يقدم البروتوكول طريقة لعزل محللات بروتين الخلية الكاملة عن عمليات الوجه الجنينية للفئران التشريحية أو خلايا اللحمة الحنكية الجنينية للفئران المستزرعة وإجراء النشاف الغربي اللاحق لتقييم مستويات البروتين المفسفر.
التطور القحفي الوجهي للثدييات هو عملية مورفولوجية معقدة تنسق خلالها مجموعات متعددة من الخلايا لتوليد الهيكل العظمي الجبهي الأنفي. تبدأ هذه التغيرات المورفولوجية وتستمر من خلال تفاعلات الإشارات المتنوعة ، والتي غالبا ما تشمل فسفرة البروتين بواسطة الكينازات. هنا ، يتم تقديم مثالين على السياقات ذات الصلة الفسيولوجية التي يمكن من خلالها دراسة فسفرة البروتينات أثناء التطور القحفي الوجهي للثدييات: عمليات وجه الفأر ، وخاصة عمليات الفك العلوي E11.5 ، وخلايا اللحمة الحنكية الجنينية للفئران المستزرعة المشتقة من أرفف الحنك الثانوية E13.5. للتغلب على الحاجز المشترك لإزالة الفسفرة أثناء عزل البروتين ، تتم مناقشة التعديلات والتعديلات على الطرق المختبرية القياسية التي تسمح بعزل البروتينات الفوسفورية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توفير أفضل الممارسات للتحليل السليم وتحديد كمية البروتينات الفوسفاتية بعد النشاف الغربي لتحلل بروتين الخلية الكاملة. يمكن استخدام هذه التقنيات ، خاصة بالاقتران مع المثبطات الدوائية و / أو النماذج الجينية الفئرانية ، لاكتساب نظرة ثاقبة أكبر على ديناميكيات وأدوار مختلف البروتينات الفوسفاتية النشطة أثناء التطور القحفي الوجهي.
التطور القحفي الوجهي للثدييات هو عملية مورفولوجية معقدة تنسق خلالها مجموعات متعددة من الخلايا لتوليد الهيكل العظمي الجبهي الأنفي. في الفأر ، تبدأ هذه العملية في اليوم الجنيني (E) 9.5 مع تكوين البروز الجبهي الأنفي وأزواج من العمليات الفكية والفك السفلي ، كل منها يحتوي على خلايا القمة العصبية القحفية بعد الهجرة. تنشأ العمليات الأنفية الجانبية والإنسية من البروز الجبهي الأنفي مع ظهور حفر الأنف وتندمج في النهاية لتشكيل الخياشيم. علاوة على ذلك ، تندمج العمليات الأنفية الإنسية والعمليات الفكية لتوليد الشفة العليا. في الوقت نفسه ، يبدأ تكوين الحنك بتكوين نتوءات متميزة – الأرفف الحنكية الثانوية – من الجانب الفموي لعمليات الفك العلوي عند E11.5. بمرور الوقت ، تنمو الأرفف الحنكية لأسفل على جانبي اللسان ، وترتفع إلى وضع معاكس فوق اللسان ، وفي النهاية تندمج عند خط الوسط لتشكيل حنك مستمر يفصل بين تجاويف الأنف والفم بواسطة E16.51.
