異種アフリカツメガエルで発現した上皮ナトリウムチャネル(ENaC)のタンパク質分解活性は、卵母細胞は、細胞表面でのイオンチャネルの切断生成物の出現を調査するためにビオチン化アプローチに電流測定を組み合わせることによって実証することができるツメガエル 。機能的に重要な切断部位は、部位特異的突然変異誘発を用いて同定することができる。
The described methods can be used to investigate the effect of proteases on ion channels, receptors, and other plasma membrane proteins heterologously expressed in Xenopus laevis oocytes. In combination with site-directed mutagenesis, this approach provides a powerful tool to identify functionally relevant cleavage sites. Proteolytic activation is a characteristic feature of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC). The final activating step involves cleavage of the channel’s γ-subunit in a critical region potentially targeted by several proteases including chymotrypsin and plasmin. To determine the stimulatory effect of these serine proteases on ENaC, the amiloride-sensitive whole-cell current (ΔIami) was measured twice in the same oocyte before and after exposure to the protease using the two-electrode voltage-clamp technique. In parallel to the electrophysiological experiments, a biotinylation approach was used to monitor the appearance of γENaC cleavage fragments at the cell surface. Using the methods described, it was demonstrated that the time course of proteolytic activation of ENaC-mediated whole-cell currents correlates with the appearance of a γENaC cleavage product at the cell surface. These results suggest a causal link between channel cleavage and channel activation. Moreover, they confirm the concept that a cleavage event in γENaC is required as a final step in proteolytic channel activation. The methods described here may well be applicable to address similar questions for other types of ion channels or membrane proteins.
プロテアーゼは、タンパク質の周知のタンパク質分解から、消化の文脈において、複雑な調節シグナル伝達経路に関与する高度に洗練されたプロテアーゼカスケードの範囲の様々な生理的反応に関与する酵素である。アスパラギン酸、アスパラギン、システイン、グルタミン酸、メタロ、セリンおよびスレオニンプロテアーゼ:プロテアーゼはそれらの触媒活性部位に記載の7つのグループに分類される。異なるプロテアーゼは、常に、タンパク質の一次構造から予測することは容易ではない別個の切断部位を標的とする。 MEROPSデータベース( http://merops.sanger.ac.uk/は )プロテアーゼとその優先切断部位の広い範囲で詳細な情報を提供します。機能的に関連する切断部位は、部位特異的突然変異誘発を用いて同定することができる。
それはよくENaCのタンパク質分解プロセシングは、番目の活性化の重要なメカニズムであることが確立されている特定のイオンチャネル1,2である。興味深いことに、関連する酸感受性イオンチャネル1a(のASIC1a)の関数でも1〜2のプロテアーゼにより改変され得るという証拠がある。現時点ではそれがタンパク質分解チャネル切断が他のイオンチャネルやトランスポーターの活性を調節することに関連する生理的な役割を果たしているかどうか未解決の問題のまま。しかしながら、周知のタンパク質分解切断はGタンパク質共役受容体、プロテアーゼ活性化受容体(PAR)の6基を活性化することが確立されている。いくつかのセリンプロテアーゼ( 例えば、チャネル活性化プロテアーゼ(CAP1-3)、キモトリプシン、トリプシン、フリン、プラスミン、好中球エラスターゼ、カリクレイン)のタンパク質分解的なENaC 2活性化することが示されている。セリンプロテアーゼに加えて、プロテアーゼの他のグループは、タンパク質分解のENaC活性化に関与することができる。実際、最近のデータはACTIVAもメタロ-βメプリン7とシステインプロテアーゼのカテプシン-S 8ができることを示しているTEのENaC。しかし、ENaCの活性化のための(病態)生理学的に関連するプロテアーゼが決定されずに残っているし、組織に組織とは異なる場合があります。
プロテアーゼは、優先的に、アミノ酸配列中の特定部位で切断することが知られている。例えば、セリンプロテアーゼキモトリプシンは芳香族アミノ酸はフェニルアラニンおよびチロシン残基の後に切断する特異的な切断パターンを示している。対照的に、セリンプロテアーゼは、塩基性残基をリジンまたはアルギニンの後に優先的に切断するトリプシン。部位特異的突然変異誘発により生成された変異ヒトγENaC構築物を用いて、卵母細胞異種発現系で発現するENaC機能的に関連する切断部位は8-13を同定することができた。
