Summary

Yaşlanmaya Bağlı Translasyon Sonrası Değişiklikleri İncelemek İçin Birden Fazla Fare Dokusundan Ara Filament Proteinlerinin İzolasyonu

Published: May 18, 2017
doi:

Summary

Bu yöntemde, birden fazla fare dokusundan ara fılaman (IF) proteinlerinin hızlı ve etkin izolasyonu için biyokimyasal prosedürler sunulmaktadır. İzole edilmiş IF'ler, kütle spektrometresi ve diğer biyokimyasal testlerle translasyon sonrası modifikasyon değişikliklerini incelemek için kullanılabilir.

Abstract

Orta filamentler (IF), aktin filamentleri ve mikrotübüller ile birlikte, her hücrenin kritik bir yapısal öğesi olan hücre iskeletini oluştururlar. Normal işleyen IF'ler mekanik ve stres direnci hücrelere neden olurken, işlevsiz bir IF sitoskeletonu hücresel sağlığa zarar verir ve birçok insan hastalıklarıyla ilişkilendirilmiştir. Translasyon sonrası modifikasyon (PTM), fizyolojik değişikliklere ve stres koşullarına bağlı olarak IF dinamiklerini eleştirel olarak düzenler. Bu nedenle, IF'lerin PTM imzasındaki değişiklikleri izleyebilme özelliği, IF sisteminin hücresel yaralanma sırasında bir stres tepkisi olarak daha iyi bir fonksiyonel anlayışa ve nihai olarak şartlandırılmasına katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, 70'den fazla bireysel gen tarafından kodlanan ve dokuya bağlı bir şekilde ifade edilen çok sayıda IF proteini, farklı PTM'lerin göreli önemini belirlemede önemli bir zorluktur. Bu amaçla IF proteinleri üzerinde PTM'lerin izlenmesini sağlayan yöntemlerAilenin izole edilmiş üyeleri yerine bir organizma genelinde bu alanda araştırma ilerlemesini hızlandırabilir. Burada, 9 değişik fare dokusundan (beyin, kalp, akciğer, karaciğer, ince bağırsak, kalın bağırsak, pankreas, böbrek ve protein) IF proteinlerinin toplam, deterjana özülebilir ve deterjana dirençli fraksiyonunun izolasyonu için biyokimyasal yöntemler sunuyoruz. dalak). Ayrı bir fare dokusunun lizing matrisi ve otomatik homojenizasyonunu kullanarak IF proteinlerinin hızlı izolasyonu için optimize edilmiş bir protokol daha ortaya koyduk. Otomatik protokol, yüksek numune hacmi olan deneylerde (birden çok hayvanı ve deney grubu içeren hastalık modellerinde olduğu gibi) IF'leri profillemek için kullanışlıdır. Ortaya çıkan numuneler, kütle spektrometresi tabanlı PTM profillemesi de dahil olmak üzere çeşitli aşağı akım analizleri için kullanılabilir. Bu yöntemleri kullanarak, farklı fare dokularındaki (beyin ve karaciğer) IF proteinlerinin ekspresyonlarına paralel olarak değiştiğini gösteren yeni veriler sunmaktayızYaşlanma esnasında serum düzeyleri ve PTM'ler.

Introduction

IF'ler, insanlarda 73 gen ile kodlanan ve altı ana tipte sınıflandırılan protein ailesidir: I-IV tipleri sitoplazmiktir ( örn., Epitelyal ve saç keratinleri (K), miyosit desmin, nevrofilamentler, glial fibriler asidik protein (GFAP) ve diğerleri); V tipi nükleer lamindir; Ve tip VI, göz mercekinde 1 IF'lerdir. Moleküler organizasyonları bakımından, IF proteinleri üç ortak alana sahiptir: yüksek oranda korunmuş sargılı bobin çubuk alanı ve küresel "baş" ve "kuyruk" alanları. IF protein tetramers, mekanik koruma 2 , stres algılama 3 , 4 , transkripsiyon regülasyonu 5 ve büyüme ve diğer kritik hücresel fonksiyonlarla ilgili olan dinamik sitoskelet ve nükleoskelet yapılarını şekillendiren olgun filamentlere dahil olan kısa filament öncüleri oluşturmak üzere bir araya gelir."1 , 6 , 7 .

