رصد القائم على مضان آخر PAD4 عبر برو-مضان الركيزة النظير
Summary
PAD4 is an enzyme responsible for the conversion of peptidyl-arginine to peptidyl-citrulline. Dysregulation of PAD4 has been implicated in a number of human diseases. A facile and high-throughput compatible fluorescence based PAD4 assay is described.
Abstract
Post-translational modifications may lead to altered protein functional states by increasing the covalent variations on the side chains of many protein substrates. The histone tails represent one of the most heavily modified stretches within all human proteins. Peptidyl-arginine deiminase 4 (PAD4) has been shown to convert arginine residues into the non-genetically encoded citrulline residue. Few assays described to date have been operationally facile with satisfactory sensitivity. Thus, the lack of adequate assays has likely contributed to the absence of potent non-covalent PAD4 inhibitors. Herein a novel fluorescence-based assay that allows for the monitoring of PAD4 activity is described. A pro-fluorescent substrate analog was designed to link PAD4 enzymatic activity to fluorescence liberation upon the addition of the protease trypsin. It was shown that the assay is compatible with high-throughput screening conditions and has a strong signal-to-noise ratio. Furthermore, the assay can also be performed with crude cell lysates containing over-expressed PAD4.
Introduction
يتم تعديل عدد كبير من البروتينات الثدييات بشكل كبير بفعل الإنزيمات التالية الحيوي من البروتينات التي الريبوسوم. ويمكن لهذه التعديلات بعد متعدية (PTMs) زيادة كبيرة في التنوع الوظيفي للبروتيوم عن طريق تغيير حجم، وتهمة، وهيكل، والدولة oligomerization (من بين الميزات الأخرى) البروتينات 1-3. ونتيجة لذلك، فإن التغيير في بنية البروتين يمكن أن يؤدي إلى عواقب فيزيولوجية، مثل تدهور البروتين، التمايز الخلوي، مما يشير، في تعديل التعبير الجيني، وتفاعلات البروتين البروتين. في حين أن هذه التعديلات هي السائدة في نسبة كبيرة من جميع البروتينات البشرية، ومحطة تنتهي في البروتينات هيستون الخضوع لعدد كبير بشكل غير عادي من التعديلات التساهمية 4. البروتينات هيستون هي عائلة من البروتينات الهيكلية التي تسهل التكثيف من الحمض النووي الجيني. وتجرى التعديلات التساهمية من ذيول هيستون غير منظم بها وينظمها دوري الدرجة الاولى الايطاليS من الانزيمات التي يمكن أن تحفز تعديل التساهمية المخلفات (الكتاب)، عكس نفس التعديلات (المحايات)، والتمييز بين التغييرات التي مطبوع على الذيول هيستون (القراء) 5-7. في الواقع، فإن معظم PTMs معروفة يمكن ملاحظتها ضمن هذه الشريحة قصيرة من هيستون بما مثيلة، الفسفرة، أستلة، sumoylation، ubiquitination، وcitrullination 8.
Citrullination ينطوي على تحويل ببتيديل أرجينين إلى غير المشفرة ببتيديل ر RNA-سيترولين (الشكل 1A). البروتينات المسؤولة عن هذه السلسلة تحييد الجانب، هم أعضاء في PAD (ص eptide على rginine د eiminase) عائلة بروتين، وكلها تعتمد على الانزيمات الكالسيوم. 9،10. حتى الآن، وقد وصفت خمسة أفراد من عائلة PAD (PAD1، PAD2، PAD3، PAD4، وPAD6). يبدو أن كل عضو من أعضاء هذه الأسرة لاستهداف البروتينات الخلوية متميزة وأيضا يعرض أحاديكيو ملامح توزيع الأنسجة. PAD4 هو العضو الوحيد من هذه العائلة البروتين المعروف أن تكون مترجمة داخل النواة عبر تسلسل توطين النووية 11. تبعا لذلك، فقد تبين أن deiminate عددا من الأهداف النووية، بما في ذلك السلاسل الجانبية أرجينين على ذيول N-الطرفية من الهستونات H2A أرجينين بقايا 3 (H2R3)، H3 (H3R2، H3R17، وH3R26) وH4 (H4R3) 12، 13. في حين أن كل من isozymes PAD لها وظائف فسيولوجية معينة وحاسمة، تلقت PAD4 إيلاءها مزيدا من الاهتمام نظرا لدوره في عدد من العمليات الإنسانية في كل الخلايا المريضة والسليمة. في الآونة الأخيرة، وقد تبين PAD4 أن تكون عضوا في شبكة النسخي تعدد القدرات 14. وعرضت كل من مستويات التعبير PAD4 والنشاط لتكون مرتفعة خلال إعادة برمجة وللدولة الارض الدول المحفزة في الفئران. عن طريق التحكم في تنظيم جينات الخلايا الجذعية، قد PAD4 الاحتفاظ دورا محوريا في كفاءة إعادة برمجة الخلايا. PAD4 كما تم المتورطين فيتشكيل الفخاخ خارج الخلية المتعادلة، التي تقوم عليها ملزمة من مسببات الأمراض تمكين إزالة النظام الخاص بهم. وhypercitrullination من البروتينات هيستون من قبل PAD4 يدفع decondensation من لونين، والتي هي بمثابة المادة الأساسية للتغليف من البكتيريا المسببة للأمراض من فخ خارج الخلية، وبالتالي درء العدوى البكتيرية 15،16.
