Charakterisieren Sie krankheitsbedingte Mutanten der Kinases der RAF-Familie durch die Verwendung einer Reihe praktischer und machbarer Methoden
Summary
In diesem Artikel haben wir eine Reihe praktischer und praktikabler Methoden zur Charakterisierung krankheitsbedingter Mutanten von KI-Familienkinasen vorgestellt, die In-vitro-Kinase-Assay, RAF-Koaktivierungstest und komplementärer Split-Luziferase-Assay umfassen.
Abstract
Die schnell beschleunigten Fibrosarkom (RAF) Familie Kiinasen spielen eine zentrale Rolle in der Zellbiologie und ihre Dysfunktion führt zu Krebs und Entwicklungsstörungen. Eine Charakterisierung krankheitsbedingter RAF-Mutanten wird uns helfen, geeignete therapeutische Strategien zur Behandlung dieser Krankheiten auszuwählen. Jüngste Studien haben gezeigt, dass KI-Familienkiinasen sowohl katalytische als auch allosterische Aktivitäten haben, die durch Dimerisierung streng reguliert werden. Hier haben wir eine Reihe praktischer und praktikabler Methoden konstruiert, um die katalytischen und allosterischen Aktivitäten und die relative Dimeraffinität/Stabilität von RAF-Familienkiinasen und ihren Mutanten zu bestimmen. Erstens haben wir den klassischen In-vitro-Kinase-Assay geändert, indem wir die Waschmittelkonzentration in Puffern reduziert enden, ein sanftes Schnellwaschverfahren anwenden und eine Glutathion-S-Transferase-Fusion (GST) verwenden, um zu verhindern, dass sich RAF-Dimer während der reinigung. Dies ermöglicht es uns, die katalytische Aktivität konstitutiv aktiver RAF-Mutanten angemessen zu messen. Zweitens haben wir einen neuartigen RAF-Coaktivierungstest entwickelt, um die allosterische Aktivität von kinase-toten RAF-Mutationen zu bewerten, indem wir N-terminal abgeschnittene RAF-Proteine verwenden, die Anforderung von aktiven Ras in aktuellen Protokollen eliminieren und dadurch eine höhere sensibilität. Schließlich haben wir einen einzigartigen komplementären Split-Luziferase-Assay erstellt, um die relative Dimeraffinität/Stabilität verschiedener RAF-Mutationen quantitativ zu messen, was zuverlässiger und empfindlicher ist als der traditionelle Co-Immunoprecipitation-Assay. Zusammenfassend haben diese Methoden folgende Vorteile: (1) benutzerfreundlich; (2) in der Lage sind, ohne fortgeschrittene Ausrüstung effektiv durchzuführen; (3) kosteneffektiv; (4) hochempfindlich und reproduzierbar.
Introduction
Die Kinasen der RAF-Familie sind eine Schlüsselkomponente der RAS/RAF/MEK/ERK-Signalkaskade, die ein Signal von RAS zur Aktivierung der Mitogen-aktivierten Proteinkinase (MEK)1,2,3,4. Diese Familie von Kiinasen spielt eine entscheidende Rolle für Zellwachstum, Überleben und Differenzierung, und ihre Veränderungen induzieren viele Krankheiten, vor allem Krebs5,6,7,8. Kürzlich haben genomische Sequenzierungen viele krankheitsbedingte RAF-Mutationen identifiziert, die unterschiedliche Eigenschaften in der Signalübertragung von RAS/RAF/MEK/ERK-Kaskade9,10,11aufweisen. Eine sorgfältige Charakterisierung von RAF-Mutationen wird uns helfen, die molekularen Mechanismen zu verstehen, wie RAF-Mutanten die Signalleistung von RAS/RAF/MEK/ERK-Kaskade verändern, schließlich geeignete Ansätze zur Behandlung verschiedener RAF-mutierter Krankheiten auswählen.
