Assay הגיוס שתואר כאן הקרינה מבוססת סידן הוא מערכת הקרנת פרמקולוגיה ההפוכה בינוני תפוקה לזיהוי ליגנד תפקודי הפעלה (ים) של קולטני G-חלבון בשילוב יתום (GPCRs).
במשך יותר משנים 20, פרמקולוגיה ההפוכה הייתה האסטרטגיה הדגולה לגלות ligands ההפעלה של קולטני G-חלבון בשילוב יתום (GPCRs). תחילתה של assay פרמקולוגיה ההפך היא השיבוט וtransfection הבא של GPCR של עניין במערכת ביטוי תאית. קולט Heterologous הביע אז תיגר עם ספרייה מורכבת של ligands המועמד לזהות יגנד הפעלת קולטן (ים). הפעלת קולטן יכולה להיות מוערכת על ידי מדידת שינויים בריכוז של מולקולות כתב השליח השניה, כמו סידן או במחנה. Assay גיוס הקרינה מבוססת סידן שתואר כאן הוא מדיום תפוקה משמשת לעתים קרובות להפוך assay פרמקולוגיה. GPCR היתום מתבטא transiently ב293T כליה העוברית האנושי לתאים (HEK293T) ומבנה Gα 16 מופקר הוא שיתוף transfected. בעקבות יגנד מחייב, הפעלה של מקטע Gα 16 גורמת לשחרור של f סידןrom reticulum endoplasmic. לפני הקרנת יגנד, תאי קולטן להביע נטענים עם מחוון סיד ניאון, Fluo-4 acetoxymethyl. אות הניאון של Fluo-4 היא זניחה בתאים בתנאי מנוחה, אבל יכולה להיות מוגבר יותר מ פי 100 על האינטראקציה עם יוני סידן שפורסמו לאחר הפעלת קולט. הטכניקה המתוארת אינה דורשת הקמתה של שורות תאי transfected ביציבות שבו החומר הגנטי transfected משולב לתוך הגנום התא המארח זמן רב. במקום זאת, transfection חולף, שהניבו ביטוי זמני של גן היעד, מספיק כדי לבצע את assay ההקרנה. ההתקנה מאפשרת הקרנה בינונית תפוקה של מאות תרכובות. Co-transfection של 16 Gα המופקר, שהזוגות ביותר GPCRs, מאפשר מסלול האיתות תאית כדי להיות מנותב לכיוון שחרורו של סידן, ללא קשר למסלול איתות היליד בגד 'אנדוגניטים. תאי HEK293T קלים לטפל והוכיחו את יעילותם לאורך השנים במבחני deorphanization הקולטן. עם זאת, אופטימיזציה של assay לקולטנים ספציפיים עשויה להישאר צורך.
קולטני G-חלבון בשילוב (GPCRs) מהווה אחת המשפחות הגדולות והמגוונת ביותר בין כל החלבונים בתא השטח. הנוכחות שלהם בבעלי חוליות, חסרי חוליות, צמחים, שמרים, ועובש רפש, כמו גם בפרוטוזואה וdiploblastic המוקדם צורות החיים מצביעים על כך שGPCRs הן בין המולקולות הוותיקות מקושרות עם העברת אותות 1. ligands ההפעלה הטבעי שלהם מהווה מגוון רחב של גירויים חיצוניים כולל פפטידים, אמינים ביוגני, ניחוחי, גליקופרוטאינים, ופוטונים 2. ככזה, מערכות איתות הקולטן ליגנד האלה מעורבים במגוון רחב של תהליכים פיסיולוגיים. הספקטרום הפונקציונלי הרחב הופך אותם מתאים באופן אידיאלי לפיתוח תרופות טיפוליות המכסות מגוון רחב של מחלות בבני אדם. כ 50-60% ממטרות התרופה הנוכחיות מיוצגים על ידי GPCRs 3,4. מלבד החשיבות הגדולה שלהם בתעשיית התרופות, GPCRs גם הן באור הזרקורים לפיתוחדור חדש של חומרי הדברה מינים ספציפיים 5,6 וחומרי הדברה באופן כללי. בגלל ligands הטבעי של GPCRs רבות עדיין לא מזוהה, הם מסווגים כGPCRs יתומה. Deorphanization של קולטנים אלה ישפר את ההבנה של התפקידים הפיסיולוגיים שלהם באורגניזמים ועלול לחשוף את מטרות המשוערת עבור יישומי תרופה חדשים 7.
