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Biologia

タンパク質分解中のシクロヘキシミドチェイス分析<em>サッカロマイセス・セレビシエ</em

Published: April 18, 2016
doi:
10.3791/53975
, , ,
1Department of Biology,Ball State University, 2Bioproduct Research & Development,Eli Lilly and Company

Summary

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).

Abstract

タンパク質存在量の調節は、事実上すべての細胞プロセスに不可欠です。タンパク質の存在量は、タンパク質合成およびタンパク質分解の速度の統合を反映しています。多くのタンパク質存在量に関するレポートアッセイ（ 例えば 、単一の時点ウェスタンブロッティング、フローサイトメトリー、蛍光顕微鏡、または増殖に基づくレポーターアッセイ）は、タンパク質レベルでの翻訳とタンパク質分解の相対的効果の差別を許しません。この記事では、具体的には、モデル単細胞真核生物、 サッカロマイセス・セレビシエ （出芽酵母）にタンパク質分解を分析するためのウェスタンブロッティングに続いてシクロヘキシミドチェイスの使用を記載しています。この手順では、酵母細胞は、翻訳阻害剤シクロヘキシミドの存在下でインキュベートされます。細胞のアリコートを後シクロヘキシミドの添加後の特定の時点ですぐに収集されます。細胞を溶解し、そして溶解物を、ポリアクリルアミドゲル電気泳動によって分離されるFO各時点でのタンパク質量のウェスタンブロット分析をrは。シクロヘキシミドチェイス手順は、種々の細胞タンパク質の定常状態の人口の分解動態の可視化を可能にします。手順は、タンパク質分解のための遺伝的要件および環境の影響を調査するために使用することができます。

Introduction

タンパク質は、事実上すべての細胞プロセスにおいて重要な機能を実行します。多くの生理学的プロセスは時間のまたは特定の状況下で定義された期間に特定のタンパク質（またはタンパク質）の存在を必要とします。生物は、したがって、監視および携帯ニーズ1を満たすために、タンパク質存在量を調節します。例えば、サイクリン（細胞分裂を調節するタンパク質）は、細胞周期の特定の相に存在し、規制サイクリンレベルの損失は、悪性腫瘍の形成2に関連しています。細胞のニーズを満たすためにタンパク質レベルを調節することに加えて、細胞は、誤って折り畳まれ、組み立てられていない、またはそうでなければ異常なタンパク質分子3を除去するために分解品質管理機構を採用します。タンパク質存在量の制御は、巨大分子の合成（転写および翻訳）および分解（RNAの崩壊とタンパク質分解）の両方の調節を伴います。障害または過剰なタンパク質分解は、複数の病理に貢献します、癌、嚢胞性線維症、神経変性疾患、および心血管障害4-8を含みます。タンパク質分解のメカニズムは、したがって、病気9-12の範囲のための有望な治療標的を表します。

単一時点でのタンパク質の分析は、（ 例えば 、ウェスタンブロットで13、フローサイトメトリー14、または蛍光顕微鏡15）の合成や分解の相対的な寄与を明らかにすることなく定常状態のタンパク質存在量のスナップショットを提供します。同様に、増殖に基づくレポーターアッセイは、合成および分解15~20の影響を区別することなく、長期間にわたる定常状態タンパク質レベルを反映します。前の存在量を比較することにより、薬理学的proteを不活性化することによって、例えば、分解機構（の特定の成分を阻害した後の定常状態タンパク質レベルの分解過程の寄与を推定することが可能ですasome 21または分解13に必要とされることが仮定遺伝子）をノックアウト。分解経路を阻害した後の定常状態のタンパク質レベルの変化は、タンパク質発現量13の制御にタンパク質分解の寄与のための強力な証拠を提供します。しかし、このような分析は、依然としてタンパク質代謝回転の動態に関する情報を提供していません。ウェスタンブロッティングに続いてシクロヘキシミドチェイスは、研究者は、時間22-24かけてタンパク質分解を視覚化することを可能にすることによって、これらの弱点を克服します。シクロヘキシミドチェイス以下のタンパク質の検出は、通常、ウエスタンブロット法、放射性同位体と長い免疫沈降ステップによって行われるためさらに、また、タンパク質分解25を可視化するために行われている多くの一般的に使用されるパルスチェイス技術とは異なり、シクロヘキシミドチェイスのために必要とされていません。

シクロヘキシミドは、最初の抗真菌適切有する化合物として同定されました26,27 グリセウスグラム陽性菌ストレプトミセスによって生成ネクタイ。これは、具体的には、リボソームの転位28-31を損なうことにより、真核生物の細胞質ゾル（しかしオルガネラない）翻訳を阻害する細胞透過性分子です。シクロヘキシミドチェイス実験において、シクロヘキシミドを細胞に添加し、細胞のアリコートを、化合物22の添加後すぐに、特定の時点で収集されます。細胞を溶解し、そして各時点でのタンパク質の存在量は、典型的には、ウェスタンブロットによって分析します。シクロヘキシミドの添加後のタンパク質存在量の減少は、自信を持って、タンパク質の分解に起因することができます。比較的安定したタンパク質が豊富でほとんど変化を示すであろうしながら、不安定なタンパク質は、時間をかけて豊富に減少します。

選択的なタンパク質分解のメカニズムは非常に真核生物を通じて保存されています。タンパク質分解について知られていることの多くは、最初に学習されましたモデル単細胞真核生物、 サッカロマイセス・セレビシエ （出芽酵母）25,32-36。酵母を用いた研究は、タンパク質分解に新規で重要な洞察を提供し続ける可能性が高いです。タンパク質量のウェスタンブロット分析を行った酵母細胞におけるシクロヘキシミド追跡するための方法がここに提示されています。

Protocol

酵母細胞の1成長と収穫内在性酵母タンパク質の分解速度を分析していない場合は、目的のタンパク質をコードするプラスミドを用いて、所望の酵母菌株（単数または複数）を変換します。酵母の形質転換のための信頼できる方法は、先37に記載されています。 適切な培地5mlに酵母を接種する（ 例えば、形質転換細胞または非形質転換細胞のための非選択的な酵?…

Representative Results

シクロヘキシミド追跡方法を説明するために、Deg1 -Sec62の安定性（ 図1）、モデル酵母の小胞体（ER）関連分解（ERAD）基板は、42〜44を分析しました。 ERADでは、品質管理ユビキチンリガーゼ酵素は共有結合ER膜に局在異常なタンパク質に小さなタンパク質のユビキチン鎖を取り付けます。このようなポリユビキチン化タンパク質は、その後、…

Discussion

この論文では、タンパク質分解の動態を分析するための方法が提供されます。この技術は、容易に様々なメカニズムにより分解タンパク質の範囲に適用することができます。シクロヘキシミドチェイス実験は、所定のタンパク質の定常状態プールの分解速度について報告することに留意することが重要です。他の技術は、タンパク質の特定の集団の分解速度を分析するために使用されてもよ?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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
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Protein DegradationSaccharomyces CerevisiaeCycloheximide ChaseEndogenous ProteinPlasmid-expressed ProteinOptical DensityMid-logarithmic GrowthHeat BlockStop MixCell LysisProtein Denaturation

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Buchanan, B. W., Lloyd, M. E., Engle, S. M., Rubenstein, E. M. Cycloheximide Chase Analysis of Protein Degradation in Saccharomyces cerevisiae. J. Vis. Exp. (110), e53975, doi:10.3791/53975 (2016).
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