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Metabolic Labeling
  • 00:00Overview
  • 00:31Principles of Metabolic Labeling
  • 03:39Isotopic Labeling Procedure
  • 05:30Photoreactive Labeling Procedure
  • 06:31Applications
  • 08:06Summary

신진 대사 라벨링

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Overview

대사 라벨링은 세포에서 발생하는 생화학적 변형 및 수정을 조사하는 데 사용됩니다. 이것은 자연 생체 분자의 구조를 모방하는 화학 유사체를 사용하여 달성됩니다. 세포는 내인성 생화학 공정에서 유사체를 활용하여 라벨이 부착된 화합물을 생산합니다. 라벨은 검출 및 친화성 태그의 통합을 허용, 다음 다른 생화학 적 분석 기술을 사용하여 신진 대사 경로를 해명하는 데 사용할 수 있습니다, SDS 페이지 와 NMR 등.

이 비디오는 신진 대사 라벨링의 개념을 소개하고 두 가지 일반적인 절차를 보여줍니다.  첫 번째는 단백질의 인산화를 특성화하기 위해 동위원소 라벨링을 사용합니다. 두 번째는 신진 대사 라벨링의 세 가지 응용 프로그램 내에서 단백질 단백질 상호 작용을 특성화하는 광반응 라벨을 커버합니다: 식물 물질 라벨링, 운동학을 측정하기 위해 RNA를 라벨링 및 배아 개발시 글리칸 라벨링.

신진 대사 라벨은 세포의 기계를 조사하는 데 사용됩니다. 이것은 발생하는 생화학적 변형 및 수정을 조사하기 위해 화학 적 유사체를 사용하여 수행됩니다. 이 비디오는 신진 대사 라벨링, 일반적인 동위원소 및 광반응 라벨링 절차 및 일부 응용 프로그램의 원리를 보여줍니다.

대사 라벨링은 여러 가지 전략을 사용하여 수행 될 수있다. 여기에서 우리는 동위원소, 광반응성 및 바이오 직교 라벨을 설명합니다.

동위원소 라벨링은 화학적으로 자연적인 유사체와 동일하지만 구조에 통합된 드문 동위원소가 있는 구조용 유사체를 사용하여 수행됩니다. 이 L-리신 아날로그에서 탄소 및 질소 원자는 탄소-13 및 질소-15로 대체된다. 동위원소 유사체의 존재에서 배양 된 세포는 생화학 적 구조에 통합됩니다. 대사 산물은 세포에서 수집되고 분석을 위해 정제됩니다. 안정적인 동위원소를 가진 견본은 질량 분광법 또는 NMR 분광법과 같은 기술을 사용하여 분석됩니다. 방사성 라벨을 가진 견본은 동위원소 라벨링 프로토콜에서 입증될 액체 신경화 계수 및 엑스레이 필름을 사용하여 분석됩니다.

광반응성 라벨은 자외선에 노출될 때까지 안정되는 단백질에 통합된 기능성 그룹입니다. 기능성 그룹은 가장 가까운 단백질에 결합하는 반응성 라디칼을 형성합니다. 일반적인 예로, L-photo-leucine에는 광반응 크로스링커인 다이아디린 링이 포함되어 있습니다. 동위원소 라벨링과는 달리, 사진 반응성 화학 유사체와 자연적인 대응 사이에는 화학적 유사성이 있습니다. 세포는 유사체보다 천연 화합물을 우선적으로 통합할 수 있습니다. 따라서, 모방되는 화합물이 없는 매체에서 사진 반응성 라벨링을 수행하는 것이 중요하다. 일단 자외선에 드러나면, 표지된 단백질의 광 반응성 그룹은 불안정하고 반응성이 높으며 상호 작용하는 단백질과 상호 연결되어 단백질 복합체를 만듭니다. 교차 연결된 복합체는 SDS PAGE 및 질량 분석 방법을 사용하여 분석할 수 있는 스냅샷 역할을 합니다. 이것은 반응 종을 확인하여 신진 대사 통로에서 일어나는 무슨 반응및 결합 사이트를 결정하여 상호 작용하는 지에 대한 통찰력을 제공합니다.

