קוונפיקציה של קואנזים A בתאים ורקמות
Summary
שיטה זו מתארת הכנה לדוגמא מתאים מתורבתים ומרקמות בעלי חיים, מיצוי והלקות של הקוקוקון A בדגימות, ואחריו כרומטוגרפיה נוזלית בלחץ גבוה לטיהור וכימות של קומית הלגלתית A על ידי ספיגה או גילוי של קרינה פלואורסצנטית.
Abstract
המחקר המתעוררים חשף כי הספק הסלולר (CoA) האספקה יכול להיות מגביל עם השפעה מזיקה על צמיחה, חילוף החומרים והישרדות. מדידת תעודת המקוריות הסלולרית היא אתגר בשל השפע הנמוך יחסית וההמרה הדינמית של תעודת המקוריות לתעודת המקוריות, אשר בתורו, משתתפות בתגובות מטבוליות רבות. שיטה מתוארת כי מנווט באמצעות מלכודות פוטנציאליות במהלך הכנת המדגם כדי להניב בדיקות עם טווח ליניארי רחב של זיהוי המתאים לשימוש במעבדות ביו-רפואיים רבים.
Introduction
Co A (CoA) הוא קופקטור חיוני בכל האורגניזמים החיים, והוא מסונתז מחומצה פנטותימית, המכונה גם פנטוידאט (מלח החומצה הפנטותית) או ויטמין B5. CoA הוא המוביל התאיים העיקרי של חומצות אורגניות, כולל חומצות שרשרת קצרות כגון אצטט ו סוזיטה, הענף חומצות שרשרת כגון propionate ו מתילמאלonate, חומצות שומן ארוכות כגון palmitate והרדוף, חומצות שומן מאוד ארוך שרשרת כגון חומצות שומן בלתי רוויות, ו xenobiotics כגון חומצה ולפרואית. החומצה האורגנית יוצרת הצמדה מבחינה דקדוקית באמצעות CoA כדי לאפשר את השימוש בה כמצע ביותר מ 100 תגובות בחילוף החומרים1. תעודת המקוריות הן גם מחוקקים אלוסטרוקים ומפעילים מפעילי הרכב. כעת מוערך2 כי הספק תעודת המקוריות של הסלולר מוסדר3,4; לפיכך, ניתן להגביל את זמינות ה-CoA ושליקויים בתעודת המקוריות עלולים להיות קטסטרופליים, כפי שניתן למשל בהפרעות גנטיות שעברו בירושה, המשפיעים על תעודת המקוריות של CoA5. פנטופיפיאט קינאז מזרז את הצעד הראשון בביוסינתזה של CoA (איור 1) ופנטופיפיאט קינאז, שנקרא pkan, נגרמת על ידי מוטציות ב- PANK2 gene6. CoA סינתאז, מקודד על ידי הגן Coasyn , מזרז את שני השלבים האחרונים בביוסינתזה CoA (איור 1) ו Coasy חלבון הקשורים נוירוניוון, נקרא copan, נגרמת על ידי מוטציה ב- coasyn גן7. הן PKAN ו CoPAN עוברות בירושה מחלות ניווניות הקשורים הצטברות ברזל במוח וליקויים CoA באופן בלתי מידי הפתווגיות המחלה.
רמות הסלולר של תעודת המקוריות משתנות בין הרקמות8 והמקוריות הכוללות יכולות להגדיל או להצטמצם תחת מגוון של מצבים פיזיולוגיים, פתולוגיים ופרמקלוגיים. תעודת הכבד מגדילה במהלך מיתוג הדלק מתוך הפדרלילמצבהבית, ורמות coa של הכבד גבוהות באופן חריג בעכברים שמנים לפטין לקויה10. תעודת הכבד מקטינה בתגובה בליעה אתנול כרונית11. רמות CoA של המוח במודל העכבר Pank2 מדוכאים במהלך תקופת הזמן הקצוב, אך מאוחר יותר בתוכן תעודת המקוריות של המוח בשלב מבוגר מקבילה לרמות מסוג פראי, המציינות תגובת CoA מסתגלת במהלך הפיתוח12. מניפולציה של תוכן תעודת הרקמה על ידי טרנסגנזה או שיטות משלוח גנטי משפיע על פונקציות מטבולית ועצביים13,14,15. פיתוח טרום קליני של טיפולים פוטנציאליים pkan או copan כולל תא או מדידות תעודת הרקמה כאינדיקטורים של יעילות16,17,18,19,20 . הערכה של כל התנאים הללו וההשלכות המטבולית או הפונקציונליות שלהם מחייבת שיטה כמותית למדידה של תעודת המקוריות הכוללת.