IF sisteminin işlevsel önemi, nöropatiler, miyopati, cilt kırılganlık bozuklukları, metabolik işlev bozuklukları ve erken yaşlanma sendromları gibi IF genlerinde missense mutasyonlarının yol açtığı birçok insan hastalıklarının varlığı ile vurgulanır. Bazı IF geni mutasyonları neden olmaz, ancak taşıyıcılarını karaciğer hastalığında basit epitel keratin gibi hastalığın ilerlemesine yatkın hale getirir. İkincisi, epitelde IFN'lerin kritik stres koruyucu işlevlerinden kaynaklanmaktadır. Genel olarak IF'ler bazal koşullar altında en bol hücresel proteinler arasındadır, ancak çeşitli stres türleri boyunca daha da kuvvetle uyarılırlar10. Örneğin, nematod C. elegans'daki proteom çapındaki değişiklikleri değerlendiren son çalışmalar, çoklu IF'lerin yüksek şekilde düzenlendiğini ve aga eğilimli olduğunu ortaya koymuşturOrganizmal yaşlanma sırasında 11 , 12 . Uygun bir IF yapısının idame ettirilmesi, çeşitli stres biçimlerine karşı hücresel direnç için zorunlu olduğu için, IF agregasyonu yaşlanma sırasında işlevsel düşüşe katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, stres yaşayan farklı dokularda birden fazla memeli IF proteinini inceleyen organizma düzeyinde çalışmalar bulunmamaktadır.

IF'ler, hücresel talepleri karşılamak için adapte olmuş dinamik yapılardır. Örneğin, Keratinler, çözünebilir (lifsiz) ve çözünmeyen (lifli) protein havuzu 13 arasında biyosentezden bağımsız bir şekilde geçiş yapmaktadır. Normal fizyolojik koşullar altında, toplam K8 / K18 havuzunun deterjan içermeyen tamponda yaklaşık% 5 oranında ekstrakte edilebileceği, non-iyonik deterjan Nonidet P-40'da çözünür hale getirilebilecek yaklaşık% 20'ye kıyasla biyokimyasal olarak Triton- X100 14 , </s15 yaş üstü. Mitoz sırasında basit tip epitelyal K8 ve K18 14'ün çözünürlüğünde dikkate değer bir artış vardır; bu, epidermal keratinlerde daha az belirgindir, ancak vimentin ve diğer tip III IF proteinleri 15 , 16'da daha belirgindir. IF proteinlerinin çözünürlük özellikleri, filament yeniden düzenlenmesi ve çözünürlüğü için anahtar post-translasyonel modifikasyon (PTM) olan fosforilasyon ile sıkıca düzenlenir 17 , 18 , 19 , 20 . Çoğu İE, korunan alanlarda bir dizi PTM tarafından kapsamlı bir düzenleme altına girer ve işlevsel değişikliklerle sonuçlanır 17 .

Bu yöntemin amacı IF alanında yeni araştırmacılar ile IF fare dokularında IF proteinlerinin çalışılması için biyokimyasal ekstraksiyon ve analitik yöntemler getirmektir. ÖzelMüttefik olarak, yüksek tuz ekstraksiyon yöntemiyle IF proteinlerinin izole edilmesine ve kütle spektrometresi ve PTM hedefleyen antikorlar vasıtasıyla PTM'lerin değişimlerinin değerlendirilmesine odaklanıyoruz. Bu yöntemler, önceden yayınlanmış prosedürleri 21 üzerine inşa etmekte ancak IF ailesinde düzenleme için ortak mekanizma ortaya çıkarmak için farklı IF protein tiplerini çıkarmak için değişiklikler içermektedir. Örneğin, belirli bir lisin kalıntısındaki K8 asetilasyonu filament organizasyonunu düzenlerken, hiperazetillenme K8 çözünmezliğini ve agregat oluşumunu teşvik eder 22 . Yakın zamanda yapılan küresel proteomik profil çalışmaları, dokuya özgü IF proteinlerinin çoğunun aynı zamanda asetilasyon hedefi olduğunu ve çoğu IF asetilasyon sahasının yüksek oranda korunmuş çubuk alanıyla sınırlandırıldığını ortaya koymuştur. Bu, IF sisteminin küresel profillemesi için uygun yöntemlere duyulan ihtiyacın altını çizer. Opti'de otomatik homojenizasyon kullanarak çok sayıda dokudan IF proteinlerini izole etmek için hızlı bir yöntem de sunuyoruzMized lysing matrisi. Elde edilen müstahzarlar, kütle spektrometrisi ve diğer metotlar ile aşağı akım PTM analizi için uygundur.

