Изучение жирового ацилирования имеет важное значение для клеточных белковых взаимодействий и заболеваний. Здесь представлен модифицированный протокол для улучшения химического обнаружения жировых ацилированных белков, который может применяться в различных типах клеток и сочетаться с другими анализами, включая импульсную погоню и масс-спектрометрию.
Жировое ацилирование, ковалентное добавление насыщенных жирных кислот к белковым субстратам, важно для регулирования множества клеточных функций в дополнение к его последствиям при раке и нейродегенеративных заболеваниях. Последние разработки в области методов обнаружения жирового ацилирования позволили эффективно и неопасно обнаруживать жирные ацилированные белки, в частности, за счет использования химии щелчков с биоортогональной маркировкой. Тем не менее, обнаружение химии щелчка может быть ограничено плохой растворимостью и потенциальными токсическими эффектами добавления длинноцепочечных жирных кислот в клеточную культуру. Здесь описан подход к маркировке с оптимизированной доставкой с использованием омыленных жирных кислот в сочетании с BSA, не содержащим жирных кислот, а также делипидированных сред, которые могут улучшить обнаружение трудно обнаруживаемых жирных ацилированных белков. Этот эффект был наиболее выражен с аналогом алкинил-стеарата, 17-ODYA, который был наиболее часто используемым аналогом жирных кислот в химическом обнаружении ацилированных белков. Эта модификация улучшит клеточную инкорпорацию и повысит чувствительность к обнаружению ацилированного белка. Кроме того, этот подход может применяться в различных типах клеток и сочетаться с другими анализами, такими как анализ погони за импульсами, маркировка стабильных изотопов аминокислотами в клеточной культуре и масс-спектрометрия для количественного профилирования жирных ацилированных белков.
Жировое ацилирование включает в себя ковалентное добавление жирных кислот к белкам и хорошо известно своей важностью в стимулировании белково-мембранных взаимодействий, но также было показано, что оно способствует белково-белковым взаимодействиям, конформационным изменениям и регулирует каталитические участки ферментов1,2,3,4,5,6,7 . Жировая ацилляция стала потенциальной мишенью для лекарств при множестве заболеваний, включая инфекцию, рак, воспаление и нейродегенерацию, где были задокументированы нарушения пальмитоилирования8,9,10,11,12,13. Это было в первую очередь стимулировано разработкой новых методов химического обнаружения, которые позволили крупномасштабно идентифицировать S-ацилированные белковые мишени.
Жировое ацилирование может включать в себя различные модификации, включающие ковалентное добавление насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, но обычно относится к N-миристоилированию и S-ацилированию. N-миристоилирование относится к добавлению миристиновой кислоты к N-концевым глицинам либо котрансляционно на зарождающихся полипептидах, либо посттрансляционно на вновь подвергшихся воздействию N-концевых глицинов после протеолитического расщепления2,14. N-миристоилирование происходит через необратимую амидную связь. С другой стороны, S-ацилирование обычно относится к обратимому добавлению длинноцепочечных жирных кислот к остаткам цистеина через тиофирную связь. Наиболее распространенная форма этой модификации включает включение пальмитата и, следовательно, обычно упоминается как S-пальмитоилирование, или просто пальмитоилирование11,15. Во многом S-пальмитоилирование похоже на фосфорилирование. Он динамичен, ферментативно регулируется и оказывается очень податливым.
