Protein abundance reflects the rates of both protein synthesis and protein degradation. This article describes the use of cycloheximide chase followed by western blotting to analyze protein degradation in the model unicellular eukaryote, Saccharomyces cerevisiae (budding yeast).
Regulering af protein overflod er afgørende for næsten alle cellulære proces. Protein overflod afspejler integrationen af satserne for proteinsyntese og proteinnedbrydning. Mange analyser rapportering på protein overflod (f.eks single-tidspunkt western blotting, flowcytometri, fluorescens mikroskopi, eller vækst-baserede reporter analyser) tillader ikke diskrimination af de relative effekter af oversættelse og proteolyse på protein niveauer. I denne artikel beskrives anvendelsen af cycloheximid chase efterfulgt af western blotting til specifikt at analysere proteinnedbrydning i modellen encellede eukaryot, Saccharomyces cerevisiae (knopskydende gær). I denne procedure, er gærceller inkuberes i nærvær af den translationelle inhibitor cycloheximid. Portioner af celler opsamles umiddelbart efter og ved specifikke tidspunkter efter tilsætning af cycloheximid. Cellerne lyseres, og lysaterne adskilles ved polyacrylamidgelelektroforese for Western blot-analyse af protein overflod på hvert tidspunkt. Proceduren for cycloheximid chase tillader visualisering af nedbrydningsprodukterne kinetik steady state population af en række cellulære proteiner. Proceduren kan anvendes til at undersøge de genetiske krav til og miljømæssige påvirkninger af proteinnedbrydning.
Proteiner udfører livsvigtige funktioner i næsten alle cellulære proces. Mange fysiologiske processer kræver tilstedeværelsen af et specifikt protein (eller proteiner) i en bestemt periode eller under særlige omstændigheder. Organismer derfor overvåge og regulere protein overflod at opfylde cellulære behov 1. For eksempel cycliner (proteiner, der styrer celledeling) er til stede på specifikke faser af cellecyklussen, og tabet af regulerede cyclin niveauer har været forbundet med malign tumordannelse 2. Ud over at regulere protein niveauer for at opfylde cellulære behov, celler ansætte nedbrydende kontrolmekanismer, som kan eliminere forkert foldede, ikke samlede eller på anden måde afvigende proteinmolekyler 3. Kontrol af protein overflod involverer regulering af både makromolekylær syntese (transskription og translation) og nedbrydning (RNA forfald og proteolyse). Nedsat eller overdreven protein nedbrydning bidrager til flere patologier, Herunder cancer, cystisk fibrose, neurodegenerative tilstande, og cardiovaskulære lidelser 4-8. Proteolytiske mekanismer udgør derfor lovende terapeutiske mål for en række sygdomme 9-12.
Analyse af proteiner på et enkelt tidspunkt (fx ved Western blot 13, flowcytometri 14, eller fluorescensmikroskopi 15) giver et øjebliksbillede af steady state-protein overflod uden at afsløre de relative bidrag af syntese eller nedbrydning. Ligeledes vækst-baserede reporter analyser afspejler steady state protein niveauer over en længere tidsperiode uden at forskelsbehandle de påvirkninger af syntese og nedbrydning 15-20. Det er muligt at udlede bidrag nedbrydende processer til steady state protein niveauer ved at sammenligne overflod før og efter at hæmme specifikke komponenter af nedbrydende mekanisme (fx ved farmakologisk inaktivere proteasome 21 eller banke ud et gen hypotese at være nødvendig for nedbrydning 13). En ændring i steady state protein niveauer efter at hæmme nedbrydningsveje giver stærke beviser for bidrag proteolyse til kontrol af protein overflod 13. Men en sådan analyse stadig ikke give oplysninger om kinetikken af protein omsætning. Cycloheximid chase efterfulgt af western blotting overvinder disse svagheder ved at tillade forskerne at visualisere protein nedbrydning over tid 22-24. Da endvidere proteinpåvisning følgende cycloheximid chase typisk udføres ved western blotting, radioaktive isotoper og langvarige immunpræcipitation trin er ikke påkrævet for cycloheximid chase i modsætning til mange almindeligt anvendte puls chase teknikker, som også udføres for at visualisere proteinnedbrydning 25.
Cycloheximid blev først identificeret som en forbindelse med anti-fungal korrektbånd fremstillet af gram-positiv bakterie Streptomyces griseus 26,27. Det er en celle-gennemtrængelig molekyle, der specifikt hæmmer eukaryote cytosol (men ikke organellar) oversættelse ved at ændre ribosomal translokation 28-31. I et cycloheximid chase eksperiment cycloheximid tilsat til cellerne, og alikvoter af celler opsamles straks og ved specifikke tidspunkter efter tilsætning af forbindelse 22. Cellerne lyseres, og protein overflod ved hvert tidspunkt analyseres, typisk ved western blot. Fald i protein overflod efter tilsætning af cycloheximid kan trygt tilskrives proteinnedbrydning. En ustabil protein vil falde i overflod med tiden, mens et relativt stabilt protein vil udvise en lille ændring i overflod.
