Summary

Analyse av Cap-bindende proteiner i humane celler eksponert for Fysiologiske oksygenforholdene

Published: December 28, 2016
doi:

Summary

Here, we present human cell culture protocols to analyze translation initiation factors that bind the 5′ cap of mRNA during physiological oxygen conditions. This method utilizes an Agarose-linked m7GTP cap analog and is suitable to investigate cap-binding factors and their interacting partners.

Abstract

Translational control is a focal point of gene regulation, especially during periods of cellular stress. Cap-dependent translation via the eIF4F complex is by far the most common pathway to initiate protein synthesis in eukaryotic cells, but stress-specific variations of this complex are now emerging. Purifying cap-binding proteins with an affinity resin composed of Agarose-linked m7GTP (a 5′ mRNA cap analog) is a useful tool to identify factors involved in the regulation of translation initiation. Hypoxia (low oxygen) is a cellular stress encountered during fetal development and tumor progression, and is highly dependent on translation regulation. Furthermore, it was recently reported that human adult organs have a lower oxygen content (physioxia 1-9% oxygen) that is closer to hypoxia than the ambient air where cells are routinely cultured. With the ongoing characterization of a hypoxic eIF4F complex (eIF4FH), there is increasing interest in understanding oxygen-dependent translation initiation through the 5′ mRNA cap. We have recently developed a human cell culture method to analyze cap-binding proteins that are regulated by oxygen availability. This protocol emphasizes that cell culture and lysis be performed in a hypoxia workstation to eliminate exposure to oxygen. Cells must be incubated for at least 24 hr for the liquid media to equilibrate with the atmosphere within the workstation. To avoid this limitation, pre-conditioned media (de-oxygenated) can be added to cells if shorter time points are required. Certain cap-binding proteins require interactions with a second base or can hydrolyze the m7GTP, therefore some cap interactors may be missed in the purification process. Agarose-linked to enzymatically resistant cap analogs may be substituted in this protocol. This method allows the user to identify novel oxygen-regulated translation factors involved in cap-dependent translation.

Introduction

Translasjonell kontroll fremstår som en like viktig skritt for å transcriptional regulering i genuttrykk, særlig i perioder med cellulært stress en. Et samlingspunkt oversettelse kontroll er på hastighetsbegrensende trinn i initiering hvor de første trinnene av proteinsyntese involverer binding av eukaryote initiering faktor 4E (eIF4E) til 7-methylguanosine (m 7 GTP) 5 'cap av mRNA 2 . eIF4E er en del av en trimere kompleks kalt eIF4F som inkluderer eIF4A, en RNA helicase, og eIF4G, et stillas protein nødvendig for rekruttering av andre oversettelses faktorer og 40S ribosom tre. Under normale fysiologiske forhold, er det store flertallet av mRNA oversettes ved hjelp av en hette-avhengig mekanisme, men under perioder av cellulært stress omtrent 10% av humane mRNA inneholde 5 'UTR som kan tillate cap-uavhengig oversettelses intiation 1,4. Cap-avhengige oversettelsen har vært historisk synonymOUS med eIF4F, men stress-spesifikke variasjoner av eIF4F har blitt en trending topic 5-8.

Ulike cellulære påkjenninger føre eIF4E aktivitet for å bli undertrykt via mammalian target of rapamycin kompleks 1 (mTORC1). Denne kinase blir svekket under stress, noe som resulterer i økt aktivitet av ett av sine mål, 4E-bindende protein (4E-BP). Non-fosforylert 4E-BP binder seg til eIF4E og blokkerer dens evne til å samhandle med eIF4G forårsaker undertrykkelse av cap-avhengige oversettelse 9,10. Interessant, en homolog av eIF4E heter eIF4E2 (eller 4EHP) har en mye lavere affinitet for 4E-BP 11, kanskje slik at det å unngå belastning-mediert represjon. Faktisk, først karakterisert som en repressor av oversettelse på grunn av sin mangel på interaksjon med eIF4G 12, initierer eIF4E2 oversettelsen av hundrevis av mRNA som inneholder RNA hypoksi responselementer i sin 3 'UTR under hypoksiske stresset 6,13. Denne aktiveringen is oppnås gjennom interaksjoner med eIF4G3, RNA-bindende protein motiv 4, og den hypoksi induserbar faktor (HIF) 2α for å utgjøre en hypoksisk eIF4F kompleks, eller eIF4F H 6,13. Som en repressor under normale forhold, binder eIF4E2 med GIGYF2 og ZNF598 14. Disse kompleksene ble delvis identifisert ved agarose-koblede m 7 GTP affinitet harpikser. Denne klassiske metoden 15 er standard innen oversettelse og er de beste og mest brukte teknikk for å isolere cap-bindende komplekser i trekke ned og in vitro bindingsanalyser 16-19. Etter hvert som hetten avhengige oversettelse maskineri fremstår som fleksibel og tilpasningsdyktig med innbyrdes skiftende deler 6-8,13, er denne metoden et kraftig verktøy for raskt å identifisere nye cap-bindende proteiner som er involvert i den stressrespons. Videre variasjoner i eIF4F kunne ha bred betydning som flere eukaryote modellsystemer synes å bruke en eIF4E2 homolog for stressresponser slikesom A. thaliana 20, S. pombe 21, D. melanogaster 22, og C. elegans 23.