생물 정형 호고날 라벨링 전략은 천연 생체 분자와 반응성이 거의 또는 전혀 없는 작은 기능성 그룹과 유사체를 활용합니다. 예를 들어, 아지드는 생화학 반응에 직교라고하는 작은 기능 성 그룹입니다. Staudinger 결찰에서, 포스핀 그룹은 아지도 그룹을 공격합니다. 이것은 아민 결합 리간드의 결과로, 분자적으로 가까운 에스테르와 반응하는 전환 상태를 산출합니다. 생체 분자에 통합된 생체 오르토고날 기능성 그룹은 형광 기능성 그룹과 같은 검출 태그 및 항원과 같은 친화성 태그로 결합될 수 있다.

이제 신진 대사 라벨에 대한 몇 가지 개념과 전략이 논의되었으므로 실험실의 과정을 살펴 보겠습니다.

대사 라벨링 실험의 첫 번째 단계는 관심있는 단백질을 수집하는 것입니다. 이를 위해, 세포는 플레이트에서 재배되고, 발현 방법은 원하는 단백질의 합성을 촉진하는 데 사용된다. 이 예에서, 류신이 풍부한 반복 키나아제, 또는 LRRK가 표현된다. 방사성 인-32를 함유한 디나트륨 인산염은 아날로그로 사용된다. 이온화 방사선으로부터 보호하기 위해 적절한 조치를 취해야 합니다. 여기에는 작업 영역 설정, 적절한 보호 장비 착용, 방사성 오염 확인 등이 포함됩니다. 일단 안전 조치가 취해지면 동위원소 유사체를 포함하는 매체가 준비됩니다. 배양으로부터의 배지는 제거되고, 동위원소 화학 유사체를 포함하는 것으로 대체된 다음 배양한다. 배양 후 세포는 lysed됩니다. 용액을 수집하고 정제합니다.

정제 후, 단백질은 SDS-PAGE를 사용하여 해결한 다음 PVDF 멤브레인으로 전달됩니다. 사인방사선은 막을 엑스레이 필름에 노출시킴으로써 수행되고 인광구 이미저를 사용하여 측정된다. 서양 블로팅은 PVDF 막에서 상대적인 단백질 수준을 측정하는 데 사용됩니다. 이 예에서는 293T 세포에서 합성된 류신이 풍부한 반복 키나아제의 인산화 수준을 측정하였다. 자동 방사선 사진은 얼마나 많은 인이 단백질에 통합되었는지 보여줍니다. 서양 얼룩은 LRRK 단백질의 수준을 해명합니다. 이미지 분석 소프트웨어는 단백질의 인산화 수준의 정량적 데이터를 얻기 위해 사용된다.

이 다음 절차에서는 광반응 라벨링이 시연됩니다. 첫째, 세포는 제조되고 배양된다. 광반응성 아날로그는 중간 로그 단계에서 셀에 추가되고 배양됩니다. 이 절차에서 p-벤조일펠헤니알라닌이 사용된다. 샘플은 간격에 걸쳐 수집되고 얼음위에 놓입니다. 샘플은 시간이 지남에 따라 생화학 적 경로의 스냅 샷을 얻기 위해 노출됩니다. 관심 있는 단백질은 SDS-PAGE를 사용하여 정제되고 해결됩니다.

포토반응성 라벨링 전략은 관심 있는 단백질과 상호 작용하는 화합물을 식별하는 데 사용되었습니다. 서양 얼룩을 가진 면역 검출은 조사된 견본에 더 높은 분자량 단백질이 존재한다는 것을 나타내는 단백질 밴드를 보여줍니다. 이들은 UV 조사 도중 생기는 단백질 단백질 상호 작용 때문에 교차 연결에서 입니다.

이제 신진 대사 라벨링 절차를 검토했습니다.

