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생체공학

PIP-on-a-chip：タンパク質 - ホスホイノシチド相互作用のラベルフリー研究

Published: July 27, 2017
doi:
10.3791/55869
, , ,
1Department of Biochemistry and Molecular Biology,The Pennsylvania State University, 2Department of Chemistry,The Pennsylvania State University

Summary

ここでは、pH調節に基づく無標識法を用いてタンパク質 – ホスホイノシチド相互作用を研究するためのマイクロ流体プラットフォームの文脈で、支持された脂質二重層を提示する。

Abstract

数多くの細胞タンパク質が膜表面と相互作用して必須の細胞プロセスに影響を与えます。これらの相互作用は、ホスホイノシチド（PIP）の場合のように、特定の細胞内局在および/または活性化を確実にするために、膜内の特定の脂質成分に向けられ得る。 PIPおよび細胞PIP結合ドメインは、細胞生理学におけるそれらの役割をよりよく理解するために広範に研究されている。本発明者らは、タンパク質-IPP相互作用を研究するためのツールとして、支持された脂質二重層（SLB）上にpHモジュレーションアッセイを適用した。これらの研究では、pH感受性オルソ –スルホローダミンB結合ホスファチジルエタノールアミンを用いてタンパク質-PIP相互作用を検出する。タンパク質がPIP含有膜表面に結合すると、界面電位が調節され（ すなわち 、局所pHの変化）、プローブのプロトン化状態がシフトする。 pH調節アッセイの成功した使用の事例研究は、ホスホリパーゼC delta1 Pleckstr相同性（PLC-δ1PH）ドメインおよびホスファチジルイノシトール4,5-ビスホスフェート（PI（4,5）P 2 ）相互作用を例として示す。この相互作用の見かけの解離定数（ K d、app ）は、他のものによって得られたK d、app値と同様に、0.39±0.05μMであった。以前に観察されたように、PLC-δ1PHドメインはPI（4,5）P 2特異的であり、ホスファチジルイノシトール4-リン酸に対するより弱い結合を示し、純粋なホスファチジルコリンSLBへの結合は示されない。 PIP-on-a-chipアッセイは、従来のPIP結合アッセイよりも有利であるが、これには、限定されるものではないが、サンプル量が少なく、リガンド/レセプターの標識化要件がないこと、小型および低親和性膜相互作用大分子、および改善された信号対雑音比。したがって、PIP-on-a-chipアプローチの使用は、広範囲の膜相互作用のメカニズムの解明を容易にするであろう。さらに、この方法は潜在的にu膜と相互作用するタンパク質の能力を調節する治療薬を同定することには魅力的である。

Introduction

無数の相互作用および生化学プロセスは、二次元的に流体の膜表面上で起こる。真核細胞における膜封入オルガネラは、生化学プロセスおよびそれらの関連プロテオームだけでなく、それらの脂質組成においてもユニークである。例外的な種類のリン脂質の1つはホスホイノシチド（PIP）である。それらは細胞リピドームのわずか1％を占めるにもかかわらず、それらは他の1、2、3、4間の信号伝達、オートファジー、および膜輸送において重要な役割を演じます。細胞PIPキナーゼによるイノシトール頭部基のダイナミックリン酸化は、7つのPIPモノある頭部基、ビス- 、またはトリス-リン酸化5を生じます。さらに、PIPは、膜の細胞内同一性を規定し、1つまたは複数のホスホイノを含むタンパク質/酵素の特殊な膜ドッキング部位として機能するitide結合ドメイン、例えば、プレクストリン相同性（PH）、PHOX相同性（PX）、及びepsin N末端相同性（ENTH）6、7。最もよく研究PIP結合ドメインの一つは、ホスホリパーゼC（PLC）は、特に高ナノモル、低マイクロモルの範囲の親和8内ホスファチジルイノシトール4,5-ビスホスフェート（PI（4,5）P 2）と相互作用-δ1PHドメインであります、9、10、11。

種々の定性的および定量的インビトロ法が開発され、これらの相互作用の機構、熱力学および特異性を研究するために使用されている。最も一般的に使用されるPIP結合アッセイは、表面プラズモン共鳴（SPR）、等温熱量測定（ITC）、核磁気共鳴（NMR）分光法、リポソーム浮遊/沈降アッセイ、および脂質ブロット（脂肪 – ブロット/ PIP-ストリップ）12、13。これらは広範囲に利用されていますが、それらには多くの欠点があります。例えば、SPR、ITC、およびNMRは、サンプル、高価な計測機器、および/または訓練された人員12、13を大量に必要としています。そのような抗体ベースの脂質ブロットのようないくつかのアッセイ形式は、のPIPの水溶性形態を利用し、非生理的方法12、14、15、16にそれらを提示します。また、脂質ブロットは確実に定量することができないと、彼らは多くの場合、偽陽性/陰性所見12、17、18をもたらしました。これらの課題を克服し、現在のツールセットを改善するため、サポートされている脂質二重層（SLB）に基づいて新しいラベルフリーの方法が確立されました。これはタンパク質-IPP相互作用の研究に成功裏に適用された（ 図1 ） 19 。