Protocol

Protokol, Kuzey Carolina Üniversitesi'nde Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanım Komitesi'ne (IACUC) uygun olarak onaylandı ve gerçekleştirildi. 1. Preparatlar Triton-X tamponu (% 1 Triton X-100, 5 mM etilendiamintetraasetik asit (EDTA) hazırlayın, fosfat tamponlu salin (PBS), pH 7.4 içinde hacim getirin). 500 mL yapmak için: Triton X-100 ve 500 mM EDTA'dan her biri 5 mL, 490 mL PBS'ye, pH 7.4'e karıştırın. Triton-X tampon çözeltisini 4 ° C'de saklayın. …

Representative Results

Lizing matrisi kullanarak birden çok fare dokusundan IF proteinlerinin yüksek tuz esaslı ekstraksiyonu için yeni hızlı bir yöntem. Orta fılamat protein fraksiyonunun hacmini epitel dokudan izole etmek için kullanılan geleneksel yöntem 25,26 burada dokuz farklı organı ve doku lizisi için daha hızlı bir prosedürü içerecek şekilde değiştirildi. Geleneks…

Discussion

IF proteinlerinin biyokimyasal olarak tanımlanmasını sağlayan yöntemler, IF proteinleri hem hücresel hem de doku stresinin belirteçleri ve modülatörleri olduğu için, memeli sistemlerinde çok sayıda patofizyolojik olayı anlamak için yararlı olabilir. Mevcut yöntemin arkasındaki ilke, IF proteinlerini hücrelerden ve dokulardan izole etmek, ayırmak ve yeniden oluşturmak için 1970'lerde ve 1980'lerde geliştirilen başlangıç ​​prosedürlerine dayanmaktadır, bunlar genellikle düşük ve …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, NIH R01 DK110355, DK093776 [NTS], DK102450 [NTS] ve P30 DK034987 [UNC-Chapel Hill'e] tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, qPCR ve batı leke deneyleriyle ilgili yardım için Deekshita Ramanarayanan'a teşekkür ederler.

Materials

Dynabeads Protein G ThermoFisher Scientific 10009 immunoprecipitation beads
PBS ThermoFisher Scientific 10010049 for buffers
Purelink RNA mini kit ThermoFisher Scientific 12183018 RNA extraction from tissue
Purelink DNAse set ThermoFisher Scientific 12185010A on column DNA digestion
Dynamag-2 ThermoFisher Scientific 12321D magnet for use with dynabeads
GelCode Blue Stain Reagent ThermoFisher Scientific 24592 mass spectrometry-compatible gel stain
Pierce ECL Western Blotting Substrate ThermoFisher Scientific 32106 for use in western blot
High Capacity cDNA reverse transcription kit ThermoFisher Scientific 4368813 for use in gene expression analysis
Proflex 3×32-well PCR System ThermoFisher Scientific 4484073 PCR system
PVDF transfer membrane  ThermoFisher Scientific 88520 for western blot
Power Up SYBR master mix ThermoFisher Scientific A25778 for qPCR analysis
RNAlater ThermoFisher Scientific AM7020 solution for tissue storage prior to RNA isolation
Novex 4-20% Tris Glycine Gel ThermoFisher Scientific XP04205BOX Precast protein gel
Anti-Keratin 8 antibody (TS1) ThermoFisher Scientific MA514428 for western blot detection of K8
Anti-Vimentin ThermoFisher Scientific MA511883 for western blot detection of vimentin
Tris Glycine Transfer Buffer (25X) ThermoFisher Scientific LC3675 for wet transfer of protein gels
2X SDS Sample Buffer ThermoFisher Scientific LC2676 for preparing protein gel samples
Tris Glycine SDS Running Buffer (10X) ThermoFisher Scientific LC26755 for running protein gels
Lysing beads – Matrix D MP Biomedicals 116913100 Lysis beads and matrix tubes for tissue disruption and RNA extraction
Lysing beads – Matrix SS MP Biomedicals 116921100 Lysis beads and matrix tubes for tissue disruption and protein extraction
NanoDrop Lite Spectrophotometer ThermoFisher Scientific ND-LITE measurement of protein and nucleic acid
Precellys 24 homogenizer Bertin Instruments EQ03119 Automated tissue homogenizer

