概要

Untersuchungen von Chaperon-Cochaperon-Interaktionen mit homogenem Bead-based Assay

Published: July 21, 2021
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概要

Dieses Protokoll stellt eine Technik zur Untersuchung von Protein-Protein-Interaktionen unter Verwendung von Glutathion-verknüpften Spenderperlen mit GST-verschmolzenen TPR-Motiv-Co-Chaperonen und Akzeptorperlen in Verbindung mit einem Hsp90-abgeleiteten Peptid vor. Wir haben diese Technik verwendet, um kleine Moleküle zu screenen, um Hsp90-FKBP51- oder Hsp90-FKBP52-Interaktionen zu stören, und potente und selektive Hsp90-FKBP51-Interaktionshemmer identifiziert.

Abstract

Das Targeting der Wechselwirkungen mit dem Hitzeschockprotein 90 (Hsp90)-Cochaperon bietet die Möglichkeit, Hsp90-abhängige intrazelluläre Prozesse gezielt zu regulieren. Das konservierte MEEVD-Pentapeptid am C-Terminus von Hsp90 ist für die Wechselwirkung mit dem Tetratricopeptid-Wiederholungsmotiv (TPR) von Co-Chaperonen verantwortlich. FK506-bindendes Protein (FKBP) 51 und FKBP52 sind zwei ähnliche TPR-Motiv-Co-Chaperone, die an steroidhormonabhängigen Erkrankungen mit unterschiedlichen Funktionen beteiligt sind. Daher bietet die Identifizierung von Molekülen, die spezifisch Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und FKBP51 oder FKBP52 blockieren, ein vielversprechendes therapeutisches Potenzial für mehrere menschliche Krankheiten. Hier beschreiben wir das Protokoll für einen amplifizierten lumineszierenden homogenen Näherungsassay zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und seinen Partner-Co-Chaperonen FKBP51 und FKBP52. Zunächst haben wir die TPR-motivhaltigen Proteine FKBP51 und FKBP52 in Glutathion-S-Transferase (GST)-getaggter Form gereinigt. Unter Verwendung der Glutathion-verknüpften Spenderperlen mit GST-verschmolzenen TPR-Motivproteinen und den Akzeptorperlen in Verbindung mit einem 10-mer C-terminalen Peptid von Hsp90 haben wir Protein-Protein-Interaktionen in einer homogenen Umgebung untersucht. Wir haben diesen Assay verwendet, um kleine Moleküle zu screenen, um Hsp90-FKBP51- oder Hsp90-FKBP52-Interaktionen zu stören, und potente und selektive Hsp90-FKBP51-Interaktionshemmer identifiziert.

