דגי זברה המכוונים לאלקטרופילים ומחמצנים תגובתיים (Z-REX) היא שיטה מבוססת ביולוגיה כימית לחקר איתות תגובתי של מולקולות קטנות. טכניקה זו יכולה להיות מיושמת על דגים חיים בשלבי התפתחות שונים. כאן, אנו משלבים בדיקות סטנדרטיות בדגי זברה עם Z-REX לניתוח מסלולי איתות.
מטבוליטים תגובתיים ותרופות אלקטרופיליות קשורות הם בין המולקולות הקטנות המאתגרות ביותר למחקר. גישות קונבנציונליות לפירוק אופן הפעולה (MOA) של מולקולות כאלה ממנפות טיפול בתפזורת בדגימות ניסיוניות עם עודף של מין תגובתי מסוים. בגישה זו, התגובתיות הגבוהה של אלקטרופילים הופכת את התיוג של הפרוטאום ללא הבחנה באופן תלוי זמן והקשר; חלבונים ותהליכים רגישים לחמצון-חיזור יכולים גם להיות מושפעים בעקיפין ולעתים קרובות באופן בלתי הפיך. על רקע כזה של אינספור מטרות פוטנציאליות והשפעות משניות עקיפות, קישור פנוטיפ למעורבות מטרה ספציפית נותר משימה מורכבת. דגי זברה המכוונים לאלקטרופילים ומחמצנים תגובתיים (Z-REX) – פלטפורמת משלוח אלקטרופילים תגובתית לפי דרישה המותאמת לשימוש בדגי זברה זחלים – מתוכננת לספק אלקטרופילים לחלבון ספציפי בעל עניין (POI) בעוברי דגים חיים שאינם מוטרדים בדרך אחרת. המאפיינים העיקריים של טכניקה זו כוללים רמה נמוכה של פולשניות, יחד עם מתן אלקטרופילים מדויקים במינון, כימוטיפ וספיקת אלקטרופילים מבוקרת מרחבית. לפיכך, בשילוב עם חבילה ייחודית של בקרות, טכניקה זו עוקפת השפעות מחוץ למטרה ורעילות מערכתית, שנצפתה אחרת בעקבות חשיפה בלתי מבוקרת בתפזורת של בעלי חיים לאלקטרופילים תגובתיים ולתרופות אלקטרופיליות פליוטרופיות. באמצעות מינוף Z-REX, חוקרים יכולים לבסס דריסת רגל בהבנה כיצד תגובות לחץ אינדיבידואליות ותפוקות איתות משתנות כתוצאה ממעורבות ליגנד תגובתי ספציפי עם נקודת עניין ספציפית, בתנאים כמעט פיזיולוגיים בבעלי חיים שלמים.
מספר עצום של אירועי איתות תאי כרוכים בתגובות בין מולקולות תגובתיות קטנות (המיוצרות אנדוגניות בתא או קסנוביוטים/קסנומטבוליטים, כגון תרופות) לבין מטרת החלבון שלהן. במקרים רבים, רמה סובסטויכיומטרית של אירועי קישור קוולנטיים כאלה יכולה לעורר תגובות תאיות, המובילות לשינויים בהתפתחות, חילוף חומרים, אפופטוזיס ו/או תגובה חיסונית1. עם זאת, פירוק אופן הפעולה (MOA) על ידי קישור אירועים מחייבים ספציפיים לתוצאותיהם הפנוטיפיות הוכח כמאתגר. שיטות מינון בולוס מסורתיות הכוללות הכנסת ריכוזים גבוהים של המינים הריאקטיביים גורמות לעתים קרובות לשינוי מספר רב של חלבונים, כמו גם רעילות מוגזמת לאורגניזם המודל2. תנאים כאלה רחוקים מלהיות אידיאליים. פותחה שיטה לפתרון בעיות אלה בתרביות תאים באמצעות העברה אלקטרופילית מקומית מדויקת בהקשר תאי מקורי, בשם T-REX (אלקטרופילים ומחמצנים תגובתיים הניתנים למטרה)3. בשנים שחלפו, המוקד עבר לניסויים באורגניזמים שלמים, המאפשרים הזדמנות לחקור חלבונים בהקשרים תאיים ספציפיים בתאים שלא עברו טרנספורמציה. לכן, הרחבנו את הטכניקה כך שתתאים למספר מודלים, כולל מודלים עובריים של Danio rerio . כאן אנו מציגים Z-REX (דגי זברה המכוונים לאלקטרופילים ומחמצנים תגובתיים) (איור 1).
