Количественная оценка коэнзима А в клетках и тканях
Summary
Этот метод описывает подготовку образца из культивированных клеток и тканей животных, экстракции и произвлечения коэнзима А в образцах, а затем жидкой хроматографии высокого давления для очистки и количественной оценки производного коэнзима А абсорбции или обнаружения флуоресценции.
Abstract
Новые исследования показали, что клеточный коэнзим A (CoA) питания может стать ограниченным с пагубным воздействием на рост, обмен веществ и выживание. Измерение клеточного КоАп является сложной задачей из-за его относительно низкого изобилия и динамического преобразования свободного КоАП в КоАП, которые, в свою очередь, участвуют в многочисленных метаболических реакциях. Описан метод, который проходит через потенциальные ловушки во время подготовки образца, чтобы дать анализ с широким линейным диапазоном обнаружения, который подходит для использования во многих биомедицинских лабораториях.
Introduction
Коэнзим А (CoA) является незаменимым кофактором во всех живых организмах и синтезируется из пантотеновой кислоты, также называемой пантотенатом (соль пантотеновой кислоты) или витамина В5. КоА является основным внутриклеточным носителем органических кислот, включая короткоцепочечные кислоты, такие как ацетат и суччатый, ветвяные кислоты, такие как пропионат и метилмалонат, длинноцепочечные жирные кислоты, такие как пальмитат и олеат, очень длинноцепочечные жирные кислоты, такие как полиненасыщенные жирные кислоты и ксенобиотики, такие как вальпроевая кислота. Органическая кислота образует тиоэстер связи ферментативно с КоАп, чтобы его использование в качестве субстрата в более чем 100 реакций в промежуточныхметаболизм1. CoA thioesters также аллостерические регуляторы и транскрипционные активаторы. В настоящее времяоценили 2, что сотовый общий объем поставок КоАП регулируется3,4; таким образом, доступность КоАп может быть ограничена, и что недостатки КоАП могут быть катастрофическими, о чем служат наследственные генетические расстройства, которые влияют на биосинтез CoA5. Пантотенат киназы катализирует первый шаг в биосинтезе CoA (Рисунок 1) и Pantothenate Киназы Ассоциированные нейродегенерации, называется PKAN, вызвано мутациями в гене PANK2 6. CoA synthase, кодируется геном COASYN, катализирует последние два шага в биосинтезе CoA(Рисунок 1)и COASY Protein-Associated Neurodegeneration, называемой CoPAN, вызвана мутацией в гене COASYN 7. Оба PKAN и CoPAN являются наследственные нейродегенеративные заболевания, связанные с накоплением железа в головном мозге и Недостатки КоАП недостаточно патологии болезни.
Клеточные уровни общего КоА варьируются между тканями8 и общего КоА может увеличиваться или уменьшаться при различных физиологических, патологических и фармакологических состояний. Печень Коа увеличивается во время переключения топлива из корма в постное состояние9, и печени CoA уровни аномально высока в лептин-дефицитных тучных мышей10. Печень КоА уменьшается в ответ на хроническое проглатывание этанола11. Мозг CoA уровни в модели Pank2 нокаут мыши депрессии в течение перинатального периода, но позже на взрослой стадии мозга содержание мозга CoA эквивалентно диким типа уровней, что свидетельствует о адаптивной реакции КоАп во время развития12. Манипуляция содержанием коэнзии с помощью трансгенеза или методов доставки генов влияет на метаболические и нервные функции13,14,15. Доклиническое развитие потенциальных методов лечения PKAN или CoPAN включает измерения КоАп клеток или тканей в качестве показателей эффективности16,17,18,19,20 . Оценка всех этих состояний и их метаболических или функциональных последствий требует количественного метода измерения общего КоАп.
Точный, надежный анализ для измерения КоАп в биологических образцах является технической проблемой во многих лабораториях. К сожалению, Есть нет зондов, доступных для оценки или количественно CoA или CoA thioesters в нетронутых клеток, хотя аналоги природных CoA тиесты были широко использованы в качестве механистических зондов в исследованиях CoA эфира с использованием ферментов21. Преобразование КоАп, с помощью свободного сульфидрила (-SH) муэти, в коап thioester (или наоборот) является быстрым в клетках или тканях животных во время передачи в другую среду и во время лизиса клеток. Многочисленные синтезаторы acyl-CoA и ацил-КоА тиостасесы в клетках посредничают интерконверсии в пуле КоАП, а также дополнительные ферменты, которые используют коап тиестеры в качестве субстратов, остаются активными в биологических образцах до утопленного химическими или физическими Означает. Разгрузка ацил-групп от КоАп до карнитина ацил-трансферазами является одним из примеров в рамках сети реакций, которые могут изменить распределение тиоэстера CoA/CoA. Радиоактивные трассы могут быть использованы для измерения темпов синтеза КоАП в клетках. Текущие методы измерения производных КоАп и КоА в биологических образцах были рассмотрены22 и включают в себя соединенные энзиматические спектромеметрические анализы, жидкой хроматографии высокого давления и процедуры, основанные на масс-спектрометрии. Тем не менее, эти методы часто сосредоточены на конкретных молекулярных видов КоАП и слепы к изменению общего пула КоАП. Соединенные ферментативные анализы обычно требуют большего количества входного материала из-за низкой чувствительности обнаружения и имеют ограниченный диапазон линейности.
