قياس التفاعلات عبر الخلية من خلال تجميع البروتين في نظام الخلايا heterologous
Summary
هنا، نقدم بروتوكول الأمثل لقياس بسرعة وشبه متزامنة التفاعلات مستقبلات رابطة في trans في نظام خلية غير متغايرة باستخدام المجهر الفلورية.
Abstract
التفاعلات البروتينية في الواجهات الخلوية تملي العديد من النتائج البيولوجية التي تتراوح بين تطوير الأنسجة وتطور السرطان إلى تشكيل المشبك العصبي والصيانة. العديد من هذه التفاعلات الأساسية تحدث في مغايرة وعادة ما يتم الناجمة عن التفاعلات غير المتغايرة أو المثلية بين الخلايا التي تعبر عن أزواج الربط الراسية الغشاء. توضيح كيف الطفرات المرض ذات الصلة تعطيل هذه التفاعلات البروتين الأساسية يمكن أن توفر نظرة ثاقبة في عدد لا يحصى من حقول بيولوجيا الخلايا. العديد من البروتين البروتين التفاعل المقايسة لا عادة توضيح بين رابطة الدول المستقلة والتفاعلات عبر, مما قد يؤدي إلى المبالغة في تقدير مدى الربط الذي يحدث في الجسم الحي وينطوي على تنقية كثيفة العمالة من البروتين و / أو معدات الرصد المتخصصة. هنا، نقدم بروتوكول بسيط الأمثل الذي يسمح لمراقبة وكمية التفاعلات عبر فقط دون الحاجة إلى تنقية البروتين طويلة أو المعدات المتخصصة. يتضمن فحص تجميع خلايا HEK خلط مجموعتين مستقلتين من خلايا HEK، يعبر كل منهما عن أربطة مزدوجة مُلزمة بالغشاء. بعد فترة حضانة قصيرة، يتم تصوير العينات ويتم تحديد المجاميع الناتجة.
Introduction
التفاعلات متشابك تسهيلها من قبل جزيئات التصاق متشابك هي الأساس لتطوير وتنظيم ومواصفات وصيانة وظيفة من نقاط الاشتباك العصبي وتوليد الشبكات العصبية. ويتزايد بسرعة تحديد جزيئات التصاق الخلايا المتحولة؛ وبالتالي، من المهم بشكل أساسي تحديد الشركاء الملزمين وفهم كيفية تفاعل جزيئات الالتصاق الجديدة هذه مع بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، حددت تسلسل الجينوم الطفرات في العديد من هذه الجزيئات التصاق التي ترتبط عادة إلى العديد من الاضطرابات العصبية النمائية، العصبية والنفسية،والإدمان 1. الطفرات في الجينات التي رمز لجزيئات التصاق الخلايا متشابك قد تغير بشكل ضار التفاعلات عبر وقد تسهم في التعديلات فيزيائية المرضية في تشكيل المشبك أو الصيانة.
توجد مقايسات متعددة لتقييم كمي تفاعلات البروتين والبروتين مثل قياس السعرات الحرارية isothermal، dichroism دائري، الرنين البلازمونالسطحي 2 وعلى الرغم من الكمية في الطبيعة، لديهم عدة قيود. أولاً، تتطلب بروتيناً مؤتلفاً، وتطالب أحياناً بخطوات تنقية طويلة ومملة. ثانيا، تتطلب هذه الكفاءات معدات متخصصة متطورة وخبرة فنية. ثالثاً، يمكن أن تبالغ في تقدير مدى الربط لأنها تسمح لكل من رابطة الدول المستقلة والتفاعلات العابرة بين البروتينات المربوطة بشكل طبيعي إلى غشاء في الجسم الحي. هنا نقترح اختبار بسيط وسريع نسبيا أن الاختبارات حصرا التفاعلات عبر.
للتحايل على العديد من المضاعفات المرتبطة بمقايس البروتين النقي، قمنا بتحسين تحليل تفاعل البروتين القائم على الخلايا الذي يلخص التفاعلات عبر في نظام الخلايا غير المغايرة. وقد سبق استخدام هذا الفحص في أشكال مختلفة لدراسة التفاعلات عبر الخلايا. في هذا النهج، يتم نقل جزيئات التصاق الخلية المرشحة إلى خلايا HEK293T. في الظروف الفسيولوجية، خلايا HEK293T لا تظهر التجميع الذاتي، مما يجعلها نماذج مثالية لهذا الفحص. ومع ذلك، عندما يتم الجمع بين مجموعات من الأفراد من خلايا HEK التعبير عن مستقبلات ويغاند، فإن ربط المستقبلات وقواد ليغاند تجميع خلايا HEK أن يحدث. ويتم هذا التجميع حصرياً عن طريق التفاعلات عبر، وعادة ما يكون قابلاً للملاحظة في عشرات الدقائق. لا يلزم اتخاذ خطوات لتنقية البروتين في هذه الطريقة، وتعتمد كفاءة الطريقة على النموذج الذي يتم فيه دمج مجموعات خلايا HEK التي تعبر عن جزيئات التصاقها، ثم يتم تصويرها بعد عشرات الدقائق فقط. بالإضافة إلى ذلك، هذه الطريقة غير مكلفة نسبيا، حيث لا الأجسام المضادة ولا معدات مكلفة مطلوبة. المعدات الوحيدة المطلوبة للحصول على البيانات هي مجهر فلوري قياسي. ميزة إضافية لهذا المقايسة القائمة على الخلية هي القدرة على فحص بسرعة تأثير الطفرات نقطة ذات الصلة المرض على التفاعلات عبر. ويمكن إجراء ذلك عن طريق نقل خلايا HEK مع cDNAs من المتغيرات المتحولة من البروتين من الفائدة.