כדי להבין את Z-REX, מאמר זה מציג תחילה את טכנולוגיות REX ואת המושגים העומדים בבסיסן. בבסיסן, טכניקות אלה מדגימות איתות של מינים אלקטרופיליים תגובתיים פיזיולוגיים אנדוגניים (RES) על ידי חיקוי האופן שבו אלקטרופילים טבעיים מיוצרים באופן מקומי in vivo בדיוק מרחבי-זמני. חלבון העניין (POI) מבוטא כמבנה היתוך להילה; האחרון מעגן את הגשושית החדירה לרקמות והאינרטית הנושאת את RES הפוטוכלוב בסטואיכיומטריה של 1:1. RES אנדוגני אחד כזה הוא 4-hydroxynonenal (HNE להלן), אשר photocaged בבדיקה Ht-PreHNE. במקרים רבים, אנו משתמשים בגרסה מתפקדת אלקין של HNE [כלומר, HNE(אלקין)], שיש לה תכונות ביולוגיות זהות במהותן ל-HNE, אך ניתן לתייג אותה באמצעות כימיית קליקים. הגשושית, שמתפקדת גם עם כלורואלקן לתגובתיות עם Halo, מכונה Ht-PreHNE (אלקין). הקומפלקס של היתוך Halo-POI והגשושית שנוצרה כך מאפשר העברה פרוקסימלית של RES לנקודת העניין המאוחה עם הקרנה עם אור UV. אם נקודת העניין מגיבה במהירות עם RES המשוחרר, התיוג הקוולנטי המתקבל של נקודת העניין עם RES מאפשר לנו לזהות ציסטאין מיוחס מבחינה קינטית .
Z-REX לוקח את היתרונות הנ”ל של טכנולוגיות REX ומיישם אותם באופן נרחב כדי לחקור מסלולי איתות ספציפיים בדגים חיים. פרוטוקול זה הותאם לדגי זברה (D. rerio), מכיוון שהם אורגניזמים בעלי חוליות הניתנים למשיכה גנטית ושקופים במהלך ההתפתחות, ולכן אידיאליים לטכניקות אופטו-כימיות/גנטיות כמו טכנולוגיות REX. אף על פי כן, אסטרטגיה דומה עשויה לעבוד היטב גם על מיני דגים אחרים הניתנים למשיכה גנטית, שכן הישימות הרחבה של השיטה נובעת מהמנגנון הפסאודו-תוך-מולקולרי של העברת אלקטרופילים שמקורם בשומנים (LDE). אכן, ההליך תואם ביולוגית מאוד, שכן ניתן לטפל בדגים עם אלקטרופיל פוטו-רקס Z-REX [למשל, Ht-PreHNE (אלקין)] במשך 48 שעות לפחות ללא השפעות ניכרות על ההתפתחות. פרוטוקול דומה פועל ב- C. elegans 4,5.
הפרוטוקול מתאר תחילה את השימוש בהזרקת mRNA כדי לייצר ביטוי חולף של מבנה היתוך Halo-POI שאינו יליד במודלים של דגי זברה עובריים, 1-1.5 ימים לאחר ההפריה (dpf). התוצאה היא ביטוי של החלבון החוץ רחמי ברוב התאים בתוך הדג (להלן “בכל מקום”), ולא ברקמות או באזורים ספציפיים; עם זאת, הנתונים מראים כי השפעות ספציפיות לתא ניתן לראות במקרים מסוימים. לאחר ההזרקה, העוברים מודגרים עם ריכוז נמוך [0.3-5 מיקרומטר Ht-PreHNE (אלקין)] של הבדיקה עד 30.5 שעות לאחר ההפריה (hpf). לאחר מכן, בזמן שנקבע על ידי המשתמש, משלוח של RES לנקודת העניין בתוך דגים מושגת על ידי דיקור במשך 2-5 דקות. לאחר דיקור ה-RES, ניתן לבצע מגוון בדיקות פנוטיפיות במורד הזרם במהלך 2-10 השעות הבאות: 1) הדמיה חיה של קווי כתב (איור 2A); 2) הערכת סימון מטרות על ידי ניתוח כתמים מערביים (איור 3); 3) ניתוח תעתיק (איור 4); או 4) אימונופלואורסנציה של הר שלם (איור 5).