Наша лаборатория разработала надежную процедуру количественной оценки общего объема КоАП в культивированных клетках и тканях животных. Стратегия включает в себя гидролиз всех КоАП тиоэстеров, чтобы дать только бесплатно CoA во время подготовки образцов, а не прилагать усилия для поддержания и анализа всего спектра видов КоАП. Процедура представляет собой компиляцию отдельных опубликованных методов подготовки образцов, деиватации КоА, очистки и идентификации после жидкой хроматографии высокого давления (HPLC), а также количественной оценки производного КоА путем абсорбции или флуоресценция23,24,25. Определения КоАП, полученные с помощью этой процедуры, позволили нам понять регулирование КоАП и разработку терапевтического подхода к лечению недостатков КоАП.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы демонстрируем надежную, пошаговую процедуру количественной оценки общего КоАП в клетках и тканях животных с широким спектром линейного обнаружения, который доступен во многих лабораториях, которые имеют HPLC с либо абсорбцией или флуоресценции выходного детектора. Кроме того, …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают финансирование спонсируемых исследований, предоставляемых CoA Therapeutics, Inc., дочерней компанией BridgeBio LLC, Грантом Национальных институтов здравоохранения GM34496 и американскими ливанскими сирийскими благотворительными организациями.
Materials
| 2-(2-pyridyl)-ethyl silica gel SPE column | Millipore-Sigma | 54127-U | |
| coenzyme A | Avanti Polar Lipids | 870700 | |
| Gemini C18 3 μm 100 Å HPLC column | Phenomenex | 00F-4439-E0 | |
| monobromobimane | ThermoFisher Scientific | M-1378 | |
| Omni-Tip probe tissue disrupter | Omni International | 32750H | |
| Parafilm | Fisher | S37440 | |
| PowerGen 125 motorized rotor stator homogenizer | ThermoFisher Scientific | NC0530997 | |
| Spin-X centrifuge tube filter | CoStar | 8161 | |
| Trizma-HCl | Fisher | T395-1 | |
| Waters 2475 fluorescence detector | Waters | 2475 | |
| Waters 2489 UV-Vis detector | Waters | 2489 | |
| Waters e2695 separations module | Waters | e2695 |
Riferimenti
- Abiko, Y., Greenburg, D. M. . Metabolic Pathways. 7, 1-25 (1975).
- Leonardi, R., Zhang, Y. -. M., Rock, C. O., Jackowski, S. Coenzyme A: Back in action. Progress in Lipid Research. 44, 125-153 (2005).
- Jackowski, S., Rock, C. O. Regulation of coenzyme A biosynthesis. Journal of Bacteriology. 148, 926-932 (1981).
- Robishaw, J. D., Berkich, D. A., Neely, J. R. Rate-limiting step and control of coenzyme A synthesis in cardiac muscle. Journal of Biological Chemistry. 257, 10967-10972 (1982).
- Di Meo, I., Carecchio, M., Tiranti, V. Inborn errors of coenzyme A metabolism and neurodegeneration. Journal of Inherited Metabolic Disease. 42, 49-56 (2019).
- Zhou, B., et al. A novel pantothenate kinase gene (PANK2) is defective in Hallervorden-Spatz syndrome. Nature Genetics. 28, 345-349 (2001).
- Dusi, S., et al. Exome sequence reveals mutations in CoA synthase as a cause of neurodegeneration with brain iron accumulation. American Journal of Human Genetics. 94, 11-22 (2014).
- Dansie, L. E., et al. Physiological roles of the pantothenate kinases. Biochemical Society Transactions. 42, 1033-1036 (2014).
- Leonardi, R., Rehg, J. E., Rock, C. O., Jackowski, S. Pantothenate kinase 1 is required to support the metabolic transition from the fed to the fasted state. PLoS ONE. 5, 11107 (2015).
- Leonardi, R., Rock, C. O., Jackowski, S. Pank1 deletion in leptin-deficient mice reduces hyperglycaemia and hyperinsulinaemia and modifies global metabolism without affecting insulin resistance. Diabetologia. 57, 1466-1475 (2014).
