הערכה של יוביקוויטילציה של מצע על ידי E3 יוביקוויטין-ליגאז בליסאטים של תאי יונקים
Summary
אנו מספקים פרוטוקול מפורט לבדיקת יוביקוויטילציה של מצע מסוים ויוביקוויטין-ליגאז E3 בתאי יונקים. קווי תאים HEK293T שימשו לביטוי יתר של חלבונים, המצע הפוליוביקוויטילטיבי טוהר מליאסטים של תאים על ידי מיצוי חיסוני, ונפתר ב- SDS-PAGE. אימונובלוטינג שימש כדי לדמיין את השינוי הפוסט-תרגומי הזה.
Abstract
יוביקוויטילציה היא שינוי פוסט-תרגומי המתרחש בתאים אאוקריוטים שהוא קריטי לוויסות של מספר מסלולים ביולוגיים, כולל הישרדות תאים, התפשטות והתמיינות. זהו תהליך הפיך המורכב מהצמדה קוולנטית של יוביקוויטין לסובסטרט באמצעות תגובת מפל של לפחות שלושה אנזימים שונים, המורכבים מ-E1 (אנזים הפעלת יוביקוויטין), E2 (אנזים מצומד יוביקוויטין) ו-E3 (אנזים יוביקוויטין-ליגאז). קומפלקס E3 ממלא תפקיד חשוב בזיהוי מצעים וביוביקוויטילציה. כאן מתואר פרוטוקול להערכת יוביקוויטילציה של מצע בתאי יונקים באמצעות קו-טרנספקציה חולפת של פלסמיד המקודד את המצע שנבחר, יוביקוויטין ליגאז E3 ויוביקוויטין מתויג. לפני התזה, התאים שעברו טרנספקטציה מטופלים במעכב הפרוטאזום MG132 (קרבובנזוקסי-לאו-לאו-לוצינל) כדי למנוע השפלה של פרוטאסומלי במצע. יתר על כן, תמצית התאים מוגשת למיצוי חיסוני בקנה מידה קטן (IP) כדי לטהר את המצע הפוליוביקוויטילטיבי לצורך זיהוי מאוחר יותר על ידי כתם מערבי (WB) באמצעות נוגדנים ספציפיים לתג יוביקוויטין. לפיכך, מתואר פרוטוקול עקבי ולא מסובך לבדיקת יוביקוויטילציה בתאי יונקים כדי לסייע למדענים לטפל ביוביקוויטילציה של מצעים ספציפיים ובליגאזות יוביקוויטין E3.
Introduction
שינויים לאחר התרגום (PTMs) הם מנגנון חשוב בנוגע לוויסות חלבונים, החיוני להומאוסטזיס של התא. יוביקוויטילציה של חלבונים היא שינוי דינמי ומורכב שיוצר מגוון של אותות שונים וכתוצאה מכך מספר תוצאות תאיות באורגניזמים אאוקריוטים. יוביקוויטילציה היא תהליך הפיך המורכב מהצמדת חלבון יוביקוויטין המכיל 76 חומצות אמינו למצע, המתרחש במפל אנזימטי המורכב משלוש תגובות נפרדות1. הצעד הראשון מאופיין בהפעלת יוביקוויטין, התלויה בהידרוליזה של ATP כדי ליצור יוביקוויטין המקושר לתיואסטר באנרגיה גבוהה בין יוביקוויטין C-terminus לבין שאריות הציסטאין הנמצאות באתר הפעיל של האנזים E1. לאחר מכן, האוביקוויטין מועבר לאנזים E2 ויוצר קומפלקס דמוי תיואסטר עם יוביקוויטין. לאחר מכן, האוביקוויטין מחובר באופן קוולנטי לסובסטרט על ידי E2, או לעתים קרובות יותר, על ידי האנזים E3, שמזהה את הסובסטרט 2,3 ומתקשר איתו. לעיתים, אנזימי E4 (גורמי התארכות שרשרת יוביקוויטין) נחוצים כדי לקדם מכלול שרשרת מולטי-יוביקוויטין3.