Вплоть до последнего десятилетия изучение жирового ацилирования затруднялось ограниченными методами обнаружения, которые требовали радиоактивно меченых жирных кислот. Это имело несколько недостатков, включая стоимость, проблемы безопасности и очень длительное время обнаружения. Как правило, для обнаружения S-ацилирования16 использовали либо тритиированный, либо йодированный пальмитат. Тритиированный пальмитат требует длительных периодов обнаружения с ауторадиографической пленкой, которые могут занять от нескольких недель до месяцев. В то время как [125I] аналоги йодо-жирных кислот сокращали время обнаружения, они представляли гораздо более высокий риск безопасности и требовали тщательного мониторинга щитовидной железы экспериментаторов. Кроме того, эти методы были неколичественными, поэтому ограничивали возможность измерения динамического пальмитоилирования, а также трудоемкие для настройки и очистки из-за дополнительных средств индивидуальной защиты и радиоактивного мониторинга. Наконец, радиоактивные метки не очень хорошо подходили для протеомных исследований и обычно ограничивались обнаружением специфических белков, представляющих интерес, с низкой пропускной способностью. По мере того, как было обнаружено больше субстратов и неизбежно были идентифицированы ферменты, опосредующие каждую модификацию, стало ясно, что требуются новые методы обнаружения17,18,19,20,21. Практически одновременно возникло несколько новых методов обнаружения жировых ацилированных белков. Первый использует обратимость и реакционную способность тиоэфирной связи S-ацилирования. Анализ ацил-биотинового обмена (ABE) химически заменяет пальмитат биотином для последующего вытягивания S-ацилированных белков с использованием шариков авидина агарозы и прямого обнаружения западным блотом22,23,24. Затем была разработана биоортогональная маркировка жирных кислот и хемоселективное добавление к меткам или ручкам, которые включали использование лигирования Штаудингера и химии щелчков25,26,27,28,29,30,31,32,33 . Наконец, подобно ABE, захват с помощью ацил-смолы (RAC) по существу заменяет S-ацилированные участки тиол-реактивными шариками для захвата и обнаружения S-ацилированных белков34,35. В совокупности анализы обмена и щелковой химии обеспечили более эффективные и чувствительные методы обнаружения ацилирования и аффинной очистки для последующего анализа и впоследствии привели к открытию тысяч S-ацилированных белков8,36.
Термин щелкающая химия охватывает группу химических реакций, но чаще всего относится к Cu(I)-катализируемому азидо-алкину [3+2] механизму реакции циклоприсоединения между алкиниловой группой и азидогруппой27,28,37. В частности, в случае жирового ацилирования химия щелчка включает обнаружение S-пальмитоилирования или N-миристилирования путем включения биоортогонального 16-углеродного алкинил-пальмитата (15-гексадециновая кислота; 15-HDYA) или 14-углеродного алкинил-миристата (13-тетрадециновая кислота; 13-TDYA), соответственно, в клетки для маркировки эндогенно ацилированных белков28 . После лизиса клеток и иммунопреципитации интересующего белка проводится химическая реакция щелчка (ковалентная связь между алкином и азидом) для связывания аффинного зонда, обычно биотина, для обнаружения западным блотом28,37. Альтернативно, щелкающая химия может быть выполнена на общем клеточном лизате, а жирные ацилированные белки могут быть аффинно очищены для идентификации с помощью масс-спектрометрии. Начальная щелчок химической реакции с азидо-биотином повысила селективность и чувствительность обнаружения более чем в миллион раз по сравнению с радиоактивностью2. Еще одним преимуществом щелковой химии является то, что ее можно комбинировать с другими классическими методами маркировки, такими как импульсный анализ оборота белка с использованием азидо-гомоаланина для количественного анализа38. Кроме того, флуоресцентные зонды могут использоваться вместо биотина или других биохимических зондов, таких как метки FLAG или Myc, для изучения локализации белка16,28,39.
Несмотря на относительную простоту использования щелкающей химии, обнаружение может быть ограничено низкой растворимостью и потенциальной токсичностью использования длинноцепочечных свободных жирных кислот в клеточной культуре40. В частности, несмотря на предпочтение пальмитата во время S-ацилирования для большинства белков, во многих исследованиях использовался 18-углеродный стеарат (17-октадециновая кислота – 17-ODYA), а не пальмитат (15-HDYA) для обнаружения S-ацилированных белков из-за его коммерческой доступности и относительно низкой стоимости. Тем не менее, 17-ODYA очень нерастворим и требует особого внимания при использовании. Кроме того, щелкающая химия может потребовать некоторой тонкой подготовки и хранения химических веществ. В настоящем документе описывается подход к маркировке, который оптимизирует доставку с использованием омыления жирных кислот, доставки с BSA без жирных кислот и делипидированной фетальной бычьей сывороткой (FBS) для повышения растворимости и обхода потенциальных токсических эффектов добавления свободных жирных кислот в клетки28. Этот метод работает в различных типах клеток и даже использовался у живых животных28.
