概要

示差走査蛍光法によるCD40タンパク質-ウンベリフェロン相互作用の検出

Published: March 01, 2024
doi:

概要

このプロトコールは、化合物とタンパク質分子との間の結合を検出するための独自の方法を説明しており、タンパク質サンプルの損失を最小限に抑え、高いデータ精度という利点を提供します。

Abstract

異なる分子間の相互作用の調査は、疾患の病因を理解し、創薬標的をスクリーニングする上で重要な側面です。チベットの薬 Vicatia thibeticaの有効成分であるUmbelliferoneは、未知のメカニズムで免疫調節効果を示します。CD40タンパク質は、免疫応答の重要な標的です。そこで、本研究では、示差走査蛍光技術の原理を用いて、蛍光酵素マーカーを用いてCD40タンパク質とウンベリフェロンとの相互作用を解析します。まず、タンパク質蛍光オレンジ色素の安定性を実験的に検証し、1:500の最適希釈比を決定しました。その結果、CD40タンパク質の温度融解(Tm)値は、濃度の増加に伴って減少する傾向があることが観察されました。興味深いことに、CD40タンパク質とウンベリフェロンとの間の相互作用は、CD40タンパク質の熱安定性を高めることがわかりました。この研究は、蛍光マイクロプレートと蛍光色素を使用して低分子化合物とタンパク質の結合電位を検出する最初の試みです。この技術は、高い感度と精度を特徴とし、タンパク質の安定性、タンパク質構造、およびタンパク質-リガンド相互作用の分野における進歩が期待されているため、さらなる研究と探索が容易になります。

Introduction

Vicatia thibetica H. Boissieuは、臍帯科の植物で、チベット医学で一般的に使用されており、5つの基本成分(Polygonatum sibiricum Delar. ex Redoute、 Asparagus cochinchinensis (Lour.)Merr、 Vicatia thibetica H. Boissieu、 Oxybaphus himalaicus Edgew.、および Gymnadenia conopsea (L.)R. Br。1.雲南省北西部、四川省西部、チベットなど、主に中国南西部に分布し、その乾燥根はアンジェリカ1の地元の代替品として機能します。香りで知られる根はシチューの調味料としてよく利用され、チベットのセロリと呼ばれる葉はおいしい料理に貢献しています。したがって、 Vicatia thibetica は、ユニークな薬用植物としてだけでなく、チベットの食料源としても重要性を持っています。

国内外の研究によると、Vicatia thibeticaは血液を補充し、(力またはエネルギー)を活性化する特性を持ち、月経の調節に有益です。動悸や血液欠乏による月経困難症の不規則な症状に対処するために用いられ、体免疫の抗酸化調節などの薬理学的効果を示します2Vicatia thibeticaのアルコール抽出物は、シクロホスファミドによって誘発された免疫不全マウスの体重と臓器指数を回復する能力を示しています。さらに、血清中のスーパーオキシドジスムターゼの活性を高め、マロンジアルデヒドの含有量を減少させることで、抗酸化能力の改善と脂質過酸化に対するバランス効果が示唆されています2,3。同時に、それは血球とヘモグロビンの数を増加させ、これは体の造血機能を客観的に反映するだけでなく、免疫系にも重要な役割を果たします2,3

針状の結晶と苦味を特徴とするUmbelliferoneは、分子量が小さく、揮発性であり、蒸気で蒸留できます。昇華しやすく、水への溶解度が低く、有機物への溶解度が高いです。Vicatia thibeticaの主要な化学成分の1つとして、ウンベリフェロンは、ヒドロコルチゾン誘導免疫抑制マウスモデル4,5において、細胞性免疫、体液性免疫、および非特異的免疫に対する免疫調節効果を示します。

腫瘍壊死因子受容体スーパーファミリーのメンバーである細胞表面分子CD40は、免疫細胞に広く発現しています6。その相同リガンドであるCD154は、CD40Lとも呼ばれ、活性化Tリンパ球によって発現されるII型膜貫通タンパク質です。CD40の活性化は、樹状細胞(DC)および単球の表面上の共刺激分子の発現をアップレギュレートする能力を持っています。このプロセスは、主要組織適合遺伝子複合体(MHC)分子の抗原提示機能を促進し、CD8+ T細胞をさらに活性化します7

マクロファージは、腫瘍微小環境の形成と調節に重要な役割を果たしており、CD40の活性化は、マクロファージ8による腫瘍微小環境のリモデリングを促進することができる。CD40シグナルの活性化は、B細胞の増殖と活性化に大きく影響します。B細胞は、CD40によって活性化されると、有効な抗原提示細胞として機能することができます。それらは抗原を提示し、エフェクターT細胞活性を生成し、それによって抗腫瘍効果に寄与します9。さらに、腫瘍細胞におけるCD40の活性化は、アポトーシスを誘導し、腫瘍の成長を阻害することができる10。CD40は、主に、Lyn、Fyn、Sykなどの非受容体型チロシンタンパク質キナーゼの活性を制御することにより、シグナルを伝達します。さらに、Bcl-xL、Cdk4、およびCdk6タンパク質を刺激し、Rel/NF-kB転写因子を活性化し、CG-2およびPI3K10をリン酸化する能力があります。

