反応性求電子試薬および酸化剤を標的とするゼブラフィッシュ(Z-REX)は、反応性低分子シグナル伝達の調査のためのケミカルバイオロジーベースの方法です。この技術は、さまざまな発達段階の生きた魚に適用できます。ここでは、ゼブラフィッシュの標準アッセイとZ-REXを組み合わせてシグナル伝達経路を解析します。
反応性代謝物および関連する求電子薬は、研究が最も困難な小分子の1つです。このような分子の作用機序(MOA)を分解するための従来のアプローチは、特定の反応種が過剰である実験標本のバルク処理を利用しています。このアプローチでは、求電子試薬の高い反応性により、時間的および状況依存的な方法でプロテオームを無差別に標識します。酸化還元感受性タンパク質およびプロセスも、間接的かつしばしば不可逆的な影響を受ける可能性があります。このような無数の潜在的な標的と間接的な二次的効果を背景に、表現型を特定の標的の関与に結び付けることは依然として複雑な課題です。反応性求電子試薬および酸化剤を標的とするゼブラフィッシュ(Z-REX)は、幼虫ゼブラフィッシュでの使用に適したオンデマンドの反応性求電子試薬送達プラットフォームであり、他の点では摂動されていない生きた魚の胚の特定の目的タンパク質(POI)に求電子物質を送達するように設計されています。この技術の主な特徴には、低レベルの侵襲性、および投与量、化学療法、および時空間的に制御された精密求電子試薬送達が含まれます。したがって、独自の一連の対照と組み合わせて、この技術は、反応性求電子物質および多面的求電子薬物への動物の制御されていないバルク曝露後に観察されるオフターゲット効果および全身毒性を回避します。Z-REXを活用することで、研究者は、無傷の生きている動物の生理学的に近い条件下で、特定のPOIとの特定の反応性リガンドの関与の結果として個々のストレス応答とシグナル出力がどのように変化するかを理解するための足がかりを確立できます。
無数の細胞シグナル伝達イベントには、小さな反応性分子(細胞内で内因的に産生される、または薬物などの生体異物/異種代謝物)とそのタンパク質標的との間の反応が含まれます。多くの場合、このような共有結合事象のサブ化学量論的レベルは、細胞応答を引き起こし、例えば、発生、代謝、アポトーシス、および/または免疫応答の変化をもたらす可能性があります1。しかし、特定の結合事象を表現型の結果に結びつけることによって作用機序(MOA)を分解することは困難であることが証明されています。高濃度の活性種の導入を伴う従来のボーラス投与法は、しばしば多数のタンパク質の修飾をもたらし、モデル生物に対する過度の毒性をもたらす2。そのような条件は理想からかけ離れています。T-REX(標的化可能な反応性求電子試薬および酸化剤)3と名付けられた、天然の細胞コンテキストでの精密局所的な求電子試薬送達を使用して、細胞培養におけるこれらの問題を解決する方法が開発されました。その間、焦点は生物全体での実験に向けられ、形質転換されていない細胞の特定の細胞コンテキストでタンパク質を研究する機会が可能になりました。したがって、 我々は、Danio rerio 胚モデルを含むいくつかのモデルと互換性があるように技術を拡張しました。ここでは、Z-REX(反応性求電子試薬および酸化剤を標的とするゼブラフィッシュ)を紹介します(図1)。
Z-REXを理解するために、この記事では最初にREXテクノロジーとその基礎となる概念を紹介します。これらの手法の核となるのは、天然の親電子物質が in vivoで 局所的に時空間的に生成される方法を模倣することにより、内因性の生理学的反応性求電子種(RES)シグナル伝達をモデル化することです。目的のタンパク質(POI)は、Haloへの融合構築物として発現されます。後者は、光ケージRESを担持する組織透過性で不活性なプローブを1:1の化学量論で固定します。そのような内因性RESの1つは4-ヒドロキシノネナール(以下HNE)であり、これはプローブHt-PreHNEに光ケージされています。多くの場合、HNEと本質的に同一の生物学的特性を有するが、クリックケミストリーで標識することができるHNEのアルキン官能化バージョン[すなわち、HNE(アルキン)]を使用する。Haloとの反応性のためにクロロアルカンでも官能基化されているプローブは、Ht-PreHNE(アルキン)と呼ばれます。このようにして形成されたHalo−POI融合およびプローブの複合体は、UV光の照射時に融合POIへのRESの近位送達を可能にする。POIが解放されたRESと迅速に反応する場合、結果として生じるPOIとRESの共有結合標識により、速度論的に特権のあるシステインを同定することができます。
Z-REXは、REX技術の前述の利点を利用して、生きた魚の特定のシグナル伝達経路を研究するためにそれらを広く適用します。このプロトコルは、ゼブラフィッシュ(D. rerio)は発生中に透明であり、遺伝的に扱いやすい脊椎動物であり、REX技術などの光化学/遺伝学的手法に理想的であるため、最適化されています。それにもかかわらず、同様の戦略は、この方法の幅広い適用性が脂質由来求電子試薬(LDE)送達の擬似分子内メカニズムによるものであるため、他の遺伝的に扱いやすい魚種でもうまく機能する可能性があります。実際、魚はZ-REXフォトケージ求電子試薬(Ht-PreHNE(アルキン)など)で少なくとも48時間処理でき、発育に目立った影響を与えることなく処理できるため、この手順は生体適合性が高いです。同様のプロトコルがC.エレガンス4,5で機能します。
このプロトコルでは、最初に、受精後1〜1.5日(dpf)の胚ゼブラフィッシュモデルで非ネイティブのHalo-POI融合コンストラクトの一時的な発現を生成するためのmRNA注射の使用について説明します。これにより、特定の組織や場所ではなく、魚類内の大部分の細胞(以下、「ユビキタス」と呼びます)で異所性タンパク質が発現します。ただし、データは、特定の場合に細胞特異的な効果が観察されることを示しています。注射後、胚を低濃度[0.3-5 μM Ht-PreHNE(アルキン)]のプローブで受精後最大30.5時間(hpf)インキュベートします。次いで、ユーザが規定した時間に、魚類内のPOIへのRESの送達は、2〜5分間のフォトアンケージングによって達成される。RESのフォトアンケージングに続いて、さまざまな下流表現型アッセイを次の2〜10時間にわたって実行できます:1)レポーターラインのライブイメージング(図2A);2)ウェスタンブロット分析による標的標識評価(図3)。3)トランスクリプトーム解析(図4);または4)全マウント免疫蛍光法(図5)。
