실험 접근법은 미토콘드리아 현지화 및 핵 세포주기 키나제,는 Cdk1의 기능을 연구하는
Summary
Here, we outline how to study mitochondrial localization of a (cell cycle) kinase, and how to determine its sub-mitochondrial location as well as potential mitochondrial substrates/targets. Forced expression of proteins into the mitochondria provides a useful tool for studying the functional consequences of mitochondrial localization of a protein of interest.
Abstract
Although mitochondria possess their own transcriptional machinery, merely 1% of mitochondrial proteins are synthesized inside the organelle. The nuclear-encoded proteins are transported into mitochondria guided by their mitochondria targeting sequences (MTS); however, a majority of mitochondrial localized proteins lack an identifiable MTS. Nevertheless, the fact that MTS can instruct proteins to go into the mitochondria provides a valuable tool for studying mitochondrial functions of normally nuclear and/or cytoplasmic proteins. We have recently identified the cell cycle kinase CyclinB1/Cdk1 complex in the mitochondria. To specifically study the mitochondrial functions of this complex, mitochondrial overexpression and knock-down of this complex without interfering with its nuclear or cytoplasmic functions were essential. By tagging CyclinB1/Cdk1 with MTS, we were able to achieve mitochondrial overexpression of this complex to study its mitochondrial targets as well as functions. Via tagging dominant-negative Cdk1 with MTS, inhibition of Cdk1 activity was accomplished particularly in the mitochondria. Potential mitochondrial targets of CyclinB1/Cdk1 complex were identified using a gel-based proteomics approach. Unlike traditional 2D gel analysis, we employed 2-dimensional difference gel electrophoresis (2D-DIGE) technology followed by phosphoprotein staining to fluorescently label differentially phosphorylated proteins in mitochondrial Cdk1 expressing cells. Identification of phosphoprotein spots that were altered in wild type versus dominant negative Cdk1 bearing mitochondria revealed the identity of mitochondrial targets of Cdk1. Finally, to determine the effect of CyclinB1/Cdk1 mitochondrial localization in cell cycle progression, a cell proliferation assay using a synthetic thymidine analogue EdU (5-ethynyl-2′-deoxyuridine) was used to monitor the cells as they go through the cell cycle and replicate their DNA. Altogether, we demonstrated a variety of approaches available to study mitochondrial localization and activity of a cell cycle kinase. These are advanced, yet easy to follow methods that will be beneficial to many cell biology researchers.
Introduction
포유 동물에서 세포주기의 진행은 cyclins과 cyclin-dependent kinases (Cdks) 1에 의해 제어 높은 순서 이벤트에 따라 달라집니다. 그 세포질, 핵 및 centrosomal 지역화를 통해 CyclinB1 /는 Cdk1는 핵 봉투 고장 및 중심체 분리 2와 유사 분열에서 다양한 이벤트를 동기화 할 수 있습니다. CyclinB1 /는 Cdk1는 세포 사멸 (3)에 대해 유사 분열 세포를 보호하고 미토콘드리아 분열, 새로 형성된 딸 세포 4 미토콘드리아의 평등 한 분배를위한 중요한 단계를 촉진한다.
포유류 세포 증식에서 미토콘드리아 ATP 5 멀티 소단위 복합체로 구성되어 산화 적 인산화 (OXPHOS) 기계 (전자 전달계)를 통해 생성된다; 복잡한 I – 복잡한 V (CI-CV). 니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드 (NADH) : 유비 퀴논 산화 환원 효소 복잡한 I (CI)는 다섯 단지 (5)의 이해 최대 규모 이상이다. 복잡한 C45 서브 유닛의 14 onsists는 촉매 코어를 형성한다. 일단 복합 한 팔이 매트릭스 내부의 막에 매립 -6,7- 다른 아암에 돌출하여 L 자형 구조를 가정 조립. CI 단위체의 돌연변이는 미토콘드리아 장애 8의 다양한 원인이다. OXPHOS에서 기능적으로 효율적 CI는 전체 미토콘드리아 호흡 9, 또한 성공적인 세포주기 진행 10뿐만 아니라 필요합니다. 건강과 질병이 막 결합 효소 복합체의 기능을 기본 메커니즘을 해결했습니다 것은 소설 진단 절차 및 고급 치료 전략의 개발을 가능하게 할 수있다. 최근 연구에서는 CyclinB1 /는 Cdk1 착체 셀 중 셀 증가 에너지 요구를 상쇄하기 위해 GAP (2) G2 / (유사 분열) M 단계에서 미토콘드리아에 전위 시키며 잠재적으로, 미토콘드리아의 에너지 생산을 향상 CI 소단위 인산화 것을 발견 사이클 11. 여기에서 우리는 쇼실험 절차와 달리 핵 / 세포질 키나제의 미토콘드리아 전위을 연구하는데 사용될 수있는 전략들은 미토콘드리아 기질뿐만 아니라 예를 들어 CyclinB1 /는 Cdk1을 사용하여 미토콘드리아 지역화 기능적 결과 wcase.