في هذا البروتوكول، نقدم مثالاً نتحقق فيه مما إذا كانت طفرة الميزنس في Neurexin3α (Neurexin3αA687T)،التي تم تحديدها في مريض تم تشخيصه بإعاقة ذهنية عميقة والصرع، يغير التفاعلات في ترانس مع بروتين تكرار الغشاء اللين الغني باليوسين 2 (LRRTM2). Neurexin3α هو عضو في الأسرة المحفوظة تطوريا من الجزيئات presynaptic الخلية التصاق وبينما عمل مؤخرا قد حددت أدوار متعددة في المشبك3,4,5,6,7, فهمنا متشابك من هذا الجزيء وجميع أعضاء الأسرة neurexin لا تزال غير مكتملة. LRRTM2 هو عبارة عن بروتين التصاق الخلايا بعد التصاقات ما بعد التصاقات التي تشارك في تشكيل المشبك العصبي والصيانة8,9,10. الأهم من ذلك، LRRTM2 يتفاعل حصرا مع isoforms neurexin التي تفتقر إلى موقع لصق 4 exon البديل (SS4-) ولكن ليس مع isoforms neurexin التي تحتوي على موقع لصق 4 البديلة exon (SS4 +). يقع الطفرة البشرية (A687T) التي تم تحديدها في Neurexin3α في منطقة خارج الخلية غير مدروسة يتم حفظها تطورياً ويتم الحفاظ عليها بين جميع نويات ألفا7. كما تم تأسيس التفاعل بين هذين الجزيئات8,9,11, طرحنا السؤال: هل القدرة على الربط من Neurexin3α SS4- إلى LRRTM2 غيرت بواسطة A687T نقطة طفرة؟ وكشفت هذه الأقوال أن طفرة نقطة A687T عززت بشكل غير متوقع تجميع Neurexin3α إلى LRRTM2 مما يشير إلى أن المنطقة خارج الخلية التي تقع فيها الطفرة النقطة، تلعب دورا في التوسط التفاعلات عبرسينابتيك.
Protocol
Representative Results
Discussion
تشريح البروتين البروتينية التفاعلات التي تحدث في عبر خلال التصاق الخلية يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل للآليات الجزيئية الكامنة في العمليات الخلوية الأساسية بما في ذلك تشكيل وظيفة وصيانة نقاط الاشتباك العصبي أثناء النضج وإعادة عرض. الآثار المترتبة على التفاعلات من خلية إلى خلية توسيع نطاقها …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل المنح من المعهد الوطني للصحة العقلية (R00MH103531 و R01MH116901 إلى J.A.) ، ومنحة تدريب ما قبل الدكتوراه من المعهد الوطني للطب العام (T32GM007635 إلى S.R.) ، وزمالات ليدا هيل جيليام للدراسة المتقدمة (GT11021 إلى S.R.). نشكر الدكتور كيفن وولفري على المساعدة في المجهر، والدكتور ك أولريش باير لاستخدام مجهره النيففلورسنت، وتوماس سودهوف (جامعة ستانفورد) لLRRTM2 بلاسميد.
Materials
| 1.5 mL disposable microtubes with snap caps | VWR | 89000-028 | Incubation of mixed population of HEK cells |
| 1000 mL Rapid—Flow Filter Unit, 0.2 um aPES membrane | Thermo Fisher | 567-0020 | Sterilization of HEK media |
| 15 mL SpectraTube centrifuge tubes | Ward’s Science | 470224-998 | Harvesting HEK cells |
| 6 well sterile tissue culture plates | VWR | 100062-892 | culturing HEK cells |
| Calcium Chloride | Sigma | 223506-500G | Calcium phosphate transfection, HEK cell resuspension |
| Centrifuge- Sorvall Legend RT | Kendro Laboratory Products | 75004377 | Harvesting HEK cells |
| CO2 cell incubator | Thermo Scientific | HERACELL 150i | Incubation of HEK cells during growth |
| DMEM, 1x (Dulbecco's Modification of Eagle's Medium) with 4.5 g/L glucose, L-glutamine & sodium pyruvate | Corning | 10-013-CV | HEK cell maintenance |
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline PBS (1X) | Gibco | 14190-144 | Passaging/harvesting HEK cell |
| Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma | ED-500G | Harvesting HEK cells |
| Falcon Vented culture flasks, 75cm2 growth area | Corning | 9381M26 | Culturing HEK cells |
| Fetal Bovine Serum | Sigma | 17L184 | HEK cell maintenance |
| HEK293T cells | ATCC | Model system | |
| ImageJ | NIH | V: 2.0.0-rc-69/1.52p | Image analysis |
| Magnesium Chloride hexahydrate | Sigma | M9272-500G | HEK cell resuspension |
| Sodium phosphate dibasic anhydrous | Fisher BioReagents | BP332-500 | Calcium phosphate transfection |
| Trypsin 0.25% (1X) Solution | GE Healthcare Life Sciences | SH30042.01 | Passaging HEK cells |
| Tube rotator | Incubation of mixed population of HEK cells | ||
| UltraClear Microscope slides. White Frosted, Positive Charged | Denville Scientific Inc. | M1021 | Image acquisition |
| Wide-field microscope | Zeiss | Axio Vert 200M | Image acquisition |
References
- Südhof, T. C. Neuroligins and neurexins link synaptic function to cognitive disease. Nature. 455 (7215), 903-911 (2008).