Introduction

Molekulare Chaperone tragen zur Protein-Homöostase bei, einschließlich Proteinfaltung, Transport und Abbau. Sie regulieren mehrere zelluläre Prozesse und sind mit zahlreichen Krankheiten wie Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen verbunden1. Das Hitzeschockprotein 90 (Hsp90) ist eines der wichtigsten Chaperone, dessen Funktion von Konformationsänderungen abhängt, die durch ATP-Hydrolyse und Bindung an Client-Proteine, die durch seine Co-Chaperone vermitteltwerden, angetriebenwerden 2 . Trotz eines offensichtlichen Potenzials von Hsp90 als therapeutisches Ziel stellt die Feinabstimmung seiner Funktion eine große Herausforderung dar. Es gibt mehrere Hsp90-Inhibitoren, die auf die N-terminale ATP-Bindungsregion abzielen, die in klinischen Studien untersucht wurden, aber keiner von ihnen wurde für die Vermarktung zugelassen3. Aufgrund des Fehlens einer gut definierten Ligandenbindungstasche4hatte das Targeting der C-terminalen Region von Hsp90 nur begrenzten Erfolg4. Kürzlich wurde die Störung von Hsp90-Cochaperon-Wechselwirkungen durch kleine Moleküle als alternative Strategie untersucht5. Die Ausrichtung auf die Hsp90-Cochaperon-Interaktionen würde keine allgemeine Zellstressreaktion hervorrufen und bietet die Möglichkeit, verschiedene intrazelluläre Prozesse spezifisch zu regulieren. Das konservierte MEEVD-Pentapeptid am C-Terminus von Hsp90 ist für die Wechselwirkung mit dem Tetratricopeptid-Wiederholungsmotiv (TPR) der Co-Chaperone verantwortlich6. Von den 736 TPR-motivhaltigen Proteinen, die in der humanen Proteindatenbank annotiert sind, interagieren ~20 verschiedene Proteine über dieses Peptid mit Hsp907. Moleküle, die um die MEEVD-Peptidbindung konkurrieren, würden die Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und Co-Chaperonen, die eine TPR-Domäne enthalten, stören. Die Peptidbindungsstelle hat eine ähnliche tertiäre Struktur, aber die Gesamthomologie zwischen verschiedenen TPR-Motivdomänen ist relativ niedrig7, was die Möglichkeit bietet, Moleküle zu identifizieren, die spezifisch in der Lage sind, Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und bestimmten TPR-Motiv-Co-Chaperonen zu blockieren. Unter diesen TPR-Motiv-Co-Chaperonen sind FK506-bindendes Protein (FKBP) 51 und FKBP52 Regulatoren der Steroidhormonrezeptor-Signalisierung (SHR) und an mehreren Steroidhormon-abhängigen Krankheiten beteiligt, darunter Krebs, stressbedingte Krankheiten, Stoffwechselerkrankungen und Alzheimer-Krankheit8. Obwohl FKBP51 und FKBP52 > Sequenzähnlichkeit von 80% teilen, unterscheiden sich ihre Funktionen: FKBP52 ist ein positiver Regulator der SHR-Aktivität, während FKBP51 in den meisten Fällen ein negativer Regulator ist8. Daher bietet die Identifizierung von Molekülen, die spezifisch Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und FKBP51 oder FKBP52 blockieren, ein vielversprechendes therapeutisches Potenzial für verwandte Krankheiten.

Einmplified Luminescent Proximity Homogenous Assay (AlphaScreen) wurde erstmals 1994 von Ullman EF et al.9entwickelt. Jetzt wird es häufig verwendet, um verschiedene Arten von biologischen Interaktionen wie Peptid10, Protein11, DNA12, RNA13und Zucker14zu erkennen . Bei dieser Technik gibt es zwei Arten von Perlen (Durchmesser 200 nm), eine ist die Spenderperle und die andere ist die Akzeptorperle. Die Biomoleküle werden auf diesen Perlen immobilisiert; ihre biologischen Wechselwirkungen bringen Spender- und Akzeptorperlen in die Nähe. Bei 680 nm beleuchtet ein Photosensibilisator in der Spenderperle und wandelt Sauerstoff in Singulett-Sauerstoff um. Da der Singsingstoff eine kurze Lebensdauer hat, kann er nur bis zu 200 nm diffundieren. Befindet sich die Akzeptorperle in der Nähe, reagiert ihr Thioxenderivat mit dem Singulett Sauerstoff, der bei 370 nm Chemilumineszenz erzeugt. Diese Energie aktiviert weiterhin Fluorophore in derselben Akzeptorperle, um Licht bei 520-620 nm15zu emittieren. Wenn die biologischen Wechselwirkungen gestört sind, können die Akzeptorperle und die Spenderperle keine Nähe erreichen, was zum Sauerstoffzerfall des Singuletts und zu einem schwach produzierten Signal führt.

