Summary

En kolorimetrisk analyse som spesifikt Måler granzyme B Proteolytisk aktivitet: Hydrolyse av Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl

Published: November 28, 2014
doi:

Summary

We describe a simple, quantitative colorimetric assay that specifically measures the proteolytic activity of human, mouse or rat Granzyme B (GzmB). This protocol can be easily adapted for determining protease activity of other granule serine proteases by the hydrolysis of other synthetic peptide substrates with an appropriate recognition sequence.

Abstract

The serine protease Granzyme B (GzmB) mediates target cell apoptosis when released by cytotoxic T lymphocytes (CTL) or natural killer (NK) cells. GzmB is the most studied granzyme in humans and mice and therefore, researchers need specific and reliable tools to study its function and role in pathophysiology. This especially necessitates assays that do not recognize proteases such as caspases or other granzymes that are structurally or functionally related. Here, we apply GzmB’s preference for cleavage after aspartic acid residues in a colorimetric assay using the peptide thioester Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl. GzmB is the only mammalian serine protease capable of cleaving this substrate. The substrate is cleaved with similar efficiency by human, mouse and rat GzmB, a property not shared by other commercially available peptide substrates, even some that are advertised as being suitable for this purpose. This protocol is demonstrated using unfractionated lysates from activated NK cells or CTL and is also suitable for recombinant proteases generated in a variety of prokaryotic and eukaryotic systems, provided the correct controls are used. This assay is a highly specific method to ascertain the potential pro-apoptotic activity of cytotoxic molecules in mammalian lymphocytes, and of their recombinant counterparts expressed by a variety of methodologies.

Introduction

Granzymes er en familie av serin-proteaser som finnes i de sekretoriske lysosomer av naturlige dreper (NK) celler og cytotoksiske T-lymfocytter (CTL) 1. Fem forskjellige granzymes eksistere hos mennesker (A, B, H, K og M), og ti i mus (A – G, K, M og N) 2,3. Granzyme A og granzyme B (GzmA, GzmB) er den mest tallrike og har blitt grundig undersøkt i den menneskelige og gnager setting.

Den klassiske funksjonen til GzmB er induksjon av apoptose i målceller som utføres i forbindelse med den pore-dannende protein perforin, som tillater granzyme å få tilgang til målcellen cytosol 4. Selv GzmB uttrykk er utvetydig funnet i cytotoksiske lymfocytter, har nyere studier er adressering en rekke andre GzmB-uttrykke celletyper, inkludert men ikke begrenset til keratinocytter 5, basofile 6, mastceller 7, plasmacytoid dendrittiske celler 8 og B-celler 9, 10.I denne sammenheng ble ikke-apoptotiske GzmB funksjoner avslørt alt fra deltakelse i inflammatoriske prosesser, vev ombygging og andre immunregulerende egenskaper 11-14.

Gitt at en bredere biologiske rolle har blitt foreslått for GzmB enn tidligere mistenkt, forskere krever pålitelige og konkrete verktøy for deteksjon sin. Av fordel er GzmB spesifikke krav for å spalte på karboksylsiden av asparaginsyrerester, bolig unike blant eukaryote serinproteaser 15. Mus, menneske og rotte GzmB er strukturelt svært like, men det utvidede substrat spesifisitet mus GzmB forskjellig diskret fra den til både human og rotte 16, noe som betyr at visse generelle substrater med Asp på terminalen (P1) kan spaltes effektivt ved GzmB fra alle tre arter, kan mens andre substrater med mer kompliserte sekvenser oppstrøms av P1 gi allment variable resultater. I både fortid og nyere literature, har dette faktum forårsaket betydelig forvirring og feiltolkning av den biologiske betydningen av noen eksperimentelle funn, selv om nøye kontrollert, har kinetiske studier søkt å rette opp situasjonen 17.

I denne artikkelen har vi forsøkt å illustrere disse punkter ved bruk av to kommersielt tilgjengelige substrater, nemlig Boc-Ala-Ala-Asp-SBzl og N-acetyl-Ile-Glu-Pro-Asp-p-nitroanilid. De to reagenser gjøre generere ulike reaktive grupper etter cleavage (en gratis sulfhydryl versus et fluorescerende gratis paranitroanilide), men dette har ingen effekt uansett på proteolysespalting. Den beskrevne protokollen er en moderne tilpasning av en svært gammel protokoll 18, men skal hjelpe etterforskerne å bruke de ulike GzmB underlag hensiktsmessig, samtidig gir en metodisk rammeverk for å oppdage aktiviteten til andre granzymes, for eksempel GzmA og GzmH.

