Bu çalışmada, rekombinant G proteinine bağlı reseptörler (GPCR’ler) üzerindeki küçük molekül kütüphanelerini taramak için 384 kuyucuklu plakalar için yüksek verimli, hücre içi kalsiyum floresan testi açıklanmaktadır. Hedef, sığır ateşi kenesinden kinin reseptörü, Rhipicephalus microplus, CHO-K1 hücrelerinde eksprese edilir. Bu tahlil, aynı hücreleri tek bir “çift eklemeli” tahlilde kullanarak agonistleri ve antagonistleri tanımlar.
G proteinine bağlı reseptörler (GPCR’ler), reseptörlerin en büyük süper ailesini temsil eder ve çok sayıda insan ilacının hedefidir. GPCR’lere karşı rastgele küçük molekül kütüphanelerinin yüksek verimli taraması (HTS), ilaç endüstrisi tarafından hedefe özgü ilaç keşfi için kullanılır. Bu çalışmada, omurgasız-spesifik nöropeptit GPCR’lerin yeni küçük moleküllü ligandlarını, ölümcül insan ve veteriner patojenlerinin vektörlerinin fizyolojik çalışmaları için problar olarak tanımlamak için bir HTS kullanılmıştır.
Omurgasızlara özgü kinin reseptörü hedef olarak seçildi çünkü omurgasızlarda diürez, beslenme ve sindirim dahil olmak üzere birçok önemli fizyolojik süreci düzenliyor. Ayrıca, birçok omurgasız GPCR’nin farmakolojisi zayıf bir şekilde karakterize edilir veya hiç karakterize edilmez; bu nedenle, bu reseptör gruplarının diğer metazoanlardaki, özellikle de insanlardaki ilgili GPCR’lere göre diferansiyel farmakolojisi, GPCR’lerin bir süper aile olarak yapı-aktivite ilişkilerine bilgi katmaktadır. Sığır ateşi kenesinden kinin reseptörünün ligandlarının veya güney sığır kenesi Rhipicephalus microplus’tan keşfedilmesi için 384 kuyucuklu plakalardaki hücreler için bir HTS testi geliştirilmiştir. Kene kinin reseptörü CHO-K1 hücrelerinde kararlı bir şekilde eksprese edildi.
Kinin reseptörü, endojen kinin nöropeptitleri veya diğer küçük molekül agonistleri tarafından aktive edildiğinde, kalsiyum depolarından sitoplazmaya Ca2 + salınımını tetikler. Bu kalsiyum floresan testi, “çift eklemeli” bir yaklaşımla birleştirildiğinde, aynı tahlil plakasındaki fonksiyonel agonist ve antagonist “hit” moleküllerini tespit edebilir. Her tahlil, 320 rastgele küçük molekülden oluşan bir dizi taşıyan ilaç plakaları kullanılarak gerçekleştirildi. 0.7’lik güvenilir bir Z ‘faktörü elde edildi ve HTS 2 μM nihai konsantrasyondayken üç agonist ve iki antagonist isabet molekülü tanımlandı. Burada bildirilen kalsiyum floresan testi, Ca2+ sinyal kaskadını aktive eden diğer GPCR’leri taramak için uyarlanabilir.
Mayadan insanlara kadar mevcut olan G proteinine bağlı reseptörler (GPCR’ler), birçok organizmada reseptörlerin en büyük süper ailesini temsil eder1. Hayvanlarda neredeyse tüm biyolojik süreçlerin düzenlenmesinde kritik rol oynarlar. Eklembacaklıların genomunda 50-200 GPCR vardır, yani en büyük membran reseptörü süper ailesi2’yi temsil ederler. Dizi benzerliklerine ve işlevlerine göre A-F olmak üzere altı ana sınıfa ayrılırlar3. GPCR’ler hormonlar, nöropeptitler, biyojenik aminler, glutamat, proton, lipoglikoproteinler ve fotonlar gibi çeşitli hücre dışı sinyalleri dönüştürür4. GPCR’ler, aşağı akış sinyallerini iletmek için heterotrimer G proteinlerine (Gα, Gβ ve Gγ) bağlanır. Gαs veya Gαi / o proteinlerine bağlı GPCR’ler, sırasıyla adenilil siklazı aktive ederek veya inhibe ederek hücre içi 3′, 5′-siklik adenozin monofosfat (cAMP) seviyelerini arttırır veya azaltır. Gαq/11’e bağlı GPCR’ler, fosfolipaz C (PLC)-inositol-1,4,5-trifosfat (IP3) yolunu aktive ederek endoplazmik retikulum kalsiyum depolarından kalsiyum salınımını indükler. Gα12/13’e bağlı GPCR’ler RhoGTPaz nükleotid değişim faktörleri 5,6’yı aktive eder. GPCR’ler, insan ilaçlarının% 50’sinden fazlasının ve bir akarisitin hedefidir, amitraz4. GPCR’ler bu kadar çeşitli sinyalleri dönüştürürken, omurgasızlara özgü fizyolojik fonksiyonları bozan yeni pestisitler geliştirmek için umut verici hedeflerdir.