Referenzen

  1. Eriksson, J. E., et al. Introducing intermediate filaments: from discovery to disease. J Clin Invest. 119 (7), 1763-1771 (2009).
  2. Lowery, J., Kuczmarski, E. R., Herrmann, H., Goldman, R. D. Intermediate Filaments Play a Pivotal Role in Regulating Cell Architecture and Function. J Biol Chem. 290 (28), 17145-17153 (2015).
  3. Perez-Sala, D., et al. Vimentin filament organization and stress sensing depend on its single cysteine residue and zinc binding. Nat Commun. 6, 7287 (2015).
  4. Dialynas, G., et al. Myopathic lamin mutations cause reductive stress and activate the nrf2/keap-1 pathway. PLoS Genet. 11 (5), e1005231 (2015).
  5. Hobbs, R. P., et al. Keratin-dependent regulation of Aire and gene expression in skin tumor keratinocytes. Nat Genet. , (2015).
  6. Chung, B. M., Rotty, J. D., Coulombe, P. A. Networking galore: intermediate filaments and cell migration. Curr Opin Cell Biol. 25 (5), 600-612 (2013).
  7. Gruenbaum, Y., Aebi, U. Intermediate filaments: a dynamic network that controls cell mechanics. F1000 Prime Rep. 6, (2014).
  8. Omary, M. B. "IF-pathies": a broad spectrum of intermediate filament-associated diseases. J Clin Invest. 119 (7), 1756-1762 (2009).
  9. Omary, M. B., Ku, N. O., Strnad, P., Hanada, S. Toward unraveling the complexity of simple epithelial keratins in human disease. J Clin Invest. 119 (7), 1794-1805 (2009).
  10. Toivola, D. M., Strnad, P., Habtezion, A., Omary, M. B. Intermediate filaments take the heat as stress proteins. Trends Cell Biol. 20 (2), 79-91 (2010).
  11. Walther, D. M., et al. Widespread Proteome Remodeling and Aggregation in Aging. C. elegans. Cell. 161 (4), 919-932 (2015).
  12. David, D. C., et al. Widespread protein aggregation as an inherent part of aging in. C. elegans. PLoS Biol. 8 (8), (2010).
  13. Windoffer, R., Beil, M., Magin, T. M., Leube, R. E. Cytoskeleton in motion: the dynamics of keratin intermediate filaments in epithelia. J Cell Biol. 194 (5), 669-678 (2011).
  14. Chou, C. F., Riopel, C. L., Rott, L. S., Omary, M. B. A significant soluble keratin fraction in ‘simple’ epithelial cells. Lack of an apparent phosphorylation and glycosylation role in keratin solubility. J Cell Sci. 105 ( Pt. 2, 433-444 (1993).
  15. Omary, M. B., Ku, N. O., Liao, J., Price, D. Keratin modifications and solubility properties in epithelial cells and in vitro). Subcell Biochem. 31, 105-140 (1998).
  16. Lowthert, L. A., Ku, N. O., Liao, J., Coulombe, P. A., Omary, M. B. Empigen BB: a useful detergent for solubilization and biochemical analysis of keratins. Biochem Biophys Res Commun. 206 (1), 370-379 (1995).
  17. Snider, N. T., Omary, M. B. Post-translational modifications of intermediate filament proteins: mechanisms and functions. Nat Rev Mol Cell Biol. 15 (3), 163-177 (2014).
  18. Snider, N. T., Weerasinghe, S. V., Iniguez-Lluhi, J. A., Herrmann, H., Omary, M. B. Keratin hypersumoylation alters filament dynamics and is a marker for human liver disease and keratin mutation. J Biol Chem. 286 (3), 2273-2284 (2011).
  19. Eriksson, J. E., et al. Specific in vivo phosphorylation sites determine the assembly dynamics of vimentin intermediate filaments. J Cell Sci. 117 (Pt. 6, 919-932 (2004).
  20. Sahlgren, C. M., et al. Mitotic reorganization of the intermediate filament protein nestin involves phosphorylation by cdc2 kinase). J Biol Chem. 276 (19), 16456-16463 (2001).