- Israel, B. C., Smith, C. M. Effects of acute and chronic ethanol ingestion on pantothenate and CoA status of rats. The Journal of Nutrition. 117, 443-451 (1987).
- Garcia, M., Leonardi, R., Zhang, Y. M., Rehg, J. E., Jackowski, S. Germline deletion of pantothenate kinases 1 and 2 reveals the key roles for CoA in postnatal metabolism. PLoS One. 7, 40871 (2012).
- Corbin, D. R., et al. Excess coenzyme A reduces skeletal muscle performance and strength in mice overexpressing human PANK2. Molecular Genetics and Metabolism. 120, 350-362 (2017).
- Shumar, S. A., Kerr, E. W., Fagone, P., Infante, A. M., Leonardi, R. Overexpression of Nudt7 decreases bile acid levels and peroxisomal fatty acid oxidation in the liver. Journal of Lipid Research. 60, 1005-1019 (2019).
- Shumar, S. A., et al. Induction of neuron-specific degradation of Coenzyme A models pantothenate kinase-associated neurodegeneration by reducing motor coordination in mice. PLoS ONE. 10, 0130013 (2015).
- Zano, S. P., Pate, C., Frank, M., Rock, C. O., Jackowski, S. Correction of a genetic deficiency in pantothenate kinase 1 using phosphopantothenate replacement therapy. Molecular Genetics and Metabolism. 16, 281-288 (2015).
- Sharma, L. K., et al. A therapeutic approach to pantothenate kinase associated neurodegeneration. Nature Communications. 9, 4399 (2018).
- Alvarez-Cordoba, M., et al. Pantothenate Rescues Iron Accumulation in Pantothenate Kinase-Associated Neurodegeneration Depending on the Type of Mutation. Molecular Neurobiology. 56, 3638-3656 (2019).
- Arber, C., et al. iPSC-derived neuronal models of PANK2-associated neurodegeneration reveal mitochondrial dysfunction contributing to early disease. PLoS One. 12, 0184104 (2017).
- Di Meo, I., et al. Acetyl-4′-phosphopantetheine is stable in serum and prevents phenotypes induced by pantothenate kinase deficiency. Scientific Reports. 7, 11260 (2017).
- Nishikawa, T., Edelstein, D., Brownlee, M. The missing link: a single unifying mechanism for diabetic complications. Kidney International Supplements. 77, 26-30 (2000).
- Tsuchiya, Y., Pham, U., Gout, I. Methods for measuring CoA and CoA derivatives in biological samples. Biochemical Society Transactions. 42, 1107-1111 (2014).
- Demoz, A., Netteland, B., Svardal, A., Mansoor, M. A., Berge, R. K. Separation and Detection of Tissue Coash and Long-Chain Acyl-Coa by Reversed-Phase High-Performance Liquid-Chromatography after Precolumn Derivatization with Monobromobimane. Journal of Chromatography. 635, 251-256 (1993).
- Shimada, K., Mitamura, K. Derivatization of Thiol-Containing Compounds. Journal of Chromatography B. 659, 227-241 (1994).
- Minkler, P. E., Kerner, J., Ingalls, S. T., Hoppel, C. L. Novel isolation procedure for short-, medium-, and long-chain acyl-coenzyme A esters from tissue. Analytical Biochemistry. 376, 275-276 (2008).
- Newton, G. L., Fahey, R. C. Determination of biothiols by bromobimane labeling and high-performance liquid chromatography. Methods in Enzymology. 251, 148-166 (1995).
- Radkowsky, A. E., Kosower, E. M. Bimanes .17. (Haloalkyl)-1,5-Diazabicyclo[3.3.0]Octadienediones (Halo-9,10-Dioxabimanes) – Reactivity toward the Tripeptide Thiol, Glutathione. Journal of the American Chemical Society. 108, 4527-4531 (1986).
- Zhang, Y. M., et al. Chemical knockout of pantothenate kinase reveals the metabolic and genetic program responsible for hepatic coenzyme A homeostasis. Chemistry & Biology. 14, 291-302 (2007).
- Tokutake, Y., Onizawa, N., Katoh, H. Toyoda A,Chohnan S. Coenzyme A and its thioester pools in fasted and fed rat tissues. Biochemical and Biophysical Research Communications. 402, 158-162 (2010).
- Shibata, K., Nakai, T., Fukuwatari, T. Simultaneous high-performance liquid chromatography determination of coenzyme A, dephospho-coenzyme A, and acetyl-coenzyme A in normal and pantothenic acid-deficient rats. Analytical Biochemistry. 430, 151-155 (2012).
- Chohnan, S., Takamura, Y. A simple micromethod for measurement of CoASH and its use in measuring the intracellular levles of CoASH and short chain acyl-CoAs in Escherichia coli K12 cells. Agricultural and Biological Chemistry. 55, 87-94 (1991).