대사 라벨링 개념은 다세포 유기체로 확장될 수 있습니다. 식물은 밀봉 된 환경에서 재배되며, 안정적인 동위원소가 풍부하여 라벨이 부착 된 식물 재료를 생산합니다. 탄소-13을 함유한 이산화탄소가 인클로저에 첨가되고 질소-15는 풍부한 비료를 사용한다. 그 결과 수확된 식물 재료는 생태계에서 탄소 와 질소 사이클링에 대한 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

라벨링은 오래된 RNA로부터 새로 합성된 RNA의 분리를 가능하게 합니다. 아날로그의 초기 농도를 변경함으로써, 새로운 RNA 합성의 운동을 결정할 수 있다. 결과는 4-thiouridine의 농도가 얼마나 새로운 RNA가 전사되는지에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 추가적으로, RNA에 라벨의 편화 비율은 분광광계로 직접 정량화될 수 있다.

바이오트호고날 클릭 화학작용을 사용하여 얼룩말 물고기 배아의 글리칸에 라벨을 부착할 수 있습니다. 계란은 글리칸에 알키네 라벨을 초래하는 라벨링 화합물을 주입합니다. 애벌레의 글리칸은 원하는 개발 단계에서 염료 화합물로 리게된다. 배아의 글리칸이 그 때 이미지화됩니다. 상이한 시점에서 생성된 글리칸은 배아 발달의 다른 단계에서 다른 색상을 사용하여 라벨을 부착하여 식별할 수 있다.

당신은 신진 대사 라벨에 JoVE의 비디오를 보았다. 이 비디오는 신진 대사 라벨링과 그들의 전략 뒤에 개념을 설명하고, 두 개의 일반적인 절차를 통해 갔다, 기술의 사용의 일부를 커버.

시청해 주셔서 감사합니다!

Procedure

대사 라벨링은 세포에서 발생하는 생화학적 변형 및 수정을 조사하는 데 사용됩니다. 이것은 자연 생체 분자의 구조를 모방하는 화학 유사체를 사용하여 달성됩니다. 세포는 내인성 생화학 공정에서 유사체를 활용하여 라벨이 부착된 화합물을 생산합니다. 라벨은 검출 및 친화성 태그의 통합을 허용, 다음 다른 생화학 적 분석 기술을 사용하여 신진 대사 경로를 해명하는 데 사용할 수 있습니다, SDS 페이지 와 NMR…

Disclosures

No conflicts of interest declared.

Transcript

Metabolic labeling is used to investigate the machinery of a cell. This is accomplished using chemical analogs to probe the biochemical transformations and modifications that occur. This video will show the principles of metabolic labeling, typical isotopic and photoreactive labeling procedures, and some applications.

Metabolic labeling can be conducted using a number of strategies. Here we will describe isotopic, photoreactive, and bio-orthogonal labeling.

Isotopic labeling is performed using structural analogs that are chemically identical to their natural counterparts, but have uncommon isotopes incorporated into their structure. In this L-lysine analog the carbon and nitrogen atoms are replaced with carbon-13 and nitrogen-15. Cells cultured in the presence of isotopic analogs will incorporate them into their biochemical structures. Metabolites are collected from the cells and purified for analysis. Samples with stable isotopes are analyzed using techniques such as mass spectrometry or NMR spectroscopy. Samples with radioactive labels are analyzed using liquid scintillation counting and x-ray films, which will be demonstrated in the isotopic labeling protocol.

Photoreactive labels are functional groups incorporated into proteins, which are stable until exposed to ultraviolet light. The functional group forms a reactive radical, which binds to the nearest protein. A common example, L-photo-leucine, contains a diazirine ring, which is a photoreactive crosslinker. In contrast to isotopic labeling, there is some chemical dissimilarity between photo-reactive chemical analogs and their natural counterparts. Cells may preferentially incorporate natural compounds over analogs. Therefore, it is important to perform photo-reactive labeling in medium free of the compound being mimicked. Once exposed to ultraviolet radiation, the photo-reactive groups in a labeled protein become unstable and highly reactive, causing it to cross-link with interacting proteins, creating a protein complex. Cross-linked complexes, act as snapshots that can then be analyzed using SDS-PAGE and mass spectrometry methods. This provides insights into what reactions are occurring in the metabolic pathway by identifying reaction species and how they interact by determining binding sites.

