Pro-floresan alt madde analog ile PAD4 Faaliyet flüoresan'a bağlı İzleme
Summary
PAD4 is an enzyme responsible for the conversion of peptidyl-arginine to peptidyl-citrulline. Dysregulation of PAD4 has been implicated in a number of human diseases. A facile and high-throughput compatible fluorescence based PAD4 assay is described.
Abstract
Post-translational modifications may lead to altered protein functional states by increasing the covalent variations on the side chains of many protein substrates. The histone tails represent one of the most heavily modified stretches within all human proteins. Peptidyl-arginine deiminase 4 (PAD4) has been shown to convert arginine residues into the non-genetically encoded citrulline residue. Few assays described to date have been operationally facile with satisfactory sensitivity. Thus, the lack of adequate assays has likely contributed to the absence of potent non-covalent PAD4 inhibitors. Herein a novel fluorescence-based assay that allows for the monitoring of PAD4 activity is described. A pro-fluorescent substrate analog was designed to link PAD4 enzymatic activity to fluorescence liberation upon the addition of the protease trypsin. It was shown that the assay is compatible with high-throughput screening conditions and has a strong signal-to-noise ratio. Furthermore, the assay can also be performed with crude cell lysates containing over-expressed PAD4.
Introduction
Memeli proteinlerinin bir çok sayıda ağır ribozom tarafından proteinlerin sentezi, aşağıdaki enzimlerin etkimesi ile modifiye edilir. Bu post-translasyonel modifikasyonlar, (PTMS) büyük ölçüde protein 1-3 arasında (diğer özellikleri yanı sıra) boyut, yük, yapı ve oligomerizasyon durumunu değiştirerek Proteome fonksiyonel çeşitliliği artırabilir. Bunun bir sonucu olarak, protein yapısındaki bir değişiklik, örneğin protein bozulması, hücre farklılaşması, iletimde, gen ekspresyonunda modülasyonu ve protein-protein etkileşimleri gibi fizyolojik sonuçlara yol açabilir. Bu değişiklikler tüm insan proteinlerinin büyük bir yüzdesi görülürken histon proteinler kovalent modifikasyonlar 4 alışılmadık derecede yüksek sayıda geçmesi üzerine, terminal biter. Histon proteinler genomik DNA yoğunlaştırılmasını kolaylaştırır, yapısal proteinlerin bir ailesidir. Yapılandırılmamış histon kuyrukları Kovalent modifikasyonlar bir seride tarafından yürütülen ve düzenlenir, artıkları (yazarlar) ve kovalent modifikasyonunu katalize aynı değişiklikleri (silgiler), ters ve değişiklikler arasında ayrım enzimlerin s histon kuyrukları (okuyucu) 5-7 üzerine basılmış olan. Aslında, bilinen PTMS en metilasyon, fosforilasyon, asetilasyon, sumoylation, ubikitinasyon ve sitrülinlenmesine 8 de dahil olmak üzere histonun bu kısa segmenti içinde görülmektedir.
Sitrülinlenmesine olmayan T RNA kodlanmış peptidil-sitrulin (Şekil 1A) peptidil-argininin dönüştürülmesini kapsar. Bu yan zinciri nötrleştirme sorumlu proteinleri, PAD üyesi olan kalsiyum-bağımlı enzimler olması her biri. 9,10, protein ailesini (s rginine D eiminase peptit). Bugüne kadar, PAD ailesinin beş üyesi (PAD1, PAD2, PAD3, PAD4 ve PAD6) 'de tarif edilmiştir. Bu ailenin her üyesi farklı hücresel proteinleri hedef görünür ve aynı zamanda uni görüntülerque doku dağılımı profilleri. PAD4 bir nükleer lokalizasyon dizisi 11 ile çekirdek içinde lokalize olduğu bilinmektedir, bu protein ailesinin tek üyesidir. Bu duruma göre, histon H2A arginin kalıntısının 3, PCR'ın N-terminal kuyrukları arginin yan zincirler (H2R3), H + 3 (H3R2, H3R17 ve H3R26) ve H4 (H4R3) 12 nükler hedeflerin bir dizi deiminate gösterilmiştir, 13. PAD izozimlerinin, her özel ve kritik fizyolojik işlevlere sahip olsa da, PAD4 dolayı hastalıklı ve sağlıklı hücrelerinin her ikisinde de, insan gibi bir dizi işlem rolünü önemli ölçüde daha fazla ilgi çekmektedir. Son zamanlarda, PAD4 Pluripotency transkripsiyonel ağı 14 üye olduğu gösterilmiştir. Her iki PAD4 sentezleme seviyeleri ve aktivite, farelerde yeniden programlama ve taban durumu, pluripotent durumlarında yüksek olduğu gösterilmiştir. Kök hücre genlerin düzenlenmesini kontrol edilerek, PAD4 hücre yeniden programlama veriminde önemli bir rol tutabilirler. PAD4 de implike edilmiştirüzerine patojenlerin bağlanmasını nötrofil hücre dışı tuzakları, oluşumu kendi sistem açıklığı sağlar. PAD4 histon proteinleri hypercitrullination dolayısıyla bakteriyel enfeksiyonların 15,16 sakınma, hücre dışı tutucusu ile, patojen bakterilerin kapsüllenmesi için taban malzemesi olarak hizmet eden kromatin yoğunluk azaltılmasından neden olur.