מאז העידן הגנומי, אסטרטגית פרמקולוגיה הפוכה מיושמת באופן נרחב לdeorphanization של GPCRs 8. הגישה מרמזת כי קולטן יתום משמש כ 'וו' ל 'דג מחוץ' ליגנד ההפעלה שלה מתמצית ביולוגית או מספרייה של תרכובות סינתטיות. GPCR של עניין הוא משובט לכן וtransfected לאחר מכן במערכת ביטוי תאית. בשיטות הנפוצות ביותר, הפעלת קולטן נקבעת על ידי מדידת שינויים בריכוז של מולקולות שליח השניה 9 </sup>. מבחני מיון קולט העיקריים מסתמכים על חלבוני bioluminescent סידן רגיש (למשל, aequorin) 10 או אינדיקטורים סיד ניאון (למשל, Fluo-4) 11. מבחני הקרינה מבוססת, שבו תאי קולטן להביע נטענים עם מחוון סיד ניאון לפני הקרנת יגנד, יש את היתרון שהם מאפשרים תפוקה גבוהה הקרנה בשל קלות שימוש שלהם, זמן קריאה קצר, ואת הגמישות של הקרנה קולטנים יתום מרובים על צלחת אחת 12.
הנה, assay גיוס סידן המבוסס על הקרינה מתואר באופן יסודי ומאויר על ידי תהליך deorphanization של F נוירופפטידים הקצר melanogaster דרוזופילה קולט (sNPF). מערכת איתות neuropeptidergic זו התאפיינה במקור על ידי מרטנס et al. ב2002 13 עם assay פליטת אור סידן שבוצע בשחלת אוגר הסינית תאים (CHO)14 ועל ידי פנג et al. ב2003 עם assay אלקטרו באמצעות Xenopus ביציות 15. הנוכחות של מערכת איתות sNPF נראית מוגבלת מהערכה של Arthropoda, שבו הוא מעורב במגוון רחב של תהליכים, כולל הרגולציה של האכלה, צמיחה, תגובות לחץ, תנועה, ומקצבי היממה 16.
מחקר על מערכות איתות neuropeptidergic בחרקים לא יכול להוביל רק למטרות חדשות לפיתוח של חומרי הדברה, אך הידע של התפקוד שלהם יכול גם להסיק כלפי אורגניזמים אחרים מערכות איתות רבות, בדרך כלל כבר נשמרים היטב לאורך האבולוציה 17. בעשור האחרון, התקדמות רבה נעשתה בתהליך deorphanization של GPCRs נוירופפטידים חרקים. למרות מאמצים אלה, רק מספר קטן של קולטנים שכבר מתאימים ליגנד מאותו המקור שלהם, והמון מידע רצףGPCRs היתום החדשה הפכה זמינה בשל הרועם של גנומיקה 18. הזמינות של מדיום / גישות הקרנת תפוקה גבוהה, כמו assay גיוס הקרינה מבוססת סידן שהוכיח את עצמו בטכניקה מיושמת באופן נרחב 9,18, לכן לא יסולא בפז.