レポーターラインのライブイメージングの例として、Z-REXを魚系統のライブイメージングTg(lyz:TagRFP)およびTg(mpeg1:eGFP)と組み合わせてデモンストレーションし、特定の求電子センサーPOI(すなわちKeap1)のRES修飾が、魚の他の細胞に観察可能な影響を及ぼさずに、好中球とマクロファージのレベルをそれぞれ低下させる方法を測定します。しかし、T-REX研究からのPOI標識とその結果的な経路シグナル伝達は、いくつかのタンパク質(Akt3 6、Keap17、およびUbe2v26)に対してZ-REXを使用して再現できることを以前に示しました。全体として、Z-REXを使用すると、科学者はいくつかの複雑な酸化還元経路のコンテキストでRESによるPOIの共有結合修飾の結果を研究することができます。この技術は、より文脈的に関連性のある全動物モデルにおいて、共有結合性薬物設計および新規薬物メカニズムの標的とその機能的残基を特定するように準備されています。
このプロトコルに記載されているZ-REXは、生きた魚の求電子剤-標的ペアの調査とシグナル伝達経路のデコンボリューションのための堅牢な戦略を示しています。近接指向送達により、求電子化合物処理の投与量と空間制御が可能になります。展開された求電子試薬の超生理学的濃度がしばしばオフターゲットの問題を引き起こす従来のボーラス投与方法とは異なり、システムに放出される比較的少量の求電子剤はZ-REXをほとんど非侵襲的にします。ゼブラフィッシュ胚に0.1-6 μM Ht-PreHNE(アルキン)を使用しましたが、その結果、処理は胚発生に有害ではないことが示されました11。
Z-REX手順は、培養細胞中の求電子性感知タンパク質をスクリーニング/研究するための技術であるT-REXよりも一般的に長くなります。実験の目的が求電子剤と標的の相互作用をスクリーニングすることであるとします。まず、培養細胞でT-REXによる広範なスクリーニングを行い、 in vivo 検証と表現型/パスウェイ解析にZ-REXを使用することをお勧めします。Z-REXを実施するための要件は、細胞培養と比較して、T-REXに必要な生化学的実験技術に加えて、基本的な魚の飼育技術です。Z-REXの典型的な時間枠(魚の交配から光誘導性求電子試薬の送達まで)は2〜3日であり、トランスフェクトされた生細胞でのT-REX実験の典型的な時間より1日以内です。表現型分析のためのライブイメージングは、光照射の2〜10時間後に実行できます。プルダウンアッセイのためのビオチン-アジドとのクリックカップリングには3日かかります。転写応答をアッセイするためのqRT-PCRには3日かかります。IF染色には5日かかります。これらのステップは、同等の細胞培養とほぼ同じですが、データの解釈には魚の生理学とレポーター系統の理解が必要です。
多重変数手順12として、Z−REXが結果の不確実性を除外するためにいくつかの対照群が必要である(図1D)。一般的な対照群は次のとおりです:(1)DMSO /車両治療のみ。(2)プローブ処理、ただし光照明なし。(3)光照明、ただしプローブ処理なし。(4)P2A分割構造、HaloとPOIが別々に表現されているため、近接配信が省略されます。(5)Akt3(C119S)6 やKeap1(C151S、C273W、C288E)5など、求電子感知残基が変異している/変異している低型変異体。
ダウンストリームアッセイにウェスタンブロット分析が含まれる場合、脱黄は収穫前に実施する必要があります。卵黄タンパク質は、ライセート濃度評価の忠実度を低下させ、抗体に非特異的に結合する可能性があります。生きた魚のイメージングやホールマウントIF染色を行った場合、卵黄嚢内の自己蛍光タンパク質に起因すると思われる卵黄嚢内の非特異的蛍光シグナル、または抗体自体の非特異的結合も観察されています。自家蛍光シグナルがシグナルに干渉する場合は、卵黄嚢を定量から除外するか、異なる領域を個別に定量することをお勧めします。デコリネーションは、生きた魚のイメージングとホールマウントIF染色アッセイに必要です。絨毛膜はイメージングを妨げ、後で定量/細胞カウントを妨げる可能性があります。ただし、デコリン化は1 dpfより古い胚にのみ適用されます。胞胚形成/原腸形成/セグメンテーション段階の若い胚は、繊毛除去するには脆弱すぎます。
ここで説明するZ-REXプロトコルは、mRNA駆動の異所性POI発現に基づいています。この手順は、トランスジェニックフィッシュラインを使用/生成する場合と比較して迅速です。mRNA駆動型発現は遍在的かつ一過性であり、このプロトコルで使用されるmRNAでは少なくとも2日間持続します。ただし、発現の持続時間は他の場合には異なる可能性があります。したがって、このアプローチは、特定の求電子試薬標識イベントの影響に関する迅速でよりグローバルな調査ウィンドウを提供し、いくつかのハイスループット/ハイコンテントアッセイと互換性があります。特定の組織で安定したHalo-POI発現を示すトランスジェニック株もZ-REX11と互換性があります。このような系統は、特定の臓器の表現型が細胞培養データから予測される場合や、mRNA注入実験からのスクリーニングで特定の臓器が求電子標識イベントに敏感であると予測される場合など、より正確な質問をする必要がある場合に最適です。Z-REXを介した心臓特異的抗酸化応答誘導は、以前の出版物11でTg(gstp1:GFP;DsRed-P2A-myl7:Halo-TeV-Keap1)魚を用いて実証されました。また、2dpf以上のトランスジェニック魚に対してZ-REXを行うことも可能かもしれません。