Protocol

MERK: Milter ble avledet fra mus (6-10 ukers alder) og alle dyreforsøk ble utført i henhold til de dyreetiske retningslinjer Peter MacCallum Cancer Centre (E486). 1. Klargjøring av prøver. Fremstilling av aktiverte NK-celler mus. Isolere primære naive NK-celler fra encellede suspensjoner av milten av C57BL / 6 eller B6.GrzmB – / – (GzmB genet null) mus ved negativ seleksjon ved bruk av kommersielle kits. Følg produsentens protokoll. I korthet, mag…

Representative Results

Den Boc-AAD-S Bzl-substrat er spesifikk for GzmB Serin protease GzmB er en viktig bestanddel av cytotoksiske lymfocytter (CTL og NK-celler), og er hovedsakelig ansvarlig for å indusere hurtig apoptotisk død i målceller, slik som virus-infiserte eller transformerte celler. Dette skyldes i stor grad sin underlaget preferanse for spalting etter visse spesifikke aspartat rester i utvalgte proteiner, delte et attributt med kaspaser, som også spalter etter aspartat rester men …

Discussion

Historisk har granzymes ble identifisert som viktige effektor molekyler av cytotoksiske lymfocytter (CTL og NK-celler) som er i stand til å indusere en hurtig apoptotisk død i målceller. Dette skyldes i hovedsak virkningen av GzmB, som kløyvde mål substratmolekyler på aspartat (D) rester og dermed var i stand til å aktivere caspase kaskade av begge spalte pro-kaspaser, samt flere av sine nedstrøms mål. Imidlertid er det nå forstås at GzmB ekspresjon ikke er begrenset til lymfoide cytotoksiske celler, og dens …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work received support through grant HA 6136/1-1 from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) to MH. JAT is supported by Program and Project Grants from the National Health and Medical Research Council of Australia.

Materials

Product Company Catalogue number Comment/description
Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl SM Biochemicals LLC, CA SMSB05 Granzyme B substrate (mouse and human)
Ac-IEPD-pNA  SM Biochemicals LLC, CA SMPNA009 Granzyme B substrate (only human)
N-a-CBZ-L-lysine-S-Bzl Sigma-Aldrich C3647 Granzyme A substrate
Suc-Phe-Leu-Phe-S-Bzl SM Biochemicals LLC, CA SB025 Granzyme H substrate
5,5’-dithio-bis(2-nitrobenzoic acid)  Sigma-Aldrich D8130  DTNB, Ellman’s Reagent
NK cell isolation kit II mouse Miltenyi Biotec GmbH 130-096-892 negative selection kit
NK cell isolation kit human Miltenyi Biotec GmbH 130-092-657 negative selection kit
Plate reader Biorad iMark Biorad Microplate Manager Software Version MPM6.3
Serocluster U-bottom vinyl 96-well plate Corning, MA, USA 2797