필요한 미토콘드리아 고유의 과발현이 단지의 최저의 연구를 묻는 메시지가 나타나면 CyclinB1 /는 Cdk1 단지가 미토콘드리아로으로 전위 것을 발견. 단백질의 미토콘드리아 – 특이 적 발현을 달성하기 위하여, 하나는 관심있는 단백질의 N 말단에 미토콘드리아 타겟팅 서열 (MTS)을 추가 할 수있다. 시퀀스를 대상으로 미토콘드리아는 일반적으로 12있는 미토콘드리아에 미토콘드리아 단백질의 정렬을 할 수 있습니다. 우리는 CyclinB1 또는 적색 형광을 -tagged 인간 시토크롬 C 산화 효소 서브 유닛 8A (COX8)의 전구체에서 파생 된 87베이스 미토콘드리아 대상 시퀀스를 사용하여 녹색 형광 단백질 (GFP)로 그것을 복제 한단백질 (RFP)는는 Cdk1 프레임에 플라스미드를 포함 -tagged. 이 방법은 특히 핵 풀에 영향을주지 않고 이들 단백질의 미토콘드리아 표현을 변경, 우리가 미토콘드리아에 CyclinB1과는 Cdk1를 대상으로 할 수있었습니다. 형광이 단백질에 태그를 추가함으로써, 우리는 실시간으로 자신의 위치 파악을 모니터링 할 수 있었다. 마찬가지로, 우리는 우리가 구체적으로는 Cdk1의 미토콘드리아 표현과 기능을 노크 할 수 RFP 태그가 지배적 인 부정적인는 Cdk1 포함하는 플라스미드로 MTS를 도입했습니다. 는 Cdk1 같은 듀얼 현지화를 키나제의 미토콘드리아 및 핵 기능을 구별하는 것이 필수적이다. 이러한 이중 기능성 키나제의 N 말단에 MTS 공학이 사용될 쉽고 효과적인 다양한 전략을 제공한다.
는 Cdk1은 세포주기 키나제이므로,는 Cdk1은 미토콘드리아에 국소 때 세포주기 진행을 결정하는 기본이다. 이를 위해, 우리는 새로운 운전 방식을 이용했다D는 세포의 DNA 함량을 모니터한다. 전통적인 방법은 티미 딘으로 대체하는 세포주기의 S 단계에서 새로 합성 된 DNA 내로 통합 BrdU (브로 모데 옥시 우리 딘), 티미 딘의 합성 유사체를 포함하여. 이어서 적극적으로 DNA를 복제 세포는 항 BrdU의 항체를 이용하여 검출 될 수있다. 이 방법의 하나의 단점은, 결과 (13, 14) 사이의 불일치가 발생할 수 산 또는 열처리 등 열악한 방법에 의해 BrdU의 항체에 대한 액세스를 제공하는 DNA의 변성이 필요하다는 것이다. 대안 적으로, 우리는 다른 티미 딘 유사체, 듀와 적극적 분할 셀을 모니터링하는 유사한 방법을 이용했다. 중성 세제를 처리 새로 합성 된 DNA에 EDU에 액세스 할 수있는 검출 시약을 가능으로 에듀 검출 거친 DNA 변성을 필요로하지 않습니다. 듀 방법보다 신뢰성 일관된 높은 처리량 분석 15 가능성이 입증되었다.