بالإضافة إلى ذلك، تم العثور PAD4 للعب دور نشط في عدد من الأمراض التي تصيب الإنسان. وقد تبين سابقا أن التعبير المنحرف من PAD4 يرتبط مع بداية وشدة التهاب المفاصل الروماتويدي، مرض الزهايمر، مرض باركنسون، والتصلب المتعدد 17. في الواقع، فإن وجود الأجسام المضادة بروتين مكافحة citrullinated هو واحد من المؤشرات الحيوية التشخيصية والنذير الأكثر موثوقية ونهائية من التهاب المفاصل الروماتويدي 18. وبالمثل، فقد لوحظ مؤخرا نشاط PAD4 dysregulated في عدد من السرطانات البشرية بما في ذلك المبيض والثدي والرئة، وسرطان المريء د 19-22. وقد تبين الصلة بين PAD4 والسرطان إلى أن توسطت من خلال الجين الورمي ELK1 أو عبر الورم البروتين p53 البروتين القامع 22،23، واقترح العمل السابق الذي PAD4 يمكن أن تكون مضادة للسرطان الهدف العلاجي رواية 17،24،25. كدليل على دراسة المبدأ، تم الكشف عن نضوب PAD4 عبر shRNA في القولون والمستقيم خط الخلايا السرطانية HCT116 أن تكون كافية لإحداث موت الخلايا المبرمج ودورة الخلية اعتقال 26. أدى ضعت مؤخرا لا رجعة فيه PAD4 المانع إلى انخفاض سبعين في المئة في كتلة الورم في الفئران (27). بشكل ملحوظ جدا، ويبدو PAD4 تثبيط لتكون بمثابة العلاج المستهدفة التي أسفرت عن مقتل الانتقائي للخلايا السرطانية في حين أن يجنب الخلايا untransformed.
استخدام جزيئات صغيرة لإيقاف وظيفة PAD4 قد يثبت أنه استراتيجية جديدة وقوية لاستهداف الخلايا السرطانية أو لزيادة مبحث المعالجة الكيميائية السرطانية الموجودة 28. للأسف، صوبعد أن اكتشف خيمة PAD4 عكسها المانع. وقد تم تطوير عدد من مثبطات التساهمية باستخدام الكلور / مقبض imidine الفلوري الذي يحاكي الركيزة أرجينين 27،29،30 وأثبتت أنها أدوات عملية في فهم دور PAD4 في كل خلايا الدولة السليمة والمريضة. ومع ذلك، هذه الجزيئات تمنع كل من منصات نشطة مع قوة مماثلة. وبالتالي، فإن الحاجة لفحص سطحي التي تفيد عن نشاط PAD4 أمر بالغ الأهمية. حتى الآن، وقد وصفت PAD4 المقايسات التي تربط الإفراج عن الأمونيا من رد الفعل إلى قراءات اللونية 31، الاستفادة من التناظرية chloroamidine الركيزة fluorescently المسمى لمضان الاستقطاب فحص 32، تعتمد على رد فعل حمض بمساعدة بين الجليوآسال وسيترولين 33، و زوجان النشاط PAD4 إلى مضان dequenching خطوة 34. من هذه، وقد أثبتت هذه الاستراتيجية haloacetamidine معدل التساهمية فقط لتكون متوافقة مع scre عالية الإنتاجيةمنصات ملمسه 32،35،36. نحن تصف فحص سطحي مضان القائم الذي يقيس موثوق نشاط PAD4. الفحص، الذي يعرض نسبة قوية إشارة إلى الضجيج، وسرعة تحليلها، وقياس متانة، لديه القدرة على اكتشاف قوية وانتقائية حقا PAD4 المانع.