تبدأ هذه التغيرات المورفولوجية في جميع أنحاء التطور القحفي الوجهي وتستمر من خلال تفاعلات الإشارات المتنوعة ، والتي غالبا ما تشمل فسفرة البروتين بواسطة الكينازات. على سبيل المثال ، مستقبلات غشاء الخلية ، مثل العائلات الفرعية لمستقبلات عامل النمو المحول (TGF) β ، بما في ذلك مستقبلات البروتين المورفوجيني العظمي (BMPRs) ، وعائلات مستقبلات التيروزين كيناز (RTK) المختلفة ، يتم فسفرها ذاتيا عند ربط الليغاند وتنشيطه في خلايا القمة العصبية القحفية 2,3,4 . بالإضافة إلى ذلك ، يصبح مستقبل الغشاء المقترن بالبروتين G Smoothized مفسفرا في خلايا القمة العصبية القحفية والأديم الخارجي القحفي الوجهي في اتجاه مجرى النهر من ارتباط رباط القنفذ الصوتي (SHH) بمستقبل Patched1 ، مما يؤدي إلى تراكم سلس في الغشاء الهدبي وتنشيط مسار SHH5. يمكن أن تحدث مثل هذه التفاعلات بين مستقبلات الليغاند من خلال إشارات الأوتوكرين و / أو الباراكرين و / أو التجاور في السياقات القحفية الوجهية. على سبيل المثال ، من المعروف أن BMP6 يشير بطريقة أوتوكرين أثناء تمايز الخلايا الغضروفية6 ، في حين يتم التعبير عن عامل نمو الخلايا الليفية (FGF) 8 في الأديم الخارجي لقوس البلعوم ويرتبط بأعضاء عائلة FGF من RTKs المعبر عنها في اللحمة المتوسطة قوس البلعوم بطريقة باراكرين لبدء نقش ونمو أقواس البلعوم7 ، 8,9,10. علاوة على ذلك ، يتم تنشيط إشارات Notch في كل من الخلايا الغضروفية والخلايا العظمية أثناء تطور الهيكل العظمي الوجهي من خلال إشارات juxtacrine عندما ترتبط Delta عبر الغشاء و / أو الأربطة الخشنة بمستقبلات Notch عبر الغشاء على الخلايا المجاورة ، والتي يتم شقها لاحقا وفسفوريلاتيد11. ومع ذلك ، هناك أزواج أخرى من الليغاند والمستقبلات مهمة للنمو القحفي الوجهي التي تتمتع بالمرونة للعمل في كل من إشارات الأوتوكرين والباراكرين. على سبيل المثال ، أثناء تكوين أسنان الفئران ، ثبت أن عامل النمو المشتق من الصفائح الدموية (PDGF)-AA ligand يشير بطريقة أوتوكرين لتنشيط RTK PDGFRα في ظهارة عضو المينا12. في المقابل ، في عمليات الوجه الفئرانية أثناء منتصف الحمل ، يتم التعبير عن النصوص التي تشفر الأربطة PDGF-AA و PDGF-CC في الأديم الخارجي القحفي الوجهي ، في حين يتم التعبير عن مستقبل PDGFRα في اللحمة المتوسطة المشتقة من القمة العصبية القحفية الأساسية ، مما يؤدي إلى إشارات باراكرين13،14،15،16،17 . بغض النظر عن آلية الإشارة، غالبا ما تؤدي أحداث فسفرة المستقبلات هذه إلى توظيف بروتينات محولة و / أو جزيئات إشارة، والتي غالبا ما تصبح مفسفرة نفسها لبدء شلالات كيناز داخل الخلايا مثل مسار كيناز البروتين المنشط بالميتوجين (MAPK)18,19.
يمكن للمستجيبات الطرفية داخل الخلايا لهذه الشلالات بعد ذلك أن تفسر مجموعة من الركائز ، مثل عوامل النسخ ، وربط الحمض النووي الريبي ، وبروتينات المصفوفة الهيكلية الخلوية وخارج الخلية. Runx220 و Hand1 21 و Dlx3/5 22,23,24 وGli1-3 25 و Sox9 26 هي من بين عوامل النسخ المفسفرة في سياق التطور القحفي الوجهي. يمكن أن يؤثر هذا التعديل اللاحق للترجمة (PTM) بشكل مباشر على القابلية لل PTMs البديلة ، و dimerization ، والاستقرار ، والانقسام ، و / أو تقارب ربط الحمض النووي ، من بين أنشطة أخرى20،21،25،26. بالإضافة إلى ذلك ، يتم فسفرة البروتين المرتبط بالحمض النووي الريبي Srsf3 في سياق التطور القحفي الوجهي ، مما يؤدي إلى نقله النووي27. بشكل عام ، ثبت أن فسفرة البروتينات المرتبطة بالحمض النووي الريبي تؤثر على توطينها تحت الخلوي ، وتفاعلات البروتين والبروتين ، وربط الحمض النووي الريبي ، و / أو خصوصية التسلسل28. علاوة على ذلك ، يمكن أن تؤدي فسفرة الأكتوميوزين إلى إعادة ترتيب الهيكل الخلوي في جميع أنحاء التطور القحفي الوجهي29,30 ، وتساهم فسفرة بروتينات المصفوفة خارج الخلية ، مثل البروتينات السكرية الصغيرة المرتبطة ب ligand N المرتبطة ب integrin ، في التمعدن الحيوي أثناء تطور الهيكل العظمي31. من خلال الأمثلة المذكورة أعلاه والعديد من الأمثلة الأخرى ، من الواضح أن هناك آثارا واسعة على فسفرة البروتين أثناء التطور القحفي الوجهي. إضافة إلى مستوى إضافي من التنظيم ، يتم تعديل فسفرة البروتين بواسطة الفوسفاتيز ، الذي يتصدى للكينازات عن طريق إزالة مجموعات الفوسفات.