Hier beschreiben wir ein Protokoll, das diese Technik zum Screening kleiner Moleküle verwendet, die Wechselwirkungen zwischen Hsp90- und TPR-Co-Chaperonen hemmen, insbesondere FKBP51 und FKBP52. Die 10 Aminosäuren langen Peptide, die Hsp90 extremem C-Terminus entsprechen, sind an Akzeptorperlen gebunden. Gereinigte GST-markierte TPR-Co-Chaperone interagieren mit Glutathion-verknüpften Spenderperlen. Wenn die Wechselwirkung zwischen Hsp90-abgeleiteten Peptiden und TPR-Motiv-Co-Chaperonen die Perlen zusammenbringt, wird ein verstärktes Signal erzeugt (Abbildung 1A). Wenn die gescreenten kleinen Moleküle die Wechselwirkungen zwischen Hsp90- und TPR-Motiv-Co-Chaperonen hemmen können, wird dieses verstärkte Signal verringert (Abbildung 1B). Ihr IC50 kann durch quantitative Messung berechnet werden. Dieses Protokoll kann auf alle Chaperon-TPR-Motiv-Co-Chaperon-Interaktionen von Interesse erweitert werden und ist von großer Bedeutung für die Entwicklung neuartiger Moleküle, die insbesondere die Wechselwirkung zwischen Hsp90 und FKBP51 oder FKBP52 blockieren.

Figure 1
Abbildung 1: Das Grundprinzip dieses Assays. (A) Gereinigte GST-FKBP51 interagiert mit Glutathion-verknüpften Spenderperlen. Die 10 Aminosäuren langen Peptide, die dem extremen C-Terminus von Hsp90 entsprechen, sind an Akzeptorperlen gebunden. Die Interaktion zwischen Hsp90-abgeleiteten Peptiden und der TPR-Domäne von FKBP51 bringt die Spender- und Akzeptorperlen in die Nähe. Bei 680 nm beleuchtet ein Photosensibilisator in der Spenderperle und wandelt Sauerstoff in Singulett-Sauerstoff um. Das Thioxenderivat auf der Akzeptorperle reagiert mit dem Singulett Sauerstoff und erzeugt eine Chemilumineszenz bei 370 nm. Diese Energie aktiviert weiterhin Fluorophore in derselben Akzeptorperle, um Licht bei 520-620 nm zu emittieren. (B) Wenn kleine Moleküle die Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und FKBP51 hemmen, können die Spender- und Akzeptorperlen keine Nähe erreichen. Dann zerfällt der Singulett-Sauerstoff mit kurzer Lebensdauer und es wird kein nachweisbares Signal erzeugt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protocol

HINWEIS: Eine Übersicht über dieses Protokoll ist in Abbildung 2 dargestellt. 1. Expression und Reinigung von GST-FKBP51 und GST-FKBP52 (Abbildung 2A) PlasmideHINWEIS: Beziehen Sie cDNA-Klone für menschlicheS FKBP51 (Klon-ID: 5723416) und für menschliches FKBP52 (Klon-ID: 7474554) vom IMAGE-Konsortium. Amplifizieren Sie die humane FKBP51-DNA durch PCR mit Primern (vorwärts; 5’GGATCCATGACTAC…

Representative Results

In unserem Assay liegen der Z-Faktor und das S/B-Verhältnis bei 0,82 bzw. 13,35 (Abbildung 3A), was zeigt, dass unser Assay robust und zuverlässig für das Hochdurchsatz-Screening ist. Wir haben es dann verwendet, um Verbindungen mit kleiner molekularer Masse zu screenen. Abbildung 3B zeigt die dosisabhängige Hemmung von Chaperon-Cochaperon-Wechselwirkungen mit einem ausgewählten kleinen Molekül (D10). Die Dosis-Wirkungs-Kurven für D10 werden durch nichtli…