単離された卵母細胞に3 ENaCサブユニット(αβγ)のためのcRNAを注入することは、ENaCは、機能的に、これらの細胞において発現させることができ、原形質膜に存在するチャネルの活性によって測定することができる2電極電圧クランプ法を用いた。利尿薬アミロライド、特定のENaC阻害剤を用いることにより、アミロライド感受性のENaC媒介全細胞電流成分( アミ ΔI) は非特異リーク電流から、または他のイオンチャネルによって行わ電流から分離することができる。従って、ΔI アミ値が全体のENaC活性を反映し、アミロライドの非存在下で記録され、対応する全細胞電流からアミロライドの存在下で測定された全細胞電流を減算することによって決定することができる。プロテアーゼはのENaCに対する刺激効果を持っているかどうかをテストするには、ΔIAMI、 すなわち前およびプロテアーゼを含有する溶液中の卵母細胞を培養した後、同じ卵母細胞に二度測定されます。第二の測定の最初からΔIAMIの増加は、タンパク質分解のENaC活性化を示している。キモトリプシンまたはトリプシンを最大限卵母細胞発現系2,14内のENaCを刺激することが知られており、CONFIするために使用することができるRMそのタンパク質分解のENaCの活性化は卵母細胞の所与のバッチで検出可能である。
全細胞電流の測定と並行して、ビオチン化アプローチ9は 、細胞表面でのENaCの切断断片の出現と相関ΔI アミの増加はプロテアーゼに対する卵母細胞の曝露の際に検出されたかどうかを調査するために使用した。細胞表面にタンパク質がビオチンで標識され、標識されたニュートラアビジンアガロースビーズへのビオチン化タンパク質を結合することによって細胞内タンパク質から分離することができる。ビオチン化タンパク質をウェスタンブロットにより分析することができる。細胞表面でγENaC切断断片は、γENaCのC末端中のエピトープに対する特異抗体を用いて検出することができる。機能的に関連する切断部位を同定するために、切断部位は、部位特異的突然変異誘発を用いて変異させることができると予測した。野生型と変異型のチャネルはSからの卵母細胞を用いた平行実験で比較したAMEバッチ。
この方法論的アプローチではENaCの媒介全細胞電流のタンパク質分解的な活性化は、細胞表面でフラグメントを開裂ENaCの時間依存性の出現と相関することを初めて実証された。これらの結果は、チャネル切断およびチャネル活性化の因果関係を示唆している。さらに、2電極電圧クランプ法と組み合わせた推定上の切断部位の部位特異的突然変異誘発を用いて、プラスミン、キモトリプシン13及びカテプシン-S 8機能的に関連する切断部位を同定した。
本稿では成功してプロテアーゼによるENaCの活性化のメカニズムを研究するために適用された方法論的アプローチは8,13に記載されている。十分に確立されたアフリカツメガエル卵母細胞発現系が機能的なENaC明示するために使用されたツメガエル 。 ENaCの機能は、従来の2電極電圧クランプ法で評価した。部位特異的突然変異誘発を、機能的に関連するプロテアーゼ切断部位を同定した。電気生理学的測定と並行して行わビオチン化実験は、タンパク質分解、現在活性化に細胞表面でのENaC切断産物の出現を相関させることが可能となる。現在の活性化の時間経過と細胞表面でのタンパク質分解切断断片の出現との間の相関は、タンパク質分解チャネル活性化の概念をサポートしています。
2電極電圧クランプ記録は、Oの串刺しを必要とする2微小電極でocyte。この手順は、通常、個々の卵母細胞に一度だけ実行されます。しかし、卵母細胞には明らかな損傷なしで初期ホールセル電流の記録後、微小電極を除去することが可能であった。実際に、impalementsの部位で原形質膜は、数分以内に再密封するようである。これにより、第2電極電圧クランプ測定を完了した後に、マイクロチューブ又はで充填された96ウェルプレートのウェルに、2電極電圧クランプセットアップの実験的なフローチャンバーから卵母細胞を転送することが可能である試験または対照少量の溶液。その後、同じ卵母細胞は、フローチャンバーに戻しすることができ、第2電極電圧クランプ測定を実行するために再度突き刺され得る。驚くべきことには、ENaC媒介電流は卵母細胞が対照溶液中で維持された第一及び第二の測定値との間あまり変化しなかった。これとは対照的に、卵母細胞のインキュベーションゾルを含むプロテアーゼ中最初の測定後utionは第二の測定において増加したENaC媒介電流( 図2)となりました。この発見は、タンパク質分解チャネルの活性化を示している。
単一卵母2つの別々の電流の測定を実行すると、卵母細胞は、試験溶液の少量の時間の長さを可変するための2つの測定値の間のプロテアーゼまたは他の薬理学的作用物質に暴露することができるという利点を提供する。 例えば 、精製されたプロテアーゼの準備を大量に高価かつ/または使用できない薬剤を使用する場合に重要です。薬剤の限定された状況を理由に連続分当たり数ミリリットルの流量で卵母細胞superfusingに必要な試験溶液を大量のが不可能(または手が届かない)連続する2つの電極電圧クランプ記録で使用することができる。また、連続する2つの電極電圧クランプ測定は、周知の天才によって制限される自発的なチャネルランダウンのENONものENaC 15について記載した。対照的に、時間以上までのための2つの別々の測定値間のソリューションをテストするために卵母細胞を曝露すると、一般に、( 図4Aを参照)問題はない。最後に、同じ卵母細胞で行われる2連続した測定値は、薬物効果のペアの観測を可能にします。それは通常のイオンチャネル発現で観察された卵母細胞、間に高い変動性の問題を減少させるので、これは、卵母細胞(プロテアーゼ処理およびビヒクル処理した)2つの別々のグループからの不対の測定値よりも有利である。ペアの観察と最初の測定にデータを正規化する可能性が少なく卵母細胞は薬剤の重要な効果を実証する実験群ごとに必要とされている。データの正規化はまた、 図2D(異なるイオンチャネルの発現レベル、従って異なるベース電流で卵母細胞の異なるバッチからのデータを要約することを容易にする)。このアプローチは、目的のイオンチャネル活性( 図2参照)から第二測定媒体処理対照卵母細胞内に安定していることを実証するために、明らかに、対照実験が必要である。
タンパク質分解現在のアクティベーションは、細胞表面での切断産物ENaCの出現と相関することを実証するために、ビオチン化アプローチは、本来ハリスらによって記載され、図9を用いることができる。この手順は、(プロトコルセクションに詳述し、 図4に示すように)プロテアーゼに対するチャネルの曝露を実証するように適合したENaCが媒介する電流のその後の活性化は、切断断片の時間依存性の出現と平行している。ビオチン化方法はまた、細胞表面における膜タンパク質の全体的な増加または減少の分析を可能にする。したがって、この方法は、プロテアーゼおよび他のpharの効果を調べるのに適している原形質膜へのまたはチャンネル検索時にチャネルの挿入時にmacological薬。さらに、ビオチン化された原形質膜タンパク質のウェスタンブロット分析は、タンパク質断片( 例えば、タンパク質分解断片のENaC)または機能的に関連する可能性があるグリコシル化パターンの変化の検出を可能にする。