تعد أحداث الفسفرة هذه على كل من مستويات المستقبلات والجزيئات المستجيبة حاسمة لانتشار مسارات الإشارات وتؤدي في النهاية إلى تغييرات في التعبير الجيني في النواة ، مما يؤدي إلى أنشطة خلوية محددة ، مثل الهجرة والانتشار والبقاء والتمايز ، مما يؤدي إلى تكوين مناسب لوجه الثدييات. بالنظر إلى خصوصية سياق تفاعلات البروتين مع الكينازات والفوسفاتيز ، والتغيرات الناتجة في PTMs ، وآثارها على نشاط الخلايا ، فمن الأهمية بمكان أن تتم دراسة هذه المعلمات في بيئة ذات صلة فسيولوجيا لاكتساب فهم كامل لمساهمة أحداث الفسفرة في التطور القحفي الوجهي. هنا ، يتم تقديم أمثلة على سياقين لدراسة فسفرة البروتينات ، وبالتالي تنشيط مسارات الإشارات أثناء التطور القحفي الوجهي للثدييات: عمليات وجه الفأر ، وخاصة عمليات E11.5 الفكية ، وخلايا اللحمة المتوسطة الحنكية الجنينية للفئران المستزرعة المشتقة من الأرفف الحنكية الثانوية E13.5 – كلاهما أساسي32 وخلد33 . في E11.5 ، تكون العمليات الفكية في طور الاندماج مع العمليات الأنفية الجانبية والإنسية1 ، وبالتالي تمثل نقطة زمنية حرجة أثناء التطور القحفي الوجهي للفأر. علاوة على ذلك ، تم اختيار العمليات الفكية والخلايا المشتقة من الأرفف الحنكية هنا لأن الهياكل الأخيرة هي مشتقات من الأولى ، مما يوفر للباحثين الفرصة لاستجواب فسفرة البروتين في الجسم الحي وفي المختبر في السياقات ذات الصلة. ومع ذلك ، ينطبق هذا البروتوكول أيضا على عمليات الوجه البديلة والنقاط الزمنية التنموية.
هناك مشكلة حرجة في دراسة البروتينات المفسفرة وهي أنه يمكن إزالتها بسهولة أثناء عزل البروتين بواسطة الفوسفاتيز البيئي الوفير. للتغلب على هذا الحاجز ، تتم مناقشة التعديلات والتعديلات على الأساليب المختبرية القياسية التي تسمح بعزل البروتينات المفسفرة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توفير أفضل الممارسات للتحليل السليم وتحديد كمية البروتينات المفسفرة. يمكن استخدام هذه التقنيات ، خاصة بالاقتران مع المثبطات الدوائية و / أو النماذج الجينية الفئرانية ، لاكتساب نظرة ثاقبة أكبر على ديناميكيات وأدوار مسارات الإشارات المختلفة النشطة أثناء التطور القحفي الوجهي.
يسمح البروتوكول الموصوف هنا للباحثين بالتحقيق في أحداث الإشارات الحرجة المعتمدة على الفسفرة أثناء التطور القحفي الوجهي بطريقة قوية وقابلة للتكرار. هناك العديد من الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول التي تضمن الجمع السليم للبيانات وتحليل النتائج. سواء كان عزل البروتينات الفوسفاتية عن عمل…
The authors have nothing to disclose.