Bioorthogonal labeling strategies utilize analogs with small functional groups that have little to no reactivity with natural biomolecules. For example, azides are small functional groups, whose reactivity is said to be orthogonal to biochemical reactions. In the Staudinger ligation, a phosphine group attacks the azido group. This yields a transition state that intramolecularly reacts with a nearby ester, resulting in an amine-bonded ligand. Bioorthogonal functional groups incorporated into biomolecules can be ligated with detection tags such as fluorescent functional groups, and affinity tags such as antigens.

Now that some concepts and strategies for metabolic labeling have been discussed, let’s look at the process in the laboratory.

The first step in a metabolic labeling experiment is to collect the protein of interest. To do this, cells are grown on a plate, and an expression method is used to promote synthesis of the desired protein. In this example, leucine-rich repeat kinases, or LRRK, are expressed. Disodium phosphate, containing radioactive phosphorus-32, is used as the analog. Proper measures must be taken to protect against ionizing radiation. This includes setting up a work area, wearing proper protective equipment, and checking for radioactive contamination. Once safety measures have been taken, the medium containing the isotopic analogs is prepared. The medium from the culture is removed and, replaced with one containing the isotopic chemical analogs and then incubated. Following incubation, the cells are lysed. The lysate is collected and purified.

After purification, proteins are resolved using SDS-PAGE and then transferred to a PVDF membrane. Autoradiography is performed by exposing the membrane to x-ray film and measured using a phosphor imager. Western blotting is used to measure relative protein levels in the PVDF membrane. In this example the phosphorylation levels of leucine-rich repeat kinases synthesized in 293T cells were measured. The autoradiogram shows how much phosphorous was incorporated into the protein. Western blotting elucidates the levels of the LRRK proteins. Image analysis software is used to obtain quantitative data of phosphorylation levels of the proteins.

In this next procedure, photoreactive labeling is demonstrated. First, the cells are prepared and cultured. The photoreactive analog is added to the cells at the mid-log phase and incubated. In this procedure p-benzoylphenylalanine is used. Samples are collected over intervals and put on ice. The samples are then exposed to obtain snapshots of the biochemical pathways over time. The proteins of interest are then purified and resolved using SDS-PAGE.

A photoreactive labeling strategy was used to identify compounds that interact with the protein of interest. Immunodetection with Western blotting shows protein bands that indicate higher molecular weight proteins are present in the irradiated samples. These are from cross-linking due to protein-protein interaction occurring during the UV irradiation.

Now that we’ve reviewed metabolic labeling procedures, let’s look at some of the ways the process is used.

Metabolic labeling concepts can be extended to multicellular organisms. Plants are grown in a sealed environment, rich in stable isotopes to produced labeled plant material. Carbon dioxide containing carbon-13 is added to the enclosure, while nitrogen-15 rich fertilizer is used. The resulting harvested plant material can help answer questions about carbon and nitrogen cycling from the ecosystem.

Labeling enables the separation of newly synthesized RNA from older RNA. By changing the initial concentration of analog, the kinetics of new RNA synthesis can be determined. The results show that the concentration of 4-thiouridine affects how much new RNA is transcribed. Additionally, incorporation rates of the label into RNA can be directly quantified with a spectrophotometer.

Using biorthogonal click chemistry, glycans in a zebra fish embryo can be labeled. The eggs are injected with a labeling compound that results in alkyne labels on the glycans. The glycans in the larvae are then ligated to a dye compound at the desired development stage. The glycans in the embryos are then imaged. Glycans produced at different time points can be identified by labeling using different colors at different stages of embryo development.

You’ve just watched JoVE’s video on metabolic labeling. This video described the concepts behind metabolic labeling and their strategies, went over two general procedures, and covered some of the uses of the techniques.

Thanks for watching!

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Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Metabolic Labeling. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

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