Die Kiinasen der RAF-Familie umfassen drei Mitglieder, CRAF, BRAF und ARAF, die ähnliche molekulare Strukturen, aber unterschiedliche Fähigkeiten haben, um die nachgeschaltete Signalisierung1,2,3,4zu aktivieren. Unter diesen Paralogen hat BRAF die höchste Aktivität aufgrund seines konstitutiv phosphorylierten NtA- (N–terminal acidic) Motiv12,13,14, während ARAF das niedrigste Tätigkeit, die sich aus dem nicht-kanonischen APE-Motiv15ergibt. Dies kann die unterschiedlichen Mutationshäufigkeiten von RAF-Paralogen bei Krankheiten erklären: BRAF>CRAF>ARAF. Darüber hinaus können Mutationen an verschiedenen Standorten innerhalb desselben RAF-Paralogs auf unterschiedliche Weise nachgeschaltete Signalisierung auslösen, was der Regulierung von KI-Familienkinasen eine weitere Komplexitätsschicht hinzufügt. Jüngste Studien haben gezeigt, dass alle RAF-Kiinasen sowohl katalytische als auch allosterische Aktivitäten haben13,14,16,17,18. Konstitutiv aktive RAF-Mutationen schalten die nachgeschaltete Signalisierung direkt durch Phosphorylating MEK ein, während kinasetote RAF-Mutationen ihre wildtypisierten Gegenstücke durch Seiten-zu-Seite-Dimerisierung transaktivieren und die MEK-ERK-Signalisierung 16 aktivieren können. ,19,20. Die Dimer-Affinität/Stabilität ist ein wichtiger Parameter, der nicht nur die allosterische Aktivität von kinase-toten RAF-Mutanten bestimmt, sondern auch die katalytische Aktivität konstitutiv aktiver RAF-Mutanten15,21, 22. Die kinase-toten RAF-Mutationen mit hoher Dimer-Affinität/Stabilität können die endogenen Wildtyp-RAFs direkt15transaktivieren, während diejenigen mit mittlerer Dimeraffinität/Stabilität eine Koordination von aktiven Ras oder erhöhte Seebene von wildtypen RAF-Molekülen auf Funktion13,15,20,21,23. In ähnlicher Weise phosphorylieren konstitutiv aktive RAF-Mutationen MEK auf dimerabhängige Weise, und diejenigen mit geringer Dimer-Affinität/Stabilität verlieren ihre katalytische Aktivität in vitro nach Immunpräzipation, die die schwachen RAF-Dimerebricht 15, 21,22. Die Dimer-Affinität/Stabilität bestimmt auch die Empfindlichkeit von RAF-Mutanten gegenüber ihren Inhibitoren und korreliert positiv mit der Resistenz von RAF-Hemmern24. Daher ist es notwendig, ihre katalytischen und allosterischen Aktivitäten zu messen, um krankheitsbedingte RAF-Mutationen zu charakterisieren, und die Affinität/Stabilität zu verschleiern.
In den letzten Jahren haben unser Labor und andere verschiedene Methoden entwickelt, um die Kiinasen der RAF-Familie und ihre Mutanten zu charakterisieren. Nach der Erfahrung unseres Labors und der Erfahrung anderer denken wir, dass die folgenden drei Assays Vorteile bei der Definition krankheitsbedingter RAF-Mutanten haben: (1) der In-vitro-Kinase-Assay, der mit Leichtigkeit durchgeführt werden kann, um die katalytische Aktivität konstitutivzu zu erkennen aktive RAF-Mutanten15; (2) der RAF-Koaktivierungstest, der eine zuverlässige und bequeme Methode zur Messung der allosterischen Aktivität von kinase-toten RAF-Mutanten13,15,21,22,23ist, 25; (3) der komplementäre Split-Luziferase-Assay, der im Gegensatz zum herkömmlichen Co-Immuno-Präzipitationstest eine viel höhere Empfindlichkeit bei der Messung der relativen Dimeraffinität/-stabilität von RAF-Mutanten hat und ohne fortgeschrittene Ausrüstung in im Gegensatz zu den quantitativen analytischen Methoden wie SPR (Surface Plasmon Resonance) Analyse15,22. Durch die Kombination dieser drei Assays können wir leicht verstehen, wie ein krankheitsbedingter RAF-Mutant die nachgeschaltete Signalisierung verändert und dabei eine geeignete therapeutische Strategie zur Behandlung der durch diese RAF-Mutation verursachten Krankheit nutzt.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Artikel haben wir drei Methoden zur Charakterisierung krankheitsbedingter RAF-Mutationen vorgestellt, darunter In-vitro-Kinase-Assay, RAF-Koaktivierungs-Assay und komplementärer Split-Luziferase-Assay. Da RAF-Kiinasen sowohl katalytische als auch allosterische Aktivität haben, können verschiedene RAF-Mutationen die nachgeschaltete Signalisierung durch zwei unterschiedliche Mechanismenaktivieren 13,14,16,<…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten das Hairy Cell Leukemia Fellowship für die Unterstützung von Yuan Jimin würdigen. Diese Arbeit wurde unterstützt von Asia Fund Cancer Research (AFCR2017/2019-JH), Duke-NUS Khoo Bridge Funding Award (Duke-NUS-KBrFA/2018/0014), NCCRF Bridging Grant (NCCRF-YR2018-JUL-BG4), NCCRF pilot grant (NCCRF-YR2017-JUL-PG3) und SHF Academic Medicine Forschungsstipendium (AM/TP011/2018).