Mekanismer af selektiv proteinnedbrydning er blevet stærkt bevaret hele Eukarya. Meget af hvad man ved om protein nedbrydning blev først lært imodellen encellede eukaryot, Saccharomyces cerevisiae (knopskydende gær) 25,32-36. Undersøgelser med gær sandsynligvis fortsat levere nye og vigtige indsigt i protein nedbrydning. Fremgangsmåde til cycloheximid chase i gærceller, efterfulgt af Western blot-analyse af protein overflod præsenteres her.
I dette papir, er en fremgangsmåde til at analysere protein nedbrydningskinetik fremlagt. Denne teknik kan let påføres til en række proteiner nedbrydes af en række mekanismer. Det er vigtigt at bemærke, at cycloheximid chase rapporterer om nedbrydningskinetik af steady state pulje af et givet protein. Andre teknikker kan anvendes til at analysere nedbrydningskinetik specifikke populationer af proteiner. For eksempel kan nedbrydende skæbne nascente polypeptider spores af pulse chase analyse 55. I sådan…
The authors have nothing to disclose.
The authors thank current and former members of the Rubenstein lab for providing a supportive and enthusiastic research environment. The authors thank Mark Hochstrasser (Yale University) for sharing reagents and expertise. E.M.R. thanks Stefan Kreft (University of Konstanz) and Jennifer Bruns (University of Pittsburgh) for sharing invaluable expertise in kinetic analysis of proteins. This work was supported by a National Institutes of Health grant (R15 GM111713) to E.M.R., a Ball State University ASPiRE research award to E.M.R, a research award from the Ball State University chapter of Sigma Xi to S.M.E., and funds from the Ball State University Provost’s Office and Department of Biology.
Desired yeast strains, plasmids, standard medium and buffer components | |||
Disposable borosilicate glass tubes | Fisher Scientific | 14-961-32 | Available from a variety of manufacturers |
Temperature-regulated incubator (e.g. Heratherm Incubator Model IMH180) | Dot Scientific | 51028068 | Available from a variety of manufacturers |
New Brunswick Interchangeable Drum for 18 mm tubes (tube roller) | New Brunswick | M1053-0450 | A tube roller is recommended to maintain overnight starter cultures of yeast cells in suspension. Alternatively, if a tube roller is unavailable, a platform shaker in a temperature-controlled incubator may be used for overnight starter cultures. A platform shaker or tube roller may be used to maintain larger cultures in suspension. |
New Brunswick TC-7 Roller Drum 120V 50/60 H | New Brunswick | M1053-4004 | For use with tube roller |
SmartSpec Plus Spectrophotometer | Bio-Rad | 170-2525 | Available from a variety of manufacturers |
Centrifuge 5430 | Eppendorf | 5427 000.216 | Rotor that is sold with unit holds 1.5- and 2.0-ml microcentrifuge tubes. Rotor may be swapped for one that holds 15- and 50-ml conical tubes |
Fixed-Angle Rotor F-35-6-30 with Lid and Adapters for Centrifuge Model 5430/R, 15/50 mL Conical Tubes, 6-Place | Eppendorf | F-35-6-30 | |
15-ml screen printed screw cap tube 17 x 20 mm conical, polypropylene | Sarstedt | 62.554.205 | Available from a variety of manufacturers |
1.5-ml flex-tube, PCR clean, natural microcentrifuge tubes | Eppendorf | 22364120 | Available from a variety of manufacturers |
Analog Dri-Bath Heaters | Fisher Scientific | 1172011AQ | It is recomended that two heaters are available (one for incubating cells during cycloheximide treatment and one for boiling lysates to denature proteins). Alternatively, 30 °C water bath may be used for incubation of cells in the presence of cycloheximide. Boiling water bath with hot plate may altertnatively be used to denature proteins. |
Heating block for 12 x 15-ml conical tubes | Fisher Scientific | 11-473-70 | For use with Dri-Bath Heater during incubation of cells in the presence of cycloheximide. |
Heating block for 20 x 1.5-ml conical tubes | Fisher Scientific | 11-718-9Q | For use with Dri-Bath Heater to boil lysates for protein denaturation. |
SDS-PAGE running and transfer apparatuses, power supplies, and imaging equipment or darkrooms for SDS-PAGE and transfer to membrane | Will vary by lab and application | ||
Western blot imaging system (e.g. Li-Cor Odyssey CLx scanner and Image Studio Software) | Li-Cor | 9140-01 | Will vary by lab and application |
EMD Millipore Immobilon PVDF Transfer Membranes | Fisher Scientific | IPFL00010 | Will vary by lab and application |
Primary antibodies (e.g. Phosphoglycerate Kinase (Pgk1) Monoclonal antibody, mouse (clone 22C5D8)) | Life Technologies | 459250 | Will vary by lab and application |
Secondary antibodies (e.g. Alexa-Fluor 680 Rabbit Anti-Mouse IgG (H+L)) | Life Technologies | A-21065 | Will vary by lab and application |