Прямое добавление жирных кислот к клеткам в культуре может привести к нерастворимости, осаждению липидов и липотоксичности40. Следовательно, добавление жирных кислот непосредственно в клетки может привести не только к плохому поглощению клеток и низкой доступности метки жирных кислот, но и к уменьшению количества жизнеспособных клеток для последующего анализа, а также к активации нецелевых путей. Тем не менее, многие протоколы метаболической маркировки для обнаружения химии щелчков включают прямое добавление жирных кислот и большое количество исследований пальмитоил-протеома с использованием обнаружения химии щелчков на сегодняшний день редко омыляют этикетки жирных кислот или инкубируют их с помощью BSA8,36. Важно учитывать тот факт, что эффективность и чувствительность химического обнаружения жирно-ацилированных белков зависят от достаточного клеточного поглощения аналогов жирных кислот. Поэтому разумно предположить, что многие S-ацилированные белки, возможно, избежали обнаружения в протеомных исследованиях из-за низкой доступности меток жирных кислот из-за плохого включения в клетки, особенно когда использовалась жирная кислота с более длинной цепью 17-ODYA. 17-ODYA, или алкинил-стеарат, был широко используемой этикеткой выбора для нескольких исследований из-за его коммерческой доступности и его раннего использования8,36. Однако результаты этого протокола показывают, что омыление 17-ODYA приводит к наибольшему увеличению обнаружения S-ацилированных белков по сравнению с жирными кислотами с более короткой цепью, такими как пальмитат или миристат. Поэтому повторение этих экспериментов с омыленными метками может дать дополнительные субстраты S-ацилирования, которые, возможно, ранее были упущены из виду. Кроме того, в то время как большинство пальмитоилацилтрансфераз предпочитают пальмитат для S-ацилирования, некоторые из них имеют предпочтения для других длин жирных кислот, таких как стеарат15,38,44. Кроме того, некоторые белки или даже определенные участки в белках предпочитают одну жирную кислоту другой15,45. Таким образом, исследования с использованием 17-ODYA могут иметь уклон в сторону белков S-ацилированных стеаратом, а не пальмитатом, а также недостаточно представлять эти белки из-за более низкого обнаружения.
Улучшенная эффективность метаболической маркировки для химии щелчков зависит от омыления липидов и инкубации с помощью этапов FAFBSA, а также делипидированного FBS. Все жирные кислоты должны быть полностью омылены в KOH без видимых твердых веществ, прежде чем приступать к инкубации с FAFBSA. Это может быть трудным шагом, и время имеет решающее значение. После того, как омыленные жирные кислоты вошли в раствор при 65 °C, немедленно добавьте теплый BSA, так как дальнейший нагрев вызовет испарение DMSO из жирных кислот. Кроме того, омыленная этикетка начнет повторно затвердевать, как только начнет остывать. Поэтому FAFBSA должна быть теплой и быстро добавляться после того, как соль стала растворимой. Стеклянные реакционные флаконы и их форма важны для этого этапа. Они позволяют омыленному липиду быть достаточно теплым, чтобы оставаться растворимым, в то время как достаточно холодным, чтобы гарантировать, что FAFBSA не застынет. Достаточное перемешивание путем пипетки также важно на этом этапе для обеспечения однородного раствора для маркировки.
Реагенты для химии щелчка должны быть надлежащим образом сохранены, как правило, с осушителями или под N2 или Ar газом при температуре от -20 °C до -80 °C. Отсутствие сигнала ацилирования или слабый сигнал может быть вызвано нестабильными реагентами, особенно старыми растворами TBTA и азидов. Кроме того, необходимо соблюдать осторожность с флуоресцентными растворами азида, которые должны быть максимально защищены от света. Кроме того, такие переменные, как метод липидной депривации и время маркировки, возможно, потребуется протестировать для определения оптимальных условий в зависимости от типа используемой клетки. Например, нейрональным клеткам может потребоваться более длительное время маркировки, потому что изменения среды и липидная депривация затруднены (не опубликованы).