Tyder på at variasjoner i eIF4F ikke kan være strengt begrenset til stress forhold, men være involvert i normal fysiologi 24. Oksygentilførselen til vevene (ved kapillær ender) eller i vev (målt via mikroelektroder) varierer fra 2-6% i hjernen 25, 3-12% i lungene 26, 3,5-6% i tarmen 27, 4% i leveren 28, 7-12% i nyrene 29, 4% i muskel 30, og 6-7% i benmargen 31. Celler og mitokondrier inneholder mindre enn 1,3% oksygen 32. Disse verdiene er mye nærmere hypoksi enn den omgivende luft, hvor cellene rutinemessig dyrket. Dette tyder på at det tidligere var tenkt som hypoksi-spesifikke cellulære prosesser kan være relevant i en fysiologisk innstilling. Interessant, eIF4F og eIF4F H </sup> delta aktivt i oversettelsen initiering av ulike bassenger eller klasser av mRNA i flere forskjellige humane cellelinjer som er utsatt for fysiologisk oksygen eller "physioxia" 24. Lavt oksygen driver også riktig fosterutvikling 33 og celler generelt har høyere spredning priser, lengre levetid, mindre DNA skader og mindre generell stressresponser i physioxia 34. Derfor er eIF4F H sannsynligvis en viktig faktor i ekspresjon av utvalgte gener under fysiologiske betingelser.

Her gir vi en protokoll for å dyrke celler i anleggs fysiologiske oksygenforholdene eller i et dynamisk varierende utvalg som sannsynligvis mer representativt for vev microenvironments. En fordel med denne metoden er at cellene blir lysert i hypoksi arbeidsstasjonen. Det er ikke ofte klart hvordan overgangen fra hypoksisk cellekultur til cellelysering blir utført i andre protokoller. Celler blir ofte først fjernes fra en liten hypoksi inkubator bliforgrunnen lyse, men dette eksponering for oksygen kan påvirke biokjemiske reaksjonsveier som den cellulære responsen til oksygen er rask (ett eller to min) 35. Visse cap-bindende proteiner krever samhandling med andre base eller kan hydrolysere m 7 GTP, derfor noen cap interactors kan være savnet i renseprosessen. Agarose-bundet til enzymatisk resistente cap analoger kan være substituert i denne protokollen. Utforsking av aktivitet og sammensetning av eIF4F H og andre varianter av eIF4F gjennom metoden beskrevet her vil belyse intrikate genuttrykk machineries at celler benytter under fysiologiske forhold eller stressresponser.

Protocol

1. Forberedelser for Cell Culture Kjøp kommersielt tilgjengelige aksjer på menneskeceller. MERK: Denne protokollen benytter HCT116 tykktarmskreft og primære humane nyre proksimale tubulære epitelceller (HRPTEC). Gjør 500 ml medium for kultur av HCT116: Dulbeccos Modified Eagle Medium (DMEM) / høy glukose-medium supplert med 7,5% føtalt bovint serum (FBS) og 1% penicillin / streptomycin (P / S). Gjør 500 ml medium for kultur av HRPTEC: epithelial cell medium supplementert med…

