JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biochimie

Küçük Molekül Inhibitörlerinin Taranması için NADH-Coupled ATPase Tsay'ın Yarı-Yüksek İş-İşLenme Adaptasyonu

Published: August 17, 2019
doi:
10.3791/60017
, , , ,
1Department of Molecular Medicine,The Scripps Research Institute, 2Department of Neuroscience,The Scripps Research Institute, 3Laboratory of Molecular Physiology, NHLBI,National Institutes of Health

Summary

Bir nikotinamid adenin dinükleotid (NADH)-birleştirilmiş ATPaz tsay küçük molekül miyozin inhibitörleri yarı yüksek iş lenme taraması için adapte edilmiştir. Bu kinetik teşbit, kuyu başına sadece 20 μL toplam reaksiyon hacmine sahip 384 kuyulu bir mikroplaka formatında çalıştırılır. Platform hemen hemen tüm ADP üreten enzimler için geçerli olmalıdır.

Abstract

ATPaz enzimleri, adenozin trifosfatta depolanan serbest enerjiyi vivo’da kendiliğinden oluşmayan çok çeşitli endergonik biyokimyasal süreçleri katalize etmek için kullanırlar. Bu proteinler metabolizma, hücre bölünmesi, çevresel değişikliklere ve harekete tepkiler de dahil olmak üzere hücre yaşamının esasen tüm yönleri için çok önemlidir. Burada sunulan protokol, küçük molekül ATPaz inhibitörlerinin yarı-yüksek iş lenme taramasına adapte edilmiş bir nikotinamid adenin dinükleotid (NADH) ile birleştirilmiş ATPaz testini tanımlar. Test, prensip kanıtı olarak iki aktin bazlı moleküler motor ATP’ler olan kardiyak ve iskelet kası miyozin II’sine uygulanmıştır. ATP’nin hidrolizi, nadh’ın oksidasyonu ile birleştiğinde, analizdeki enzimatik reaksiyonlar ile biraraya gelindiğinde. İlk olarak, ATP’ler tarafından oluşturulan ADP, pirüuvat kiaz (PK) ile ATP’ye yenilenir. PK paralel olarak piruvate fosfoenolpyruvate (PEP) geçiş katalizler. Daha sonra, pirüuvat laktat dehidrogenaz tarafından azalır (LDH), paralel olarak NADH oksidasyon katalizler. Böylece, ATP konsantrasyonundaki azalma nadh konsantrasyonundaki azalma ile doğrudan ilişkilidir ve bunu NADH’ın içsel floresansında değişim takip eder. PEP reaksiyon sisteminde mevcut olduğu sürece, ADP konsantrasyonu çok düşük kalır, kendi ürünü tarafından ATPase enziminin inhibisyonu kaçınarak. Ayrıca, ATP konsantrasyonu neredeyse sabit kalır, doğrusal zaman kursları verimli. Floresan sürekli olarak izlenir, bu da veri kalitesinin kolayca tahmin edilmesine olanak tanır ve potansiyel eserlerin (örneğin, bileşik yağış veya termal değişikliklerden kaynaklanan) filtrelenmesine yardımcı olur.

Introduction

Miyozinler ökaryotlar da aktin sitoskeleton filamentleri boyunca yönlü hareket oluşturmak için adenozin trifosfat (ATP) hidrolize mekanokimyasal enerji transdüserler vardır1,2. Onlar hem yapısal hem de kinetically çeşitli hücre içi fonksiyonları adapte var, organellerin taşınması gibi, kas kasılması veya sitoskelet alçit üretimi1,2. Miyozin süper familyası insan genomundaki ~12 farklı miyozin sınıflarına ait ~40 miyozin geni ile temsil edilir3,4. Miyozin sınıflarının üyeleri çeşitli kanserler, nörolojik bozukluklar, iskelet miyopatileri ve hipertrofik kardiyomiyopati5,6gibi çok çeşitli bozukluklar kümesinde çeşitli roller oynamaktadır. Bu moleküler motorların fizyolojik ve patolojik fonksiyonları çok sayıda göz önüne alındığında, bu koşullar çeşitli için giderek ilaç hedefleri olarak kabul ediliyor şaşırtıcı değildir7. Önemli ilerleme son zamanlarda yeni miyozin inhibitörleri keşfi yapılmıştır8,9,10 ve aktivatörler11, ve mevcut olanların özelliklerini geliştirmek için12, 13.000 , 14.000 , 15. yıl.