The authors have nothing to disclose.
資金調達:ノバルティス・フリーノベーション、NCCR、EPFL
2-Mercaptoethanol (BME) | Sigma-Aldrich | M6250 | |
1.5-mL microcentrifuge tube | Axygen | MCT-150-C-S | |
10-cm Petri dishes | Celltreat | 229692 | |
2-mL microcentrifuge tube | Axygen | MCT-200-C-S | |
30% Acrylamide and bis-acrylamide solution | BioRad | 1610154 | |
6-well plate | Celltreat | 229506 | |
Acetone | Fisher | A/0600/15 | |
Agarose | GoldBio | A201-100 | |
All Blue Prestained Protein Standards | BioRad | 1610373 | |
Ammonium persulfate | Sigma | A3678 | |
Biotin-dPEG11-azide | Quanta Biodesign | 102856-142 | |
Bradford Dye | BioRad | 5000205 | |
BSA | Fisher | BP1600-100 | |
Capillary tubes | VWR | HARV30-00200 | |
Chloroform | Supelco, Inc | 1.02445.1000 | |
cOmplete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 11836170001 | |
Cu(TBTA) | Lumiprobe | 21050 | |
CuSO4 | Sigma | 209198 | |
DMSO | Fisher | D128-500 | |
Donkey anti-mouse-Alexa Fluor 647 | Abcam | ab150107 | 1:800 (IF) |
Donkey anti-rabbit-Alexa Fluor 647 | Abcam | ab150075 | 1:1000 (IF) |
Donkey anti-rat-AlexaFluor 568 | Abcam | ab175475 | 1:1000 (IF) |
ECL substrate | Thermo Fisher Scientific | 32106 | |
ECL-Plus substrate | Thermo Fisher Scientific | 32132 | |
End-to-end rotator | FinePCR | Rotator AG | |
Ethanol | Fisher | E/0650DF/15 | |
Ethidium bromide | Sigma | E1510 | |
Flaming/Brown Micropipette Puller | Sutter Instrument Co. | P-97 | |
Fluorescence stereomicroscope | Leica | M165 FC | |
Forceps (blunt) | self made | self made by blunting sharp forceps (Fine Science Tools, Dumont #5, 11252-40) | |
Forceps (sharp) | Fine Science Tools | Dumont #5, 11252-40 | |
Gel loading tip | Fisher | 02-707-181 | |
Gel/blot imager | Vilber | Fusion FX imager | |
Glass beads | Sigma | 45-G1145 | |
Glass stage micrometer | Meiji Techno. | MA285 | |
Heat inactivated FBS | Sigma | F2442 | |
Heated ultrasonic bath | VWR | 89375-470 | |
HEPES | Fisher | BP310-1 | |
High capacity streptavidin agarose | Thermo Fisher Scientific | 20359 | |
Ht-PreHNE alkyne probe | self-made | – | Parvez, S. et al. T-REX on-demand redox targeting in live cells. Nat Protoc. 11 (12), 2328-2356, (2016). |
Imaging plate (10% HBSS buffer, for live embryos) | Made with Petri dish, and 2% agarose in 10% HBSS buffer | ||
Imaging plate (PBS, for formaldehyde-fixed embryos) | Made with Petri dish, and 2% agarose in PBS | ||
Injection plate | Made with microinjection mold, Petri dish, and 2% agarose in 10% HBSS buffer | ||
LDS | Apollo | APOBI3331 | |
Methanol | VWR | 20864.32 | |
Microinjection mold | Adaptive Science Tools | TU-1 | |
Microloader tips | Eppendorf | 930001007 | |