ליוביקוויטין יש שבעה שאריות ליזין (K6, K11, K27, K29, K33, K48 ו-K63), מה שמאפשר היווצרות של שרשראות פוליוביקוויטין שיוצרות חוליות נפרדות כדי לייצר מבנים תלת-ממדיים שונים שעומדים להיות מזוהים על ידי מספר חלבונים משפיעים 4,5. לפיכך, סוג שרשרת הפוליוביקוויטין שהוכנסה למצע חיוני כדי להחליט על גורל התא שלו 6,7,8. יתר על כן, המצע יכול להיות גם בכל מקום דרך שאריות N-terminal שלו הנקראות N-degrons. יוביקוויטין-ליגאזות E3 ספציפיות אחראיות לזיהוי N-degron, ומאפשרות פוליוביקוויטילציה של שאריות ליזין סמוכות9.
כיום, ישנם יותר מ -40 מצעים שונים ספציפיים ל- SCF המאופיינים. בין אלה, ניתן למצוא מווסתים מרכזיים של מספר מסלולים ביולוגיים, כולל התמיינות והתפתחות תאים, כמו גם הישרדות תאים ומוות, 10,11,12,13. לפיכך, זיהוי של מצעים ספציפיים של כל יוביקוויטין-ליגאז E3 חיוני לתכנון מפה מקיפה של אירועים ביולוגיים שונים. אף על פי שהזיהוי של מצעים אמיתיים הוא מאתגר מבחינה ביוכימית, השימוש בשיטות מבוססות ביוכימיה מתאים מאוד להערכת ספציפיות השרשרת וההבחנה בין מונו לפוליוביקוויטילציה14. מחקר זה מתאר פרוטוקול מלא לבדיקת יוביקוויטילציה באמצעות קו תאי היונק HEK293T המבטא יתר על המידה את המצע UXT-V2 (מבוטא בכל מקום דמוי פרפולדין דמוי מלווה איזופורם 2) עם קומפלקס E3 יוביקוויטין-ליגאז SCF(Fbxo7). UXT-V2 הוא גורם משותף חיוני לאיתות NF-κB, וברגע שחלבון זה מופל בתאים, הוא מעכב את הפעלת NF-κB המושרה על ידי TNF-α11. לפיכך, כדי לזהות UXT-V2 פוליוביקוויטילציה, מעכב הפרוטאזום MG132 משמש מכיוון שיש לו את היכולת לחסום את הפעילות הפרוטאוליטית של תת-היחידה 26S של קומפלקס הפרוטאזום15. יתר על כן, תמצית התא מוגשת ל- IP בקנה מידה קטן כדי לטהר את המצע, תוך שימוש בנוגדן ספציפי המשותק לשרף אגרוז לצורך זיהוי מאוחר יותר על ידי WB באמצעות נוגדנים נבחרים. פרוטוקול זה שימושי מאוד כדי לאמת יוביקוויטילציה של מצע בסביבה התאית, וניתן גם להתאים אותו לסוגים שונים של תאי יונקים ולקומפלקסים אחרים של יוביקוויטין-ליגאז E3. עם זאת, יש צורך לאמת את המצע שנבדק באמצעות בדיקת יוביקוויטילציה במבחנה גם כן, שכן שני הפרוטוקולים משלימים זה את זה לגבי זיהוי מצעים אמיתיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
יוביקוויטילציה היא שינוי פוסט-תרגומי חיוני המווסת את רמותיהם של מספר חלבונים וממלא תפקיד מכריע במסלולי איתות ותהליכים ביולוגיים רבים, ומבטיח סביבה תוך-תאית בריאה. מערכת יוביקוויטין-פרוטאזום (UPS) היא אחד המוקדים העיקריים של המחקר הפרמצבטי האחרון, המספק את האפשרות לייצב מדכאי גידולים או לג…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
F.R.T נתמך על ידי מענק FAPESP מספר 2020/15771-6 ו- CNPq Universal 405836/2018-0. P.M.S.P ו-V.S נתמכים על ידי CAPES. C.R.S.T.B.C נתמך על ידי מלגת FAPESP מספר 2019/23466-1. אנו מודים לסנדרה R. C. Maruyama (FAPESP 2016/20258-0) על התמיכה בחומר.