結論としては、ENaC媒介全細胞電流に対するプロテアーゼの刺激効果を調査し、細胞表面でのENaC切断産物の発生との相関を示すために用いられる方法との組み合わせは、広範囲の用途に有用であり得る。特に、これらの方法は、他のイオンチャネル、トランスポーター、または膜貫通受容体( 例えば、プロテアーゼ活性化受容体PARライト)の調節に関する同様の問題に取り組むために適切であり得る。
The authors have nothing to disclose.
The expert technical assistance of Céline Grüninger, Christina Lang, Sonja Mayer, and Ralf Rinke is gratefully acknowledged. We thank Dr. Morag K. Mansley for carefully reading the manuscript. This project was supported by a grant of the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grant SFB 423: Kidney Injury: Pathogenesis and Regenerative Mechanisms, to C. Korbmacher), grants of the Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung (to S. Haerteis and M. Krappitz), the ELAN program (to S. Haerteis) of the Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, and the University Library of Erlangen-Nürnberg.
Bath Clamp Headstage for OC-725C-V | Warner Instrument Corporation | – | |
Cold light source – Schott KL 1500 LCD | Schott | #SCOC150200EU | brightness 4; mechanical aperture: D; color temperature: 3000 K |
E Series Electrode Holder (Str, Vent, Ag Wire, 1.2 mm) | ADinstruments | #ESW-F10v | |
left micromanipulator; MM-33L | Warner Instrument Corporation | #64-0055 | |
LIH 1600 – computer interface | HEKA | – | |
magnetic valve system (ALA BPS-8) in combination with a TIB14 interface (HEKA) | ALA Scientific Instruments, HEKA | – | |
OC-725C amplifier for two-electrode voltage-clamp recordings | Warner Instrument Corporation | – | |
P-97 FLAMING/BROWN Micropipette Puller | Sutter Instruments | – | heat=550; velocity=22; time=200 |
right micromanipulator; MM-33R | Warner Instrument Corporation | #64-0056 | |
Series Electrode Holder (45°, Vent, Handle, Ag Wire, 1.2 mm) | ADinstruments | #E45w-f10vh | |
STAT 2 IV Gravity Flow Controller | Conmed | #P-S2V-60 | |
vacuum generator ejector SEG – for suction to remove bath solution | Schmalz | – | |
Material | |||
INFUJECT 60ml pump syringes for solutions | Braun | #22050 | |
Injekt-F for lysing the oocytes | Braun | #9166033V | |
standard wall borosilicate tubing with filament | Sutter Instruments | #BF150-86-10 | outside diameter: 1.50 mm; inside diameter: 0.86 mm; length: 10 cm |
Reagent | |||
complete, Mini, EDTA-free protease inhibitor cocktail tablets | Roche Applied Science | #11836170001 | |
EZ-Link Sulfo-NHS-Biotin | Thermo Scientific | #21217 | |
Horseradish peroxidase-labeled secondary goat anti-rabbit antibody | Santa Cruz Biotechnology | #sc-2004 | |
NeutrAvidin Agarose | Thermo Scientific | #29200 | Neutravidin-labeled agarose beads |
NP40 (Nonidet P-40) | Sigma-Aldrich | #I8896 | |
Roti-Load 1 (2× SDS-PAGE sample buffer) | Carl Roth | #K929.2 | |
SuperSignal West Femto Chemiluminescent Substrate for detection of chemiluminescent signals | Thermo Scientific | #34095 | |
Triton-X-100 | Sigma-Aldrich | #T8787 |