Nikotinamid adenin dinükleotid (NADH)-birleştirilmiş ATPaz testi uzun sarcoplasmic reticulum Ca2 + pompa ATPase 16 gibiçeşitli enzimlerin ATPase aktivitesini ölçmek için kullanılmıştır , DNA onarım ATPase Rad5417, AAA + ATPaz p9718 veya mikrotübül motor kinesin19. Tne bir ATP rejenerasyon döngüsü kullanır. ATPaz tarafından üretilen adenozin difosfat (ADP), fosfoenolpiriuvat (PEP) molekülünü paralel olarak pirüvetmeye dönüştüren pirüvat kinaz (PK) ile ATP’ye yenilenir. Daha sonra, pirüuvat laktat dehidrogenaz (LDH) tarafından laktat azalır. Bu da NADH molekülünün bir molekülünü NAD’a oksitler. Bu nedenle, zaman fonksiyonu olarak NADH konsantrasyonunun azalması ATP hidroliz hızına eşittir. ATP rejenerasyon döngüsü ATP konsantrasyonu neredeyse sabit ve PEP mevcut olduğu sürece ADP konsantrasyonu düşük tutar. Bu, doğrusal zaman dersleri ile sonuçlanır, bu da ilk reaksiyon oranlarını belirlemeyi kolaylaştırır ve ADP19tarafından ürün inhibisyonunun önlenmesine yardımcı olur. NADH-birleştirilmiş ATPase testi zaten 96-iyiformat20adapte edilmiş olmasına rağmen, yüksek tepki hacimleri (~ 150 μL) reaktiflerin yüksek talep nedeniyle nispeten pahalı hale, daha az çok sayıda hızlı tarama için uygun hale Bileşik. ATPaz enzimi tarafından üretilen fosfatın saptanması nda dayanan malakit yeşili çıktı19,21gibi alternatif yöntemler, minyatürleştirme ve yüksek iş lenme taraması için daha uygun olduğu kanıtlanmıştır22 , 23.000 , 24– Ancak, bir uç nokta teşbit birkaç eserler (aşağıda ele) tarafından etkilenecek tir, tam zamanlı dersler yokluğunda keşfedilmemiş kalabilir.

Burada, NADH-birleştirilmiş ATPase tsay küçük molekül inhibitörleri yarı-yüksek iş taranması için optimize edilmiştir. İskelet ve kardiyak kas miyozin II ve miyozin inhibitörleri blebbistatin8, para-aminoblebbistatin13 ve para-nitroblebbistatin12 NADH dayanır tasnif gücünü göstermek için kullanılır bir okuma olarak floresan. Bu protokol, enzim üreten herhangi bir ADP’ye odaklanan projelerin taranmasına olanak sağlamaktadır.

Protocol

1. Stok çözümleri nin ve reaktiflerin hazırlanması Distile suda 1000 mM’lik son konsantrasyona kristal DTT eriterek dithiothreitol (DTT) stok çözeltisini hazırlayın. 1 M NaOH çözeltisi ile pH’ı 7.0’a ayarlayın. Aliquot ve -20 °C’de saklayın. Distile suda 100 mM’lik son konsantrasyona kristal ATP eriterek ATP stok çözeltisini hazırlayın. 1 M NaOH çözeltisi ile pH’ı 7.0’a ayarlayın. Aliquot ve -20 °C’de saklayın. 70 mM 3-(N-morfolino)propanülfonik asit (MOPS), 10 mM M…