Польза этого протокола наиболее драматична при использовании для длинноцепочечных жирных кислот. Для более коротких цепей увеличение интенсивности сигнала становится менее драматичным, но по-прежнему, вероятно, защищает клетки. В то время как предлагаемые модификации улучшат обнаружение ацилирования белка в целом, химия щелчков по-прежнему считается липидоцентричным методом1, который ограничен обнаружением динамически, а не стабильно S-ацилированных белков1. Другие ограничения, которые следует учитывать, включают требование депривации жирных кислот для стимулирования маркировки и ее относительно ограниченный диапазон совместимых типов клеток по сравнению с обнаружением ацил-биотинового обмена (ABE) S-ацилирования16. Несмотря на эти ограничения, обнаружение химии щелчков происходит быстрее, чем большинство ацилообменных анализов, и лучше подходит для обнаружения белков, которые не переносят повторные этапы осаждения белка, необходимые для ацилообменных анализов. Кроме того, этот подход можно комбинировать с одновременной маркировкой с использованием других анализов щелчков, таких как анализ погони за импульсами38.
Использование этой модификации для метаболической маркировки химии щелчков увеличило общее обнаружение ацилированных белков, особенно S-ацилированных, с различными протеомными методами, которые используются в сочетании с химией щелчков. Как показано, фторогенное обнаружение может быть использовано в качестве альтернативы биотину (рисунок 1)28. Это особенно полезно, потому что в лизатах клеток нет эндогенно флуоресцентных белков. Кроме того, можно использовать флуорофоры, которые активируются только после щелчка химии46. Омыленная и связанная с FAFBSA жирная кислота для маркировки химии щелчка может помочь с трудностями обнаружения белков, представляющих интерес из-за общего увеличения количества этикетки, доступной в клетке, и путем ограничения токсических эффектов добавления жирных кислот непосредственно в среду. Он также может быть использован в сочетании с масс-спектрометрией27 для улучшения обнаружения белков с низким содержанием, особенно в сочетании с недавним прогрессом с использованием алгоритмов машинного обучения, предотвращающих избыточные измерения для повышения чувствительности к белкам с низким содержанием, в отличие от существующего зависимого от данных сбора, который способствует обнаружению наиболее распространенных белков47. . Кроме того, химия щелчков может быть объединена со стабильной изотопной маркировкой аминокислотами в клеточной культуре (SILAC) и методами погони за импульсами для получения количественных данных о динамическом S-ацилировании белка27. Наконец, группа Ханнуша объединила химию щелчков с анализом бесконтактного лигирования (PLA), чтобы обеспечить визуализацию и исследование одноклеточной визуализации и исследования субклеточного распределения пальмитоилированных белков43,48.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа финансировалась Национальным советом по научным и инженерным исследованиям (NSERC; РГПИН-2019-04617). Лючия Ляо финансировалась Мемориальной стипендией Рама и Лекхи Тумкур через кафедру биологии в Университете Ватерлоо и Мемориальной стипендией Люси Моррисон через IODE Онтарио, в дополнение к финансированию исследований выпускников из Университета Ватерлоо, включая аспирантуру (50503-11072), премию для выпускников науки и ассистента преподавателя для выпускников. Авторы хотели бы поблагодарить всех членов лаборатории Мартина за их поддержку в подготовке этой рукописи, в частности Стефани Райалл, Харлин Гилл и Садию Хан, которые помогли первоначально создать лабораторию Мартина в подготовке к этим исследованиям. Авторы также хотели бы поблагодарить доктора Люка Бертиома за добрый подарок конструкций ctHTT-GFP и доктора Шона Сандерса за критический вклад в подготовку рукописи. Рисунок 3 был создан с помощью BioRender.com.