Materials
| 1.5 mL microtube | Axygen | PMI110-06A | |
| 100 mm TC-treated culture dish | Corning | 430167 | |
| 15 mL tube | Corning | 430766 | |
| 96-well plate | Cralplast | 655111 | |
| Agarose-anti-HA beads | Sigma-Aldrich | E6779 | |
| Anti Mouse antibody | Seracare | 5220-0341 | Goat anti-Mouse IgG |
| Anti Rabbit antibody | Seracare | 5220-0337 | Goat anti-Rabbit IgG |
| Anti-Actin antibody | Sigma-Aldrich | A3853 | Dilution used: 1:2000 |
| Anti-Fbxo7 antibody | Sigma-Aldrich | SAB1407251 | Dilution used: 1:1000 |
| Anti-HA antibody | Sigma-Aldrich | H3663 | Dilution used: 1:1000 |
| Anti-Myc antibody | Cell Signalling | 2272 | Dilution used: 1:1000 |
| Bradford reagent | Sigma-Aldrich | B6916-500ML | |
| BSA | Sigma-Aldrich | A9647-100G | Bovine Serum Albumin |
| Cell incubator | Nuaire | NU-4850 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5804R | 500 x g for 5 min |
| ChemiDoc | BioRad | ||
| Digital pH meter | Kasvi | K39-2014B | |
| Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium | Corning | 10-017-CRV | High glucose |
| Fetal bovine serum | Gibco | F4135 | Filtrate prior use |
| HA peptide | Sigma-Aldrich | I2149 | |
| HEK293T cells | ATCC | CRL-3216 | |
| Hepes | Gibco | 15630080 | |
| KCl | VWR Life Science | 0365-500G | |
| Kline rotator | Global Trade Technology | GT-2OIBD | |
| MG-132 | Boston Biochem | I-130 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5418R | |
| Na3VO4 (Ortovanadato) | |||
| NaF | |||
| Nitrocellulose blotting membrane | GE Healthcare | 10600016 | |
| NP40 (IGEPAL CA-630) | Sigma-Aldrich | I8896-100ML | |
| Optical microscope | OPTIKA microscopes | SN510768 | |
| Opti-MEM | Gibco | 31985-070 | |
| pcDNA3 | Invitrogen | V79020 | For mammalian expression |
| pcDNA3-2xFlag-Fbxo7 | Kindly donated by Dr. Marcelo Damário | Tag 2xFlag (N-terminal). Restriction enzymes: EcoRI and XhoI | |
| pcDNA3-2xFlag-Fbxo7-ΔF-box | Kindly donated by Dr. Marcelo Damário | Tag 2xFlag (N-terminal). Restriction enzymes: EcoRI and XhoI. Δ335-367 | |
| pcDNA3-UXTV2-HA | Kindly donated by Dr. Marcelo Damário | Tag HA (C-terminal). Restriction enzymes: EcoRI and XhoI | |
| pCMV-6xHis-Myc-Ubiquitin | Kindly donated by Dr. Marcelo Damário | Tag 6x-His-Myc (N-terminal). Restriction enzymes: EcoRI and KpnI | |
| Pen Strep Glutamine 100x | Gibco | 10378-016 | |
| Phosphate buffered saline 10x | AccuGENE | 51226 | To obtain a 1x PBS, dilute the 10x PBS into ultrapure water |
| Polyethylenimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 9002-98-6 | |
| Ponceau S | VWR Life Science | 0860-50G | |
| Protease inhibitor cocktail SIGMAFAST | Sigma-Aldrich | S8820 | |
| Rocking Shaker | Kasvi | 19010005 | |
| SDS-PAGE system | BioRad | 165-8004 | |
| Solution Homogenizer | Phoenix Luferco | AP-22 | |
| Trizma base | Sigma-Aldrich | T6066-500G | |
| Trypsine (TrypLe Express) | Gibco | 12605-028 | |
| Western Blotting Luminol Reagent | Santa Cruz Biotechnology | SC-2048 |
Referências
- Popovic, D., Vucic, D., Dikic, I. Ubiquitination in disease pathogenesis and treatment. Nature Medicine. 20 (11), 1242-1253 (2014).
- Callis, J. The ubiquitination machinery of the ubiquitin system. The Arabidopsis Book. 12, 0174 (2014).
- Koegl, M., et al. A novel ubiquitination factor, E4, is involved in multiubiquitin chain assembly. Cell. 96 (5), 635-644 (1999).
- French, M. E., Koehler, C. F., Hunter, T. Emerging functions of branched ubiquitin chains. Cell Discovery. 7 (1), 6 (2021).
- Komander, D., et al. Molecular discrimination of structurally equivalent Lys 63-linked and linear polyubiquitin chains. EMBO Reports. 10 (5), 466-473 (2009).
- Clague, M. J., Urbé, S. Ubiquitin: Same molecule, different degradation pathways. Cell. 143 (5), 682-685 (2010).
- Davies, B. A., et al. Vps9p CUE domain ubiquitin binding is required for efficient endocytic protein traffic. Journal of Biological Chemistry. 278 (22), 19826-19833 (2003).
