ活性の空間的および時間的特徴を調べることができるツールを必要とする。

開発中のシグナル伝達の動的性質を調べるための従来の実験的アプローチは、望ましい空間的および時間的解像度を欠く。例えば、薬理学的アプローチは、細胞または組織中のシグナル伝達を刺激または抑制するための生体分子または生体分子である。これらの小分子の拡散性は、その作用を特定の関心領域15に制限することを困難にする。遺伝的アプローチ（ 例えば、遺伝子導入、Cre-Loxシステム、または突然変異誘発）は、しばしば標的遺伝子発現またはタンパク質活性の不可逆的な活性化または抑制を導く16,17,18。 Tet-On / Tet-Offシステム19は、遺伝子転写の改善された時間的制御を提供するが、テトラサイクリンの拡散に依存するため、厳密な空間制御を欠いている。化学的に誘導されたタンパク質二量体化20または光未結合化21,22,23,24の最近の進展は、シグナリングネットワークの時間的制御を可能にする。しかしながら、空間制御は、ケージド化学物質の拡散性のために依然として困難である。

タンパク質 – タンパク質相互作用を制御するために光のパワーを利用する最近の出現するオプトジェネティックアプローチは、高い時空間精度および可逆性を有するシグナル伝達経路の調節を可能にする。ニューロンの発火を制御する初期の成功の直後に、遺伝子の転写、翻訳、細胞遊走、分化、およびアポトーシスなどの他の細胞プロセスを制御するためにオプトジェネティクスが拡張されている28,29,30,31,32,33 、 34 。 pを使った戦略（CRY2）タンパク質とクリプトクローム相互作用塩基性ヘリックスループヘリックス（CIBN）のN末端ドメインは、最近、哺乳動物細胞およびアフリカツメガエル胚のRaf1キナーゼ活性を制御するために開発された35 。 CRY2は、青色光刺激によりCIBNに結合し、CRY2 / CIBNタンパク質複合体は暗所で自発的に解離する。青色光は、CRY2補因子、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）を励起し、これはCRY2の構造変化およびその後のCIBNへの結合をもたらす。 CRY2 W374A突然変異体は光とは無関係にCIBNに結合するが、CRY2 D387A突然変異体は青色下でCIBNに結合しないが、CRY2の構成的に活性な（W374A）突然変異体およびフラビン欠損（D387A）突然変異体は、軽い刺激36,37 。私が記述した光発生系このプロトコールは、野生型CRY2およびCIBNを用いて、生存細胞におけるタンパク質転位置媒介性Raf1活性化を誘導する。 Raf1の膜動員がその活性を増強することが知られている38 。このシステムでは、タンデムCIBNモジュールが原形質膜に固定され、CRY2-mCherryがRaf1 35の N末端に融合される。青色光が存在しない場合、CRY2-mCherry-Raf1は細胞質にとどまり、Raf1は不活性である。青色光刺激は、CRY2-CIBN結合を誘導し、Raf1が活性化される原形質膜にRaf1を動員する。 Raf活性化は、Raf / MEK / ERKシグナル伝達カスケードを刺激する。 CRY2-およびCIBN-融合タンパク質の両方は、バイシストロン性の遺伝子系においてコードされる。この戦略は、Aktのような他のキナーゼを制御するために一般化することができ、その活性化状態は細胞39内のタンパク質転座によってもターンオンすることができる。この研究は、哺乳動物細胞培養におけるこの光発生戦略を実施するための詳細なプロトコールを提示するresおよび多細胞生物である。

Protocol

動物研究は、イリノイ州研究所動物衛生管理委員会（IACUC）およびイリノイ大学動物資源学部（DAR）が定めたガイドラインに従って行われた。 1. BHK21哺乳動物細胞培養におけるタンパク質局在の光発生誘発注：ステップ1.1-1.3は、典型的には短い作動距離を有する高倍率対物レンズ（ 例えば、 63Xまたは100X）で画像化するために細胞培養チャンバ…

Representative Results

光活性化可能なタンパク質対のレシオメトリックな発現： 図1Aは、ブタ・テスコビルム（teschovirum）由来の二重特異性光学原性構築物であるCRY2-mCherry-Raf1-P2A-CIBN-CIBN-GFP-CaaX（CRY2-2A-2CIBNと呼ばれる） 1 2A（P2A）ペプチドであり、哺乳動物細胞株42の中で最も高いリボソームスキッピング効率を示す。以前の研究では、CIBN-GFP-CaaX：CRY2…

Discussion

ライトボックスを構築するときは、個々のLEDのパワーを測定する必要があります。以前の経験に基づいて、出力のばらつきは、製造ばらつきのために個々のLEDによって異なることがあります。お互いの電力出力が10％以内のLEDセットを選択します。 LEDの数、電流制限抵抗、および電源入力は、異なるタイプの細胞培養容器（ 例えば、 6ウェルまたは24ウェルプレート）に対して変更す?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校（UIUC）および国立衛生研究所（NIGMS R01GM111816）の支援を受けました。

