Protokollen presenterer en metode for å isolere hele celleprotein lysater fra dissekerte museembryo ansiktsprosesser eller dyrket mus embryonale palatal mesenchyme celler og utføre påfølgende vestlig blotting for å vurdere fosforylatert protein nivåer.
Pattedyr kraniofacial utvikling er en kompleks morfologisk prosess der flere cellepopulasjoner koordinerer for å generere frontonasal skjelettet. Disse morfologiske endringene initieres og opprettholdes gjennom ulike signalinteraksjoner, som ofte inkluderer proteinfosforylering av kinaser. Her gis to eksempler på fysiologisk relevante sammenhenger for å studere fosforylering av proteiner under pattedyr kraniofacial utvikling: muse ansiktsbehandlingsprosesser, spesielt E11,5 maksillære prosesser, og kultivert mus embryonale palatalmesenchyme celler avledet fra E13,5 sekundære palatalhyller. For å overvinne den vanlige barrieren for defosforylering under proteinisolasjon, diskuteres tilpasninger og modifikasjoner til standard laboratoriemetoder som muliggjør isolering av fosfoproteiner. I tillegg er beste praksis gitt for riktig analyse og kvantifisering av fosfoproteiner etter vestlig blotting av hele celleproteinlysater. Disse teknikkene, spesielt i kombinasjon med farmakologiske hemmere og/eller muringenetiske modeller, kan brukes til å få større innsikt i dynamikken og rollene til ulike fosfoproteiner som er aktive under kraniofacial utvikling.
Pattedyr kraniofacial utvikling er en kompleks morfologisk prosess der flere cellepopulasjoner koordinerer for å generere frontonasal skjelettet. I musen begynner denne prosessen på embryonal dag (E) 9,5 med dannelsen av frontonasal prominens og par av maksillære og mandibulære prosesser, som hver inneholder postmigrerende kraniale nevrale kamceller. De laterale og mediale neseprosessene oppstår fra frontonasal prominens med utseendet på nesegravene og til slutt smelter sammen for å danne neseborene. Videre smelter mediale neseprosesser og maksillære prosesser sammen for å generere overleppen. Samtidig initieres palatogenesis med dannelsen av forskjellige utvekster – de sekundære palatalhyllene – fra den muntlige siden av maksillære prosesser på E11,5. Over tid vokser palasshyllene nedover på hver side av tungen, løfter seg til en motsatt posisjon over tungen, og til slutt smelter de sammen ved midtlinjen for å danne en kontinuerlig gane som skiller nese- og munnhulene med E16,51.
Disse morfologiske endringene gjennom kraniofacial utvikling er initiert og opprettholdt gjennom ulike signalinteraksjoner, som ofte inkluderer proteinfosforylering av kinases. For eksempel er cellemembranreseptorer, som underfamilier av transformerende vekstfaktor (TGF)-β reseptorer, inkludert benmorfogenetiske proteinreseptorer (BMPRs) og ulike reseptor tyrosinkinasefamilier (RTK), autofosforylert ved ligandbinding og aktivering i kranial nevrale kamceller 2,3,4 . I tillegg blir G protein-koblet transmembranreseptor Smoothened fosforylert i kranial nevrale kamceller og kraniofacial ektoderm nedstrøms for Sonic pinnsvin (SHH) ligandbinding til Patched1-reseptoren, noe som resulterer i glattet akkumulering ved ciliary membranen og SHH-baneaktivering5. Slike ligandreseptorinteraksjoner kan forekomme gjennom autokriminelle, parakrine- og/eller jukstakrinsignalering i kraniofaciale sammenhenger. For eksempel er BMP6 kjent for å signalisere på en autocrine måte under kondrocyttdifferensiering6, mens fibroblast vekstfaktor (FGF) 8 uttrykkes i pharyngeal arch ectoderm og binder seg til medlemmer av FGF-familien av RTK uttrykt i pharyngeal arch mesenchyme på en paracrine måte for å initiere mønster og utvekst av pharyngeal buer7, 8,9,10. Videre aktiveres Notch-signalering i både kondrocytter og osteoblaster under kraniofacial skjelettutvikling gjennom jukstakrinsignalering når transmembrane Delta og/eller Taggete ligander binder seg til transmembrane Notch-reseptorer på nærliggende celler, som senere spaltes og fosforyllatert11. Imidlertid er det andre ligand- og reseptorpar som er viktige for kraniofacial utvikling som har fleksibilitet til å fungere i både autocrine og paracrine signalering. Som et eksempel, under murin tannmorfogenese, har blodplate-avledet vekstfaktor (PDGF)-AA ligand vist seg å signalisere på en autocrine måte å aktivere RTK PDGFRα i emaljeorganet epitel12. I murine ansiktsbehandlingsprosesser under midten av svangerskapet uttrykkes transkripsjoner som koder ligandene PDGF-AA og PDGF-CC i kraniofacial etoderm, mens PDGFRα-reseptoren uttrykkes i den underliggende kranial nevrale kam-avledede mesenchymen, noe som resulterer iparakrinesignalering 13,14,15,16,17 . Uavhengig av signalmekanismen resulterer disse reseptorfosforyleringshendelsene ofte i rekruttering av adapterproteiner og / eller signalmolekyler, som ofte blir fosforylert selv for å initiere intracellulære kinasekaskader som mitogenaktivert proteinkinase (MAPK) sti18,19.