  21. Snider, N. T., Omary, M. B. Assays for Posttranslational Modifications of Intermediate Filament Proteins. Methods Enzymol. 568, 113-138 (2016).
  22. Snider, N. T., et al. Glucose and SIRT2 reciprocally mediate the regulation of keratin 8 by lysine acetylation. J Cell Biol. 200 (3), 241-247 (2013).
  23. Danneman, P., Suckow, M. A., Brayton, C., Suckow, M. A. . The laboratory mouse. , (2013).
  24. Weiss, W., Weiland, F., Gorg, A. Protein detection and quantitation technologies for gel-based proteome analysis. Methods Mol Biol. 564, 59-82 (2009).
  25. Achtstaetter, T., Hatzfeld, M., Quinlan, R. A., Parmelee, D. C., Franke, W. W. Separation of cytokeratin polypeptides by gel electrophoretic and chromatographic techniques and their identification by immunoblotting. Methods Enzymol. 134, 355-371 (1986).
  26. Ku, N. O., et al. Studying simple epithelial keratins in cells and tissues. Methods Cell Biol. 78, 489-517 (2004).
  27. Julien, J. P., Mushynski, W. E. Multiple phosphorylation sites in mammalian neurofilament polypeptides. J Biol Chem. 257 (17), 10467-10470 (1982).
  28. Hubbard, B. D., Lazarides, E. Copurification of actin and desmin from chicken smooth muscle and their copolymerization in vitro to intermediate filaments. J Cell Biol. 80 (1), 166-182 (1979).
  29. Ku, N. O., Strnad, P., Bantel, H., Omary, M. B. Keratins: Biomarkers and modulators of apoptotic and necrotic cell death in the liver. Hepatology. 64 (3), 966-976 (2016).
  30. Huiatt, T. W., Robson, R. M., Arakawa, N., Stromer, M. H. Desmin from avian smooth muscle. Purification and partial characterization. J Biol Chem. 255 (14), 6981-6989 (1980).
  31. Zackroff, R. V., Goldman, R. D. In vitro assembly of intermediate filaments from baby hamster kidney (BHK-21) cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 76 (12), 6226-6230 (1979).
  32. Franke, W. W., Schmid, E., Osborn, M., Weber, K. The intermediate-sized filaments in rat kangaroo PtK2 cells. II. Structure and composition of isolated filaments. Cytobiologie. 17 (2), 392-411 (1978).
  33. Small, J. V., Sobieszek, A. Studies on the function and composition of the 10-NM(100-A) filaments of vertebrate smooth muscle. J Cell Sci. 23, 243-268 (1977).
  34. Dahl, D., Bignami, A. Glial fibrillary acidic protein from normal human brain. Purification and properties. Brain Res. 57 (2), 343-360 (1973).
  35. Steinert, P. M., Idler, W. W., Zimmerman, S. B. Self-assembly of bovine epidermal keratin filaments in vitro. J Mol Biol. 108 (3), 547-567 (1976).
  36. Goldman, R. D., Cleland, M. M., Murthy, S. N., Mahammad, S., Kuczmarski, E. R. Inroads into the structure and function of intermediate filament networks. J Struct Biol. 177 (1), 14-23 (2012).
  37. Oshima, R. G. Intermediate filaments: a historical perspective. Exp Cell Res. 313 (10), 1981-1994 (2007).
  38. Mashukova, A., Forteza, R., Salas, P. J. Functional Analysis of Keratin-Associated Proteins in Intestinal Epithelia: Heat-Shock Protein Chaperoning and Kinase Rescue. Methods Enzymol. 569, 139-154 (2016).
  39. Schinzel, R., Dillin, A. Endocrine aspects of organelle stress-cell non-autonomous signaling of mitochondria and the ER. Curr Opin Cell Biol. 33, 102-110 (2015).