HTS’nin amacı, reseptör fonksiyonlarını modüle edebilen isabetli molekülleri tanımlamaktır. HTS, tahlil geliştirme, minyatürleştirme ve otomasyon7’yi içerir. Eklembacaklı nöropeptit GPCR’leri, gelişim, erime ve ekdisis, atılım, enerji mobilizasyonu ve üreme gibi çoğu fizyolojik fonksiyonda rol oynar4. Eklembacaklıların ve metazoanların nöropeptit GPCR’lerinin çoğu, siyah bacaklı kene Ixodes scapularis’in miyoinhibitör peptid ve SIFamid reseptörlerinde olduğu gibi, kalsiyum sinyal kaskadın 2,6,8,9,10 yoluyla sinyal verir; ligandları hindgut motilite testlerinde antagonistiktir, SIF kasılmaya neden olur ve MIP bunu inhibe eder11,12. Sarı humma sivrisineğinin NPY benzeri bir reseptörü olan Aedes aegypti,13 arayan kadın konağı düzenler. Aequorin kalsiyum biyolüminesans testi14 gibi diğer alternatif kalsiyum mobilizasyon testleriyle karşılaştırıldığında, kalsiyum floresan testinin gerçekleştirilmesi kolaydır, diğer rekombinant kalsiyum tespit proteinlerinin transfeksiyonunu gerektirmez ve uygun maliyetlidir. Kalsiyum floresan testi, aequorin kalsiyum biyolüminesans testi14,15’te elde edilen hızlı kinetik sinyale kıyasla uzun süreli bir sinyal üretir.
Buradaki örnekte, sığır ateşi kenesinden kinin reseptörü Rhipicephalus microplus, CHO-K1 hücre hattında rekombinant olarak eksprese edildi ve kalsiyum floresan testi için kullanıldı. R. microplus’ta bulunan sadece bir kinin reseptör geni vardır; reseptör, Gq proteinine bağımlı bir sinyal yolundan sinyal verir ve kalsiyum depolarından hücre içi boşluğa16 Ca2 + ‘nın efflüksünü tetikler. Bu işlem, kalsiyum iyonlarını bağlarken bir floresan sinyali ortaya çıkaran bir florofor ile tespit edilebilir ve ölçülebilir (Şekil 1).
Kinin reseptörü, A Sınıfı Rodopsin benzeri reseptörlere ait omurgasızlara özgü bir GPCR’dir. Kinin, Mollusca, Crustacea, Insecta ve Acari 4,17,18’de bulunan eski bir sinyal nöropeptitidir. Koleopteranlar (böcekler) kinin sinyal sisteminden yoksundur; Sivrisinek Aedes aegypti’de, üç aedeskinin’i bağlayan sadece bir kinin reseptörü bulunurken, Drosophila melanogaster’in benzersiz bir ligand19,20,21 olarak drosokinin ile bir kinin reseptörü vardır. Omurgalılarda homolog kininler veya kinin reseptörleri yoktur. Kininin kesin işlevi kenelerde bilinmemekle birlikte, R. microplus’ın kinin reseptörü RNAi-susturulmuş dişileri, üreme uygunluğunu önemli ölçüde azalttığını göstermektedir22. Kininler böceklerde pleotropik peptitlerdir. Drosophila melanogaster’da, hem merkezi hem de periferik sinir düzenleyici sistemler 23, ekdisis öncesi 24, beslenme 25, metabolizma 26 ve uyku aktivite paternleri26,27 ve larva lokomotifi 28’de rol oynarlar. Kininler, sivrisinek A. aegypti29,30,31’de hindgut kontraksiyonunu, diürezi ve beslenmeyi düzenler. Kinin peptitleri, biyolojik aktivite için gerekli minimum sekans olan korunmuş bir C-terminal pentapeptid Phe-X1-X2-Trp-Gly-NH2’ye sahiptir32. Eklembacaklı özgüllüğü, endojen ligandın küçük boyutu, onları küçük moleküllü girişime uygun hale getirir ve böceklerdeki pleiotropik fonksiyonlar, kinin reseptörünü haşere kontrolü için umut verici bir hedef haline getirir4.
