Summary

Un colorimetrico metodo che misura particolare Granzyme B proteolitici attività: idrolisi di Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl

Published: November 28, 2014
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

Granzimi sono una famiglia di serina proteasi presenti nei lisosomi secretori di natural killer (NK) e dei linfociti T citotossici (CTL) 1. Esistono cinque differenti granzimi nell'uomo (A, B, H, K e M), e dieci nei topi (A – G, K, M e N) 2,3. Granzyme A e B Granzyme (GzmA, GzmB) sono i più abbondanti e sono stati ampiamente studiati nel contesto umano e roditori.

La funzione classica GzmB è l'induzione di apoptosi nelle cellule bersaglio eseguite in combinazione con la proteina perforina formano pori, che permette di accedere granzyme citosol cellula bersaglio 4. Anche se l'espressione GzmB è inequivocabilmente trova in linfociti citotossici, studi recenti stanno affrontando una serie di altri tipi di cellule-GzmB esprimono, compreso ma non limitato ai cheratinociti 5, 6 basofili, mastociti 7, cellule dendritiche plasmacitoidi 8, e le cellule B 9, 10.In questo contesto, le funzioni GzmB non-apoptotici sono stati rivelati vanno dalla partecipazione a processi infiammatori, rimodellamento dei tessuti e altre proprietà immunomodulanti 11-14.

Dato che un ruolo biologico più ampio è stato proposto per GzmB quanto precedentemente sospettato, ricercatori richiedono strumenti affidabili e specifici per la sua individuazione. Di vantaggio è requisito specifico di GzmB per fendere sul lato carbossilico di residui di acido aspartico, una struttura unica tra serina proteasi eucariotiche 15. Mouse, umano e di ratto GzmB sono strutturalmente molto simile, tuttavia la specificità di substrato di topo GzmB estesa differisce leggermente da quella di umano e di ratto 16, il che significa che certi substrati generici con Asp al terminale (P1) possono essere scissi efficientemente GzmB da tutte e tre le specie, mentre altri substrati con sequenze più complesse monte di P1 può dare risultati molto variabili. Sia nel passato e li più recenteterature, questo fatto ha provocato una notevole confusione e cattiva interpretazione del significato biologico di alcuni risultati sperimentali, anche se attentamente controllato, studi cinetici hanno cercato di correggere la situazione 17.

In questo articolo abbiamo cercato di illustrare questi punti con due substrati disponibili in commercio, vale a dire Boc-Ala-Ala-Asp-SBzl e N-acetil-Ile-Glu-Pro-Asp-p-nitroanilide. I due reagenti fare generare diversi gruppi reattivi a seguito di scissione (un sulfidrilico gratuito contro un paranitroanilide gratuito fluorescente), ma questo non ha alcun effetto su qualunque taglio proteolitico. Il protocollo descritto è un adattamento moderno di un protocollo molto vecchio 18, ma dovrebbe aiutare gli investigatori di utilizzare i diversi substrati GzmB adeguatamente, fornendo inoltre un quadro metodologico per rilevare l'attività di altri granzimi, come GzmA e GzmH.

Protocol

NOTA: milze erano derivate da topi (6-10 settimane di età) e tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti secondo le linee guida etiche degli animali del Centro Cancer MacCallum Peter (E486). 1. Preparazione dei campioni. Preparazione delle cellule del mouse NK attivate. Isolare cellule NK naive primarie da cella singola sospensioni dei milza di C57BL / 6 o B6.GrzmB – / – (GzmB gene null) topo di selezione negativa utilizzando kit disponibili in comme…

Representative Results

Il substrato Boc-AAD-S-Bzl è specifico per GzmB Il GzmB serina proteasi è un importante costituente di linfociti citotossici (cellule CTL e NK) ed è prevalentemente responsabile per indurre una rapida morte per apoptosi nelle cellule bersaglio, come le cellule infettate da virus o trasformate. Ciò è in gran parte dovuto alla sua preferenza substrato per la scissione, dopo taluni residui aspartato specifici in proteine ​​selezionate, un attributo condiviso con le cas…

Discussion

Storicamente i granzimi sono stati identificati come molecole effettrici chiave di linfociti citotossici (cellule CTL e NK) in grado di indurre una rapida morte apoptotica nelle cellule bersaglio. Questo è principalmente dovuto all'azione di GzmB che scisso molecole substrato bersaglio a (D) residui di aspartato e quindi era in grado di attivare la cascata caspasi da entrambi da tagliare pro-caspasi, così come molti dei loro bersagli a valle. Tuttavia, è ora apprezzato che l'espressione GzmB non è limitato a…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