Terminalens intracellulære effektorer av disse kaskadene kan deretter fosforylere en rekke substrater, for eksempel transkripsjonsfaktorer, RNA-bindende, cytoskeletale og ekstracellulære matriseproteiner. Runx220, Hand121, Dlx3/5 22,23,24, Gli1-3 25 og Sox926 er blant transkripsjonsfaktorene fosforylert i sammenheng med kraniofacial utvikling. Denne postoversettelsesendringen (PTM) kan direkte påvirke følsomheten for alternative PTMer, dimerisering, stabilitet, spalting og/eller DNA-bindende affinitet, blant annetaktiviteter på 20,21,25,26. I tillegg er det RNA-bindende proteinet Srsf3 fosforylert i sammenheng med kraniofacial utvikling, noe som fører til kjernefysisk translokasjon27. Generelt har fosforylering av RNA-bindende proteiner vist seg å påvirke deres subcellulære lokalisering, proteinproteininteraksjoner, RNA-binding og / eller sekvensspesifikkitet28. Videre kan fosforylering av actomyosin føre til cytoskeletale omorganiseringer gjennom kraniofacial utvikling29,30, og fosforylering av ekstracellulære matriseproteiner, som små integrinbindende ligand N-koblede glykoproteiner, bidrar til biomineralisering under skjelettutvikling31. Gjennom ovennevnte og mange andre eksempler er det tydelig at det er store implikasjoner for proteinfosforylering under kraniofacial utvikling. Ved å legge til et ekstra reguleringsnivå, moduleres proteinfosforylering ytterligere av fosfater, som motvirker kinaser ved å fjerne fosfatgrupper.
Disse fosforyleringshendelsene på både reseptor- og effektormolekylnivåene er avgjørende for forplantning av signalveier og resulterer til slutt i endringer i genuttrykk i kjernen, som driver spesifikke celleaktiviteter, for eksempel migrasjon, spredning, overlevelse og differensiering, noe som resulterer i riktig dannelse av pattedyrets ansikt. Gitt kontekstspesifisiteten av proteininteraksjoner med kinaser og fosfater, de resulterende endringene i PTMer, og deres effekter på celleaktivitet, er det avgjørende at disse parametrene studeres i en fysiologisk relevant setting for å få full forståelse av bidraget av fosforyleringshendelser til kraniofacial utvikling. Her gis eksempler på to sammenhenger for å studere fosforylering av proteiner og dermed aktivering av signalveier under pattedyr kraniofacial utvikling: muse ansiktsbehandlingsprosesser, spesielt E11.5 maksillære prosesser, og kultivert mus embryonale palatalmesenchymeceller avledet fra E13.5 sekundære palatalhyller – både primær32 og udødeliggjort33. . På E11.5 er de maksillære prosessene i ferd med å fusjonere med laterale og mediale neseprosesser1, og representerer dermed et kritisk tidspunkt under musekraniofacial utvikling. Videre ble maksillære prosesser og celler avledet fra palatalhyllene valgt her fordi de sistnevnte strukturene er derivater av førstnevnte, og dermed gir forskerne muligheten til å forhøre proteinfosforylering in vivo og in vitro i relaterte sammenhenger. Denne protokollen gjelder imidlertid også for alternative ansiktsprosesser og utviklingstidspunkter.