タンパク質-PIP相互作用を検出するために使用される戦略は、pH調節感知に基づく。これには、ホスファチジルエタノールアミン脂質頭部群20に直接コンジュゲートされたオルト –スルホローダミンB（ o SRB）を有するpH感受性色素が関与する。 Oの SRB-POPEのプローブ（ 図2A）は低pHで強い蛍光と7.5モル％のPI（4,5）P 2つの含有のSLB（ 図5B）内を6.7のpKaを有する高pHでクエンチします。ドメインは、PIに向かってその高い特異性タンパク質PIP結合の方法論を検証するために広く使用されてきたPLC-δ1のPH（4,5）P 2（ 図5A）、21、22、「> 23、24、25 .Hence、我々は、PLC-δ1のPHドメインは、そのは、PIPオンチップアッセイを介してPI（4,5）P 2への結合を試験するために使用することができると推論した。PHドメイン構築物をこの研究において正味の正電荷（PI 8.4）を有し、したがってOHを集めて使用–イオン（ 図5C）、PI（4,5）P 2含有のSLBに結合すると、PHドメインはOHをもたらす–にイオンを今度は界面電位を変調してO SRB-POPE（ 図5C）26。PHドメイン濃度の関数として、蛍光が消光される（ 図6A）のプロトン化状態をシフト膜表面は、最後に、正規化されたデータでありますPHドメイン-PI（4,5）P 2相互作用の親和性を決定するために結合等温線に適合させた（ 図6B 、 6C ）/ p>

この研究では、マイクロ流体プラットフォーム内のPIP含有SLBへのタンパク質結合を行うための詳細なプロトコールが提供される。このプロトコルは、読者に、マイクロ流体デバイスおよび小胞調製物をSLB形成およびタンパク質結合に組み立てることを要する。さらに、PLC-δ1PHドメイン-PI（4,5）P 2相互作用の親和性情報を抽出するためのデータ分析のための指示が提供される。

Protocol

1.ガラスカバースリップの清掃平らな底を有する100mmの深さのホウケイ酸ガラス皿の中に脱イオン水で7倍に希釈し、レベルのホットプレート上で95℃まで20分間または曇った溶液が透明になるまで加熱する（ 材料表参照） 。 注記：このソリューションは熱くなります。身体からの怪我を避けるために注意してください。 7x洗浄液は、六ナトリウム[オキシド[オキシド?…

Representative Results

我々はPIP-on-a-chipマイクロデバイス（ 図1 ）内のPLC-δ1PHドメイン-PI（4,5）P 2相互作用を研究するためにpH調節アッセイを使用した。詳細なプロトコールを通して、マイクロ流体デバイスコンポーネントの準備と組み立て、小型ユニラメラベシクル（SUV）の作成（ 図2 ）、デバイス内でのSLBの作成（ 図3…

Discussion

各PIP変異体は、低濃度ではあるが、それらは独特の物理的組成およびオルガネラ膜1の機能的特異性の確立に寄与する特定の細胞小器官の細胞質表面に存在します。 PIPの最も重要な用途の一つは、特定の細胞内局在および/または活性化6,7を必要とするタンパク質の多数のための特定のドッキングプラットフォームとしてあります?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

DSおよびCECは、一部、助成金AI053531（NIAID、NIH）によって支持された。 SSおよびPSCは、補助金N00014-14-1-0792（ONR）によってサポートされていました。

