Quantifizierung von Coenzym A in Zellen und Geweben
Summary
Diese Methode beschreibt die Probenvorbereitung aus kultivierten Zellen und tierischen Geweben, die Extraktion und Derivatisierung von Coenzym A in den Proben, gefolgt von einer Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie zur Reinigung und Quantifizierung des derivatisierten Coenzyms A durch Absorptions- oder Fluoreszenzdetektion.
Abstract
Neue Forschungen haben gezeigt, dass die zelluläre Coenzym A (CoA) Versorgung mit nachteiligen Auswirkungen auf Wachstum, Stoffwechsel und Überleben einschränkenkann. Die Messung von zellulärem CoA ist eine Herausforderung aufgrund seiner relativ geringen Häufigkeit und der dynamischen Umwandlung von freiem CoA in CoA-Thioester, die wiederum an zahlreichen Stoffwechselreaktionen teilnehmen. Es wird eine Methode beschrieben, die während der Probenvorbereitung durch mögliche Fallstricke navigiert, um einen Assay mit einem breiten linearen Nachweisbereich zu ergeben, der für den Einsatz in vielen biomedizinischen Laboratorien geeignet ist.
Introduction
Coenzym A (CoA) ist ein wesentlicher Cofaktor in allen lebenden Organismen und wird aus Pantothensäure, auch Pantothenat (das Salz der Pantothensäure) oder Vitamin B5 genannt, synthetisiert. CoA ist der wichtigste intrazelluläre Träger organischer Säuren, einschließlich kurzkettiger Säuren wie Acetat und Succinat, verzweigtkettige Säuren wie Propionat und Methylmalonat, langkettige Fettsäuren wie Palmitat und Oleat, sehr langkettige Fettsäuren wie mehrfach ungesättigten Fettsäuren und Xenobiotika wie Valproinsäure. Die organische Säure bildet eine Thioester-Verbindung enzymatisch mit CoA, um ihre Verwendung als Substrat bei über 100 Reaktionen im Zwischenstoffwechsel zu ermöglichen1. CoA-Thioester sind auch allosterische Regulatoren und Transkriptionsaktivatoren. Es wird nungeschätzt 2, dass die zelluläre Gesamt-CoA-Versorgung reguliert ist3,4; Daher kann die CoA-Verfügbarkeit begrenzt sein, und dass CoA-Mängel katastrophal sein können, wie vererbte genetische Störungen zeigen, die sich auf die CoA-Biosyntheseauswirken 5. Pantothenatkinase katalysiert den ersten Schritt in der CoA-Biosynthese (Abbildung 1) und Pantothenate Kinase Associated Neurodegeneration, genannt PKAN, wird durch Mutationen im PANK2-Gen 6verursacht. CoA-Synthase, kodiert durch das COASYN-Gen, katalysiert die letzten beiden Schritte in der CoA-Biosynthese (Abbildung 1) und COASY Protein-Associated Neurodegeneration, genannt CoPAN, wird durch eine Mutation im COASYN-Gen verursacht 7. Sowohl PKAN als auch CoPAN sind vererbte neurodegenerative Erkrankungen, die mit der Eisenakkumulation im Gehirn verbunden sind, und CoA-Mangel unterbewertet die Krankheitspathologien.
Die Zellulären Konzentrationen der gesamten CoA variieren zwischenGeweben 8 und Gesamt-CoA kann unter einer Vielzahl von physiologischen, pathologischen und pharmakologischen Zuständen erhöhen oder abnehmen. Leber CoA erhöht während kraftstoffumstellung von der Fütterung in den gefasteten Zustand9, und Leber CoA-Spiegel sind ungewöhnlich hoch bei Leptin-mangelhafte fettleibige Mäuse10. Leber CoA nimmt als Reaktion auf chronische Ethanol-Aufnahme11ab. Gehirn CoA-Spiegel im Pank2 Knockout-Maus-Modell sind während der perinatalen Periode depressiv, aber später im Erwachsenenstadium Gehirn CoA-Gehalt ist gleich wilde-Typ-Ebenen, was auf eine adaptive CoA-Antwort während der Entwicklung12. Die Manipulation des CoA-Gehalts des Gewebes durch Transgenese oder Genabgabemethoden wirkt sich auf metabolische und neuronale Funktionenaus 13,14,15. Die präklinische Entwicklung potenzieller Therapien für PKAN oder CoPAN umfasst Zell- oder Gewebe-CoA-Messungen als Indikatoren für die Wirksamkeit16,17,18,19,20 . Die Bewertung all dieser Bedingungen und ihrer metabolischen oder funktionellen Folgen erfordert eine quantitative Methode zur Messung der gesamten CoA.