Et kritisk problem med å studere fosforylaterte proteiner er at de lett defosforeres under proteinisolasjon ved rikelig miljøfosfatase. For å overvinne denne barrieren diskuteres tilpasninger og modifikasjoner til standard laboratoriemetoder som muliggjør isolering av fosforylaterte proteiner. I tillegg er beste praksis gitt for riktig analyse og kvantifisering av fosforylaterte proteiner. Disse teknikkene, spesielt i kombinasjon med farmakologiske hemmere og/eller murine genetiske modeller, kan brukes til å få større innsikt i dynamikken og rollene til ulike signalveier som er aktive under kraniofacial utvikling.
Protokollen beskrevet her gjør det mulig for forskere å granske kritiske fosforyleringsavhengige signalhendelser under kraniofacial utvikling på en robust og reproduserbar måte. Det er flere kritiske trinn i denne protokollen som sikrer riktig innsamling av data og analyse av resultater. Enten du isolerer fosfoproteiner fra muse ansiktsprosesser og / eller dyrket palatal mesenchyme celler, er det viktig å bevege seg raskt og effektivt mens du holder alle reagenser og materialer på is når det er angitt. Den lave te…
The authors have nothing to disclose.
129S4 mus var en gave fra Dr. Philippe Soriano, Icahn School of Medicine ved Mount Sinai. Dette arbeidet ble støttet med midler fra National Institutes of Health (NIH)/National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) R01 DE027689 og K02 DE028572 til K.A.F., F31 DE029976 til M.A.R. og F31 DE029364 til B.J.C.D.
Equipment | |||
Block for mini dry bath | Research Products International Corp | 400783 | |
ChemiDoc XRS+ imaging system with Image Lab software | Bio-Rad | 1708265 | chemiluminescence imager |
CO2 incubator, air jacket | VWR | 10810-902 | |
Dissecting board, 11 x 13 in | Fisher Scientific | 09 002 12 | |
Electrophoresis cell, 4-gel, for mini precast gels with mini trans-blot module | Bio-Rad | 1658030 | |
Hybridization oven | Fisher Scientific | UVP95003001 | |
Microcentrifuge 5415 D with F45-24-11 rotor (Eppendorf) | Sigma Aldrich | Z604062 | |
Mini dry bath | Research Products International Corp | 400780 | |
Orbital shaker | VWR | 89032-092 | |
pH meter | VWR | 89231-662 | |
Power supply for SDS-PAGE | Bio-Rad | 1645050 | |
Rectangular ice pan, maxi 9 L | Fisher Scientific | 07-210-093 | |
Stemi 508 stereo microscope with stand K LAB, LED ring light | Zeiss | 4350649020000000 | dissecting microscope |
Timer | VWR | 62344-641 | |
Tube revolver | Fisher Scientific | 11 676 341 | |
Vortex mixer | Fisher Scientific | 02 215 414 | |
Water bath | VWR | 89501-472 | |
Western blot box | Fisher Scientific | NC9358182 | |
Materials | |||
Cell culture dishes, 6 cm | Fisher Scientific | 12-565-95 | |
Cell culture plates, 12 well | Fisher Scientific | 07-200-82 | |
Cell lifters | Fisher Scientific | 08-100-240 | |
CO2 | Airgas | CD USP50 | |
Conical tubes, polypropylene, 50 mL | Fisher Scientific | 05-539-13 | |
Dumont #5 fine forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Embryo spoon | Fine Science Tools | 10370-17 | |
Microcentrifuge tubes, 0.5 mL | VWR | 89000-010 | |
Microcentrifuge tubes, 1.5 mL | VWR | 20170-038 | |
Pasteur pipet, 5.75" | Fisher Scientific | 13-678-6A | |
Pasteur pipet, 9" | VWR | 14672-380 | |
Petri dishes, 10 cm | Fisher Scientific | 08-757-100D | |
Petri dishes, 35 mm | Fisher Scientific | FB0875711YZ | |
Pouches, transparent, polyethylene lining | Fisher Scientific | 01-812-25B | |
PVDF membrane | Fisher Scientific | IPVH00010 | |
Semken forceps | Fine Science Tools | 11008-13 | |
Small latex bulb, 2 mL | VWR | 82024-554 | |
Surgical scissors | Fine Science Tools | 14002-12 | |
Syringe filter, 25 mm, 0.2 μm pore size | Fisher Scientific | 09-740-108 | |
Syringe with luer tip, 10 mL | VWR | BD309604 | |
Transfer pipet | Fisher Scientific | 13-711-22 | |