Materials

Coverslip
Glass Coverslips: Rectangles Fisher Scientific 12-544B 22 x 40 x 0.16 – 0.19 mm, No. 1 1/2; Borosilicate Glass
7X Cleaning Solution MP Biomedicals 976670 Detergent
PYREX Crystallizing Dish Corning 3140-190 Borosilicate glass dish with a flat bottom; Diameter x Height (190 x 100 mm); Distributor: VWR (89090-700)
Sentry Xpress 2.0 Paragon Industries SC-2 Kiln
Name Company Catalog Number Comments
PDMS
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit Dow Corning  4019862 Polydimethylsiloxane (PDMS); Distributor: Ellsworth Adhesives
PYREX Desiccator VWR 89134-402 Vacuum Rated
Biopsy punch Harris 15110-10 Harris Uni-Core; 1.0 mm diameter; Miltex Biopsy Punch with Plunger (Cat. No. 15110-10) can be used as an alternative
Name Company Catalog Number Comments
Device
Plasma Cleaning System PlasmaEtch PE25-JW 2-stage Direct Drive Oil Vacuum Pump, O2 service (Krytox Charged)
Digital Hot Plate Benchmark H3760-H Purchased through Denville Scientific (Cat. No. 1005640)
Frosted Micro Slides VWR 48312-003 Frosted, Selected, and Precleaned; Made of Swiss Glass; Thickness: 1 mm; Dimensions: 75 x 25 mm; GR 144
Name Company Catalog Number Comments
Mold
AutoCAD Autodesk v.2016 Drafting software for the photomask design
Photomask CAD/Art Services N/A Design with black background and clear features was printed at 20k dpi resolution on a transparent mask (5 x 7 in) by CAD/Art Services
Silicone Wafers University Wafer 1575 Prime Grade, Single Side Polished; 100 mm (4 inch) Diameter; 525 um Thickness
SU-8 50 MicroChem Corp. N/A Negative Tone Photoresist; Penn State Nanofabrication Facility Property
SU-8 Developer MicroChem Corp. N/A Penn State Nanofabrication Facility Property
Name Company Catalog Number Comments
SUV
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine Avanti Polar Lipids 850457C POPC
L-α-phosphatidylinositol-4-phosphate Avanti Polar Lipids 840045X PI4P
L-α-phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate  Avanti Polar Lipids 840046X PI(4,5)P2
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine Avanti Polar Lipids 850757C POPE; Required for the synthesis of oSRB-POPE
Lissamine Rhodamine B Sulfonyl Chloride (mixed isomers) ThermoFisher Scientific L-20 Required for the synthesis of oSRB-POPE
pH Sensitive Fluorescent Lipid Probe (oSRB-POPE) In-house N/A In-house Synthesis (Huang D. et al. 2013)
Glass Scintillation Vial VWR 66022-065 20 mL volume capacity
Aquasonic 250D VWR N/A Ultrasonic Water Bath
Nuclepore Track-Etched Membranes Whatman 110605 Polycarbonate Membrane; Diameter: 25 mm; Pore Size: 0.1 um; Distributor: Sigma-Aldrich
Chloroform VWR CX1054-6 HPLC grade
LIPEX Extruder Transferra Nanosciences T.001 LIPEX 10 mL Thermobarrel Extruder
Viscotek 802 DLS Malvern Instruments N/A Dynamic Light Scattering; Penn State X-Ray Crystallography Facility Property
Name Company Catalog Number Comments
Data Analysis
GraphPad Prism GraphPad Software v.6 Curve-fitting software for data analysis
Name Company Catalog Number Comments
Microscope
Axiovert 200M Epifluorescence Microscope Carl Zeiss Microscopy N/A Microscope
AxioCam MRm Camera Carl Zeiss Microscopy N/A Camera
X-Cite 120 Excelitas Technologies N/A Light Source
Alexa 568 Filter Set Carl Zeiss Microscopy N/A Ex/Em 576/603 nm
AxioVision LE64 v.4.9.1.0 Software Carl Zeiss Microscopy N/A Image Processing Software
Name Company Catalog Number Comments
기타
Tips VWR 10034-132 200 uL pipette tips; Thin and smooth tip for applying the protein solution into the microfluidic channel
Tips VWR 53509-070 10 uL pipette tips; Thin and smooth tip for applying the vesicle solution into the microfluidic channel
Orion Star A321 pH meter Thermo Scientific STARA3210 pH meter
Orion micro pH probe Thermo Scientific 8220BNWP micro pH probe
N-(2-Hydroxyethyl)-Piperazine-N'-(2-Ethanesulfonic Acid) VWR VWRB30487 HEPES, Free Acid
Sodium Chloride VWR BDH8014-2.5KGR NaCl
Tubing Allied Wire & Cable TFT-200-24 N Internal Diameter: 0.020-0.026 inches (0.051-0.066 cm); Wall Thickness: 0.010 inches (0.025 cm); Flexible Polytetrafluoroethylene Thin-Wall Tubing; Natural Color
Nitrogen Gas – Industrial Praxair N/A Local Provider
Oxygen Gas – Industrial Praxair N/A Local Provider
Liquid Nitrogen Praxair N/A Local Provider
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Keywords: Protein-phosphoinositide InteractionsLabel-freeMembrane InteractionsPIP-on-a-chip AssayPDMSPhosphatidylcholinePhosphatidylinositol 45-bisphosphatePH-sensitive Fluorescent ProbeLipid VesiclesLabel-free MonitoringBiologically RelevantTherapeutic TargetsMembrane Proteins
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Shengjuler, D., Sun, S., Cremer, P. S., Cameron, C. E. PIP-on-a-chip: A Label-free Study of Protein-phosphoinositide Interactions. J. Vis. Exp. (125), e55869, doi:10.3791/55869 (2017).
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