Spatiotemporally контролируемых ядерных транслокации гостей в живых клеток с помощью клетке молекулярный клей как Photoactivatable Теги
Summary
Этот протокол описывает свет срабатывает ядерной транслокации гостей в живых клеток с помощью тегов клетке молекулярный клей. Этот метод является перспективным для сайта селективные таргетинг доставки лекарств.
Abstract
Клеточное ядро является одним из наиболее важных органеллы как цель субцеллюлярные доставки лекарств, после модуляции гена репликации и выражение является эффективным для лечения различных заболеваний. Здесь мы демонстрируем, что свет срабатывает ядерной транслокации гостей с помощью клетке Теги молекулярный клей (Cagedклей-R), анионные photocleavable группой (бутират замещенных защищены которого несколько подвески Ион (ГУ+) Гуанидиновые nitroveratryloxycarbonyl; Ба NVOC). Гости, отмеченных Cagedклей-R учитываются живых клеток через эндоцитоза и остаются в endosomes. Однако после хлорином, Cagedклей-R преобразуется в отключенную молекулярный клей (Uncagedклей-R) проведение нескольких ГУ+ подвески, которая облегчает побег от англ и последующих ядерных транслокации гостей. Этот метод является перспективным для доставки лекарств сайт селективные таргетинг, поскольку тегами гости могут мигрировать в цитоплазме, следуют клеточного ядра только при photoirradiated. В клетке Клей-R Теги могут доставить макромолекулярных гостей, таких как квантовых точек (QDs) а также мелкомолекулярных гостей. В клетке Клей-R Теги могут быть отключенную с не только УФ-излучения, но и двух Фотон ближней ИК-области спектра (NIR) света, который может глубоко проникают в ткани.
Introduction
Клеточное ядро, которое несет генетическую информацию, является одним из наиболее важных органеллы как цель субцеллюлярные доставки лекарств, с модуляции гена репликации и выражение является эффективным для лечения различных заболеваний, включая рак и генетических расстройства,1,2,3. Для доставки ядерного оружия, наркотиков спряжение пептида теги, такие, как широко исследована ядерной локализации сигналов (NLS)4,5,6 . Однако для того чтобы уменьшить нежелательные побочные эффекты, пространственно-временных контроль ядерных транслокации является необходимым.
Ранее был достигнут свет срабатывает транслокации белка в ядре клетки, с помощью NLS клетке7,8,9. NLS мигрирует в ядре клетки путем связывания белков цитоплазматического транспорта6. В сообщаемых методов гость белки, принимая клетке NLS непосредственно включены в цитоплазме микроинъекции8 или выраженные в целевой ячейки, используя метод расширения генетического кода9. Таким образом метод, который можно достичь клеточного поглощения и фото индуцированной ядерной транслокации выгодно для практического применения.
Здесь мы описываем свет срабатывает ядерной транслокации гостей в живых клеток с помощью тегов дендритных клетках молекулярный клей (Cagedклей-R, рис. 1). Водорастворимые клеи молекулярной10,11,12,13,14,,1516,17,18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , принимая несколько ГУ+ подвески ранее разработаны, который жестко придерживаться белков11,12,13,14,15, 16,17, нуклеиновые кислоты18,19,20, фосфолипидов мембран21и глины nanosheets22,23 через формирование нескольких соли мостов между их подвески ГУ+ и oxyanionic группами на цели. ГУ+ подвески Cagedклей-R защищены анионные photocleavable группой, бутират замещенных nitroveratryloxycarbonyl (BANVOC). Гости, отмеченных Cagedклей-R учитываются живых клеток через эндоцитоза и пребывания в endosomes (рис. 2). После хлорином БаNVOC групп Cagedклей-R отсоединены приносить отключенную молекулярный клей (Uncagedклей-R) перевозящих несколько ГУ+ подвески, которая затем способствует миграции тегами гостя в цитоплазме, следуют клеточного ядра (рис. 2). Cagedклей-R тег может быть отключенную под воздействием УФ или два Фотон ближней ИК-области спектра (NIR) света без серьезных Фототоксичность. Мы демонстрируем spatiotemporally контролируемых ядерных поставок макромолекулярных гостей, а также мелкомолекулярных гостей с Cagedклей-R теги, использование квантовых точек (QDs) и флуоресцентные краски (nitrobenzoxadiazole; NBD), соответственно, в качестве примеров.