- Raasi, S., Wolf, D. H. Ubiquitin receptors and ERAD: A network of pathways to the proteasome. Seminars in Cell and Developmental Biology. 18 (6), 780-791 (2007).
- Pan, M., et al. Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination. Nature. 600 (7888), 334-338 (2021).
- Raducu, M., et al. SCF (Fbxl17) ubiquitylation of Sufu regulates Hedgehog signaling and medulloblastoma development. The EMBO Journal. 35 (13), 1400-1416 (2016).
- Spagnol, V., et al. The E3 ubiquitin ligase SCF(Fbxo7) mediates proteasomal degradation of UXT isoform 2 (UXT-V2) to inhibit the NF-κB signaling pathway. Biochimica et Biophysica Acta – General Subjects. 1865 (1), 129754 (2021).
- Teixeira, F. R., et al. Gsk3β and Tomm20 are substrates of the SCFFbxo7/PARK15 ubiquitin ligase associated with Parkinson’s disease. Biochemical Journal. 473 (20), 3563-3580 (2016).
- Tan, M. K. M., Lim, H. J., Bennett, E. J., Shi, Y., Harper, J. W. Parallel SCF adaptor capture proteomics reveals a role for SCFFBXL17 in NRF2 activation via BACH1 repressor turnover. Molecular Cell. 52 (1), 9-24 (2013).
- van Wijk, S. J., Fulda, S., Dikic, I., Heilemann, M. Visualizing ubiquitination in mammalian cells. EMBO Reports. 20 (2), 1-18 (2019).
- Kisselev, A. F., Goldberg, A. L. Proteasome inhibitors: From research tools to drug candidates. Chemistry and Biology. 8 (8), 739-758 (2001).
- Bradford, M. A. Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry. 72 (1-2), 248-254 (1976).
- Laemmli, U. K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 228, 726-734 (1970).
- Schröer, A., Schneider, S., Ropers, H. -. H., Nothwang, H. G. Cloning and characterization of UXT, a novel gene in human Xp11, which is widely and abundantly expressed in tumor tissue. Genomics. 56 (3), 340-343 (1999).
- Huang, Y., et al. UXT-V1 facilitates the formation of MAVS antiviral signalosome on mitochondria. The Journal of Immunology. 188 (1), 358-366 (2012).
- Huang, Y., et al. UXT-V1 protects cells against TNF-induced apoptosis through modulating complex II formation. Molecular Biology of the Cell. 22 (8), 1389-1397 (2011).
- Sun, S., et al. UXT is a novel and essential co-factor in the NF-κB transcriptional enhanceosome. The Journal of Cell Biology. 178 (2), 231-244 (2007).
- Huang, X., Dixit, V. M. Drugging the undruggables: Exploring the ubiquitin system for drug development. Cell Research. 26 (4), 484-498 (2016).
- Rajkumar, S. V. Multiple myeloma: 2020 update on diagnosis, risk-stratification and management. American Journal of Hematology. 95 (5), 548-567 (2020).
- Hideshima, T., et al. The proteasome inhibitor PS-341 inhibits growth, induces apoptosis, and overcomes drug resistance in human multiple myeloma cells. Pesquisa do Câncer. 61 (7), 3071-3076 (2001).
- Tietsche, V., et al. New proteasome inhibitors in the treatment of multiple myeloma. Hematology, Transfusion and Cell Therapy. 41 (1), 76-83 (2018).
- Vassilev, L. T., et al. In vivo activation of the p53 pathway by small-molecule antagonists of MDM2. Science. 303 (5659), 844-848 (2004).
- Kuiken, H. J., et al. Identification of F-box only protein 7 as a negative regulator of NF-kappaB signalling. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 16 (9), 2140-2149 (2012).
- Yuan, N., et al. Bafilomycin A1 targets both autophagy and apoptosis pathways in pediatric B-cell acute lymphoblastic leukemia. Haematologica. 100 (3), 345-356 (2015).
- Iconomou, M., Saunders, D. N. Systematic approaches to identify E3 ligase Substrates. Biochemical Journal. 473 (22), 4083-4101 (2016).
- Zhang, Z. R., Bonifacino, J. S., Hegde, R. S. Deubiquitinases sharpen substrate discrimination during membrane protein degradation from the ER. Cell. 154 (3), 609-622 (2013).
- Hunter, T. The age of crosstalk: Phosphorylation, ubiquitination, and beyond. Molecular Cell. 28 (5), 730-738 (2007).