Materials

Glass coverslip  VWR 48393 230 Substrate for live cell imaging
Coverslip holder  Newcomer Supply 6817B Holder for coverslips
Detergent  ThermoFisher 16 000 104 For cleaning coverslips
Boric acid  Sigma-Aldrich B6768-500G For making PLL buffer
Disodium tetraborate Sigma-Aldrich 71996-250G For making  PLL buffer
Plastic beaker Nalgene 1201-1000 For cleaning coverslips
Sodium hydroxide  Sigma-Aldrich 221465-2.5KG For adjust pH
Poly-L-lysine hydrobromide Sigma-Aldrich P1274-500MG For coating coverslip
Diethylpyrocarbonate (DEPC)-Treated Water ThermoFisher Scientific 750024 For DNA preparation
Cover Glass Forceps Ted Pella 5645 Cover glass handling
Tissue cutlure dish Thermofisher 12565321 Cell culture dish
Sterile centrifuge tubes ThermoFisher 12-565-271 Buffer storage
Transfection Reagent ThermoFisher R0534 Transfection
CO2-independent medium ThermoFisher 18045088 For live cell imaging
Polydimethylsiloxane (PDMS) Ellsworth Adhesives 184 SIL ELAST KIT 0.5KG Form make cell chamber
Plasmid Maxiprep kit Qiagen 12965 Plasmid preparation
DMEM medium ThermoFisher 11965-084 Cell culturing medium component
F12K medium ThermoFisher 21127022 Cell culturing medium component
Horse serum ThermoFisher 16050122 Cell culturing medium component
Fetal Bovine Serum Signa-Aldrich 12303C-500 mL Cell culturing medium component
Penicillin-Streptomycin-Glutamine ThermoFisher 10378016 Cell culturing medium component
Trypsin (0.25%), phenol red ThermoFisher Scientific 15050065  For mammalian cell dissociation
Agarose Fisher Scientific BP1356-100 For DNA preparation
Ficoll PM400 GE Heathcare Life Sciences 17-5442-02 For embryo buffer
L-Cysteine hydrochloride monohydrate Sigma-Aldrich 1.02839.0025 Oocyte preparation
ApaI ThermoFisher FD1414 For linearization of plasmids
Dnase I ThermoFisher AM2222 For removing DNA template in the in vitro transcription assay
Index-match materials (immersion oil) Thorlabs MOIL-20LN For matching the index between sample substrate and objective
Blue LED Adafruit 301 Light source for optogenetic stimulation
Resistor kit Amazon EPC-103 current-limiting resistor
Aluminum boxes BUD Industries AC-401 light box 
BreadBoard Jekewin 837654333686 For making LED array
Hook up Wire Electronix Express 27WK22SLD25 For making LED array
Relay Module Jbtek SRD-05VDC-SL-C For intermittent light control
DC Power Supply  TMS DCPowerSupply-LW-(PS-305D) Power supply for LED
Silicon Power Head Thorlabs S121C For light intensity measurement
Power meter Thorlabs PM100D  For light intensity measurement
Microscope Leica Biosystems DMI8 For live cell imaging
BioSafety Cabinet ThermoFisher 1300 Series A2 For mammalian cell handling
CO2 incubator ThermoFisher Isotemp For mammalian cell culturing
Stereo microscope Leica M60 For embryo micro-manipulation
Microinjector Narishige IM300 For embryo microinjection
Micropipette puller Sutter Instruments P87 Needle puller
in vitro transcription kit ThermoFisher AM1340 For in vitro transcription. The kit includes nuclease-free water, SP6 RNA  Polymerase, ribonucleotide mixture, cap analog, lithium choride precipitation solution, and spin column  
RNA purfication kit Qiagen 74104 Silica-membrane spin column for purification of synthesized RNA 
Convection oven MTI corporation  EQ-DHG-9015 PDMS curing
Centrifugal mixer and teflon container THINKY AR310 For mixing PDMS
Silicon wafer UniversityWafer 452 Base for making PDMS  devices
Blade Techni Edge 01-801 For cutting PDMS
Capillary glass Sutter Instruments BF100-58-10 For fabrication of injecting needles. 
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Riferimenti

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Light-mediatedReversible ModulationMitogen-activated Protein Kinase PathwayCell DifferentiationXenopus Embryonic DevelopmentOptogenetic InductionCIBN-CRY2 InteractionFluorescence ImagingPHK21 CellsCRY2-mCherry-Raf1 Plasmid
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Krishnamurthy, V. V., Turgeon, A. J., Khamo, J. S., Mondal, P., Sharum, S. R., Mei, W., Yang, J., Zhang, K. Light-mediated Reversible Modulation of the Mitogen-activated Protein Kinase Pathway during Cell Differentiation and Xenopus Embryonic Development. J. Vis. Exp. (124), e55823, doi:10.3791/55823 (2017).
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