Materials
| anti-phosphoERK1/2 | Cell Signaling Technologies | 4370 | |
| anti-phosphoMEK1/2 | Cell Signaling Technologies | 9154 | |
| anti-ERK1/2 | AB clonal | A0229 | |
| anti-MEK1/2 | Cell Signaling Technologies | 9124 | |
| anti-FLAG(mouse) | Sigma-Aldrich | F3165 | |
| anti-HA | Novus Biologicals | MAB6875 | |
| anti-FLAG(Rabbit) | Cell Signaling Technologies | 14793 | |
| anti-β-actin | Sigma-Aldrich | A2228 | |
| anti-FLAG beads(M2) | Sigma-Aldrich | A4596 | |
| HRP-conjugated anti-mouse IgG | Jackson Laboratories | 115-035-003 | |
| HRP-conjugated anti-Rabbit IgG | Jackson Laboratories | 111-035-144 | |
| pcDNA3.1(+) | In vitrogen | V79020 | |
| Gibson Assembly Cloning Kit | New England Biolabs | E5510 | |
| T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202 | |
| lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668019 | |
| Fugene 6 | Roche | 11 814 443 001 | |
| DMEM w/o phenol red | Invitrogen | 21063-029 | |
| D-luciferin | GoldBio | LUCK-100 | |
| 6xhis-tagged MEK1 (K97A) | prepared in our previous studies | N.A. | Reference 15. |
| GloMax-Multi Detection System. | Promega | E7041 |
Riferimenti
- Chong, H., Vikis, H. G., Guan, K. L. Mechanisms of regulating the Raf kinase family. Cellular Signalling. 15 (5), 463-469 (2003).
- Wellbrock, C., Karasarides, M., Marais, R. The RAF proteins take center stage. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 5 (11), 875-885 (2004).
- Baccarini, M. Second nature: biological functions of the Raf-1 “kinase”. FEBS Letter. 579 (15), 3271-3277 (2005).
- Lavioe, H., Therrien, M. Regulation of RAF protein kinases in ERK signaling. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (5), 281-298 (2015).
- Schreck, R., Rapp, U. R. Raf kinases: oncogenesis and drug discovery. International Journal of Cancer. 119 (10), 2261-2271 (2006).
- Roberts, P. J., Der, C. J. Targeting the Raf-MEK-ERK mitogen-activated protein kinase cascade for the treatment of cancer. Oncogene. 26 (22), 3291-3310 (2007).
- McCubrey, J. A., et al. Roles of the Raf/MEK/ERK pathway in cell growth, malignant transformation and drug resistance. Biochemistry Biophysics Acta. 1773 (8), 1263-1284 (2007).
- Schubbert, S., Shannon, K., Bollag, G. Hyperactive Ras in developmental disorders and cancer. Nature Reviews Cancer. 7 (4), 295-308 (2007).
- Davies, H., et al. Mutations of the BRAF gene in human cancer. Nature. 417 (6892), 949-954 (2002).
- Garnett, M. J., Marais, R. Guilty as charged: B-RAF is a human oncogene. Cancer Cell. 6 (4), 313-319 (2004).
- Pandit, B., et al. Gain-of-function RAF1 mutations cause Noonan and LEOPARD syndromes with hypertrophic cardiomyopathy. Nature Genetics. 39 (8), 1007-1012 (2007).
- Mason, C. S., Springer, C. J., Cooper, R. G., Superti-Furga, G., Marshall, C. J., Marais, R. Serine and tyrosine phosphorylations cooperate in Raf-1, but not B-Raf activation. EMBO Journal. 18 (8), 2137-2148 (1999).
- Hu, J., et al. Allosteric activation of functionally asymmetric RAF kinase dimers. Cell. 154 (5), 1036-1046 (2013).
- Desideri, E., Cavallo, A. L., Baccarini, M. Alike but different: RAF paralogs and their signaling outputs. Cell. 161 (5), 967-970 (2015).
- Yuan, J., et al. The dimer-dependent catalytic activity of RAF family kinases is revealed through characterizing their oncogenic mutants. Oncogene. 37 (43), 5719-5734 (2018).
- Wan, P. T., et al. Mechanism of activation of the RAF-ERK signaling pathway by oncogenic mutations of B-RAF. Cell. 116 (6), 855-867 (2004).