Referências

  1. Trapani, J. A., Browne, K. A., Dawson, M., Smyth, M. J. Immunopurification of functional Asp-ase (natural killer cell granzyme B) using a monoclonal antibody). Biochem Biophys Res Commun. 195 (2), 910-920 (1993).
  2. Ewen, C. L., Kane, K. P., Bleackley, R. C. A quarter century of granzymes. Cell Death Differ. 19 (1), 28-35 (2012).
  3. Hoves, S., Trapani, J. A., Voskoboinik, I. The battlefield of perforin/granzyme cell death pathways. J Leukoc Biol. , (2009).
  4. Peters, P. J., et al. Cytotoxic T lymphocyte granules are secretory lysosomes, containing both perforin and granzymes. J Exp Med. 173 (5), 1099-1109 (1991).
  5. Berthou, C., et al. Acquisition of granzyme B and Fas ligand proteins by human keratinocytes contributes to epidermal cell defense. J Immunol. 159 (11), 5293-5300 (1997).
  6. Tschopp, C. M., et al. Granzyme B, a novel mediator of allergic inflammation: its induction and release in blood basophils and human asthma. Blood. 108 (7), 2290-2299 (2006).
  7. Strik, M. C., et al. Human mast cells produce and release the cytotoxic lymphocyte associated protease granzyme B upon activation. Mol Immunol. 44 (14), 3462-3472 (2007).
  8. Jahrsdorfer, B., et al. Granzyme B produced by human plasmacytoid dendritic cells suppresses T cell expansion. Blood. , (2009).
  9. Hagn, M., et al. Human B cells secrete granzyme B when recognizing viral antigens in the context of the acute phase cytokine IL-21. J Immunol. 183 (3), 1838-1845 (2009).
  10. Hagn, M., et al. Human B cells differentiate into granzyme B-secreting cytotoxic B lymphocytes upon incomplete T-cell help. Immunol Cell Biol. 90 (4), 457-467 (2012).
  11. Froelich, C. J., Pardo, J., Simon, M. M. Granule-associated serine proteases: granzymes might not just be killer proteases. Trends Immunol. 30 (3), 117-123 (2009).
  12. Hagn, M., Jahrsdorfer, B. Why do human B cells secrete granzyme B? Insights into a novel B-cell differentiation pathway. Oncoimmunology. 1 (8), 1368-1375 (2012).
  13. Susanto, O., Trapani, J. A., Brasacchio, D. Controversies in granzyme biology. Tissue Antigens. 80 (6), 477-487 (2012).
  14. Walch, M., et al. Cytotoxic cells kill intracellular bacteria through granulysin-mediated delivery of granzymes. Cell. 157 (6), 1309-1323 (2014).
  15. Odake, S., et al. Human and murine cytotoxic T lymphocyte serine proteases: subsite mapping with peptide thioester substrates and inhibition of enzyme activity and cytolysis by isocoumarins. Bioquímica. 30 (8), 2217-2227 (1991).
  16. Casciola-Rosen, L., et al. Mouse and human granzyme B have distinct tetrapeptide specificities and abilities to recruit the bid pathway. J Biol Chem. 282 (7), 4545-4552 (2007).
  17. Kaiserman, D., et al. The major human and mouse granzymes are structurally and functionally divergent. J Cell Biol. 175 (4), 619-630 (2006).
  18. Powers, J. C., Kam, C. M. Peptide thioester substrates for serine peptidases and metalloendopeptidases. Methods Enzymol. 248, 3-18 (1995).
  19. Hagn, M., et al. Activated mouse B cells lack expression of granzyme. B. J Immunol. 188 (2), 3886-3892 (2012).
  20. Konjar, S., et al. Human and mouse perforin are processed in part through cleavage by the lysosomal cysteine proteinase cathepsin L. Immunology. 131 (2), 257-267 (2010).
  21. Sutton, V. R., et al. Residual active granzyme B in cathepsin C-null lymphocytes is sufficient for perforin-dependent target cell apoptosis. J Cell Biol. 176 (4), 425-433 (2007).
  22. Trapani, J. A., Smyth, M. J., Apostolidis, V. A., Dawson, M., Browne, K. A. Granule serine proteases are normal nuclear constituents of natural killer cells. J Biol Chem. 269 (28), 18359-18365 (1994).
  23. Cullen, S. P., Adrain, C., Luthi, A. U., Duriez, P. J., Martin, S. J. Human and murine granzyme B exhibit divergent substrate preferences. J Cell Biol. 176 (4), 435-444 (2007).
  24. Thornberry, N. A., et al. A combinatorial approach defines specificities of members of the caspase family and granzyme B. Functional relationships established for key mediators of apoptosis. J Biol Chem. 272 (29), 17907-17911 (1997).
  25. Bird, C. H., et al. Selective regulation of apoptosis: the cytotoxic lymphocyte serpin proteinase inhibitor 9 protects against granzyme B-mediated apoptosis without perturbing the Fas cell death pathway. Mol Cell Biol. 18 (11), 6387-6398 (1998).
  26. Bots, M., Medema, J. P. Serpins in T cell immunity. J Leukoc Biol. 84 (5), 1238-1247 (2008).
  27. Sun, J., et al. A new family of 10 murine ovalbumin serpins includes two homologs of proteinase inhibitor 8 and two homologs of the granzyme B inhibitor (proteinase inhibitor 9). J Biol Chem. 272 (24), 15434-15441 (1997).
  28. Bird, C. H., Hitchen, C., Prescott, M., Harper, I., Bird, P. I. Immunodetection of granzyme B tissue distribution and cellular localisation. Methods Mol Biol. 844, 237-250 (2012).
  29. Jenkins, M. R., et al. Visualizing CTL activity for different CD8+ effector T cells supports the idea that lower TCR/epitope avidity may be advantageous for target cell killing. Cell Death Differ. 16 (4), 537-542 (2009).
  30. Edwards, K. M., Kam, C. M., Powers, J. C., Trapani, J. A. The human cytotoxic T cell granule serine protease granzyme H has chymotrypsin-like (chymase) activity and is taken up into cytoplasmic vesicles reminiscent of granzyme B-containing endosomes. J Biol Chem. 274 (43), 30468-30473 (1999).
  31. Sutton, V. R., et al. Initiation of apoptosis by granzyme B requires direct cleavage of bid, but not direct granzyme B-mediated caspase activation. J Exp Med. 192 (10), 1403-1414 (2000).
check_url/pt/52419?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Hagn, M., Sutton, V. R., Trapani, J. A. A Colorimetric Assay that Specifically Measures Granzyme B Proteolytic Activity: Hydrolysis of Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl. J. Vis. Exp. (93), e52419, doi:10.3791/52419 (2014).

View Video