Representative Results

Analyse av Cap-bindende evne i Response til Oxygen av eIF4E og eIF4E2 i en m 7 GTP Affinity Column Figurene 1 og 2 representerer western blot av typiske m 7 GTP affinitetsrensing av to hoved cap-bindende proteiner som reaksjon på oksygen svingninger i to humane cellelinjer: primære humane proksimale nyretubuli epitelceller (HRPTEC) i F igur 1 og kolorektal…

Discussion

Analysen av cap-bindende proteiner i humane celler utsettes for fysiologiske oksygenbetingelser kan gi rom for identifisering av nye oksygen regulert translasjonsinitiering faktorer. Affiniteten av disse faktorene for den 5 'cap av mRNA eller andre cap-assosierte proteiner kan måles ved styrken av deres tilknytning til 7 m GTP bundne agarosekuler. En påminnelse med denne teknikken er at den måler hetten bindende potensial av proteiner post-lysis, men den utføres under ikke-denaturerende betingelser so…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Natural Sciences and Engineering Council of Canada and the Ontario Ministry of Research and Innovation.

Materials

γ-aminophenyl-m7GTP agarose C10-linked beads Jena Bioscience AC-1555 Agarose-linked m7GTP
100 mm culture dish Corning 877222 10-cm culture dish
150 mm culture dish Thermofisher 130183 15-cm culture dish
AEBSF Hydrochloride ACROS Organics A0356829 AEBSF
Agarose Beads Jena Bioscience  AC-0015 Agarose bead control
Bromophenol Blue Fisher BP112-25 Component of SDS-PAGE loading buffer
1.5 mL Centrifuge Tubes FroggaBio 1210-00S Used to centrifuge small volumes
15 mL Conical Centrifuge Tubes Fisher 1495970C Used in culturing primary cells
Defined trypsin inhibitor Fisher R007100 DTI
Dithiothreital Fisher BP172-25 DTT
Epithelial cell medium (complete kit) ScienCell 4101 Includes serum and growth factor supplements)
Glycerol Fisher BP229-1 Component of SDS-PAGE loading buffer
100 mM Guanosine 5'-triphosphate, 1 mL Jena Bioscience 272076-0251M GTP
HCT116 colorectal carcinoma ATCC CCL-247 Human cancer cell line
Human renal proximal tubular epithelial cells ATCC PCS-400-010 HRPTEC
Hyclone DMEM/High Glucose GE Life Sciences SH30022.01 Standard media for human cell culture
Hyclone Penicillin-Streptomycin solution GE Life Sciences SV30010 Antibiotic component of DMEM
H35 HypOxystation Hypoxygen N/A Hypoxia workstation
Igepal CA-630 MP Biomedicals 2198596 Detergent component of lysis buffer
Monopotassium phosphate Fisher P288-500 KH2PO4
Potassium chloride Fisher P217-500 KCl
Magnesium chloride Fisher M33-500 MgCl2
Sodium chloride Fisher BP358-10 NaCl
Sodium fluoride Fisher 5299-100 NaF (phosphatase inhibitor component of lysis buffer)
Disodium phosphate Fisher 5369-500 Na2HPO4
Premium Grade Fetal Bovine Serum Seradigm 1500-500 FBS
Protease Inhibitor Cocktail (100 x) Cell Signalling 58715 Component of lysis buffer
Sodium Dodecyl Sulfate Fisher BP166-100 SDS
Sodium Orthovanadate Sigma 56508 Na3VO4
Tris Base Fisher BP152-5 Component of buffers
0.05% Trypsin-EDTA (1x) Life Technologies 2500-067 Trypsin used to detach adherent cells