Western blot cassette opening lever | Bio-Rad | 4560000 | |
Whatmann 3MM chr chromatography paper | Fisher Scientific | 05-714-5 | |
Reagents | |||
4-15% Precast protein gels, 10-well, 30 µL | Bio-Rad | 4561083 | |
β-glycerophosphate disodium salt hydrate | Sigma Aldrich | G5422-25G | stock concentration 1 M |
β-mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M3148-100ML | |
Bovine serum albumin, fraction V, heat shock tested | Fisher Scientific | BP1600-100 | |
Bromophenol blue | Fisher Scientific | AC403140050 | |
Complete mini protease inhibitor cocktail | Sigma Aldrich | 11836153001 | stock concentration 25x |
DC protein assay kit II | Bio-Rad | 500-0112 | |
DMEM, high glucose | Gibco | 11965092 | |
E7, mouse monoclonal beta tubulin primary antibody, concentrate 0.1 mL | Developmental Studies Hybridoma Bank | E7 | 1:1,000 |
ECL western blotting substrate | Fisher Scientific | PI32106 | low picogram range |
ECL western blotting substrate | Genesee Scientific | 20-302B | low femtogram range |
Electrophoresis buffer, 5 L | Bio-Rad | 1610772 | stock concentration 10x |
Ethanol, 200 proof, 1 gallon | Decon Laboratories, Inc. | 2705HC | EtOH |
Ethylenediaminetetraacetic acid, Di Na salt dihydr. (crystalline powd./electrophor.) | Fisher Scientific | BP120-500 | EDTA |
Fetal bovine serum, characterized, US origin, 500 mL | HyClone | SH30071.03 | |
Glycerol (certified ACS) | Fisher Scientific | G33-4 | |
HRP-conjugated secondary antibody, goat anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 115-035-146 | 1:20,000 |
HRP-conjugated secondary antibody, goat anti-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 111-035-003 | 1:20,000 |
Hydrochloric acid solution, 6N (certified) | Fisher Scientific | SA56-500 | HCl |
Igepal Ca – 630 non-ionic detergent | Fisher Scientific | ICN19859650 | Nonidet P-40 |
Isopropanol (HPLC) | Fisher Scientific | A451-1 | |
L-glutamine | Gibco | 25030081 | stock concentration 200 mM |
Methanol | Fisher Scientific | A454-4 | |
p44/42 MAPK (Erk1/2) primary antibody | Cell Signaling Technology | 9102S | 1:1,000; anti-Erk1/2 |
PDGF-BB recombinant ligand, rat | Fisher Scientific | 520BB050 | |
PDGF Receptor β primary antibody | Cell Signaling Technology | 3169S | 1:1,000 |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | stock concentration 100 U/mL, 100 µg/mL |
Phenylmethanesulfonyl fluoride, 99% | Fisher Scientific | AC215740100 | PMSF; stock concentration 100 mM |
Phospho-p44/42 MAPK (Erk1/2) primary antibody | Cell Signaling Technology | 9101S | 1:1,000, anti-phospho-Erk1/2 |
Phospho-PDGF Receptor α /PDGF Receptor β primary antibody | Cell Signaling Technology | 3170S | 1:1,000 |
Potassium chloride (white crystals) | Fisher Scientific | BP366-500 | KCl |
Potassium phosphate monobasic (white crystals) | Fisher Scientific | BP362-500 | KH2PO4 |
SDS solution, 10% | Bio-Rad | 161-0416 | |
Sodium chloride (crystalline/biological,certified) | Fisher Scientific | S671-3 | NaCl |
Sodium fluoride (powder/certified ACS) | Fisher Scientific | S299-100 | NaF; aliquot for one time use; stock concentration 1 M |
Sodium orthovanadate, 99% | Fisher Scientific | AC205330500 | Na3VO4; stock concentration 100 mM |
Sodium phosphate dibasic anhydrous (granular or powder/certified ACS) | Fisher Scientific | S374-500 | Na2HPO4 |
Tissue culture PBS | Fisher Scientific | 21-031-CV | |
Transfer buffer, 5 L | Bio-Rad | 1610771 | stock concentration 10x |
Tris base (white crystals or crystalline powder/molecular biology) | Fisher Scientific | BP152-1 | |
Trypsin | BioWorld | 21560033 | |
Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
Western blot molecular weight marker | Bio-Rad | 1610374 | |
Software | |||
ImageJ software | National Institutes of Health | ||
Animals | |||
Female 129S4 mice | gift of Dr. Philippe Soriano, Icahn School of Medicine at Mount Sinai |