Protocol
Representative Results
Discussion
Herein, a fluorescence based assay was successfully developed that monitors the activity of PAD4. The assay has proven to be incredibly robust in a number of high-throughput conditions and is also compatible with whole cell lysates37.
The affinity between the histone proteins and the DNA strands surrounding it loosens due the neutralization of the positive charge on the arginine side chain upon citrullination. It was envisioned that the neutralization of the arginine side-chain coul…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Lehigh University Start-up Package. We thank Dr. Walter Fast for providing the GST-PAD4 plasmid for protein expression.
Materials
| Name of the Material/Equipment | Company | Catalog Number | Comments/ Description |
| LB Broth, Miller (LURIA-BERTANI) | Amresco | J106-2KG | http://www.amresco-inc.com |
| Ampicillin Trihydrate (Off-white Powder), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP902-25 | http://www.fishersci.com |
| Isopropylthiagalactonse (IPTG) | Life Technogolies | 15529-019 | http://www.lifetechnologies.com |
| All Buffer Salts | Fisher Scientific | N/A | Can purchase from Fisher Scieintifc; VWR; Acros; Sigma-Aldrich; etc. |
| Protino Glutathione (GSH) agarose | Machery-Nagel | 745500.10 | Store at 4 °C; http://www.mn-net.com/ |
| Z-Arg-Arg-7-amido-4-methylcoumarin hydrochloride (Zcoum) | Sigma Aldrich | C5429 | www.sigmaaldrich.com |
| Chloroamidine | Cayman Chemical | 10599 | Store at -20 °C; https://www.caymanchem.com/app/template/Home.vm |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP HCl) | Thermo Scientifc | 20490 | http://www.piercenet.com |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100-100ML | www.sigmaaldrich.com |
| Corning/Nunclon MicroWell plates (96 and 384) | N/A | N/A | Purchase from Corning; Sigma-Aldrich |
| Tecan Infinite 200 / Tecan i-control microplate reader software | N/A | N/A | www.tecan.com |
| Europium Ex. 340/40 Em. 475/15 filter | N/A | N/A | http://www.perkinelmer.com |
References
- Jensen, O. N. Interpreting the protein language using proteomics. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 391-403 (2006).
- Sims, R. J., Reinberg, D. Is there a code embedded in proteins that is based on post-translational modifications. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9, 815-820 (2008).
- Pandey, A., Mann, M. Proteomics to study genes and genomes. Nature. 405, 837-846 (2000).
- Berger, S. L. The complex language of chromatin regulation during transcription. Nature. 447, 407-412 (2007).
- Fischle, W., Wang, Y., Allis, C. D. Binary switches and modification cassettes in histone biology and beyond. Nature. 425, 475-479 (2003).
- Taverna, S. D., Li, H., Ruthenburg, A. J., Allis, C. D., Patel, D. J. How chromatin-binding modules interpret histone modifications: lessons from professional pocket pickers. Nat. Struct. Mol. Biol. 14, 1025-1040 (2007).
- Seet, B. T., Dikic, I., Zhou, M. M., Pawson, T. Reading protein modifications with interaction domains. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 473-483 (2006).
- Strahl, B. D., Allis, C. D. The language of covalent histone modifications. Nature. 403, 41-45 (2000).
- Vossenaar, E. R., Zendman, A. J., van Venrooij, W. J., Pruijn, G. J. PAD, a growing family of citrullinating enzymes: genes, features and involvement in disease. Bioessays. 25, 1106-1118 (2003).
- Gyorgy, B., Toth, E., Tarcsa, E., Falus, A., Buzas, E. I. Citrullination: a posttranslational modification in health and disease. Int. J. Biochem. Cell Biol. 38, 1662-1677 (2006).
- Nakashima, K., Hagiwara, T., Yamada, M. Nuclear localization of peptidylarginine deiminase V and histone deimination in granulocytes. J. Biol. Chem. 277, 49562-49568 (2002).
- Hagiwara, T., Hidaka, Y., Yamada, M. Deimination of histone H2A and H4 at arginine 3 in HL-60 granulocytes. 생화학. 44, 5827-5834 (2005).
- Kearney, P. L., et al. Kinetic characterization of protein arginine deiminase 4: a transcriptional corepressor implicated in the onset and progression of rheumatoid arthritis. 생화학. 44, 10570-10582 (2005).
- Christophorou, M. A., et al. Citrullination regulates pluripotency and histone H1 binding to chromatin. Nature. 507 (7490), 104-108 (2014).
- Brinkmann, V., et al. Neutrophil extracellular traps kill bacteria. Science. 303, 1532-1535 (2004).