Рисунок 1: Схема структуры Cagedклей-р. 9 Гуанидиновые Ион (ГУ+) подвески Cagedклей-r защищены группой бутират замещенных nitroveratryloxycarbonyl (BANVOC). Группы NVOC Барасщепляется при облучении УФ или два Фотон NIR света. Суть фокуса Cagedклей-R функционализированных с nitrobenzoxadiazole (NBD) или dibenzocylooctyne (DBCO). Перепечатано с разрешения ссылки20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Схематическое изображение света срабатывает ядерной транслокации гостей конъюгированных с тегом клей-R Caged. Гость /Cagedклей-R конъюгата учитывается живых клеток через эндоцитоз. После хлорином клей-R тег Cagedотключенную приносить тег клей-R Uncaged, который может облегчить побег от англ тегами гостя. Впоследствии помеченный гость мигрирует в ядре клетки. Перепечатано с разрешения ссылки20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Предыдущие исследования-срабатывает транслокации белка в ядре клетки были достигнуты с помощью NLS клетке7,8,9. Как упоминалось ранее, эти методы требуют дополнительных методов включения NLS-тегами белков в цитоплазме. В противоположност?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признаем центр для NanoBio интеграции, Университет Токио. Эта работа была поддерживается за счет целевых субсидий для молодых ученых (B) (26810046) К.О и частично поддерживается субсидий специально поощрять исследований (25000005) т.а. R.M. Спасибо исследовательские стипендии Японии общества для поощрения науки (JSP ) для молодых ученых и программы для ведущих выпускник школ (GPLLI).
Materials
| Azide-PEG4-NHS ester | Click Chemistry Tools | AZ103 | |
| Q-dot 655 ITK | Invitrogen | Q21521MP | |
| Regenerated cellulose membrane (MWCO 3,500) | NIPPON Genetics | TOR-3K | |
| Regenerated cellulose membrane (MWCO 25,000) | Harvard Apparatus | 7425-RC25K | |
| Hep3B Cells | ATCC | HB-8064 | |
| 8-chambered glass substrate | Nunc | 155411JP | |
| 96-well culture plate | Nunc | 167008 | |
| Eagle's minimal essential medium (EMEM) | Thermo Fisher Scientific | 10370-021 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | GE Healthcare | SH30406.02 | |
| Dulbecco's phosphate buffer saline (D-PBS) | Wako Pure Chemical Industries | 045-29795 | |
| LysoTracker Red | Lonza Walkersville | PA-3015 | |
| Hoechst 33342 | Dojindo | H342 | |
| Cell Counting Kit-8 | Dojindo | CK04 | |
| Confocal laser scanning microscope | Carl-Zeiss | LSM 510 | Equipped with two-photon excitation laser (Mai Tai laser, Spectra-Physics) |
| Confocal laser scanning microscope | Leica | TCS SP8 | |
| Xenon light source | Asahi Spectra | LAX-102 | |
| Microplate reader | Molecular Devices | SpectraMax Paradigm |
Referenzen
- Miller, A. D. Human gene therapy comes of age. Nature. 357, 455-460 (1992).
- Roth, J. A., Cristiano, R. J. Gene Therapy for Cancer: What Have We Done and Where Are We Going. Journal of the National Cancer Institute. 89, 21-39 (1997).
- Verma, I. M., Weitzman, M. D. GENE THERAPY: Twenty-First Century Medicine. Annual Review of Biochemistry. 74, 711-738 (2005).
- Ragin, A. D., Morgan, R. A., Chmielewski, J. Cellular Import Mediated by Nuclear Localization Signal Peptide Sequences. Chemistry & Biology. 9, 943-948 (2002).
- Martin, R. M., et al. Principles of protein targeting to the nucleolus. Nucleus. 6, 314-325 (2015).
- Sun, Y., et al. Factors influencing the nuclear targeting ability of nuclear localization signals. Journal of Drug Targeting. 24, 927-933 (2016).
- Ventura, B. D., Kuhlman, B. Go in! Go out! Inducible control of nuclear localization. Current Opinion in Chemical Biology. 34, 62-71 (2016).
- Watai, Y., Sase, I., Shiono, H., Nakano, Y. Regulation of nuclear import by light-induced activation of caged nuclear localization signal in living cells. FEBS Letters. 488, 39-44 (2001).