13-tetradecynoic acid (alkynyl myristic acid) (25mM) | Click Chemistry Tools | 1164 | |
15-hexadecynoic acid (alkynyl palmitic acid) (100mM) | Click Chemistry Tools | 1165 | |
17-octadecynoic acid (alkynyl stearic acid) (100 mM) | Cayman Chemical Company | 90270 | |
30% acrylamide/bis solution 29:1 | Biorad | 1610156 | |
96-well plate reader | Biorad | N/A | |
AFDye 647 azide plus | Click Chemistry Tools | 1482 | |
Ammonium persulfate (APS) | Biorad | 1610700 | |
Anti-GAPDH hFAB Rhodamine | Biorad | 12004167 | |
Anti-rabbit Alexa 488 | Invitrogen | A11034 | |
Anti-Tubulin hFAB Rhodamine | Biorad | 12004166 | |
Biotin Azide | Click Chemistry Tools | 1265 | |
Bis-tris, ultrapure | VWR | 715 | |
Calcium chloride | J.T. Baker | 1332-1 | |
Centrifuge 16,000xg, 4°C | Thermo Scientific | N/A | |
Charcoal STRP FBS One Shot (DCC-FBS) | Life Technologies | A3382101 | |
ChemiDoc Imager | Biorad | N/A | |
Copper sulfate (1 mM) | VWR | BDH9312 | |
Deoxycholic acid sodium salt monohydrate | MP Biomedicals | 102906 | |
Detergent compatible (DC) assay | Biorad | N/A | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | VWR | 0231-500 mL | |
DMEM, 1x | Wisent Inc | 319015CL | |
Ethanol, anhydrous | N/A | N/A | |
Fatty Acid Free BSA | MP Biomedicals | 219989950 | |
Fast Blot Turbo Semi-dry transfer | Biorad | N/A | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | 12483-020 | |
FluoroTrans W PVDF (polyvinylidene fluoride) transfer membrane | Pall Life Sciences | BSP0161 | |
HEPES (4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinyl]-ethanesulfonic) acid | VWR | 5011 | |
Humidified Incubator at 37°C and 5% CO2 | VWR | N/A | |
Igepal CA-630 | Alfa Aesar | J61055 | |
Image Lab Software | Biorad | N/A | |
L-glutamine supplement solution | Wisent Inc | 609-065-EL | |
Magnesium chloride | Fisher Scientific | BP214-500 | |
Methanol | VWR | BDH1135 | |
Myristic Acid (25 mM) | VWR | M0476-25G | |
Palmitic acid (100 mM) | VWR | P0002-25G | |
Penicillin-Streptomycin, 10x | Wisent Inc | 450201EL | |
Pepstatin A (synthetic) | Enzo Life Sciences | ALX-260-085-M005 | |
Phenylmethylsulfonyl fluoride | Enzo Life Sciences | ALX-270-184-G005 | |
Phosphate buffered saline, 10x, pH 7.4 | VWR | 75801-000 | |
Polyclonal Goat antibody to GFP (Affinity Purified) | Eusera | EU4 | |
FluoroTrans W PVDF (polyvinylidene fluoride) transfer membrane | Pall Life Sciences | BSP0161 | |
Potassium hydroxide | Ward's Science | 470302-100 | |
Rabbit polyclonal antibody to GFP | Eusera | EU1 | |
Sodium chloride | VWR | 0241-1KG | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Fisher Scientific | BP166-500 | |
Sodium pyruvate | Wisent Inc | 600-110-EL | |
Streptavidin Alexa Fluor 680 conjugate | Thermo Fisher Scientific | S21378 | |
Tris-(benzyltriazolylmethyl)amine (TBTA) (100 uM) | Click Chemistry Tools | 1061 | |
Tris-(2-carboxyethyl)phosphine HCl (TCEP) (1mM) | Soltec Ventures | M115 | |
Tris Base | Fisher Scientific | BP152-5 | |
Trypsin/EDTA | Wisent Inc | 325-043-CL | |
Tween 20 Reagent Grade 1L | VWR | 97062-332 | |
WHEATON NextGen V Vials 3 mL | VWR | 89085-424 |