“Çift eklemeli” tahlil (Şekil 2), aynı HTS tahlili15’teki agonistlerin veya antagonistlerin tanımlanmasına izin verir. İlaç endüstrisinde ilaç keşfi için yaygın olarak kullanılan “çift eklemeli” bir tahlilden uyarlanmıştır33. Kısacası, ilaçların hücre plakasına ilk eklenmesi, çözücü kontrolünün uygulanmasına kıyasla daha yüksek bir floresan sinyali tespit edildiğinde kimyasal kütüphanedeki potansiyel agonistlerin tanımlanmasına izin verir. Bu küçük moleküllerle 5 dakikalık inkübasyondan sonra, tüm kuyucuklara bilinen bir agonist (kinin peptidi) uygulanır. İlaç plakasından rastgele bir antagonist alan kuyucuklar, ilk eklemede çözücüyü alan kontrol kuyularına kıyasla agonist ilavesi üzerine daha düşük bir floresan sinyali gösterir. Bu tahlil daha sonra aynı hücrelere sahip potansiyel agonistlerin ve antagonistlerin tanımlanmasına izin verir. Standart bir HTS projesinde, bu isabet molekülleri, doz-yanıt testleri ve burada gösterilmeyen ek biyolojik aktivite testleri ile daha da doğrulanacaktır.
Şekil 1: Kalsiyum floresan tahlil mekanizmasının gösterimi. Gq proteini hücre içi kalsiyum sinyal yolunu tetikler. Kinin reseptörü (G proteinine bağlı reseptör) CHO-K1 hücrelerinde rekombinant olarak eksprese edildi. Agonist ligand reseptöre bağlandığında, kinin reseptörü ile ilişkili Gq proteini, bir PIP2 molekülünün IP3 ve DAG’ye dönüşümünü katalize eden PLC’yi aktive eder. IP 3 daha sonra endoplazmik retikulumun yüzeyindeki IP3R’ye bağlanır ve Ca 2 + iyonlarının floroforlara bağlandığı ve bir floresan sinyali ortaya çıkardığı sitoplazmaya Ca2 + ‘nın salınmasına yol açar. Floresan sinyali, 490 nm’de uyarma ile elde edilebilir ve 514 nm’de tespit edilebilir. Kısaltmalar: GPCR = G proteinine bağlı reseptör; PLC = fosfolipaz C; PIP2 = fosfatidilinositol 4,5-bisfosfat; IP3 = inositol trisfosfat; DAG = diasilgliserol; IP3 R = IP3 reseptörü. BioRender.com ile oluşturuldu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: CHO-K1 hücrelerinde eksprese edilen G proteinine bağlı bir reseptör üzerindeki küçük moleküllerin yüksek verimli taranması için iş akışı. (A) Kinin reseptörünü kararlı bir şekilde eksprese eden rekombinant CHO-K1 hücreleri, bir sıvı taşıma sistemi (25 μL / kuyu) kullanılarak 384 delikli plakaya (10.000 hücre / kuyu) eklendi ve nemlendirilmiş bir CO2 inkübatöründe 12-16 saat boyunca inkübe edildi (B ) Floresan boyayı (25 μL/kuyu) içeren tahlil tamponu, sıvı taşıma sistemi kullanılarak hücre plakasına eklenmiştir. Plaka, 30 dakika boyunca 37 ° C’de 30 dakika boyunca inkübe edildi ve RT’de 30 dakika daha dengelendi. (C) Her bir kuyucuktaki hücrelerin arka plan floresan sinyali bir plaka okuyucu ile ölçüldü. (D) 384 delikli bir kütüphane plakasından ve boş çözücüden (hepsi 0,5 μL / kuyuda) ilaç çözeltileri, bir sıvı işleme sistemi kullanılarak hücresel tahlil plakasına eklendi. (E) Hücresel kalsiyum floresan yanıtları, ilaç çözeltilerinin eklenmesinden hemen sonra plaka okuyucu ile ölçülmüştür; ortalamadan daha yüksek floresan sinyalleri ortaya çıkaran bileşik (ler) agonist hit (ler) olarak seçildi. GPCR’yi bloke eden antagonist vuruşları (aşağıdaki simge), G adımı sırasında peptid agonistinin eklenmesinden sonra ortaya çıkmıştır. (F) Aynı tahlil plakasında, hücrelerin tarama bileşikleri ile 5 dakikalık inkübasyonundan sonra, kene kinin reseptörünün endojen agonist peptidi Rhimi-K-1 (QFSPWGamide) her bir oyuğa (1 μM) eklenmiştir. (G) Agonist peptid ilavesinden sonra hücresel floresan yanıtları hemen plaka okuyucu tarafından ölçüldü. Floresan sinyalini inhibe eden bileşik (ler) antagonist hit (ler) olarak seçildi. Kısaltmalar: GPCR = G proteinine bağlı reseptör; RT = oda sıcaklığı; RFU = bağıl floresan birimleri. BioRender.com ile oluşturuldu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