마지막으로, tO는 Cdk1의 미토콘드리아 기질을 결정, 우리는 고전 이차원 전기 영동의 향상된 버전 2D-DIGE라는 프로테오믹스 도구를 사용했다. 두 차원 전기 영동은 두 번째의 첫 번째 차원과 분자량에서의 등전점에 따라 단백질을 분리한다. 이러한 인산화와 같은 번역 후 변형은 단백질의 등전점과 분자량을 결정하므로, 2D 겔 상이한 샘플 내 단백질의 인산화 상태의 차이를 검출 할 수있다. 단백질의 크기 (면적 강도)는 다수의 샘플들 사이의 양적 비교를 허용하는 단백질의 발현 수준의 변화 스폿. 이 방법을 사용하여, 우리는 돌연변이 미토콘드리아 타겟팅는 Cdk1 발현 세포에 비해 야생형에서 인산화 단백질을 구별 할 수 있었다. 야생형에 보여하지만 미토콘드리아 타겟 돌연변이는 Cdk1 준비에 누락 된 특정 단백질 관광 명소 격리하고,질량 분석을 통해 확인 하였다.
전통적인 2D 젤에서 트리 페닐 메탄 염료 겔 단백질을 가시화하기 위해 사용된다. 2D-DIGE 단백질 전기 영동 이동성에 최소한의 효과 형광 단백질 라벨을 사용합니다. 다른 단백질 시료는 다른 형광 염료를 함께 혼합 한 겔 (16)상의 복수의 샘플 공동 전기 있도록, 동일한 겔에 의해 분리로 표지 될 수있다. 이 겔 기반 프로테오믹스 연구에서 중요한 문제이다 겔을 겔 변형을 최소화한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
다른 세포 내 소기관으로 향하는 단백질 마찬가지로 미토콘드리아 표적 단백질은 정교한 단백질 전좌 접지기 (21, 22)의 도움 소기관에 직접 일차 또는 이차 구조 내의 표적 신호를 갖는다. 이러한 COX8 같은 독점적으로 미토콘드리아 상주 단백질에서 얻은 시퀀스 (MTS)을 대상으로 미토콘드리아는 미토콘드리아 11,23,24에 특정 단백질을 대상으로하는 유전자 서열의 N 말단에 추가 할 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH grants CA133402, CA152313 and Department of Energy Office of Science DE-SC0001271. We thank the University of California Davis Flow Cytometry Shared Resource Laboratory with funding from the NCI P30 CA0933730, and NIH NCRR C06-RR12088, S10 RR12964 and S10 RR 026825 grants and with technical assistance from Ms. Bridget McLaughlin and Mr. Jonathan Van Dyke for their help with the flow cytometry experiments.
Materials
| 32P ATP | PerkinElmer | BLU002001MC | |
| Anti-mouse secondary antibody | Invitrogen | A-11003 | Alexa-546 conjugated |
| Anti-rabbit secondary antibody | Invitrogen | A11029 | Alexa-488 conjugated |
| ATP | Research Organics | 1166A | For in vitro kinase assay |
| Cdk1 antibody | Cell Signaling Technology | 9112 | |
| Cdk1 kinase buffer | New England Biolabs | P6020S | |
| Click-iT EdU Alexa Fluor 488 Imaging Kit | Life Technologies | C10337 | For cell cycle analysis with EdU labeling |
| COX IV antibody | Cell Signaling Technology | 4844S | For mitochondrial immunostaining |
| Cyclin B1 antibody | Santa Cruz Biotech | sc-752 | |
| CyclinB1/Cdk1 enzyme complex | New England Biolabs | P6020S | Avoid freeze/thaw |
| CyDye DIGE Fluor Labeling Kit | GE Healthcare Life Sciences | 25-8009-83 | |
| DIGE Gel and DIGE Buffer Kit | GE Healthcare Life Sciences | 28-9480-26 AA | |
| Dimethylformamide | Sigma Aldrich | 319937 | DMF |
| Dithiothreitol | Bio-Rad | 161-0611 | DTT |
| dNTP | EMD Millipore | 71004 | For site-directed mutagenesis |
| Dpn I enzyme | Stratagene | 200519-53 | For site-directed mutagenesis |
| Dry Strip cover fluid | GE Healthcare Life Sciences | 17-1335-01 | Used as mineral oil |
| EDTA | J.T. Baker | 4040-03 | |
| EGTA | Acros Organics | 409910250 | |
| Eppendorf Vacufuge Concentrator | Fisher Scientific | 07-748-13 | Used as vacuum centrifuge concentrator |
| Fluoromount G | Southern Biotech | 0100-01 | Anti-fade mounting solution |