Representative Results

Tarama deneyleri için kullanılan tipik plaka düzeni haritası Şekil1’de gösterilmiştir. İlk ve son satırlar sırasıyla NADH kalibrasyonu ve pozitif kontrol (20 μM para-aminoblebbistatin, %0.5 DMSO) için ayrılmıştır. Kalan satırlar (B’den O’ya) bileşiklerin inhibitör aktivitesini test etmek için kullanılır. Burada, DMSO’daki 10 mM bileşik konsantrasyonundan başlayarak on beş adımlı seri 1:2 seyreltmeler hazırlanır ve bileş…

Discussion

Protokoldeki kritik adımlar

Plaka düzenini yalnızca negatif kontrole sahip birkaç plaka çalıştırarak optimize edin (inhibitör olmadan ATPaz reaksiyonu). Reaksiyon oranlarındaki desenler için sonuçları dikkatle inceleyin. Örneğin, bunlar “bağlayıcı olmayan” plakaların hidrofilik yüzey kaplamasındaki kenar etkileri ve/veya kusurlardan kaynaklanabilir. Bir desen gözlenirse, yapıları en aza indirmek için plaka türünü ve/veya plaka düzenini değiştirin…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü ve Ulusal Uyuşturucu Bağımlılığı Enstitüsü NS096833 (CAM) tarafından desteklenmiştir.