HTS’nin amacı, çok sayıda küçük molekülü tarayarak isabetli molekülleri tanımlamaktır. Bu nedenle, bu örnekten elde edilen sonuçlar geleneksel bir HTS deneyinin yalnızca küçük bir bölümünü temsil etmektedir. Ayrıca, tanımlanan isabet moleküllerinin, aynı rekombinant hücre hattında ve sadece boş vektörü taşıyan bir CHO-K1 hücre hattında doza bağımlı bir tahlil gibi aşağı akış tahlillerinde doğrulanması gerekir; bu, küçük molekülleri kurtarmak için aynı anda gerçekleştiri…
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, USDA-NIFA-AFRI Hayvan Sağlığı ve Refahı Ödülü (Ödül numarası 2022-67015-36336, PVP [Proje Direktörü]) ve Texas A&M AgriLife Araştırma Böcek Vektör Hastalıkları Hibe Programı’ndan (FY’22-23) P.V.P.’ye kadar rekabetçi fonlardan desteklenmiştir. Ek Tablo S2 , Dr. James Sacchettini’nin Texas A & M Üniversitesi ve Texas A & M AgriLife Research’teki laboratuvarından elde edilen şirket içi, rastgele, küçük moleküllü bir kütüphaneden elde edilen verileri içerir.
0.25% trypsin-EDTA | Gibco Invitrogen | 15050-065 | with phenol red |
0.4% trypan blue | MilliporeSigma | T8154 | liquid, sterile |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Thermo Fisher | AM12400 | RNase-free Microfuge Tubes |
5 mL serological pipette | Corning | 29443-045 | Corning Costar Stripette individually wrapped |
10 mL serological pipette | Corning | 29443-047 | Corning Costar Stripette individually wrapped |
15 mL conical tubes | Falcon | 352196 | sterile |
20 µL filter tips | USA Scientifc Inc. | P1121 | sterile, barrier |
25 mL serological pipette | Corning | 29443-049 | Corning Costar Stripette individually wrapped |
50 mL conical tubes | Corning | 430828 | graduated, sterile |
150 mL auto-friendly reservior | Integra Bioscience | 6317 | sterile, individually wrapped for cell seeding in day 1 |
150 mL auto-friendly reservior | Integra Bioscience | 6318 | sterile, stacked, for loading dye in day 2 |
384/ 12.5 µL low retention tips | Integra Bioscience | 6405 | long, sterile filter |
384/ 12.5 µL tips | Integra Bioscience | 6404 | long, sterile filter |
384-well plate | Greiner | 781091 | CELLSTAR, clear polystyrene, µClear, Black/Flat |
Aluminum plate seals | Axygen Scientific | PCR-AS-200 | polyester-based |
Aluminum foil wrap | Walmart | ||
Biosafty cabinet II | NuAire | NU-540-300 | |
Cell counter | Nexcelom | AutoT4 | |
cell counting slides | Nexcelom | SD-100 | 20 µL chamber |
CO2 humidified incubator | Thermo Fisher | Forma Series II | |
Desk Lamp | SunvaleeyTEK | RS1000B | |
Dimethyl sulfoxide | MilliporeSigma | 276855 | anhydous, >99.9% |
Drug plate | Corning | 3680 | |
Dulbecco's phosphate-buffered saline | Corning | 21-031-CV | DPBS, 1x without calcium amd magnesium |
Ethanol | Koptec | 2000 | |
F-12K Nutrient Mixture | Corning | 45000-354 | (Kaighn's Mod.) with L-glutamine |
Fetal bovine serum | Equitech-Bio | SFBU30 | |
Fluorescent calcium assay kit | ENZO Lifescience | ENZ-51017 | 10×96 tests |
G418 sulfate | Gibco Invitrogen | 10131-027 | Geneticin selective antibiotic 50 mg/mL |
Hank's buffer | MilliporeSigma | 55037C | HBSS modified, with calcium, with magnesium, without phenol read |
HEPES buffer | Gibco Invitrogen | 15630-080 | 1 Molar |
HTS data storage plateform | CDD vault | https://www.collaborativedrug.com/ | |
Liquid handling system | Integra Bioscience | Viaflo | 384/12.5 µL |
Plate centrifuge | Thermo Fisher | Sorvall ST8 | |
Plate reader | BMG technology | Clariostar | |
Poly-D-lysine | MilliporeSigma | P6407 | |
Rhimi-K-1 agonist peptide | Genscript | custom order | QFSPWGamide |
T-75 flask | Falcon | 353136 |