Assay גיוס הקרינה מבוססת סידן כפי שמתוארים כאן מתבצע ב293T הכליה העוברי האנושי שורת תאים (HEK293T) ומשתמש בבדיקת ניאון כדי לקבוע שינויים בריכוז סידן תוך תאי על הפעלת קולט. כדי להבטיח ביטוי גבוה ורמות תרגום של הקולטן, רצף קונסנסוס קוזאק 19 מתווסף לסוף '5 של רצף קידוד קולטן, שהוא משובט לאחר מכן בוקטור ביטוי (למשל, סדרת וקטור pcDNA לשורות תאי יונקים). כמו שקשה לחזות את החלבון-G הצימוד אנדוגני של GPCR יתום המבוססים על מידע רצףלבד, המולקולות השניה השליח (לדוגמא, סידן או cAMP) כי הם מווסתים לאחר הפעלת קולטן לעתים קרובות אינן ידועות מראש לזיהוי ליגנד. כדי לעקוף בעיה זו, חלבוני G מופקרים של משפחת G q (למשל, עכברי 15 Gα או Gα אדם 16 [משמש כאן]) או חלבוני chimeric G (למשל, qi5 Gα) כי אינטראקציה עם רוב GPCRs ולגרום לשחרורו של סידן יכול להיות שותף הביע 20,21,22. על הכריכה של ליגנד לקולטן שלו, GPCR עובר שינוי קונפורמציה שגורם להפעלה של מסלולים תאיים מסוימים. מולקולת דיפוספט guanosine (תמ"ג), מחויבת בתנאי מנוחה למקטע Gα 16, תוחלף על ידי אדנוזין guanosine מולקולה (GTP). זה מעורר את הניתוק של חלבון G heterotrimeric במקטע Gα 16 וGβγ. מקטע Gα 16 מפעיל פוספוליפאז C &946 #; (PLCβ), אשר בתורו hydrolyzes bisphosphate הקרום הנכנס phosphatidylinositol (PIP 2) וכתוצאה מכך diacylglycerol (DAG) וtrisphosphate אינוסיטול (IP 3). IP 3 יתפשט בציטופלסמה ומפעיל IP ערוצי סידן 3 תלויים בהווה בקרום של reticulum endoplasmic, אשר גורם לשחרור של סידן לתוך הציטופלסמה.
שחרור סידן על הפעלת קולטן מתרחש תוך שניות ויכול להיות מזוהה על ידי טעינת תאים לפני assay ההקרנה עם צבע סידן רגיש, כמו Fluo-4 acetoxymethyl (AM) 11. קבוצת אסתר AM מאפשרת fluorophore לחצות את קרום התא, והוא הבקיע את ידי esterases cytoplasmic פעם אחת בתוך התא. כתוצאה מכך, המטענים השליליים של צבע הניאון הם חשפו, ומונעים ממנו לשדר אל מחוץ לתא ומאפשר לו אינטראקציה עם יוני סידן. O אות הניאוןו Fluo-4 הוא זניחים בתאים בתנאי מנוחה המכילים רק ריכוזי סידן בטווח nanomolar. עם זאת, כאשר סידן משתחרר עם הפעלת קולטן, האות יכול להגדיל את ריכוז dependently ליותר מ פי 100, מה שמבטיח יחס אות לרעש גדול בזאת. Fluo-4 גם מפגין טווח דינמי גדול לדיווח [סיד] סביב ד K (סידן) של 345 ננומטר, מה שהופך אותו מתאים למדידה רלוונטי מבחינה פיזיולוגית לשינויים בסידן במגוון רחב של תאים. העירור של Fluo-4 מתרחש ב488 ננומטר וקרינת הפליטה נמדדת ב525 11 ננומטר. Fluorimeters כמו קורא צלחת דימות פלואורסצנטי (FLIPR) 23, NOVOstar, או FlexStation (מכשיר תחנה) 12 הן מערכות בינוניות / תפוקה גבוהה המאפשרות בנוסף מתחם בו זמנית וזיהוי של אות Fluo-4 על הפעלת קולטן לכל גם בצלחת assay. Assay גיוס הסיד המתואר כאן מסתמך על התחנהמערכת microplate 96, גם מכשיר.
Pro תוכנת SoftMax (תוכנה) משמשת כדי להפעיל את המכשיר לתחנה, כמו גם לניתוח נתונים. התכנית מציגה באופן מיידי את התוצאות כגרפים בפורמט 96 היטב. ניתן לבחור בארות מרובות בו זמנית כדי להשוות את התוצאה של הבארות הללו על אותו הגרף. ערכי יחידת הניאון יחסית (RFU) בארות בכל עמודה נמדדים בו זמנית, לתקופה של שתי דקות, שמתחילים לפני התוספת של תרכובות לבארות והמתמשכות לאחר המדידה של אות הניאון הבא הפעלת קולט. בדרך כלל, את המגמה של עקומת אגוניסט מתיישר עם קו הבסיס ועד מתחם הפעלה מתווסף לתאים, וכתוצאה מכך עלייה מהירה של אות הניאון. גובה השיא מתואם עם ריכוז אגוניסט הסופי בבאר. אחרי השיא, אות הניאון יורדת באיטיות לכיוון רמת הבסיס. מדידות RFU caלהיות n מומר לעקומות ריכוז בתגובה לקביעת ערך EC 50 (ריכוז יעיל חצי מקסימאלי) של ליגנד. באופן כללי, לפחות שלושה מסכי עצמאיים, שכל אחד מהם שלושה העתקים של סדרת ריכוז, יש לבצעו להלחין עקומת ריכוז בתגובה אמינה.