- Engelke, H., Chou, C., Uprety, R., Jess, P., Deiters, A. Control of Protein Function through Optochemical Translocation. ACS Synthetic Biology. 3, 731-736 (2014).
- Mogaki, R., Hashim, P. K., Okuro, K., Aida, T. Guanidinium-based "molecular glues" for modulation of biomolecular functions. Chemical Society Reviews. 46, 6480-6491 (2017).
- Okuro, K., Kinbara, K., Tsumoto, K., Ishii, N., Aida, T. Molecular Glues Carrying Multiple Guanidinium Ion Pendants via an Oligoether Spacer: Stabilization of Microtubules against Depolymerization. Journal of the American Chemical Society. 131, 1626-1627 (2009).
- Okuro, K., et al. Adhesion Effects of a Guanidinium Ion Appended Dendritic "Molecular Glue" on the ATP-Driven Sliding Motion of Actomyosin. Angewandte Chemie, International Edition. 48, 3030-3033 (2010).
- Uchida, N., et al. Photoclickable Dendritic Molecular Glue: Noncovalent-to-Covalent Photochemical Transformation of Protein Hybrids. Journal of the American Chemical Society. 135, 4684-4687 (2013).
- Garzoni, M., Okuro, K., Ishii, N., Aida, T., Pavan, G. M. Structure and Shape Effects of Molecular Glue on Supramolecular Tubulin Assemblies. ACS Nano. 8, 904-914 (2014).
- Mogaki, R., Okuro, K., Aida, T. Molecular glues for manipulating enzymes: trypsin inhibition by benzamidine-conjugated molecular glues. Chemical Science. 6, 2802-2805 (2015).
- Okuro, K., Sasaki, M., Aida, T. Boronic Acid-Appended Molecular Glues for ATP-Responsive Activity Modulation of Enzymes. Journal of the American Chemical Society. 138, 5527-5530 (2016).
- Mogaki, R., Okuro, K., Aida, T. Adhesive Photoswitch: Selective Photochemical Modulation of Enzymes under Physiological Conditions. Journal of the American Chemical Society. 139, 10072-10078 (2017).
- Hashim, P. K., Okuro, K., Sasaki, S., Hoashi, Y., Aida, T. Reductively Cleavable Nanocaplets for siRNA Delivery by Template-Assisted Oxidative Polymerization. Journal of the American Chemical Society. 137, 15608-15611 (2015).
- Hatano, J., Okuro, K., Aida, T. Photoinduced Bioorthogonal 1,3-Dipolar Poly-cycloaddition Promoted by Oxyanionic Substrates for Spatiotemporal Operation of Molecular Glues. Angewandte Chemie, International Edition. 55, 193-198 (2016).
- Arisaka, A., Mogaki, R., Okuro, K., Aida, T. Caged Molecular Glues as Photoactivatable Tags for Nuclear Translocation of Guests in Living Cells. Journal of the American Chemical Society. 140, 2687-2692 (2018).
- Suzuki, Y., Okuro, K., Takeuchi, T., Aida, T. Friction-Mediated Dynamic Disordering of Phospholipid Membrane by Mechanical Motions of Photoresponsive Molecular Glue: Activation of Ion Permeation. Journal of the American Chemical Society. 134, 15273-15276 (2012).
- Wang, Q., et al. High-water-content mouldable hydrogels by mixing clay and a dendritic molecular binder. Nature. 463, 339-343 (2010).
- Tamesue, S., et al. Linear versus Dendritic Molecular Binders for Hydrogel Network Formation with Clay Nanosheets: Studies with ABA Triblock Copolyethers Carrying Guanidinium Ion Pendants. Journal of the American Chemical Society. 135, 15650-15655 (2013).
- Mohr, D., Frey, S., Fischer, T., Güttler, T., Görlich, D. Characterisation of the passive permeability barrier of nuclear pore complexes. EMBO Journal. 28, 2541-2553 (2009).
- Best, M. D. Click Chemistry and Bioorthogonal Reactions: Unprecedented Selectivity in the Labeling of Biological Molecules. Biochemie. 48, 6571-6584 (2009).
- Klán, P., et al. Photoremovable Protecting Groups in Chemistry and Biology: Reaction Mechanisms and Efficacy. Chemical Reviews. 113, 119-191 (2013).