Buna ek olarak, PAD4 insan hastalıklarının bir dizi aktif bir rol oynadığı tespit edilmiştir. Daha önce PAD4 anormal ekspresyon romatoid arteritin başlamasında ve şiddeti ile ilişkili olduğu gösterilmiştir, Alzheimer, Parkinson hastalığı ve multipl skleroz 17. Aslında, bir anti-sitrülin proteinin antikorların varlığı romatoid artrit 18 arasında en güvenilir ve kesin bir teşhis ve prognostik biyolojik biridir. Benzer şekilde, bozulmuş PAD4 aktivitesi en son yumurtalık, meme, akciğer, bir de dahil olmak üzere insan kanserlerinin bir dizi gözlenmiştird özofagus kanserleri 19-22. PAD4 ve kanser arasındaki bağlantı, p53 tümör bastırıcı bir protein 22,23 ELK1 onkogen üzerinden veya yoluyla aracılık ettiği gösterilmiştir ve önceki iş PAD4 bir yeni anti-kanser terapötik hedef 17,24,25 olabileceğini öne sürdü. Ilke çalışmanın bir kanıtı olarak, kolorektal kanser hücre çizgisi, HCT116 olarak shRNA ile PAD4 tükenmesi apoptoz ve hücre döngü yakalanmasını 26 uyarılması için yeterli olduğu bulundu. Son yıllarda geliştirilmiş olan geri dönüşü olmayan bir PAD4 inhibitörünün farelerde 27 tümör kütlesinde bir yetmiş oranında azalmaya yol açmıştır. Oldukça önemli ölçüde, PAD4 inhibisyon dönüştürülmemiş hücreleri ayırarak, kanser hücrelerinin seçici ölümüyle sonuçlanan bir hedefe yönelik bir tedavi olarak hareket ortaya çıktı.
PAD4 işlevini kapatmak için küçük moleküllerin kullanımı, kanser hücrelerini hedef veya mevcut kanser, kemoterapi 28 artırmak için yeni ve güçlü bir strateji olduğu ispat edebilir. Ne yazık ki, POÇadır geri dönüşümlü PAD4 inhibitörü henüz keşfedilmeyi etti. Kovalent önleyicileri bir dizi alt-tabakanın arginin 27,29,30 taklit ile sağlıklı ve hastalıklı durumu hücrelerinin her ikisinde de PAD4 rolünü anlamak için pratik araçlar olduğu kanıtlanmıştır kloro / floro dj pirimidin kolu kullanarak geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu molekül, benzer etki ile, aktif pedlerin her inhibe eder. Bu nedenle, PAD4 aktivitesine ilişkin raporlar, basit bir deneme için olan ihtiyaç çok önemlidir. Bugüne kadar, PAD4 deneyler, kolorimetrik bir okuma 31 ile reaksiyondan amonyağın serbest bağlantı tarif edilmiştir, floresan polarizasyon tahlili için 32 flüoresan chloroamidine alt-tabaka analog kullanmaktadır glioksal ve sitrulline 33 arasındaki asit yardımlı reaksiyon üzerine dayanır ve bağlanma aşamasının 34 dequenching bir floresan PAD4 faaliyet. Bunlardan sadece kovalent değiştirici haloacetamidine stratejisi, yüksek verimli Scre ile uyumlu olduğu kanıtlanmıştırsürmesi gelen platformlar 32,35,36. Biz güvenilir PAD4 aktivitesini ölçen basit floresan dayalı tahlil açıklar. Güçlü bir sinyal-gürültü oranı, analiz hızı ve ölçüm sağlamlık gösterir deneyi, gerçekten kuvvetli ve seçici PAD4 inhibitörü keşfetmek için potansiyele sahiptir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Herein, a fluorescence based assay was successfully developed that monitors the activity of PAD4. The assay has proven to be incredibly robust in a number of high-throughput conditions and is also compatible with whole cell lysates37.