מומלץ לכלול כמה בקרות חיוביות ושליליות בעיצוב ניסיוני. קודם כל, שליטת transfection, כלומר היישום של קולט עם יגנד ידוע, צריכה להיבדק. זה מאפשר אימות אם סוכן transfection היה מבצעי. התאגדות של ניסוי שליטה עם אגוניסט לרצפטור אנדוגני של הקו הסלולרי ובקרה שלילית (למשל, לשטוף חיץ) מומלצות גם לעקוב אחר בריאותם ויכולת הקיום של התאים וכדי לשלול את האפשרות כי לשטוף החיץ היה מזוהם עם גורם שעלול לעורר-fluore אוטומטיתגובת ריח. אגוניסטים משמשים לעתים קרובות הם פפטיד הנגזר ממופעל פרוטאז קולט-1 (PAR 1), אשר משמש כאגוניסט PAR 1 סלקטיבית, או carbachol, אשר מפעיל את קולטן האצטילכולין. תאי transfected עם וקטור ביטוי ריק גם צריכים להיבדק כדי לשלול כי חומרים פעילים באינטראקציה עם קולטנים אנדוגני של התא. אופטימיזציה של מספר פרמטרים שתוארו בפרוטוקול שלהלן עשויה להידרש למערכות איתות שונות. דמות סכמטית של assay התגייסות מלא הקרינה מבוססת סידן מתואר באיור 1.
מדידות איור 1. תכנית כוללת של assay גיוס סידן המבוסס על הקרינה. אוטומטי טיפול נוזלי וקרינה בו זמנית מבוצעות עם התחנהmicroplate מכשיר קורא, מונע על ידי התוכנה. מכשיר התחנה מכיל שלוש מגירות: אחת לצלחת התא, צלחת מתחם ומתל קצה. העברות pipettor הצטברות בתרכובות מטור אחד של צלחת המתחם לעמודה המתאימה של צלחת התא (שלב 1). היטב בכל צלחת התא מכיל monolayer של תאי HEK293T כי כבר שיתוף transfected עם GPCR של עניין ומקטע Gα 16 המופקר. כאשר מתחם מפעיל את הקולטן, תמ"ג Gα 16 הנכנס הוא הוחלף על ידי GTP. מקטע Gα 16 dissociates לאחר מכן מGβγ המורכב ומפעיל פוספוליפאז Cβ (PLCβ), אשר בתורו hydrolyzes bisphosphate phosphatidylinositol (PIP 2) וכתוצאה מכך diacylglycerol (DAG) וtrisphosphate אינוסיטול (IP 3). IP 3 מפעיל IP ערוצי סידן 3 תלוי בהווה בקרום של reticulum endoplasmic, וישכנע את שחרורו של int סידןo ציטופלסמה. האינטראקציה של סידן עם Fluo-4 (שבה התאים נטענים לפני המתחם בנוסף) תוצאות באות ניאון (שלב 2). התוכנה מציגה את התוצאות כיחידת ניאון יחסי ערכים (RFU) בפונקציה של זמן, וגבהים שיא לתאם עם הריכוז ליגנד באופן תלוי ריכוז. לאחר מכן ניתן להמיר נתונים אלה לעקומת ריכוז בתגובה לקביעת ערך EC 50 של זוג (שלב 3) ליגנד לקלוט.