示差走査蛍光法(DSF)は、バッファー組成、温度、低分子リガンドなどのさまざまな環境条件がタンパク質構造の熱安定性に及ぼす影響を評価するために広く使用されています。DSFに一般的に使用される色素は、オレンジ色の環境に敏感な疎水性色素です。通常の条件下では、タンパク質構造は折り畳まれ、その疎水性セグメントを内部に隠します。温度が上昇すると、タンパク質の疎水性領域がより露出し、その結果、天然のタンパク質構造が徐々に分解されます。色素は、この露出したタンパク質部分に選択的に結合し、その蛍光を増幅します。次いで、Tm値は、蛍光シグナル検出11の変化を監視することによって計算される。Tm値の変動は、突然変異、バッファーの変化、またはリガンド結合によるタンパク質の安定性の変化をある程度測定できます。さらに、タンパク質の折り畳み過程における構造変化を示すことができる12。このアプローチにより、正確なデータ、広い温度範囲、高感度、最小限のタンパク質サンプル損失が得られます13

本研究では、蛍光定量ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)装置ではなく、蛍光マイクロプレートリーダーを用いて蛍光測定を行いました。この変更により、蛍光定量PCR装置がないラボでもDSF検出が可能になり、分析法の複雑さが軽減され、装置のセットアップに必要なステップが削減されるため、実験プロセスが簡素化されます。ただし、このアプローチにはいくつかの欠点があります。複雑さが軽減される一方で、手順はより面倒になります。異なる温度での手動蛍光検出が必要であり、システムからの蛍光の自動的かつ連続的な収集は達成できません。したがって、この研究では、DSF技術を利用してCD40タンパク質とウンベリフェロンの間の相互作用を調査し、チベット医学の分子メカニズムに関する新たな洞察を提供しました。

Protocol

化合物溶液、タンパク質溶液、および色素をPBS溶液に導入しました。その後、デジタル加熱振とうドライバスを用いて試料を段階的に加熱し、複合体系内の蛍光強度の変化を測定することでタンパク質の熱安定性を評価しました。詳細な手順を以下に概説し、 図 1 にプロトコルの概要を示します。 1. 溶液の調製 616.75 μL の DMSO 溶液に 0.1 mg のウンベリフェロンを添加して、1 mM のウンベリフェロン溶液を調製します( 材料の表を参照)。 0.1 mg の CD40 を 500 μL の ddH2O 溶液に加えて、200 μg/mL の CD40 タンパク質溶液を調製します( 「材料の表」を参照)。 500x Orange色素1 μLを9 μLのリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に加え、500x Orange色素溶液を調製します( 材料の表を参照)。注:上記の操作を氷上で行い、ピペットの最小範囲が0.1μLであるため、最初にオレンジタンパク質色素を10倍に希釈して、その後の使用を容易にします。 2.染料性能試験 500xオレンジ色素をPBS溶液に加え、希釈して色素(1:500、1:1000、1:2000、1:4000)を実現します。注意: DMSOの最終濃度が2%(v / v)を超えないようにしてください。 蛍光マイクロプレートリーダーの電源を入れ、10分間予熱します。 コンピュータとデータ集録ソフトウェアを順番に開きます( 資料の表を参照)。 [装置]をクリックし、対応する蛍光マイクロプレートモデルを選択し、データ取得ソフトウェアで[OK]を選択します。注:蛍光マイクロプレートの予熱が終了し、パネルに温度が表示されるのを待ってから、データ収集ソフトウェアを開いて、装置とソフトウェア間の接続が成功することを確認してください。 Acquisition Settingsをクリックし、データ取得ソフトウェアでFluorescenceを選択します。 Wavelengthsインターフェイスでプログラムを編集します:Lm1 = 470 nm、570 nm、[OK]を選択します。注:オレンジ色の色素は、300 nmのUV光または470 nmの可視光で励起でき、570 nmで発光を測定できます。 異なる濃度のオレンジ色素(1:500、1:1000、1:2000、1:4000)とPBSを100 μL/ウェルの96ウェルプレートに加えます。注:溶液をPBSに添加する前にDMSOに溶解し、調製プロセス中に2000 x g で完全にボルテックスして、染料が沈殿する傾向による完全な溶解を確保します。 96ウェルプレートを装置の検出ステージにセットし、データ取得ソフトウェアの Read ボタンをクリックして、室温で各色素濃度の蛍光を13回、毎回2分間隔で測定します。 各決定後に[エクスポート]ボタンをクリックし、[XML XLS TXTにエクスポート]を選択し、[すべてのプレート]を選択し、[出力形式のプレート]を選択し、最後に[OK]をクリックして、データを「XLS」形式でフォルダに保存し、さらに分析します。注:これらのステップは、室温でのオレンジ色素の自家蛍光に対する連続測定の影響を判断し、最適な染色濃度を特定するのに役立ちます。 デジタル加熱振とうドライバスをオンにし、加熱温度を35°Cに、加熱時間を2分に設定します。 1.5 mLの微量遠心チューブで最適な希釈比の色素を調製し、デジタル加熱振とうドライバスに2分間入れます。 PBS溶液と35°Cで加熱した染色溶液を、ウェルあたり100 μLの容量で96ウェルプレートに加えます。 96ウェルプレートを装置の検出ステージにセットし、データ集録ソフトウェアの Read ボタンをクリックします。 加熱温度を40°Cに、加熱時間を2分に設定します。 96ウェルプレートの色素溶液をピペットで1.5 mL微量遠心チューブに戻し、装置内で2分間加熱します。 ステップ2.12-2.15とステップ2.9の操作を繰り返して、それぞれ35°C、40°C、45°C、50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75°C、80°C、85°C、90°C、95°Cで染料溶液の吸光度をテストします。注:これらのステップは、35°Cから95°Cの勾配で連続加熱したオレンジ色の染料の自家蛍光の安定性を決定するのに役立ちます。 急激な温度低下や間違った液体の追加を避けるためには、迅速に作業することが重要です。これは実験エラーにつながる可能性があります。 3. タンパク質の温度融解(Tm)の検出 CD40タンパク質とオレンジ色素をPBS溶液と組み合わせ、それぞれ5 μg/mL、10 μg/mL、15 μg/mL、20 μg/mL、1:500の最終濃度を達成します。 ステップ 2.2 から 2.6 とステップ 2.10 から 2.16 で概説した操作を繰り返して、それぞれ 35 °C、40 °C、45 °C、50 °C、55 °C、55 °C、60 °C、70 °C、75 °C、80 °C、85 °C、90 °C、95 °C の温度での CD40 タンパク質溶液の吸光度を評価します。 手順 2.9 を繰り返してデータを保存および分析し、その後、データ分析ソフトウェアを使用して Tm 値を計算します ( 資料の表を参照)。 CD40タンパク質、ウンベリフェロン、およびオレンジ色素をPBS溶液に添加して、それぞれ5 μg/mL、10 μg/mL、15 μg/mL、20 μg/mL、10 μM、および1:500の最終濃度を得ます。注:溶液調製中の激しいボルテックスは、PBS中の色素、CD40タンパク質、およびウンベリフェロンの均一な分布を確保するために不可欠です。 手順3.2〜3.3の操作を繰り返して、それぞれ35°C、40°C、45°C、50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75°C、80°C、85°C、90°C、および95°Cの温度でCD40-ウンベリフェロン複合体溶液の吸光度を測定します。注:これらのステップは、CD40タンパク質およびCD40-ウンベリフェロン複合体のTm値を決定するために実施され、最適なCD40タンパク質のウンベリフェロンへの結合濃度を特定することを目的としていました。