The affinity between the histone proteins and the DNA strands surrounding it loosens due the neutralization of the positive charge on the arginine side chain upon citrullination. It was envisioned that the neutralization of the arginine side-chain coul…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Lehigh University Start-up Package. We thank Dr. Walter Fast for providing the GST-PAD4 plasmid for protein expression.
Materials
| Name of the Material/Equipment | Company | Catalog Number | Comments/ Description |
| LB Broth, Miller (LURIA-BERTANI) | Amresco | J106-2KG | http://www.amresco-inc.com |
| Ampicillin Trihydrate (Off-white Powder), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP902-25 | http://www.fishersci.com |
| Isopropylthiagalactonse (IPTG) | Life Technogolies | 15529-019 | http://www.lifetechnologies.com |
| All Buffer Salts | Fisher Scientific | N/A | Can purchase from Fisher Scieintifc; VWR; Acros; Sigma-Aldrich; etc. |
| Protino Glutathione (GSH) agarose | Machery-Nagel | 745500.10 | Store at 4 °C; http://www.mn-net.com/ |
| Z-Arg-Arg-7-amido-4-methylcoumarin hydrochloride (Zcoum) | Sigma Aldrich | C5429 | www.sigmaaldrich.com |
| Chloroamidine | Cayman Chemical | 10599 | Store at -20 °C; https://www.caymanchem.com/app/template/Home.vm |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP HCl) | Thermo Scientifc | 20490 | http://www.piercenet.com |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100-100ML | www.sigmaaldrich.com |
| Corning/Nunclon MicroWell plates (96 and 384) | N/A | N/A | Purchase from Corning; Sigma-Aldrich |
| Tecan Infinite 200 / Tecan i-control microplate reader software | N/A | N/A | www.tecan.com |
| Europium Ex. 340/40 Em. 475/15 filter | N/A | N/A | http://www.perkinelmer.com |
References
- Jensen, O. N. Interpreting the protein language using proteomics. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 391-403 (2006).
- Sims, R. J., Reinberg, D. Is there a code embedded in proteins that is based on post-translational modifications. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9, 815-820 (2008).
- Pandey, A., Mann, M. Proteomics to study genes and genomes. Nature. 405, 837-846 (2000).
- Berger, S. L. The complex language of chromatin regulation during transcription. Nature. 447, 407-412 (2007).
- Fischle, W., Wang, Y., Allis, C. D. Binary switches and modification cassettes in histone biology and beyond. Nature. 425, 475-479 (2003).
- Taverna, S. D., Li, H., Ruthenburg, A. J., Allis, C. D., Patel, D. J. How chromatin-binding modules interpret histone modifications: lessons from professional pocket pickers. Nat. Struct. Mol. Biol. 14, 1025-1040 (2007).
- Seet, B. T., Dikic, I., Zhou, M. M., Pawson, T. Reading protein modifications with interaction domains. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 473-483 (2006).
- Strahl, B. D., Allis, C. D. The language of covalent histone modifications. Nature. 403, 41-45 (2000).
- Vossenaar, E. R., Zendman, A. J., van Venrooij, W. J., Pruijn, G. J. PAD, a growing family of citrullinating enzymes: genes, features and involvement in disease. Bioessays. 25, 1106-1118 (2003).
- Gyorgy, B., Toth, E., Tarcsa, E., Falus, A., Buzas, E. I. Citrullination: a posttranslational modification in health and disease. Int. J. Biochem. Cell Biol. 38, 1662-1677 (2006).
- Nakashima, K., Hagiwara, T., Yamada, M. Nuclear localization of peptidylarginine deiminase V and histone deimination in granulocytes. J. Biol. Chem. 277, 49562-49568 (2002).
- Hagiwara, T., Hidaka, Y., Yamada, M. Deimination of histone H2A and H4 at arginine 3 in HL-60 granulocytes. Biochemistry. 44, 5827-5834 (2005).
- Kearney, P. L., et al. Kinetic characterization of protein arginine deiminase 4: a transcriptional corepressor implicated in the onset and progression of rheumatoid arthritis. Biochemistry. 44, 10570-10582 (2005).
- Christophorou, M. A., et al. Citrullination regulates pluripotency and histone H1 binding to chromatin. Nature. 507 (7490), 104-108 (2014).
- Brinkmann, V., et al. Neutrophil extracellular traps kill bacteria. Science. 303, 1532-1535 (2004).