Referências

  1. Holcik, M., Sonenberg, N. Translational control in stress and apoptosis. Nat Rev Mol Cell Biol. 6 (4), 318-327 (2005).
  2. Sonenberg, N., Hinnebusch, A. G. Regulation of translation initiation in eukaryotes: mechanisms and biological targets. Cell. 136 (4), 731-745 (2009).
  3. Gingras, A. C., Raught, B., Sonenberg, N. eIF4 initiation factors: effectors of mRNA recruitment to ribosomes and regulators of translation. Annu Rev Biochem. 68, 913-963 (1999).
  4. Weingarten-Gabbay, S., et al. Comparative genetics. Systematic discovery of cap-independent translation sequences in human and viral genomes. Science. 351 (6270), (2016).
  5. Andreev, D. E., et al. Oxygen and glucose deprivation induces widespread alterations in mRNA translation within 20 minutes. Genome Biol. 16, 90 (2015).
  6. Ho, J. J., et al. Systemic Reprogramming of Translation Efficiencies on Oxygen Stimulus. Cell Rep. 14 (6), 1293-1300 (2016).
  7. Shatsky, I. N., Dmitriev, S. E., Andreev, D. E., Terenin, I. M. Transcriptome-wide studies uncover the diversity of modes of mRNA recruitment to eukaryotic ribosomes. Crit Rev Biochem Mol Biol. 49 (2), 164-177 (2014).
  8. Ho, J. J., Lee, S. A Cap for Every Occasion: Alternative eIF4F Complexes. Trends Biochem Sci. , (2016).
  9. Lin, T. A., et al. PHAS-I as a link between mitogen-activated protein kinase and translation initiation. Science. 266 (5185), 653-656 (1994).
  10. Richter, J. D., Sonenberg, N. Regulation of cap-dependent translation by eIF4E inhibitory proteins. Nature. 433 (7025), 477-480 (2005).
  11. Tee, A. R., Tee, J. A., Blenis, J. Characterizing the interaction of the mammalian eIF4E-related protein 4EHP with 4E-BP1. FEBS Lett. 564 (1-2), 58-62 (2004).
  12. Rom, E., et al. Cloning and characterization of 4EHP, a novel mammalian eIF4E-related cap-binding protein. J Biol Chem. 273 (21), 13104-13109 (1998).
  13. Uniacke, J., et al. An oxygen-regulated switch in the protein synthesis machinery. Nature. 486 (7401), 126-129 (2012).
  14. Morita, M., et al. A novel 4EHP-GIGYF2 translational repressor complex is essential for mammalian development. Mol Cell Biol. 32 (17), 3585-3593 (2012).
  15. Webb, N. R., Chari, R. V., DePillis, G., Kozarich, J. W., Rhoads, R. E. Purification of the messenger RNA cap-binding protein using a new affinity medium. Bioquímica. 23 (2), 177-181 (1984).
  16. Kiriakidou, M., et al. An mRNA m7G cap binding-like motif within human Ago2 represses translation. Cell. 129 (6), 1141-1151 (2007).
  17. Mazza, C., Segref, A., Mattaj, I. W., Cusack, S. Large-scale induced fit recognition of an m(7)GpppG cap analogue by the human nuclear cap-binding complex. EMBO J. 21 (20), 5548-5557 (2002).
  18. Nojima, T., Hirose, T., Kimura, H., Hagiwara, M. The interaction between cap-binding complex and RNA export factor is required for intronless mRNA export. J Biol Chem. 282 (21), 15645-15651 (2007).
  19. Pabis, M., Neufeld, N., Shav-Tal, Y., Neugebauer, K. M. Binding properties and dynamic localization of an alternative isoform of the cap-binding complex subunit CBP20. Nucleus. 1 (5), 412-421 (2010).
  20. Ruud, K. A., Kuhlow, C., Goss, D. J., Browning, K. S. Identification and characterization of a novel cap-binding protein from Arabidopsis thaliana. J Biol Chem. 273 (17), 10325-10330 (1998).
  21. Ptushkina, M., et al. A second eIF4E protein in Schizosaccharomyces pombe has distinct eIF4G-binding properties. Nucleic Acids Res. 29 (22), 4561-4569 (2001).
  22. Cho, P. F., et al. A new paradigm for translational control: inhibition via 5′-3′ mRNA tethering by Bicoid and the eIF4E cognate 4EHP. Cell. 121 (3), 411-423 (2005).
  23. Dinkova, T. D., Keiper, B. D., Korneeva, N. L., Aamodt, E. J., Rhoads, R. E. Translation of a small subset of Caenorhabditis elegans mRNAs is dependent on a specific eukaryotic translation initiation factor 4E isoform. Mol Cell Biol. 25 (1), 100-113 (2005).