שיטת מדידה מדויקת ואמינה למדידת תעודת מקוריות בדגימות ביולוגיות היא אתגר טכני במעבדות רבות. למרבה הצער, אין בדיקה זמינים כדי להעריך או לכמת CoA או CoA thioesters בתאים שלמים, למרות האנלוגיות של תעודת מקוריות הטבע השתמשו באופן נרחב כמו בבדיקות מכניסטיות במחקרים של אסתר מקוריות ניצול אנזימים21. ההמרה של תעודת המקוריות, עם הmoiety הסולפקסיל (-SH) ללא תשלום, לתעודת המקוריות (או להיפך) מהירה בתאים או ברקמות בעלי חיים במהלך העברה לסביבה שונה ובמהלך הפירוק התאים. מספר רב של מערכות הפעלה של acyl-CoA ו-acyl-CoA מוחק בתאים מתווך בין המרות בתוך בריכת ה-CoA, ואנזימים נוספים המשתמשים בתעודת המקוריות בחומרים מעורבבים נשארים פעילים בדגימות ביולוגיות עד לאחר התניית על ידי כימיה או פיזית אומר. מחוץ לטעינה של acyl-קבוצות מתוך CoA ל קרניטין על ידי העברת התקן הוא דוגמה אחת בתוך רשת של תגובות שיכולות לשנות את התפלגות תעודת המקוריות/coa. ניתן להשתמש במשדרים רדיואקטיביים כדי למדוד שיעורי סינתזה של CoA בתאים. שיטות נוכחיות למדידת נגזרות CoA ו-CoA בדגימות ביולוגיות נבדקו22 וכוללות מצמידים spectrophotometric מגמטיים, כרומטוגרפיה נוזלית בלחץ גבוה ופרוצדורות מבוססות-ספקטרומטר מסה. עם זאת, שיטות אלה מתמקדות לרוב במינים מולקולריים מסוימים של CoA ועיוורים לווריאציה של בריכת ה-CoA הכוללת. מצמידים אנזימטיים באופן כללי דורשים כמויות גדולות יותר של חומר קלט בשל רגישויות לזיהוי נמוך ויש להם מגוון מוגבל של יניאריות.
המעבדה שלנו פיתחה הליך אמין לקוונפיקציה של תעודת מקוריות בתאים מתורבתים ורקמות בעלי חיים. האסטרטגיה כוללת הידרוליזה של כל תעודת המקוריות כדי להניב רק תעודת מקוריות במהלך הכנת המדגם, במקום לבצע מאמצים לשמור ולנתח את כל הספקטרום של מינים CoA. ההליך הוא אוסף של שיטות שפורסמו בנפרד לקראת הכנה לדוגמא, תעודת זהות, טיהור וזיהוי בעקבות כרומטוגרפיה נוזלית בלחץ גבוה (בדיקות), וכימות של תעודת המקוריות על ידי ספיגת המידע או זיהוי של קרינה פלואורסצנטית23,24,25. דטרמינציות ה-CoA המתקבלות באמצעות הליך זה אפשרו את הבנתנו את רגולציה של תעודת המקוריות ואת פיתוח הגישה הטיפולית לטיפול בליקויים בתעודת המקוריות.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן אנו מדגימים הליך אמין, צעד אחר צעד כדי לכמת תעודת מקוריות בתאים ורקמות בעלי חיים עם מגוון רחב של זיהוי ליניארי, כי הוא נגיש במעבדות רבות כי יש בדיקות עם ספיגת או מזהה הפלט הפלואורסצנטית. לחילופין, ספקטרומטר מסה היא טכניקה נפוצה להערכת תעודת המקוריות ותעודת המקוריות, אך אינה זמינה באופן …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים במימון עבור מחקר ממומן שסופק על ידי CoA Therapeutics, Inc., חברת בת של ברידג LLC, המכונים הלאומיים להענקת מענק בריאות GM34496, ו לבנון האמריקאית הקשורים ארגוני צדקה.
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).