Assay גיוס סיד הקרינה מבוססת יושם בהצלחה על מנת לאשר את האפיון הפונקציונלי של מערכת איתות peptidergic דרוזופילה sNPF, שכבר בוצעה על ידי מרטנס et al. עם assay פליטת אור ועל ידי פנג et al. עם 13,15 assay אלקטרו. EC 50 הערכים שהושגו עם assay הקרינה בתאי HEK293T הם על פי 10 פחות מאלה שהושגו עם assay פליטת אור שבוצע בתאי CHO (Drome-sNPF-1: fluo = 2.04 ננומטר, לומים = 51 ננומטר; Drome-sNPF- 2: fluo = 5.89 ננומטר, לומים = 42 ננומטר; Drome-sNPF-3: fluo = 5.55 ננומטר, לומים = 31 בננומטר; Drome-sNPF-4: fluo = 0.50 ננומטר, לומים = 75 ננומטר). ניתן להסביר וריאציות אלה על ידי מספר גורמים, לרבות העובדה כי אחת ממערכות הביטוי בשימוש עשוי להיות מתאים יותר לביטוי תפקודי של הקולטן נתון, או הקיפול של כמה קולטנים יכול להיות פחות יעיל בגסוגי תאי ertain. EC 50 הערכים של כל ארבעת פפטידים Drome-sNPF הם בטווח nanomolar כאשר נבדקו על הקולטן שלהם עם שתי הקרינה וassay פליטת אור, בדרך כלל תמיכה רלוונטית הפיזיולוגית של האינטראקציה פפטיד קולטם in vivo.
שים לב שאין שליטת transfection עם הקולטן ליגנד שמפעיל ידוע נכללה במסך שהוצג כאן, כי מערכת איתות דרוזופילה sNPF היא בדרך כלל שליטת transfection במערכי ניסוי. הבקרה החיובית עם יגנד אנדוגני של תאי HEK293T (PAR 1) ובקרה השלילית (לשטוף חיץ) נכללו במסך. התוצאות של PAR 1 הראו כי התאים היו במצב טוב. הבקרה השלילית (לשטוף חיץ) לא לעורר אות ניאון, אשר מצביעה על כך שהמדיום שבו הם מומסים פפטידים היה נקי מכל מזהמים שיכולים INFluence התוצאות.
מערכת איתות דרוזופילה sNPF אפיין בעבר שימשה כאן כדי להסביר את assay גיוס סידן המבוסס על הקרינה. לצורך כך, סדרת ריכוז של ליגנד ההפעלה נבדקו באופן מיידי. עם זאת, כאשר קולטן יתום הוא הביא לביטוי היתר בassay הקרנה לבחון ספרייה המכילה מאות תרכובות, מומלץ למסך הראשון עם ריכוזים סופיים גבוהים יחסית של ליגנד (למשל., 10 או 1 מיקרומטר). בעקבות זיהוי של מתחם הפעלה, סדרת דילול של מתחם שיכולה להיות מוקרנת כדי להלחין עקומת ריכוז בתגובה ועל מנת לקבוע את ערך EC 50.
ברגע יגנד ההפעלה של קולטן נקבע, מסלול האיתות תאית יכול להיחקר יותר על ידי התאמת הפרוטוקול. Assay יכול להתבצע כפי שתואר לעיל, אך ללא שיתוף transfecting G ^5; 16 למקטע. כאשר תגובת סידן נמדדה, זה אומר שזוגות קולט עם מקטע q אנדוגני Gα של מערכת הביטוי התאי. כאשר אין אות ניאון הוא ציין, יכול להיות מיושמים על פרוטוקולים כדי למדוד שינויים בריכוזים של שליחים משניים נוספים (למשל., CAMP).
יכולים גם להתבצע מחקרי קשר בין מבנה לפעילות (SAR) להגדיר רצף הליבה של פפטיד הנדרש להפעלת קולט. ראשית, רצפים קטועים מוערכים להגדיר את רצף חומצות אמינו המינימלי של פפטיד זה הוא עדיין מסוגל להפעיל את קולט. בשלב הבא, ניתן לבדוק פפטידים שבו באופן שיטתי בכל חומצת אמינו הוחלפה לשאריות אלאנין. בדיקת סדרת אלנין-החלפה סינתטית על קולט מאפשרת לקבוע את החשיבות של כל אחת מחומצות אמינו להפעלת קולט 24,25.