  24. Timpano, S., Uniacke, J. Human Cells Cultured Under Physiological Oxygen Utilize Two Cap-binding Proteins to Recruit Distinct mRNAs for Translation. J Biol Chem. , (2016).
  25. Dings, J., Meixensberger, J., Jager, A., Roosen, K. Clinical experience with 118 brain tissue oxygen partial pressure catheter probes. Neurosurgery. 43 (5), 1082-1095 (1998).
  26. Le, Q. T., et al. An evaluation of tumor oxygenation and gene expression in patients with early stage non-small cell lung cancers. Clin Cancer Res. 12 (5), 1507-1514 (2006).
  27. Muller, M., et al. Effects of desflurane and isoflurane on intestinal tissue oxygen pressure during colorectal surgery. Anaesthesia. 57 (2), 110-115 (2002).
  28. Brooks, A. J., Eastwood, J., Beckingham, I. J., Girling, K. J. Liver tissue partial pressure of oxygen and carbon dioxide during partial hepatectomy. Br J Anaesth. 92 (5), 735-737 (2004).
  29. Muller, M., et al. Renocortical tissue oxygen pressure measurements in patients undergoing living donor kidney transplantation. Anesth Analg. 87 (2), 474-476 (1998).
  30. Richardson, R. S., et al. Human skeletal muscle intracellular oxygenation: the impact of ambient oxygen availability. J Physiol. 571 (Pt 2), 415-424 (2006).
  31. Harrison, J. S., Rameshwar, P., Chang, V., Bandari, P. Oxygen saturation in the bone marrow of healthy volunteers. Blood. 99 (1), 394 (2002).
  32. Gleadle, J., Ratcliffe, P. . Hypoxia. , (2001).
  33. Gluckman, E., et al. Hematopoietic reconstitution in a patient with Fanconi’s anemia by means of umbilical-cord blood from an HLA-identical sibling. N Engl J Med. 321 (17), 1174-1178 (1989).
  34. Parrinello, S., et al. Oxygen sensitivity severely limits the replicative lifespan of murine fibroblasts. Nat Cell Biol. 5 (8), 741-747 (2003).
  35. Jewell, U. R., et al. Induction of HIF-1alpha in response to hypoxia is instantaneous. FASEB J. 15 (7), 1312-1314 (2001).
  36. Newby, D., Marks, L., Lyall, F. Dissolved oxygen concentration in culture medium: assumptions and pitfalls. Placenta. 26 (4), 353-357 (2005).
  37. Towbin, H., Staehelin, T., Gordon, J. Electrophoretic transfer of proteins from polyacrylamide gels to nitrocellulose sheets: procedure and some applications. Proc Natl Acad Sci U S A. 76 (9), 4350-4354 (1979).
  38. Haghighat, A., Mader, S., Pause, A., Sonenberg, N. Repression of cap-dependent translation by 4E-binding protein 1: competition with p220 for binding to eukaryotic initiation factor-4E. EMBO J. 14 (22), 5701-5709 (1995).
  39. Pyronnet, S., et al. Human eukaryotic translation initiation factor 4G (eIF4G) recruits mnk1 to phosphorylate eIF4E. EMBO J. 18 (1), 270-279 (1999).
  40. Okumura, F., Zou, W., Zhang, D. E. ISG15 modification of the eIF4E cognate 4EHP enhances cap structure-binding activity of 4EHP. Genes Dev. 21 (3), 255-260 (2007).
  41. Kedersha, N., et al. Evidence that ternary complex (eIF2-GTP-tRNA(i)(Met))-deficient preinitiation complexes are core constituents of mammalian stress granules. Mol Biol Cell. 13 (1), 195-210 (2002).
  42. Gu, M., et al. Insights into the structure, mechanism, and regulation of scavenger mRNA decapping activity. Mol Cell. 14 (1), 67-80 (2004).
  43. Szczepaniak, S. A., Zuberek, J., Darzynkiewicz, E., Kufel, J., Jemielity, J. Affinity resins containing enzymatically resistant mRNA cap analogs–a new tool for the analysis of cap-binding proteins. RNA. 18 (7), 1421-1432 (2012).
  44. Joshi, B., Cameron, A., Jagus, R. Characterization of mammalian eIF4E-family members. Eur J Biochem. 271 (11), 2189-2203 (2004).
check_url/pt/55112?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Timpano, S., Melanson, G., Evagelou, S. L., Guild, B. D., Specker, E. J., Uniacke, J. Analysis of Cap-binding Proteins in Human Cells Exposed to Physiological Oxygen Conditions. J. Vis. Exp. (118), e55112, doi:10.3791/55112 (2016).

View Video