References

  1. Trapani, J. A., Browne, K. A., Dawson, M., Smyth, M. J. Immunopurification of functional Asp-ase (natural killer cell granzyme B) using a monoclonal antibody). Biochem Biophys Res Commun. 195 (2), 910-920 (1993).
  2. Ewen, C. L., Kane, K. P., Bleackley, R. C. A quarter century of granzymes. Cell Death Differ. 19 (1), 28-35 (2012).
  3. Hoves, S., Trapani, J. A., Voskoboinik, I. The battlefield of perforin/granzyme cell death pathways. J Leukoc Biol. , (2009).
  4. Peters, P. J., et al. Cytotoxic T lymphocyte granules are secretory lysosomes, containing both perforin and granzymes. J Exp Med. 173 (5), 1099-1109 (1991).
  5. Berthou, C., et al. Acquisition of granzyme B and Fas ligand proteins by human keratinocytes contributes to epidermal cell defense. J Immunol. 159 (11), 5293-5300 (1997).
  6. Tschopp, C. M., et al. Granzyme B, a novel mediator of allergic inflammation: its induction and release in blood basophils and human asthma. Blood. 108 (7), 2290-2299 (2006).
  7. Strik, M. C., et al. Human mast cells produce and release the cytotoxic lymphocyte associated protease granzyme B upon activation. Mol Immunol. 44 (14), 3462-3472 (2007).
  8. Jahrsdorfer, B., et al. Granzyme B produced by human plasmacytoid dendritic cells suppresses T cell expansion. Blood. , (2009).
  9. Hagn, M., et al. Human B cells secrete granzyme B when recognizing viral antigens in the context of the acute phase cytokine IL-21. J Immunol. 183 (3), 1838-1845 (2009).
  10. Hagn, M., et al. Human B cells differentiate into granzyme B-secreting cytotoxic B lymphocytes upon incomplete T-cell help. Immunol Cell Biol. 90 (4), 457-467 (2012).
  11. Froelich, C. J., Pardo, J., Simon, M. M. Granule-associated serine proteases: granzymes might not just be killer proteases. Trends Immunol. 30 (3), 117-123 (2009).
  12. Hagn, M., Jahrsdorfer, B. Why do human B cells secrete granzyme B? Insights into a novel B-cell differentiation pathway. Oncoimmunology. 1 (8), 1368-1375 (2012).
  13. Susanto, O., Trapani, J. A., Brasacchio, D. Controversies in granzyme biology. Tissue Antigens. 80 (6), 477-487 (2012).
  14. Walch, M., et al. Cytotoxic cells kill intracellular bacteria through granulysin-mediated delivery of granzymes. Cell. 157 (6), 1309-1323 (2014).
  15. Odake, S., et al. Human and murine cytotoxic T lymphocyte serine proteases: subsite mapping with peptide thioester substrates and inhibition of enzyme activity and cytolysis by isocoumarins. Biochimie. 30 (8), 2217-2227 (1991).
  16. Casciola-Rosen, L., et al. Mouse and human granzyme B have distinct tetrapeptide specificities and abilities to recruit the bid pathway. J Biol Chem. 282 (7), 4545-4552 (2007).
  17. Kaiserman, D., et al. The major human and mouse granzymes are structurally and functionally divergent. J Cell Biol. 175 (4), 619-630 (2006).
  18. Powers, J. C., Kam, C. M. Peptide thioester substrates for serine peptidases and metalloendopeptidases. Methods Enzymol. 248, 3-18 (1995).
  19. Hagn, M., et al. Activated mouse B cells lack expression of granzyme. B. J Immunol. 188 (2), 3886-3892 (2012).
  20. Konjar, S., et al. Human and mouse perforin are processed in part through cleavage by the lysosomal cysteine proteinase cathepsin L. Immunology. 131 (2), 257-267 (2010).
  21. Sutton, V. R., et al. Residual active granzyme B in cathepsin C-null lymphocytes is sufficient for perforin-dependent target cell apoptosis. J Cell Biol. 176 (4), 425-433 (2007).
  22. Trapani, J. A., Smyth, M. J., Apostolidis, V. A., Dawson, M., Browne, K. A. Granule serine proteases are normal nuclear constituents of natural killer cells. J Biol Chem. 269 (28), 18359-18365 (1994).
  23. Cullen, S. P., Adrain, C., Luthi, A. U., Duriez, P. J., Martin, S. J. Human and murine granzyme B exhibit divergent substrate preferences. J Cell Biol. 176 (4), 435-444 (2007).
  24. Thornberry, N. A., et al. A combinatorial approach defines specificities of members of the caspase family and granzyme B. Functional relationships established for key mediators of apoptosis. J Biol Chem. 272 (29), 17907-17911 (1997).
  25. Bird, C. H., et al. Selective regulation of apoptosis: the cytotoxic lymphocyte serpin proteinase inhibitor 9 protects against granzyme B-mediated apoptosis without perturbing the Fas cell death pathway. Mol Cell Biol. 18 (11), 6387-6398 (1998).
  26. Bots, M., Medema, J. P. Serpins in T cell immunity. J Leukoc Biol. 84 (5), 1238-1247 (2008).
  27. Sun, J., et al. A new family of 10 murine ovalbumin serpins includes two homologs of proteinase inhibitor 8 and two homologs of the granzyme B inhibitor (proteinase inhibitor 9). J Biol Chem. 272 (24), 15434-15441 (1997).
  28. Bird, C. H., Hitchen, C., Prescott, M., Harper, I., Bird, P. I. Immunodetection of granzyme B tissue distribution and cellular localisation. Methods Mol Biol. 844, 237-250 (2012).
  29. Jenkins, M. R., et al. Visualizing CTL activity for different CD8+ effector T cells supports the idea that lower TCR/epitope avidity may be advantageous for target cell killing. Cell Death Differ. 16 (4), 537-542 (2009).
  30. Edwards, K. M., Kam, C. M., Powers, J. C., Trapani, J. A. The human cytotoxic T cell granule serine protease granzyme H has chymotrypsin-like (chymase) activity and is taken up into cytoplasmic vesicles reminiscent of granzyme B-containing endosomes. J Biol Chem. 274 (43), 30468-30473 (1999).
  31. Sutton, V. R., et al. Initiation of apoptosis by granzyme B requires direct cleavage of bid, but not direct granzyme B-mediated caspase activation. J Exp Med. 192 (10), 1403-1414 (2000).

Play Video

Citer Cet Article
Hagn, M., Sutton, V. R., Trapani, J. A. A Colorimetric Assay that Specifically Measures Granzyme B Proteolytic Activity: Hydrolysis of Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl. J. Vis. Exp. (93), e52419, doi:10.3791/52419 (2014).

View Video