כדוגמה להדמיה חיה של קווי כתבים, Z-REX מודגם יחד עם הדמיה חיה של קווי דגים, Tg (lyz:TagRFP) ו-Tg (mpeg1:eGFP), כדי למדוד כיצד שינוי RES של נקודת עניין ספציפית של חיישן אלקטרופיל (כלומר Keap1) מפחית את רמות הנויטרופילים והמקרופאגים, בהתאמה, ללא השפעות נצפות על תאים אחרים בדגים. עם זאת, הראינו בעבר שניתן לשחזר את תיוג נקודות העניין ואת איתות המסלול התוצאתי ממחקרי T-REX באמצעות Z-REX עבור מספר חלבונים: Akt3 6, Keap17 ו- Ube2v26. בסך הכל, עם Z-REX, מדענים יכולים לחקור את ההשלכות של שינוי קוולנטי של נקודות עניין על ידי RES בהקשר של מספר מסלולי חמצון-חיזור מורכבים. טכניקה זו נועדה לאתר מטרות ואת השאריות הפונקציונליות שלהן עבור תכנון תרופות קוולנטיות ומנגנוני תרופות חדשניים במודל רלוונטי יותר להקשר של בעלי חיים שלמים.
Z-REX המתואר בפרוטוקול זה מדגים אסטרטגיה איתנה לחקירת זוגות מטרות אלקטרופיליות ולאיתות על פירוק מסלול בדגים חיים. ההעברה מכוונת הקרבה מאפשרת מינון ובקרה מרחבית של הטיפול בתרכובת האלקטרופילית. בניגוד לשיטות מינון בולוס קונבנציונליות, שבהן הריכוזים העל-פיזיולוגיים של אלקטרופילים שנפרסו מובילים לעתים קרובות לבעיות מחוץ למטרה, הכמות הקטנה יחסית של אלקטרופיל המשתחררת למערכת הופכת את Z-REX לבלתי פולשני במידה רבה. השתמשנו ב-0.1-6 מיקרומטר Ht-PreHNE (אלקין) בעוברים של דגי זברה, והתוצאות הראו שהטיפול אינו מזיק להתפתחות העובר11.
הליך Z-REX הוא בדרך כלל ארוך יותר מאשר T-REX, טכניקה לסינון/מחקר חלבונים בעלי חישה אלקטרופילית בתאים בתרבית. נניח שמטרת הניסוי היא לסנן אינטראקציות אלקטרופילים-מטרה; אנו מציעים תחילה לבצע סינון מקיף על ידי T-REX בתאים בתרבית ולהשתמש ב- Z-REX לאימות in vivo וניתוח פנוטיפי/מסלולי. בהשוואה לתרבית תאים, הדרישות לביצוע Z-REX הן טכניקות בסיסיות לגידול דגים בנוסף למיומנויות ניסוי ביוכימיות הנדרשות על ידי T-REX. מסגרת זמן טיפוסית עבור Z-REX (מחציית דגים ועד להעברת אלקטרופילים המושרים באור) היא 2-3 ימים, שהם לא יותר מיום אחד יותר מהזמן הטיפוסי לניסוי T-REX בתאים חיים נגועים. הדמיה חיה לניתוח פנוטיפי יכולה להתבצע 2-10 שעות לאחר תאורת אור; צימוד קליקים עם ביוטין-אזיד לבדיקה נפתחת אורך 3 ימים; qRT-PCR להערכת תגובת תמלול לוקח 3 ימים; אם הצביעה נמשכת 5 ימים. צעדים אלה דומים פחות או יותר למקביליהם בתרביות תאים, אם כי פירוש הנתונים דורש הבנה של הפיזיולוגיה של הדגים וזני המדווחים.