Representative Results

オレンジ色の色素は、室温と高温の両方で、Ex = 470 nmおよびEm = 570 nmで一貫して安定した蛍光励起を示しました。1:500の最適な希釈比を決定しました(図2A、B)。CD40タンパク質の濃度が15 μg/mL未満の場合、Tm値の検出は困難であることが証明されました(図3A、B)。しかし、15 μg/mL の濃度では、51.82 °C の安定した Tm 値が検出さ?…

Discussion

DSFは、熱シフトアッセイまたは熱蛍光アッセイとも呼ばれ、プログラムされたゆっくりとした温度上昇中に試験サンプルまたは色素の蛍光シグナルの変化を監視することにより、サンプル中のタンパク質の熱変性プロセスを検出するために使用される技術です。Pantoliano14によって最初に確立されたDSFは、ハイスループットな方法として機能します。主な手順は、コンピュー?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

チベット医科大学第14次5カ年計画のコンテーション建設プロジェクト(2022ZYYGH12)、チベット医科大学教育省の主要研究所の2022年公開科目およびチベット医科大学基礎教育(ZYYJC-22-04)、寧夏回族自治区の主要研究開発プログラム(2023BEG02012)から受けた財政的支援に心から感謝いたします。 成都中医薬大学(XKTD2022013)のXinglin Scholar研究推進プロジェクト。

Materials

CD40 protein MedChemExpress HY-P75408
DMSO Boster Biological Technology Co., Ltd PYG0040
FlexStation 3 multifunctional microplate reader Shanghai Meigu Molecular Instruments Co., LTD FlexStation 3
OriginPro 8 software OriginLab Corporation v8.0724(B724)
Phosphate buffered saline (1x) Gibco 8120485
SoftMax Pro 7.1 Shanghai Meigu Molecular Instruments Co., LTD SoftMax Pro 7.1
SSYPRO orange dye Sigma S5942
Umbelliferone Shanghai Yuanye Biotechnology Co. B21854

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記事を引用
Cairang, N., Zhang, Y., Jiang, H., Sonan, T., Wang, X. Detection of CD40 Protein-Umbelliferone Interaction via Differential Scanning Fluorescence. J. Vis. Exp. (205), e66610, doi:10.3791/66610 (2024).

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