كانت فئران 129S4 هدية من الدكتور فيليب سوريانو ، كلية إيكان للطب في جبل سيناء. تم دعم هذا العمل بأموال من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) / المعهد الوطني لأبحاث الأسنان والوجه والجمجمة (NIDCR) R01 DE027689 و K02 DE028572 إلى K.A.F. ، F31 DE029976 إلى M.A.R. و F31 DE029364 إلى B.J.C.D.
Equipment | |||
Block for mini dry bath | Research Products International Corp | 400783 | |
ChemiDoc XRS+ imaging system with Image Lab software | Bio-Rad | 1708265 | chemiluminescence imager |
CO2 incubator, air jacket | VWR | 10810-902 | |
Dissecting board, 11 x 13 in | Fisher Scientific | 09 002 12 | |
Electrophoresis cell, 4-gel, for mini precast gels with mini trans-blot module | Bio-Rad | 1658030 | |
Hybridization oven | Fisher Scientific | UVP95003001 | |
Microcentrifuge 5415 D with F45-24-11 rotor (Eppendorf) | Sigma Aldrich | Z604062 | |
Mini dry bath | Research Products International Corp | 400780 | |
Orbital shaker | VWR | 89032-092 | |
pH meter | VWR | 89231-662 | |
Power supply for SDS-PAGE | Bio-Rad | 1645050 | |
Rectangular ice pan, maxi 9 L | Fisher Scientific | 07-210-093 | |
Stemi 508 stereo microscope with stand K LAB, LED ring light | Zeiss | 4350649020000000 | dissecting microscope |
Timer | VWR | 62344-641 | |
Tube revolver | Fisher Scientific | 11 676 341 | |
Vortex mixer | Fisher Scientific | 02 215 414 | |
Water bath | VWR | 89501-472 | |
Western blot box | Fisher Scientific | NC9358182 | |
Materials | |||
Cell culture dishes, 6 cm | Fisher Scientific | 12-565-95 | |
Cell culture plates, 12 well | Fisher Scientific | 07-200-82 | |
Cell lifters | Fisher Scientific | 08-100-240 | |
CO2 | Airgas | CD USP50 | |
Conical tubes, polypropylene, 50 mL | Fisher Scientific | 05-539-13 | |
Dumont #5 fine forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Embryo spoon | Fine Science Tools | 10370-17 | |
Microcentrifuge tubes, 0.5 mL | VWR | 89000-010 | |
Microcentrifuge tubes, 1.5 mL | VWR | 20170-038 | |
Pasteur pipet, 5.75" | Fisher Scientific | 13-678-6A | |
Pasteur pipet, 9" | VWR | 14672-380 | |
Petri dishes, 10 cm | Fisher Scientific | 08-757-100D | |
Petri dishes, 35 mm | Fisher Scientific | FB0875711YZ | |
Pouches, transparent, polyethylene lining | Fisher Scientific | 01-812-25B | |
PVDF membrane | Fisher Scientific | IPVH00010 | |
Semken forceps | Fine Science Tools | 11008-13 | |
Small latex bulb, 2 mL | VWR | 82024-554 | |
Surgical scissors | Fine Science Tools | 14002-12 | |
Syringe filter, 25 mm, 0.2 μm pore size | Fisher Scientific | 09-740-108 | |
Syringe with luer tip, 10 mL | VWR | BD309604 | |
Transfer pipet | Fisher Scientific | 13-711-22 | |
Western blot cassette opening lever | Bio-Rad | 4560000 | |
Whatmann 3MM chr chromatography paper | Fisher Scientific | 05-714-5 | |
Reagents | |||
4-15% Precast protein gels, 10-well, 30 µL | Bio-Rad | 4561083 | |
β-glycerophosphate disodium salt hydrate | Sigma Aldrich | G5422-25G | stock concentration 1 M |
β-mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M3148-100ML | |
Bovine serum albumin, fraction V, heat shock tested | Fisher Scientific | BP1600-100 | |
Bromophenol blue | Fisher Scientific | AC403140050 | |
Complete mini protease inhibitor cocktail | Sigma Aldrich | 11836153001 | stock concentration 25x |
