Detectie van eiwit s-acylation met behulp van Acyl-Hars Assisted Capture

Summary

Acyl-RAC (Acyl-Resin Assisted Capture) is een zeer gevoelige, betrouwbare en gemakkelijk uit te voeren methode om omkeerbare lipidemodificatie van cysteïneresiduen (S-acylation) in een verscheidenheid van biologische monsters op te sporen.

Abstract

Eiwit S-acylation, ook wel S-palmitoylation genoemd, is een omkeerbare posttranslationele modificatie van cysteïneresten met lange-keten vetzuren via een labiele thioesterbinding. S-acylation, die in opkomst is als een wijdverbreid regelgevend mechanisme, kan bijna alle aspecten van de biologische activiteit van eiwitten moduleren, van complexe vorming tot eiwithandel en eiwitstabiliteit. De recente vooruitgang in het begrijpen van de biologische functie van eiwit S-acylation werd grotendeels bereikt door de ontwikkeling van nieuwe biochemische instrumenten waardoor robuuste en gevoelige detectie van eiwit S-acylation in een verscheidenheid van biologische monsters. Hier beschrijven we acyl hars-ondersteunde vangst (Acyl-RAC), een recent ontwikkelde methode gebaseerd op selectieve vangst van endogene S-acylated eiwitten door thiol-reactieve Sepharose kralen. In vergelijking met bestaande benaderingen vereist Acyl-RAC minder stappen en kan het betrouwbaardere resultaten opleveren in combinatie met massaspectrometrie voor de identificatie van nieuwe S-acylation-doelen. Een belangrijke beperking in deze techniek is het gebrek aan vermogen om onderscheid te maken tussen vetzuursoorten die via dezelfde thioesterbinding aan cysteïnes zijn verbonden.

Introduction

S-acylation is een omkeerbare posttranslationele modificatie waarbij een vetacylketen wordt toegedeeld aan een intern cysteïneresidu op een doeleiwit via een labiele thioesterbinding¹. Het werd voor het eerst gemeld als een wijziging van eiwitten met palmitaat, een verzadigd 16-koolstofvetzuur², en daarom wordt deze wijziging vaak aangeduid als S-palmitoylation. Naast palmitaat kunnen eiwitten omkeerbaar worden gewijzigd door een verscheidenheid aan langere en kortere verzadigde (myristaat en stearate), enkelvoudig onverzadigd (oleaat) en meervoudig onverzadigd (arachidonaat en eicosapentanoaat) vetzuren^3,4,5,6,7. In eukaryotische cellen wordt S-acylation gekatalyseerd door een familie van enzymen die bekend staan als DHHC-eiwitacyltransferases en de omgekeerde reactie van cysteinedeacylation wordt gekatalyseerd door eiwitthioesterases, waarvan de meeste nog steeds^{raadselachtig}8 blijven.

De laaitbaarheid van de thioesterbinding maakt deze lipidemodificatie omkeerbaar, waardoor het eiwitclustering, plasmamembraanlokalisatie, intracellulaire handel, eiwit-eiwitinteracties en eiwitstabiliteit⁹,^10kandynamisch reguleren. Bijgevolg is S-acylation gekoppeld aan verschillende aandoeningen, waaronder de ziekte van Huntington, de ziekte van Alzheimer en verschillende vormen van kanker (prostaat, maag, blaas, long, colorectale), die de ontwikkeling van betrouwbare methoden om deze post-translationele eiwitmodificatie te detecteren^{vereist 11}.

Metabolische etikettering met radioactief ([³H], [¹⁴C] of [¹²⁵I]) palmitaat was een van de eerste benaderingen ontwikkeld om testeiwit S-acylation^12,13,14. Echter, radiolabeling-gebaseerde methoden presenteren gezondheidsproblemen, zijn niet erg gevoelig, tijdrovend, en alleen detecteren lipidatie van zeer overvloedige eiwitten¹⁵. Een sneller en niet-radioactief alternatief voor radiolabeling is metabolische etikettering met bioorthogonale vetzuursondes, die routinematig wordt gebruikt om de dynamiek van eiwit S-acylation¹⁶te assay. Bij deze methode wordt een vetzuur met een chemische reporter (alkyne of azidegroep) door een eiwit acyltransferase in het S-acylated eiwit verwerkt. Azide-alkyne Huisgen cycloaddition reactie (klik chemie) kan vervolgens worden gebruikt om een gefunctionaliseerde groep, zoals een fluoroftaan of biotine, hechten aan het geïntegreerde vetzuur waardoor detectie van de S-acylated eiwit^17,18,19.