  40. Taylor, R. C., Berendzen, K. M., Dillin, A. Systemic stress signalling: understanding the cell non-autonomous control of proteostasis. Nat Rev Mol Cell Biol. 15 (3), 211-217 (2014).
  41. Lemieux, G. A., et al. Kynurenic acid is a nutritional cue that enables behavioral plasticity. Cell. 160 (1-2), 119-131 (2015).
  42. Oosten-Hawle, P., Porter, R. S., Morimoto, R. I. Regulation of organismal proteostasis by transcellular chaperone signaling. Cell. 153 (6), 1366-1378 (2013).
  43. Ulgherait, M., Rana, A., Rera, M., Graniel, J., Walker, D. W. AMPK modulates tissue and organismal aging in a non-cell-autonomous manner. Cell Rep. 8 (6), 1767-1780 (2014).
  44. Aynardi, M. W., Steinert, P. M., Goldman, R. D. Human epithelial cell intermediate filaments: isolation, purification, and characterization. J Cell Biol. 98 (4), 1407-1421 (1984).
  45. Shea, J. M., et al. Purification of desmin from adult mammalian skeletal muscle. Biochem J. 195 (2), 345-356 (1981).
  46. Liao, J., Lowthert, L. A., Ghori, N., Omary, M. B. The 70-kDa heat shock proteins associate with glandular intermediate filaments in an ATP-dependent manner. J Biol Chem. 270 (2), 915-922 (1995).
  47. Liao, J., Omary, M. B. 14-3-3 proteins associate with phosphorylated simple epithelial keratins during cell cycle progression and act as a solubility cofactor. J Cell Biol. 133 (2), 345-357 (1996).
  48. Ku, N. O., Fu, H., Omary, M. B. Raf-1 activation disrupts its binding to keratins during cell stress. J Cell Biol. 166 (4), 479-485 (2004).
  49. Hendriks, I. A., Vertegaal, A. C. A comprehensive compilation of SUMO proteomics. Nat Rev Mol Cell Biol. 17 (9), 581-595 (2016).
  50. Agnetti, G., Lindsey, M. L., Foster, D. B. . Manual of cardiovascular proteomics. , (2016).
  51. Choudhary, C., Weinert, B. T., Nishida, Y., Verdin, E., Mann, M. The growing landscape of lysine acetylation links metabolism and cell signalling. Nat Rev Mol Cell Biol. 15 (8), 536-550 (2014).
  52. Herhaus, L., Dikic, I. Expanding the ubiquitin code through post-translational modification. EMBO Rep. 16 (9), 1071-1083 (2015).
  53. Dephoure, N., Gould, K. L., Gygi, S. P., Kellogg, D. R. Mapping and analysis of phosphorylation sites: a quick guide for cell biologists. Mol Biol Cell. 24 (5), 535-542 (2013).
  54. Choudhary, C., Mann, M. Decoding signalling networks by mass spectrometry-based proteomics. Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (6), 427-439 (2010).
  55. Creixell, P., Linding, R. Cells, shared memory and breaking the PTM code. Mol Syst Biol. 8, 598 (2012).
  56. Minguez, P., et al. Deciphering a global network of functionally associated post-translational modifications. Mol Syst Biol. 8, (2012).
  57. Snider, N. T., Park, H., Omary, M. B. A conserved rod domain phosphotyrosine that is targeted by the phosphatase PTP1B promotes keratin 8 protein insolubility and filament organization. J Biol Chem. 288 (43), 31329-31337 (2013).
  58. Gorospe, J. R., et al. Molecular findings in symptomatic and pre-symptomatic Alexander disease patients. Neurology. 58 (10), 1494-1500 (2002).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Battaglia, R. A., Kabiraj, P., Willcockson, H. H., Lian, M., Snider, N. T. Isolation of Intermediate Filament Proteins from Multiple Mouse Tissues to Study Aging-associated Post-translational Modifications. J. Vis. Exp. (123), e55655, doi:10.3791/55655 (2017).

View Video