We describe a simple, quantitative colorimetric assay that specifically measures the proteolytic activity of human, mouse or rat Granzyme B (GzmB). This protocol can be easily adapted for determining protease activity of other granule serine proteases by the hydrolysis of other synthetic peptide substrates with an appropriate recognition sequence.
The serine protease Granzyme B (GzmB) mediates target cell apoptosis when released by cytotoxic T lymphocytes (CTL) or natural killer (NK) cells. GzmB is the most studied granzyme in humans and mice and therefore, researchers need specific and reliable tools to study its function and role in pathophysiology. This especially necessitates assays that do not recognize proteases such as caspases or other granzymes that are structurally or functionally related. Here, we apply GzmB’s preference for cleavage after aspartic acid residues in a colorimetric assay using the peptide thioester Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl. GzmB is the only mammalian serine protease capable of cleaving this substrate. The substrate is cleaved with similar efficiency by human, mouse and rat GzmB, a property not shared by other commercially available peptide substrates, even some that are advertised as being suitable for this purpose. This protocol is demonstrated using unfractionated lysates from activated NK cells or CTL and is also suitable for recombinant proteases generated in a variety of prokaryotic and eukaryotic systems, provided the correct controls are used. This assay is a highly specific method to ascertain the potential pro-apoptotic activity of cytotoxic molecules in mammalian lymphocytes, and of their recombinant counterparts expressed by a variety of methodologies.
Granzymen zijn een familie van serine proteasen in de secretoire lysosomen van natural killer (NK) cellen en cytotoxische T-lymfocyten (CTL) 1. Vijf verschillende granzymen aanwezig in mensen (A, B, H, K en M) en tien muizen (A – G, K, M en N) 2,3. Granzyme A en Granzyme B (GzmA, GzmB) zijn de meest voorkomende en zijn uitgebreid onderzocht in de mens en knaagdieren setting.
De klassieke functie van GzmB is de inductie van apoptose in doelcellen uitgevoerd in samenhang met de porievormende eiwit perforin, die granzyme om de doelcel cytosol 4 toelaat. Hoewel GzmB expressie ondubbelzinnig in cytotoxische lymfocyten, hebben recente studies over uiteenlopende andere GzmB expressie celtypen, waaronder maar niet beperkt tot keratinocyten 5, 6 basofielen, mestcellen 7, plasmacytoïde dendritische cellen 8, B-cellen en 9, 10.In dit verband, werden niet-apoptotische GzmB functies geopenbaard variërend van deelname ontstekingsprocessen, weefsel remodellering en andere immuunregulerende eigenschappen 11-14.
Aangezien een breder biologische rol is voorgesteld voor GzmB dan vroeger werd gedacht, onderzoekers vereisen betrouwbare en specifieke instrumenten voor de detectie. Van voordeel is GzmB's specifieke eis aan te hangen aan de car- kant van asparaginezuurresiduen, een eigenschap uniek onder eukaryote serineproteases 15. Muis, mens en rat GzmB structureel zeer vergelijkbaar, maar de uitgebreide substraat specificiteit van muis GzmB subtiel verschilt van die van menselijke en rat 16, hetgeen betekent dat bepaalde algemene substraten met een Asp in de terminal (P1) efficiënt kan worden gesplitst door GzmB van alle drie de soorten, terwijl andere substraten met meer gecompliceerde sequenties stroomopwaarts van P1 kunnen sterk wisselende resultaten geven. Zowel in het verleden en meer recente literature, dit feit aanzienlijke verwarring en misinterpretatie van de biologische betekenis van sommige experimentele resultaten veroorzaakt, hoewel zorgvuldig gecontroleerde hebben kinetische studies getracht om de situatie te 17 corrigeren.
In dit document hebben wij getracht deze punten met twee commercieel beschikbare substraten, namelijk Boc-Ala-Ala-Asp-SBzl en N-acetyl-Ile-Glu-Pro-Asp-p-nitroanilide illustreren. De twee reagentia genereren verschillende reactieve groepen na splitsing (vrije sulfhydrylgroep versus een fluorescerende vrij paranitroanilide), maar dit heeft geen gevolg van proteolytische splitsing. De beschreven protocol is een modern aanpassing van een zeer oud protocol 18, maar moet helpen onderzoekers verschillende substraten GzmB passende wijze gebruik en ook een methodologisch kader voor het detecteren van de activiteit van andere granzymen, zoals GzmA en GzmH.
Historisch gezien granzymen werden geïdentificeerd als belangrijke effector moleculen van cytotoxische lymfocyten (CTL en NK cellen) kan induceren een snelle apoptotische dood in doelwitcellen. Dit was voornamelijk te wijten aan de werking van GzmB, waarvan bedoelde substraat moleculen gesplitst op aspartaat (D) residuen en derhalve kon de caspase cascade activeert zowel splitsen pro-caspasen, evenals verscheidene hun stroomafwaartse doelwitten. Het is echter nu duidelijk zijn dat GzmB expressie niet beperkt tot lymfo?…
The authors have nothing to disclose.
This work received support through grant HA 6136/1-1 from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) to MH. JAT is supported by Program and Project Grants from the National Health and Medical Research Council of Australia.
Product | Company | Catalogue number | Comment/description |
Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl | SM Biochemicals LLC, CA | SMSB05 | Granzyme B substrate (mouse and human) |
Ac-IEPD-pNA | SM Biochemicals LLC, CA | SMPNA009 | Granzyme B substrate (only human) |
N-a-CBZ-L-lysine-S-Bzl | Sigma-Aldrich | C3647 | Granzyme A substrate |
Suc-Phe-Leu-Phe-S-Bzl | SM Biochemicals LLC, CA | SB025 | Granzyme H substrate |
5,5’-dithio-bis(2-nitrobenzoic acid) | Sigma-Aldrich | D8130 | DTNB, Ellman’s Reagent |
NK cell isolation kit II mouse | Miltenyi Biotec GmbH | 130-096-892 | negative selection kit |
NK cell isolation kit human | Miltenyi Biotec GmbH | 130-092-657 | negative selection kit |
Plate reader | Biorad iMark | Biorad Microplate Manager Software Version MPM6.3 | |
Serocluster U-bottom vinyl 96-well plate | Corning, MA, USA | 2797 |