- Lakey, J. H., Raggett, E. M. Measuring protein-protein interactions. Current Opinion in Structural Biology. 8 (1), 119-123 (1998).
- Aoto, J., Martinelli, D. C., Malenka, R. C., Tabuchi, K., Südhof, T. C. Presynaptic neurexin-3 alternative splicing trans-synaptically controls postsynaptic AMPA receptor trafficking. Cell. 154 (1), 75-88 (2013).
- Aoto, J., Földy, C., Ilcus, S. M. C., Tabuchi, K., Südhof, T. C. Distinct circuit-dependent functions of presynaptic neurexin-3 at GABAergic and glutamatergic synapses. Nature Neuroscience. 18 (7), 997-1007 (2015).
- Südhof, T. C. Synaptic Neurexin Complexes: A Molecular Code for the Logic of Neural Circuits. Cell. 171 (4), 745-769 (2017).
- Dai, J., Aoto, J., Südhof, T. C. Alternative Splicing of Presynaptic Neurexins Differentially Controls Postsynaptic NMDA and AMPA Receptor Responses. Neuron. 102 (5), 993-1008 (2019).
- Restrepo, S., Langer, N. J., Nelson, K. A., Aoto, J. Modeling a Neurexin-3α Human Mutation in Mouse Neurons Identifies a Novel Role in the Regulation of Transsynaptic Signaling and Neurotransmitter Release at Excitatory Synapses. The Journal of Neuroscience. 39 (46), 9065-9082 (2019).
- Ko, J., Fuccillo, M. V., Malenka, R. C., Südhof, T. C. LRRTM2 Functions as a Neurexin Ligand in Promoting Excitatory Synapse Formation. Neuron. 64 (6), 791-798 (2009).
- de Wit, J., et al. LRRTM2 Interacts with Neurexin1 and Regulates Excitatory Synapse Formation. Neuron. 64 (6), 799-806 (2009).
- Linhoff, M. W., et al. An Unbiased Expression Screen for Synaptogenic Proteins Identifies the LRRTM Protein Family as Synaptic Organizers. Neuron. 61 (5), 734-749 (2009).
- Siddiqui, T. J., Pancaroglu, R., Kang, Y., Rooyakkers, A., Craig, A. M. LRRTMs and Neuroligins Bind Neurexins with a Differential Code to Cooperate in Glutamate Synapse Development. Journal of Neuroscience. 30 (22), 7495-7506 (2010).
- Gibson, D. G., Young, L., Chuang, R. -. Y., Venter, J. C., Hutchison, C. A., Smith, H. O. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nature Methods. 6 (5), 343-345 (2009).
- Bacchetti, S., Graham, F. L. Transfer of the gene for thymidine kinase to thymidine kinase-deficient human cells by purified herpes simplex viral DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 (4), 1590-1594 (1977).
- Cerchiari, A. E., et al. A strategy for tissue self-organization that is robust to cellular heterogeneity and plasticity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (7), 2287-2292 (2015).
- Burdick, M. M., McCarty, O. J. T., Jadhav, S., Konstantopoulos, K. Cell-cell interactions in inflammation and cancer metastasis. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 20 (3), 86-91 (2001).
- Fox, D. A., Gizinski, A., Morgan, R., Lundy, S. K. Cell-cell interactions in rheumatoid arthritis synovium. Rheumatic Diseases Clinics of North America. 36 (2), 311-323 (2010).
- Yamagata, A., et al. Structural insights into modulation and selectivity of transsynaptic neurexin-LRRTM interaction. Nature Communications. 9 (1), 3964 (2018).
- Nguyen, T., Südhof, T. C. Binding properties of neuroligin 1 and neurexin 1beta reveal function as heterophilic cell adhesion molecules. The Journal of Biological Chemistry. 272 (41), 26032-26039 (1997).
- Boucard, A. A., Ko, J., Südhof, T. C. High Affinity Neurexin Binding to Cell Adhesion G-protein-coupled Receptor CIRL1/Latrophilin-1 Produces an Intercellular Adhesion Complex. Journal of Biological Chemistry. 287 (12), 9399-9413 (2012).