Acyl-biotine uitwisseling (ABE) is een van de veel gebruikte biochemische methoden voor het vangen en identificeren van S-acylated eiwitten die een aantal van de tekortkomingen van metabole etikettering omzeilt, zoals ongeschiktheid voor weefselmonsters¹⁵. Deze methode kan worden toegepast voor de analyse van S-acylation in een breed scala van biologische monsters, waaronder weefsels en diepgevroren celmonsters^20,21. Deze methode is gebaseerd op selectieve decolleté van de thioesterbinding tussen de acylgroep en het cysteïneresidu door neutrale hydroxylamine. De bevrijde thiolgroepen worden vervolgens gevangen met een thiol-reactief biotinederivaat. De gegenereerde bioatlateeiwitten worden vervolgens affiniteitgezuiverd met streptavidinaaga en geanalyseerd door immunoblotting.

Een alternatieve aanpak genoemd acyl-hars bijgestaan vangen (Acyl-RAC) werd later geïntroduceerd om de biotinylation stap te vervangen door directe vervoeging van vrije cysteïnedoor een thiol-reactieve hars^22,23. Deze methode heeft minder stappen in vergelijking met ABE en kan op dezelfde manier worden gebruikt om eiwit S-acylation te detecteren in een breed scala van monsters¹.

Acyl-RAC bestaat uit 4 hoofdstappen (figuur 1),
1. Blokkering van vrije thiolgroepen;
2. Selectieve splitsing van de cysteïne-acylthioesterbinding met neutrale hydroxylamine (HAM) om cysteïnethiolgroepen bloot te leggen;
3. Het vastleggen van de lipide cysteïnen met een thiol-reactieve hars;
4. Selectieve verrijking van de S-acylated eiwitten na elutie met reducerende buffer.

De gevangen eiwitten kunnen vervolgens worden geanalyseerd door immunoblotting of onderworpen aan massaspectrometrie (MS) gebaseerde proteomics om het S-acylated proteome te beoordelen in een gevarieerd scala van soorten en weefsels^22,24,25. Individuele S-acylation sites kunnen ook worden geïdentificeerd door trypsine vertering van de gevangen eiwitten en analyse van de resulterende peptiden door LC-MS/MS²². Hier laten we zien hoe acyl-RAC kan worden gebruikt voor gelijktijdige detectie van S-acylation van meerdere eiwitten in zowel een cellijn als een weefselmonster.

Protocol

Muizen gebruikt in dit protocol werden geëuthanaseerd volgens NIH richtlijnen. Het Comité voor dierenwelzijn van de University of Texas Health Science Center in Houston keurde al het dierenwerk goed. 1. Bereiding van cellysataten Bereid de lysisbuffer voor zoals beschreven in tabel 1. Voeg 0,1 g n-dodecyl β-D-maltoside wasmiddel (DDM) toe en draai om op te lossen tot 10 mL PBS. Voeg 100 μL fosforremmercocktail 2, ML211 (10 μM), PMSF (10 mM) en proteaseremmercock…

Representative Results

Naar aanleiding van het hierboven beschreven protocol, gebruikten we eerst acyl-RAC om tegelijkertijd s-acylation van verschillende eiwitten in Jurkat cellen te detecteren, een vereeuwigde T-cellijn oorspronkelijk afgeleid van het perifere bloed van een T-cel leukemie patiënt27. Regulerende T-celeiwitten die eerder als S-acylated9,28,,29 werden geïdentificeerd om het nut van deze methode aan te tonen. Z…

Discussion

Hier hebben we met succes gebruik gemaakt van de acyl-RAC test om S-acylation van geselecteerde eiwitten te detecteren in zowel gekweekte menselijke cellen en primaire cellen afgeleid van muisweefsel. Deze methode is eenvoudig, gevoelig, en kan gemakkelijk worden uitgevoerd met minimale apparatuur eisen met behulp van standaard biochemie technieken. Deze methode is aangetoond dat het met succes nieuwe S-acylated eiwitten te identificeren, zoals de β-subeenheid van het eiwit translocating systeem (Sec61b),Sribos…

Materials

cOmplete Protease Inhibitor Cocktail tablets	Sigma	11836170001
Eppendorf Centrifuge 5424	Eppendorf	22620444
Hydroxylamine (HAM)	Sigma	159417
Methyl methanethiosulfonate (MMTS)	Sigma	64306
Mini tube rotator	LabForce
ML211	Cayman	17630
Multi-Therm Cool-Heat-Shake	Benchmark Scientific	H5000-HC
n-Dodecyl β-D-maltoside (DDM)	Sigma	D641
Phosphatase Inhibitor Cocktail 2	Sigma	P5726
Thiopropyl-Sepharose 6B (TS)	Sigma	T8387
Ultrasonics Quantrex Sonicator	L & R