Ein genauer, zuverlässiger Test zur Messung von CoA in biologischen Proben ist in vielen Labors eine technische Herausforderung. Leider gibt es keine Sonden zur Bewertung oder Quantifizierung von CoA- oder CoA-Thioestern in intakten Zellen, obwohl Analoga natürlicher CoA-Thioester weit verbreitet als mechanistische Sonden in Studien mit CoA-Ester unter Verwendung von Enzymen21verwendet wurden. Die Umwandlung von CoA, mit einem freien Sulfhydryl (-SH) Moiety, zu einem CoA-Thioester (oder umgekehrt) ist schnell in Zellen oder tierischen Geweben während der Übertragung in eine andere Umgebung und während der Zelllyse. Zahlreiche Acyl-CoA-Synthetasen und Acyl-CoA-Thioesterasen in Zellen vermitteln die Interkonversionen innerhalb des CoA-Pools, und zusätzliche Enzyme, die CoA-Thioester als Substrate nutzen, bleiben in biologischen Proben aktiv, bis sie durch chemische oder physikalische mittel. Die Auslagerung von Acylgruppen von CoA zu Carnitin durch Acyltransferasen ist ein Beispiel innerhalb des Netzwerks von Reaktionen, die die CoA/CoA-Thioester-Verteilung verändern können. Radioaktive Tracer können verwendet werden, um die CoA-Syntheseraten in Zellen zu messen. Die aktuellen Methoden zur Messung von CoA- und CoA-Derivaten in biologischen Proben wurden22 überprüft und umfassen gekoppelte enzymatische spektrophotometrische Assays, Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie und massenspektrometriebasierte Verfahren. Diese Methoden konzentrieren sich jedoch häufig auf bestimmte CoA-Molekulararten und sind blind für Variationen des gesamten CoA-Pools. Die gekoppelten enzymatischen Assays erfordern aufgrund geringer Detektionsempfindlichkeiten in der Regel größere Mengen an Eingangsmaterial und weisen einen begrenzten Linearitätsbereich auf.
Unser Labor hat ein zuverlässiges Verfahren zur Quantifizierung des gesamten CoA in kultivierten Zellen und tierischen Geweben entwickelt. Die Strategie umfasst die Hydrolyse aller CoA-Thioester, um während der Probenvorbereitung nur freies CoA zu liefern, anstatt sich um die Erhaltung und Analyse des gesamten Spektrums der CoA-Arten zu bemühen. Das Verfahren ist eine Zusammenstellung einzelner veröffentlichter Methoden zur Probenvorbereitung, CoA-Ableitung, Reinigung und Identifizierung nach Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) und Quantifizierung des derivatisierten CoA durch Absorption oder Fluoreszenzdetektion23,24,25. Die mit diesem Verfahren gewonnenen CoA-Bestimmungen haben unser Verständnis der CoA-Regulierung und die Entwicklung eines therapeutischen Ansatzes zur Behandlung von CoA-Mängeln ermöglicht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier zeigen wir ein zuverlässiges, schrittweises Verfahren zur Quantifizierung von CoA-GesamtcoA in Zellen und tierischen Geweben mit einer breiten Palette linearer Detektion, die in vielen Laboratorien zugänglich ist, die über einen HPLC mit einem Absorptions- oder Fluoreszenz-Ausgangsdetektor verfügen. Alternativ ist die Massenspektrometrie eine gängige Technik zur Bewertung von CoA- und CoA-Thioestern, ist aber aufgrund der Kosten der Instrumentierung und des für die Entwicklung der Methodik und der Interpretati…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren würdigen die Finanzierung von gesponserter Forschung, die von CoA Therapeutics, Inc., einer Tochtergesellschaft von BridgeBio LLC, dem National Institutes of Health Grant GM34496 und den American Lebanese Syrian Associated Charities bereitgestellt wird.
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).