למרות השימוש התכוף שלה ואפים מוכחיםcacy, יש בו כדי להדגיש כי assay המתואר כאן עשוי צריך קצת התאמות כדי לקבל תוצאות אופטימליות לקולטנים ספציפיים של עניין. יש למקטע Gα 16 היתרון כי הוא נקשר ביותר GPCRs, אלא גם עשוי להיות השפעה דומיננטית שלילית על קולטנים שאופן אנדוגני זוג באמצעות q Gα 22. במקרה זה, זה עשוי להיות שימושי כדי לבדוק שילובים שונים של חלבוני G באופטימיזציה של assay סיד רומן ולהשוות את התוצאות לקולטנים מצמידים q Gα בהעדר או הנוכחות של Gα 16. מבחני אלטרנטיביים שאינם תלויים חלבון G האינטראקציה לזהות הפעלת קולטן יכולים גם להתבצע, כגון טרנסלוקציה של arrestin-GFP שכותרתו, או זיהוי של שינויים בפוטנציאל הממברנה (למשל., על ידי ערכת Assay פוטנציאל FLIPR ממברנה). חוץ מAM Fluo-4 המשמש כאן, מגוון רחב של fluorophores סידן רגיש האחר, כל אחד עם רפאים משלו וchemicמאפייני אל, הוא זמינים. Fluorophore המתאים ביותר ניתן לבחור על בסיס GPCR, סוג התא וקורא הצלחת זמין, אבל אימות ניסיוני היא הכרחית. הכמויות של ה-DNA transfected וצורך היחס מגיב DNA / transfection שייקבע עבור כל שילוב שורה מגיב תאי קולטן transfection. לבסוף, יש לזכור כי תאים בתרבית רציפה לאפשר רק 20-25 מעברים שמישים כדי לבצע את מבחני המיון.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים קרן המחקר פלנדריה (FWO פלנדריה, בלגיה, G.0601.11) וKU Leuven קרן מחקר GOA/11/002. IB, TJ וה-LT נהנה ממלגה מFWO פלנדריה.
HEK293T cells | |||
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Trypsin-EDTA solution (0.25%) | Sigma-Aldrich | T4049 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | MP Biomedicals | 195173 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium – high glucose (DMEM) | Sigma-Aldrich | D5796 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F7524 | |
Penicillin-Streptomycin (P-S) | Sigma-Aldrich | P4333 | |
jetPRIME | Polyplus transfection | 114-01 | FuGENE HD Transfection Reagent (Promega); Lipofectamine LTX & Plus Reagent (Life technologies) |
Dialyzed Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F0392 | |
Fibronectin from human plasma | Sigma-Aldrich | F0895 | |
Reagent A100, Lysis buffer | Chemometec | 910-0003 | |
Reagent B, Stabilizing buffer | Chemometec | 910-0002 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C3881 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A4503 | |
HBSS buffer: Hank's Balanced Salt Solution | Sigma-Aldrich | H8264 | |
Probenecid | Sigma-Aldrich | P8761 | |
NaOH (1 M) | Vel | 2781 | |
Pluronic acid | Invitrogen | P-3000MP | |
Dimethyl-sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
Fluo-4 AM | Invitrogen | F14201 | Fluo-3, Rhod-2, Fluo-5, Calcium Green-1,.. (Invitorgen) |
TPP tissue culture flasks (T-75 and T-150) | Sigma-Aldrich | Z707503 and Z707554 | |
FlexStation device | Molecular Devices | NOVOstar (BMG Labtechnologies); FLIPR (Fluorometric Imaging Plate Reader) (Molecular Devices) | |
Black-walled polystyrene plates (96 wells) with clear bottom | Greiner Bio-One | 655090 | Corning 96 well flat clear bottom black polystyrene poly-D-lysine coated microplates |
NucleoCassette | Chemometec | 941-0001 | |
NucleoCounter NC-100 | Chemometec | ||
Microcentrifuge tubes, siliconized | BioCision | BCS-2470 | |
Polystyrene V-shaped 96-well plates | Greiner Bio-One | 651101 | |
96-Well, FlexStation Pipet Tips | Molecular Devices | 9000-0912 | |
Soft Max Pro software | Molecular Devices |