- Li, P., et al. PAD4 is essential for antibacterial innate immunity mediated by neutrophil extracellular traps. J. Exp. Med. 207, 1853-1862 (2010).
- Wang, Y., et al. Histone hypercitrullination mediates chromatin decondensation and neutrophil extracellular trap formation. J. Cell. Biol. 184, 205-213 (2009).
- Wang, S., Wang, Y. Peptidylarginine deiminases in citrullination, gene regulation, health and pathogenesis. Biochim. Biophys. Acta. 1829, 1126-1135 (2013).
- Trouw, L. A., Mahler, M. Closing the serological gap: promising novel biomarkers for the early diagnosis of rheumatoid arthritis. Autoimmun. Rev. 12, 318-322 (2012).
- Chang, X., Fang, K. PADI4 and tumourigenesis. Cancer Cell Int. 10, 7 (2010).
- Wang, L., Chang, X., Yuan, G., Zhao, Y., Wang, P. Expression of peptidylarginine deiminase type 4 in ovarian tumors. Int. J. Biol. Sci. 6, 454-464 (2010).
- Chang, X., et al. Investigating the pathogenic role of PADI4 in oesophageal cancer. Int. J. Biol. Sci. 7, 769-781 (2011).
- Zhang, X., et al. Genome-wide analysis reveals PADI4 cooperates with Elk-1 to activate c-Fos expression in breast cancer cells. PLoS Genet. 7, (2011).
- Tanikawa, C., et al. Regulation of histone modification and chromatin structure by the p53-PADI4 pathway. Nat. Commun. 3, 676 (2012).
- Cui, X., et al. The induction of microRNA-16 in colon cancer cells by protein arginine deiminase inhibition causes a p53-dependent cell cycle arrest. PLos One. 8, (2013).
- Jones, J. E., Causey, C. P., Knuckley, B., Slack-Noyes, J. L., Thompson, P. R. Protein arginine deiminase 4 (PAD4): Current understanding and future therapeutic potential. Curr. Opin. Drug Discov. Devel. 12, 616-627 (2009).
- Li, P., et al. Regulation of p53 target gene expression by peptidylarginine deiminase 4. Mol. Cell Biol. 28, 4745-4758 (2008).
- Wang, Y., et al. Anticancer peptidylarginine deiminase (PAD) inhibitors regulate the autophagy flux and the mammalian target of rapamycin complex 1 activity. J. Biol. Chem. 287, 25941-25953 (2012).
- Slack, J. L., Causey, C. P., Thompson, P. R. Protein arginine deiminase 4: a target for an epigenetic cancer therapy. Cell. Mol. Life Sci. 68, 709-720 (2011).
- Luo, Y., Knuckley, B., Lee, Y. H., Stallcup, M. R., Thompson, P. R. A fluoroacetamidine-based inactivator of protein arginine deiminase 4: design, synthesis, and in vitro and in vivo evaluation. J. Am. Chem. Soc. 128, 1092-1093 (2006).
- Knuckley, B., et al. Substrate specificity and kinetic studies of PADs. 생화학. 1, 4852-4863 (2010).
- Knipp, M., Vasak, M. A colorimetric 96-well microtiter plate assay for the determination of enzymatically formed citrulline. Anal. Biochem. 286, 257-264 (2000).
- Knuckley, B., et al. A fluopol-ABPP HTS assay to identify PAD inhibitors. Chem. Commun. 46, 7175-7177 (2010).
- Bicker, K. L., Subramanian, V., Chumanevich, A. A., Hofseth, L. J., Thompson, P. R. Seeing citrulline: development of a phenylglyoxal-based probe to visualize protein citrullination. J. Am. Chem. Soc. 134, 17015-17018 (2012).
- Wang, Q., Priestman, M. A., Lawrence, D. S. Monitoring of protein arginine deiminase activity by using fluorescence quenching: multicolor visualization of citrullination. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 52, 2323-2325 (2013).
- Jones, J. E., et al. Synthesis and screening of a haloacetamidine containing library to identify PAD4 selective inhibitors. ACS Chem. Biol. 7, 160-165 (2012).
- Dreyton, C. J., et al. . Optimization and characterization of a pan protein arginine deiminase (PAD) inhibitor. , (2010).
- Shimoyama, S., et al. Deimination stabilizes histone H2A/H2B dimers as revealed by electrospray ionization mass spectrometry. J. Mass Spectrom. 45, 900-908 (2010).
- Luo, Y., et al. Inhibitors and inactivators of protein arginine deiminase 4: functional and structural characterization. 생화학. 45, 11727-11736 (2006).