- Li, P., et al. PAD4 is essential for antibacterial innate immunity mediated by neutrophil extracellular traps. J. Exp. Med. 207, 1853-1862 (2010).
- Wang, Y., et al. Histone hypercitrullination mediates chromatin decondensation and neutrophil extracellular trap formation. J. Cell. Biol. 184, 205-213 (2009).
- Wang, S., Wang, Y. Peptidylarginine deiminases in citrullination, gene regulation, health and pathogenesis. Biochim. Biophys. Acta. 1829, 1126-1135 (2013).
- Trouw, L. A., Mahler, M. Closing the serological gap: promising novel biomarkers for the early diagnosis of rheumatoid arthritis. Autoimmun. Rev. 12, 318-322 (2012).
- Chang, X., Fang, K. PADI4 and tumourigenesis. Cancer Cell Int. 10, 7 (2010).
- Wang, L., Chang, X., Yuan, G., Zhao, Y., Wang, P. Expression of peptidylarginine deiminase type 4 in ovarian tumors. Int. J. Biol. Sci. 6, 454-464 (2010).
- Chang, X., et al. Investigating the pathogenic role of PADI4 in oesophageal cancer. Int. J. Biol. Sci. 7, 769-781 (2011).
- Zhang, X., et al. Genome-wide analysis reveals PADI4 cooperates with Elk-1 to activate c-Fos expression in breast cancer cells. PLoS Genet. 7, (2011).
- Tanikawa, C., et al. Regulation of histone modification and chromatin structure by the p53-PADI4 pathway. Nat. Commun. 3, 676 (2012).
- Cui, X., et al. The induction of microRNA-16 in colon cancer cells by protein arginine deiminase inhibition causes a p53-dependent cell cycle arrest. PLos One. 8, (2013).
- Jones, J. E., Causey, C. P., Knuckley, B., Slack-Noyes, J. L., Thompson, P. R. Protein arginine deiminase 4 (PAD4): Current understanding and future therapeutic potential. Curr. Opin. Drug Discov. Devel. 12, 616-627 (2009).
- Li, P., et al. Regulation of p53 target gene expression by peptidylarginine deiminase 4. Mol. Cell Biol. 28, 4745-4758 (2008).
- Wang, Y., et al. Anticancer peptidylarginine deiminase (PAD) inhibitors regulate the autophagy flux and the mammalian target of rapamycin complex 1 activity. J. Biol. Chem. 287, 25941-25953 (2012).
- Slack, J. L., Causey, C. P., Thompson, P. R. Protein arginine deiminase 4: a target for an epigenetic cancer therapy. Cell. Mol. Life Sci. 68, 709-720 (2011).
- Luo, Y., Knuckley, B., Lee, Y. H., Stallcup, M. R., Thompson, P. R. A fluoroacetamidine-based inactivator of protein arginine deiminase 4: design, synthesis, and in vitro and in vivo evaluation. J. Am. Chem. Soc. 128, 1092-1093 (2006).
- Knuckley, B., et al. Substrate specificity and kinetic studies of PADs. Biochemistry. 1, 4852-4863 (2010).
- Knipp, M., Vasak, M. A colorimetric 96-well microtiter plate assay for the determination of enzymatically formed citrulline. Anal. Biochem. 286, 257-264 (2000).
- Knuckley, B., et al. A fluopol-ABPP HTS assay to identify PAD inhibitors. Chem. Commun. 46, 7175-7177 (2010).
- Bicker, K. L., Subramanian, V., Chumanevich, A. A., Hofseth, L. J., Thompson, P. R. Seeing citrulline: development of a phenylglyoxal-based probe to visualize protein citrullination. J. Am. Chem. Soc. 134, 17015-17018 (2012).
- Wang, Q., Priestman, M. A., Lawrence, D. S. Monitoring of protein arginine deiminase activity by using fluorescence quenching: multicolor visualization of citrullination. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 52, 2323-2325 (2013).
- Jones, J. E., et al. Synthesis and screening of a haloacetamidine containing library to identify PAD4 selective inhibitors. ACS Chem. Biol. 7, 160-165 (2012).
- Dreyton, C. J., et al. . Optimization and characterization of a pan protein arginine deiminase (PAD) inhibitor. , (2010).
- Shimoyama, S., et al. Deimination stabilizes histone H2A/H2B dimers as revealed by electrospray ionization mass spectrometry. J. Mass Spectrom. 45, 900-908 (2010).
- Luo, Y., et al. Inhibitors and inactivators of protein arginine deiminase 4: functional and structural characterization. Biochemistry. 45, 11727-11736 (2006).