| Fortessa Flow Cytometer | BD Biosciences | 649908 | For cell cycle analysis with EdU labeling |
| Histone H1 | Calbiochem | 382150 | For in vitro kinase assay |
| QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 | For purifying DNA fragments from agarose gels |
| Immobiline DryStrip Gels | GE Healthcare Life Sciences | 18-1016-61 | IEF (isoelectric focusing) strips |
| Immobilized Glutathione | Thermo Scientific | 15160 | Glutathione-agarose beads |
| Iodoacetamide | Sigma Aldrich | I1149 | IAA |
| IPGphor 3 Isoelectric Focusing Unit | GE Healthcare Life Sciences | 11-0033-64 | IPGphor strip holders |
| Isopropyl-b-D-thio-galactopyranoside | RPI Corp | 156000-5.0 | IPTG |
| Leupeptin | Sigma Aldrich | L9783 | For cell lysis buffer |
| Lipofectamine 2000 | Life Technologies | 11668027 | Transfection reagent |
| Lysine | Sigma Aldrich | L5501 | For CyDye labeling |
| Lysozyme | EMD Chemicals | 5960 | |
| Mitoctracker Red/Green | Invitrogen | M7512/M7514 | Mitochondrial fluorescent dyes |
| MOPS | EMD Chemicals | 6310 | |
| pEGFP-N1 | Clonetech | 6085-1 | GFP-expressing vector |
| Pfu | Stratagene | 600-255-52 | |
| pGEX-5X-1 | GE Healthcare Life Sciences | 28-9545-53 | GST-expressing vector |
| Phenylmethylsulfonyl fluoride | Shelton Scientific | IB01090 | PMSF |
| Phosphate buffered saline | Life Technologies | 14040 | PBS |
| Spectra/Por 4 dialysis tubing | Spectrum Labs | 132700 | as porous membrane tubing for dialysis |
| Pro-Q Diamond Phosphoprotein Gel Stain | Life Technologies | P-33300 | For staining phosphoproteins on 2D gels |
| Proteinase inhibitor cocktail | Calbiochem | 539134 | For cell lysis buffer |
| QuikChange site-directed mutagenesis kit | Stratagene | 200519-5 | |
| QIAprep Spin Miniprep Kit | Qiagen | 27104 | MiniPrep Plasmid Isolation Kit |
| RO-3306 | Alexis Biochemicals | 270-463-M001 | Cdk1 inhibitor |
| Rotenone | MP Biomedicals | 150154 | Complex I inhibitor |
| Sodium carbonate | Fisher Scientific | S93359 | |
| Sodium chloride | EMD Chemicals | SX0420-5 | For cell lysis buffer |
| Sodium orthovanadate | MP Biomedicals | 159664 | For cell lysis buffer |
| Sodium pyrophosphate decahydrate | Alfa Aesar | 33385 | For cell lysis buffer |
| Sodium β-glycerophosphate | Alfa Aesar | L03425 | For cell lysis buffer |
| SpectraMax M2e | Molecular Devices | M2E | Microplate reader |
| Sucrose | Fisher Scientific | 57-50-1 | |
| Tissue Grinder pestle | Kimble Chase | 885301-0007 | For mitochondria isolation |
| Tissue Grinder tube | Kimble Chase | 885303-0007 | For mitochondria isolation |
| Trichloroacetic acid solution | Sigma Aldrich | T0699 | TCA |
| Tris | MP Biomedicals | 103133 | |
| Triton-x-100 | Teknova | T1105 | |
| Trypsin | Calbiochem | 650211 | |
| Typhoon Imager | GE Healthcare Life Sciences | 28-9558-09 | Laser gel scanner fro 2D-DIGE |
| Ubiquinone | Sigma Aldrich | C7956 |
Referências
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