- Shaw, A. S., Kornev, A. P., Hu, J., Ahuja, L. G., Taylor, S. S. Kinases and pseudokinases: lessons from RAF. Molecular and Cellular Biology. 34 (9), 1538-1546 (2014).
- Taylor, S. S., Shaw, A. S., Hu, J., Meharena, H. S., Kornev, A. P. Pseudokinases from a structural perspective. Biochemistry Society Transactions. 41 (4), 981-986 (2013).
- Rajakulendran, T., Sahmi, M., Lefrançois, M., Sicheri, F., Therrien, M. A dimerization-dependent mechanism drives RAF catalytic activation. Nature. 461 (7263), 542-545 (2009).
- Heidorn, S. J., et al. Kinase-dead BRAF and oncogenic RAS cooperate to drive tumor progression through CRAF. Cell. 140 (2), 209-221 (2010).
- Yuan, J., et al. Activating mutations in MEK1 enhance homodimerization and promote tumorigenesis. Science Signaling. 11 (554), 6795 (2018).
- Yuan, J., et al. The AMPK inhibitor overcomes the paradoxical effect of RAF inhibitors through blocking phospho-Ser-621 in the C terminus of CRAF. Journal of Biological Chemistry. 293 (37), 14276-14284 (2018).
- Hu, J., et al. Kinase regulation by hydrophobic spine assembly in cancer. Molecular and Cellular Biology. 35 (1), 264-276 (2015).
- Poulikakos, P., et al. RAF inhibitor resistance is mediated by dimerization of aberrantly spliced BRAF(V600E). Nature. 480 (7377), 387-390 (2011).
- Hu, J., et al. Mutation that blocks ATP binding creates a pseudokinase stabilizing the scaffolding function of kinase suppressor of Ras, CRAF and BRAF. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (15), 6067-6072 (2011).
- Taylor, S. S., Kornev, A. P. Protein kinases: evolution of dynamic regulatory proteins. Trends Biochemistry Sciences. 36 (2), 65-77 (2011).
- Farrar, M. A., Alberol-Ila, J., Perlmutter, R. M. Activation of the Raf-1 kinase cascade by coumermycin-induced dimerization. Nature. 383 (6596), 178-181 (1996).
- Luo, Z., Tzivion, G., Belshaw, P. J., Vavvas, D., Marshall, M., Avruch, J. Oligomerization activates c-Raf-1 through a Ras-dependent mechanism. Nature. 383 (6596), 181-185 (1996).
- Weber, C. K., Slupsky, J. R., Kalmes, H. A., Rapp, U. R. Active Ras induces heterodimerization of cRaf and BRaf. Ricerca sul cancro. 61 (9), 3595-3598 (2001).
- Garnett, M. J., Rana, S., Paterson, H., Barford, D., Marais, R. Wild-type and mutant B-RAF activate C-RAF through distinct mechanisms involving heterodimerization. Molecular Cell. 20 (6), 963-969 (2005).
- Hatzivassiliou, G., et al. RAF inhibitors prime wild-type RAF to activate the MAPK pathway and enhance growth. Nature. 464 (7287), 431-435 (2010).
- Poulikakos, P. I., Zhang, C., Bollag, G., Shokat, K. M., Rosen, N. RAF inhibitors transactivate RAF dimers and ERK signalling in cells with wild-type BRAF. Nature. 464 (7287), 427-430 (2010).
- Kolch, W. Meaningful relationships: the regulation of the Ras/RAF/MEK/ERK pathway by protein interactions. Biochemistry Journal. 351, 289-305 (2000).
- Cseh, B., Doma, E., Baccarini, M. “RAF” neighborhood: protein-protein interaction in the Raf/Mek/Erk pathway. FEBS Letters. 588 (15), 2398-2406 (2014).
- García-Gómez, R., Bustelo, X. R., Crespo, P. Protein-Protein Interactions: Emerging Oncotargets in the RAS-ERK Pathway. Trends Cancer. 4 (9), 616-633 (2018).
- Luker, K. E., Smith, M. C., Luker, G. D., Gammon, S. T., Piwnica-Worms, H., Piwnica-Worms, D. Kinetics of regulated protein–protein interactions revealed with firefly luciferase complementation imaging in cells and living animals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (33), 12288-12293 (2004).
- Chen, S. H., et al. Oncogenic BRAF deletions that function as homodimers and are sensitive to inhibition by RAF dimer inhibitor LY3009120. Cancer Discovery. 6 (3), 300-315 (2016).
- Foster, S. A., et al. Activation mechanism of oncogenic deletion mutations in BRAF, EGFR, and HER2. Cancer Cell. 29 (4), 477-493 (2016).