Discussion

Hier beschreiben wir ein Protokoll mit dem Assay zum Screening kleiner Moleküle, die Wechselwirkungen zwischen Hsp90 und TPR-Motiv-Co-Chaperonen, insbesondere FKBP51 und FKBP52, hemmen. Sein hoher Z’-Wert (>0,8) zeigt die Robustheit und Zuverlässigkeit für ein Format mit hohem Durchsatz. Ergebnisse können innerhalb einer Stunde erzielt werden, und kleine Mengen an Perlen, Protein und Verbindungen sind erforderlich. Darüber hinaus könnte dieses Protokoll leicht auf alle Hsp90 / Hsp70 – TPR-Motiv-Co-Chaperon-Interakt…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde durch Zuschüsse des Schwedischen Forschungsrats (2018-02843), der Brain Foundation (Fo 2019-0140), der Foundation for Geriatric Diseases am Karolinska Institutet, der Gunvor and Josef Anérs Foundation, der Magnus Bergvalls Foundation, der Gun and Bertil Stohnes Foundation, der Tore Nilssons Foundation for Medical Research, der Margaretha af Ugglas Foundation und der Foundation for Old Servants unterstützt.

Materials

384-well plates Perkin Elmer 6008350 Assay volume 25 ml
Amicon 10.000 MWCO centrifugation unit Millipore UFC901008 Concentrate protein
Ampicillin Sigma A0166 Antibiotics
Bacteria shaker Unimax 1010 Heidolph Culture bacteria
cDNA clones for human FKBP51 Source BioScience clone id: 5723416 pCMV-SPORT6 vector
cDNA clones for human FKBP52 Source BioScience clone id: 7474554 pCMV-SPORT6 vector
Chemically Competent E. coli Invitrogen C602003 One Shot BL21 Star (DE3)
Data analysis software GraphPad Prism 9.0.0 Analysis data and make figures
Data analysis software Excel Analysis data
DMSO Supelco 1.02952.1000 Dilute compounds
DPBS Gibco 14190-144 Prepare solution
EDTA Calbiochem 344504 Prevent proteolysis during sonication
Glutathione Sigma G-4251 Elute GST-tagged proteins
Glutathione donor beads Perkin Elmer 6765300 Donor bead
GST-trap column Cytiva (GE Healthcare) 17528201 Purify GST-tagged proteins
Isopropyl-β-D-thiogalactoside Thermo Fisher Scientific R0392 Induce protein expression
LB Broth (Miller) Sigma L3522 Microbial growth medium
PCR instrument BIO-RAD S1000 Thermal Cycler Amplification/PCR
PD-10 column Cytiva (GE Healthcare) 17085101 Solution exchange
pGEX-6P-1 vector Cytiva (GE Healthcare) 28954648 Plasmid
pGEX-6P-2 vector Cytiva (GE Healthcare) 28954650 Plasmid
Plate reader Perkin Elmer EnSpire 2300 Multilabel Reader Read alpha plate
Plate reader software Perkin Elmer EnSpire Manager Plate reader software
Plate reader software protocol Perkin Elmer Alpha 384-well Low volume Use this protocol to read plate
PMSF Sigma P7626 Prevent proteolysis during sonication
protease inhibitor cocktail Sigma S8830 Prevent proteolysis during sonication
Sodium azide Sigma S2002 As a preservative
Sodium cyanoborohydride (NaBH3CN) Sigma 156159 Activates matrix for coupling
Ten amino acid peptide NH2-EDASRMEEVD-COOH corresponding to amino acids 714-724 of human Hsp90 beta isoform Peptide 2.0 inc Synthesize Hsp90 C-terminal peptide
Test-Tube Rotator LABINCO Make end-over-end agitation
Tris-HCl Sigma 10708976001 Block unreacted sites of acceptor beads
Tween-20 Sigma P1379 Prevent beads aggregation
Ultra centrifuge Avanti J-20 XP Beckman Coulter Centrifuge to get bacteria cell pellets
Ultrasonic cell disruptor Microson Sonicate cells to release protein
Unconjugated acceptor beads Perkin Elmer 6762003 Acceptor beads
XCell SureLock Mini-Cell and XCell II Blot Module Invitrogen EI0002 SDS-PAGE

参考文献

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記事を引用
Wang, L., Bergkvist, L., Kumar, R., Winblad, B., Pavlov, P. F. Studies of Chaperone-Cochaperone Interactions using Homogenous Bead-Based Assay. J. Vis. Exp. (173), e62762, doi:10.3791/62762 (2021).

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