Materials

384-well Low Flange Black Flat Bottom Polystyrene NBS Microplate Corning 3575
ATP (Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate) Sigma A7699
Aurora FRD-IB Dispenser Aurora Discovery, Inc. 00017425
Biomek NXP Multichannel Laboratory Automation Workstation Beckman Coulter A31841
Blebbistatin AMRI N/A Custom synthesis
BSA (Bovine Serum Albumin, Protease-Free) Akron Biotech AK1391 
Centrifuge 5430 R, refrigerated, with Rotor FA-35-6-30 Eppendorf 022620663
Centrifuge 5430, non-refrigerated, with Rotor A-2-MTP Eppendorf 022620568
DMSO (Dimethyl sulfoxide)  Sigma D2650
DTT (DL-Dithiothreitol)  Sigma D5545
E1 ClipTip Multichannel Pipette; 384-format; 8-channel Thermo Scientific 4672010
E1 ClipTip Multichannel Pipette; 96-format; 8-channel Thermo Scientific 4672080
EGTA (Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid)  Sigma E3889
EnVision 2104 Multilabel Plate Reader PerkinElmer 2104-0010
Glycerol  Sigma G2025
LDH (L-Lactic Dehydrogenase from rabbit muscle) Sigma L1254
MgCl2.6H2O (Magnesium chloride hexahydrate)  Sigma M2670
Microplate Shaker VWR   12620-926 
Microplate, 384 well, PP, Small Volume, Deep Well, Natural Greiner Bio-One 784201
MOPS (3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid)  Sigma M1254
Myosin Motor Protein (full length) (Bovine cardiac muscle) Cytoskeleton  MY03
Myosin Motor Protein (full length) (Rabbit skeletal muscle) Cytoskeleton  MY02
NADH (β-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced disodium salt hydrate) Sigma N8129
NaN3 (Sodium azide)  Sigma 71289
NaOH (Sodium hydroxide)  Sigma S8045
Optical Filter CFP 470/24nm (Emission) PerkinElmer 2100-5850 Barcode 240
Optical Filter Fura2 380/10nm (Excitation) PerkinElmer 2100-5390 Barcode 112
Optical Module: Beta Lactamase PerkinElmer 2100-4270 Barcode 418
OriginPro 2017 software OriginLab N/A
para-Aminoblebbistatin AMRI N/A Custom synthesis
para-Nitroblebbistatin AMRI N/A Custom synthesis
PEP (Phospho(enol)pyruvic acid monopotassium salt) Sigma P7127
PK (Pyruvate Kinase from rabbit muscle) Sigma P9136
Rabbit Muscle Acetone Powder Pel Freez Biologicals 41995-2
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Heissler, S. M., Sellers, J. R. Kinetic Adaptations of Myosins for Their Diverse Cellular Functions. Traffic. 17 (8), 839-859 (2016).
  2. Hartman, M. A., Spudich, J. A. The myosin superfamily at a glance. Journal of Cell Science. 125 (Pt 7), 1627-1632 (2012).
  3. Berg, J. S., Powell, B. C., Cheney, R. E. A millennial myosin census. Molecular Biology of the Cell. 12 (4), 780-794 (2001).
  4. Sebe-Pedros, A., Grau-Bove, X., Richards, T. A., Ruiz-Trillo, I. Evolution and classification of myosins, a paneukaryotic whole-genome approach. Genome Biology and Evolution. 6 (2), 290-305 (2014).
  5. Newell-Litwa, K. A., Horwitz, R., Lamers, M. L. Non-muscle myosin II in disease: mechanisms and therapeutic opportunities. Disease Models & Mechanisms. 8 (12), 1495-1515 (2015).
  6. He, Y. M., Gu, M. M. Research progress of myosin heavy chain genes in human genetic diseases. Yi Chuan. 39 (10), 877-887 (2017).
  7. Rauscher, A. A., Gyimesi, M., Kovacs, M., Malnasi-Csizmadia, A. Targeting Myosin by Blebbistatin Derivatives: Optimization and Pharmacological Potential. Trends in Biochemical Sciences. 43 (9), 700-713 (2018).
  8. Straight, A. F., et al. Dissecting temporal and spatial control of cytokinesis with a myosin II Inhibitor. Science. 299 (5613), 1743-1747 (2003).
  9. Sirigu, S., et al. Highly selective inhibition of myosin motors provides the basis of potential therapeutic application. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (47), E7448-E7455 (2016).
  10. Green, E. M., et al. A small-molecule inhibitor of sarcomere contractility suppresses hypertrophic cardiomyopathy in mice. Science. 351 (6273), 617-621 (2016).
  11. Morgan, B. P., et al. Discovery of omecamtiv mecarbil the first, selective, small molecule activator of cardiac Myosin. ACS Medicinal Chemistry Letters. 1 (9), 472-477 (2010).
  12. Kepiro, M., et al. para-Nitroblebbistatin, the non-cytotoxic and photostable myosin II inhibitor. Angewandte Chemie International Edition. 53 (31), 8211-8215 (2014).
  13. Varkuti, B. H., et al. A highly soluble, non-phototoxic, non-fluorescent blebbistatin derivative. Scientific Reports. 6, 26141 (2016).
  14. Verhasselt, S., et al. Discovery of (S)-3′-hydroxyblebbistatin and (S)-3′-aminoblebbistatin: polar myosin II inhibitors with superior research tool properties. Organic and Biomolecular Chemistry. 15 (9), 2104-2118 (2017).