Micromanipulator | Narishige | MN-153 | |
Microscope for micro-injection | Olympus | SZ61 | |
Microscope light source | Olympus | KL 1600 LED | |
Mineral oil | Sigma | M3516 | |
mMessage mMachine SP6 Transcription Kit | Ambion | AM1340 | |
Mouse anti- β-actin-HRP | Sigma | A3854 | 1:20000 (WB) |
Mouse anti-HaloTag | Promega | G921A | 1:500 (IF) |
Multi-mode reader | BioTek Instruments | Cytation 5 | |
Nucleic acid agarose gel electrophoresis apparatus | Biorad | Mini-Sub Cell GT Systems | |
Oligo(dT)20 | Integrated DNA Technologies | customized: (dT)20 | |
Orange G | Sigma | O3756 | |
Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | |
PBS | Gibco | 14190144 | |
pCS2+8 Halo-2XHA-P2A-TeV-Keap1-2xHA | self-cloned | – | Available from Prof. Yimon AYE's group at EPFL |
pCS2+8 Halo-TeV-Keap1-2xHA | self-cloned | – | Available from Prof. Yimon AYE's group at EPFL |
Pneumatic PicoPump | WPI | SYS-PV820 | |
Protein electrophoresis equipment and supplies | Biorad | Mini-PROTEAN Tetra Vertical Electrophoresis | |
Rabbit anti-active Caspase-3 | BD Pharmingen | 559565 | 1:800 (IF) |
Rat anti-HA-HRP | Sigma | H3663 | 1:500 (IF and WB) |
Rat anti-RFP | ChromoTek | 5F8 | 1:800 (IF) |
Refrigerated centrifuge | Eppendorf | 5417R | |
RNAseOUT recombinant ribonuclease inhibitor | ThermoFisher Scientific | 10777019 | |
RnaseZap RNA decontamination solution | ThermoFisher Scientific | AM9780 | |
Rocking Shaker | DLAB | SK-R1807-S | |
SDS | Teknova | S9974 | |
SuperScript III reverse transcriptase | ThermoFisher Scientific | 18080085 | |
t-Butanol | Sigma | 471712 | |
TCEP-HCl | Gold Biotechnology | TCEP1 | |
TeV protease (S219V) | self-made | – | Parvez, S. et al. T-REX on-demand redox targeting in live cells. Nat Protoc. 11 (12), 2328-2356, (2016). |
Tg(lyz:TagRFP) | Zebrafish International Resource Center (ZIRC) | uwm11Tg (ZFIN) | – |
Tg(mpeg1:eGFP) | Zebrafish International Resource Center (ZIRC) | gl22Tg (ZFIN) | – |
Thermal cycler | Analytik Jana | 846-x-070-280 | |
TMEDA | Sigma | T7024 | |
Transfer pipets | Fisher | 13-711-9D | |
Tris | Apollo | APOBI2888 | |
Triton X-100 | Fisher | BP151-100 | |
TRIzol reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596018 | |
Trypsin inhibitor from Glycine max (soybean) | Sigma | T9003 | |
Tween 20 | Fisher | BP337-500 | |
UV lamp with 365-nm light | Spectroline | ENF 240C | |
UV meter | Spectroline | XS-365 | |
Vortexer | Scientific Industries, Inc. | Vortex-Genie 2 | |
Western Blotting Transfer equipment and supplies | Biorad | Mini Trans-Blot or Criterion Blotter | |
Zebrafish husbandry and breeding equipment | in house | ||
Zirconia beads | BioSpec | 11079107zx |