DC protein assay kit II | Bio-Rad | 500-0112 | |
DMEM, high glucose | Gibco | 11965092 | |
E7, mouse monoclonal beta tubulin primary antibody, concentrate 0.1 mL | Developmental Studies Hybridoma Bank | E7 | 1:1,000 |
ECL western blotting substrate | Fisher Scientific | PI32106 | low picogram range |
ECL western blotting substrate | Genesee Scientific | 20-302B | low femtogram range |
Electrophoresis buffer, 5 L | Bio-Rad | 1610772 | stock concentration 10x |
Ethanol, 200 proof, 1 gallon | Decon Laboratories, Inc. | 2705HC | EtOH |
Ethylenediaminetetraacetic acid, Di Na salt dihydr. (crystalline powd./electrophor.) | Fisher Scientific | BP120-500 | EDTA |
Fetal bovine serum, characterized, US origin, 500 mL | HyClone | SH30071.03 | |
Glycerol (certified ACS) | Fisher Scientific | G33-4 | |
HRP-conjugated secondary antibody, goat anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 115-035-146 | 1:20,000 |
HRP-conjugated secondary antibody, goat anti-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 111-035-003 | 1:20,000 |
Hydrochloric acid solution, 6N (certified) | Fisher Scientific | SA56-500 | HCl |
Igepal Ca – 630 non-ionic detergent | Fisher Scientific | ICN19859650 | Nonidet P-40 |
Isopropanol (HPLC) | Fisher Scientific | A451-1 | |
L-glutamine | Gibco | 25030081 | stock concentration 200 mM |
Methanol | Fisher Scientific | A454-4 | |
p44/42 MAPK (Erk1/2) primary antibody | Cell Signaling Technology | 9102S | 1:1,000; anti-Erk1/2 |
PDGF-BB recombinant ligand, rat | Fisher Scientific | 520BB050 | |
PDGF Receptor β primary antibody | Cell Signaling Technology | 3169S | 1:1,000 |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | stock concentration 100 U/mL, 100 µg/mL |
Phenylmethanesulfonyl fluoride, 99% | Fisher Scientific | AC215740100 | PMSF; stock concentration 100 mM |
Phospho-p44/42 MAPK (Erk1/2) primary antibody | Cell Signaling Technology | 9101S | 1:1,000, anti-phospho-Erk1/2 |
Phospho-PDGF Receptor α /PDGF Receptor β primary antibody | Cell Signaling Technology | 3170S | 1:1,000 |
Potassium chloride (white crystals) | Fisher Scientific | BP366-500 | KCl |
Potassium phosphate monobasic (white crystals) | Fisher Scientific | BP362-500 | KH2PO4 |
SDS solution, 10% | Bio-Rad | 161-0416 | |
Sodium chloride (crystalline/biological,certified) | Fisher Scientific | S671-3 | NaCl |
Sodium fluoride (powder/certified ACS) | Fisher Scientific | S299-100 | NaF; aliquot for one time use; stock concentration 1 M |
Sodium orthovanadate, 99% | Fisher Scientific | AC205330500 | Na3VO4; stock concentration 100 mM |
Sodium phosphate dibasic anhydrous (granular or powder/certified ACS) | Fisher Scientific | S374-500 | Na2HPO4 |
Tissue culture PBS | Fisher Scientific | 21-031-CV | |
Transfer buffer, 5 L | Bio-Rad | 1610771 | stock concentration 10x |
Tris base (white crystals or crystalline powder/molecular biology) | Fisher Scientific | BP152-1 | |
Trypsin | BioWorld | 21560033 | |
Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
Western blot molecular weight marker | Bio-Rad | 1610374 | |
Software | |||
ImageJ software | National Institutes of Health | ||
Animals | |||
Female 129S4 mice | gift of Dr. Philippe Soriano, Icahn School of Medicine at Mount Sinai |