כפרוצדורה מרובת משתנים12, מספר קבוצות ביקורת נחוצות כדי ש-Z-REX לא יכלול אי-ודאות בתוצאות (איור 1D). קבוצות בקרה נפוצות הן: (1) DMSO/טיפול ברכב בלבד; (2) טיפול בדיקה, אך ללא תאורת אור; (3) תאורת אור, אך ללא טיפול בדיקה; (4) מבנה מפוצל P2A, שבו הילה ונקודת העניין מבוטאות בנפרד, כך שמסירת הקרבה היא אבלאט; ו-(5) מוטנטים היפומורפיים, ששאריות החישה האלקטרופילית שלהם הן/הן מוטציות, כגון Akt3 (C119S)6 ו-Keap1 (C151S, C273W, C288E)5, שבהם השתמשנו במחקרים קודמים.
אם בדיקות במורד הזרם כוללות ניתוח כתמים מערביים, יש לבצע deyolking לפני הקציר. חלבוני החלמון מפחיתים את הנאמנות של הערכות ריכוז הליזט ועשויים להיקשר באופן לא ספציפי לנוגדנים. בעת ביצוע הדמיית דגים חיים או צביעת IF בהרכבה מלאה, ראינו גם אותות פלואורסצנטיים לא ספציפיים בשק החלמון, ככל הנראה כתוצאה מחלבונים אוטופלואורסצנטיים בשק החלמון, או קשירה לא ספציפית של הנוגדנים עצמם. אם האות האוטופלואורסצנטי מפריע לאות, אנו מציעים להוציא את שק החלמון מכימות או לכמת אזורים שונים בנפרד. דכורינציה נחוצה להדמיית דגים חיים ולבדיקת צביעת IF בהרכבה מלאה. הכוריון יכול להפריע להדמיה, ובהמשך לכימות / ספירת תאים. עם זאת, dechorination חל רק על עוברים מעל 1 dpf; עוברים צעירים יותר בשלבי פיצוץ/גסטרולציה/סגמנטציה הם שבירים מכדי לעבור דה-כוריון.
פרוטוקול Z-REX המתואר כאן מבוסס על ביטוי POI חוץ רחמי מונחה mRNA. ההליך מהיר בהשוואה לשימוש / יצירת קווי דגים טרנסגניים. ביטוי מונחה mRNA נמצא בכל מקום וחולף, ונמשך לפחות יומיים עבור mRNA המשמשים בפרוטוקול זה. עם זאת, משך הביטוי עשוי להשתנות במקרים אחרים. לפיכך, גישה זו מספקת חלון חקירה מהיר וגלובלי יותר להשפעות של אירוע ספציפי של תיוג אלקטרופילים, התואם למספר מבדקים בעלי תפוקה גבוהה/תוכן גבוה. קווים טרנסגניים עם ביטוי Halo-POI יציב ברקמות ספציפיות תואמים גם ל-Z-REX11. קווים כאלה משמשים בצורה הטובה ביותר כאשר יש צורך לשאול שאלה מדויקת יותר, למשל, כאשר פנוטיפ באיבר מסוים נחזה מנתוני תרבית תאים, או כאשר סינון מניסויים בהזרקת mRNA מנבא שאיבר מסוים רגיש לאירוע תיוג אלקטרופילים. השראת תגובה נוגדת חמצון ספציפית ללב באמצעות Z-REX הודגמה באמצעות דגי Tg (gstp1:GFP;DsRed-P2A-myl7:Halo-TeV-Keap1) בפרסום הקודם שלנו11. ייתכן שניתן יהיה גם לבצע Z-REX על דגים טרנסגניים מעל 2 dpf.
The authors have nothing to disclose.
מימון: Novartis FreeNovation, NCCR ו-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 |