  15. Verhasselt, S., Roman, B. I., Bracke, M. E., Stevens, C. V. Improved synthesis and comparative analysis of the tool properties of new and existing D-ring modified (S)-blebbistatin analogs. European Journal of Medicinal Chemistry. 136, 85-103 (2017).
  16. Warren, G. B., Toon, P. A., Birdsall, N. J., Lee, A. G., Metcalfe, J. C. Reconstitution of a calcium pump using defined membrane components. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 71 (3), 622-626 (1974).
  17. Kiianitsa, K., Solinger, J. A., Heyer, W. D. Rad54 protein exerts diverse modes of ATPase activity on duplex DNA partially and fully covered with Rad51 protein. Journal of Biological Chemistry. 277 (48), 46205-46215 (2002).
  18. Hanzelmann, P., Schindelin, H. Structural Basis of ATP Hydrolysis and Intersubunit Signaling in the AAA+ ATPase p97. Structure. 24 (1), 127-139 (2016).
  19. Hackney, D. D., Jiang, W. Assays for kinesin microtubule-stimulated ATPase activity. Methods in Molecular Biology. 164, 65-71 (2001).
  20. Kiianitsa, K., Solinger, J. A., Heyer, W. D. NADH-coupled microplate photometric assay for kinetic studies of ATP-hydrolyzing enzymes with low and high specific activities. Analytical Biochemistry. 321 (2), 266-271 (2003).
  21. Carter, S. G., Karl, D. W. Inorganic phosphate assay with malachite green: an improvement and evaluation. Journal of Biochemical and Biophysical Methods. 7 (1), 7-13 (1982).
  22. Henkel, R. D., VandeBerg, J. L., Walsh, R. A. A microassay for ATPase. Analytical Biochemistry. 169 (2), 312-318 (1988).
  23. Rowlands, M. G., et al. High-throughput screening assay for inhibitors of heat-shock protein 90 ATPase activity. Analytical Biochemistry. 327 (2), 176-183 (2004).
  24. Rule, C. S., Patrick, M., Sandkvist, M. Measuring In Vitro ATPase Activity for Enzymatic Characterization. Journal of Visualized Experiments. (114), 54305 (2016).
  25. Pardee, J. D., Spudich, J. A. Purification of muscle actin. Methods in Cell Biology. 24, 271-289 (1982).
  26. Zhang, J. H., Chung, T. D., Oldenburg, K. R. A Simple Statistical Parameter for Use in Evaluation and Validation of High Throughput Screening Assays. Journal of Biomolecular Screening. 4 (2), 67-73 (1999).
  27. Kovacs, M., Toth, J., Hetenyi, C., Malnasi-Csizmadia, A., Sellers, J. R. Mechanism of blebbistatin inhibition of myosin II. Chem Journal of Biological Chemistry. 279 (34), 35557-35563 (2004).
  28. Allingham, J. S., Smith, R., Rayment, I. The structural basis of blebbistatin inhibition and specificity for myosin II. Nature Structural & Molecular Biology. 12 (4), 378-379 (2005).
  29. Kettlun, A. M., et al. Purification and Characterization of 2 Isoapyrases from Solanum-Tuberosum Var Ultimus. Phytochemistry. 31 (11), 3691-3696 (1992).
  30. Hulme, E. C., Trevethick, M. A. Ligand binding assays at equilibrium: validation and interpretation. British Journal of Pharmacology. 161 (6), 1219-1237 (2010).
  31. Motulsky, H. J., Neubig, R. R. Analyzing binding data. Current Protocols in Neuroscience. 52 (1), 7.5.1-7.5.65 (2010).
  32. Sehgal, P., Olesen, C., Moller, J. V. ATPase Activity Measurements by an Enzyme-Coupled Spectrophotometric Assay. Methods in Molecular Biology. 1377, 105-109 (2016).
  33. Solinger, J. A., Lutz, G., Sugiyama, T., Kowalczykowski, S. C., Heyer, W. D. Rad54 protein stimulates heteroduplex DNA formation in the synaptic phase of DNA strand exchange via specific interactions with the presynaptic Rad51 nucleoprotein filament. Journal of Molecular Biology. 307 (5), 1207-1221 (2001).
  34. Banik, U., Roy, S. A continuous fluorimetric assay for ATPase activity. Biochemistry Journal. 266 (2), 611-614 (1990).
  35. Xiao, Y. X., Yang, W. X. KIFC1: a promising chemotherapy target for cancer treatment?. Oncotarget. 7 (30), 48656-48670 (2016).
  36. See, S. K., et al. Cytoplasmic Dynein Antagonists with Improved Potency and Isoform Selectivity. ACS Chemical Biology. 11 (1), 53-60 (2016).
  37. Datta, A., Brosh, R. M. New Insights Into DNA Helicases as Druggable Targets for Cancer Therapy. Frontiers in Molecular Biosciences. 5, 59 (2018).

Tags

ATPase AssayNADH-coupledSemi-high-throughput ScreeningActinMyosin IIEnzyme InhibitorsCalibrationPositive And Negative Controls

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Radnai, L., Stremel, R. F., Sellers, J. R., Rumbaugh, G., Miller, C. A. A Semi-High-Throughput Adaptation of the NADH-Coupled ATPase Assay for Screening Small Molecule Inhibitors. J. Vis. Exp. (150), e60017, doi:10.3791/60017 (2019).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image