げっ歯類脳における細胞内ユビキチンプロテアソーム活性の定量化

ユビキチンプロテアソーム系(UPS)は、細胞1のほとんどの短命タンパク質の分解を制御する相互接続されたタンパク質構造およびリチウムの複雑なネットワークである。このシステムでは、タンパク質は、小さな修飾子ユビキチンによって分解または他の細胞プロセス/運命のためにマークされます。標的タンパク質は、7つのリジン(K)部位(K6、K11、K27、K29、K33、K48およびK63)またはN末端メチオニン(M1;線形として知られている)のいずれかで一緒にリンクすることができる1-7ユビキチン修飾を獲得することができる。これらのポリウビキチンタグのいくつかは、分解特異的(K48)3であり、他のものはタンパク質分解プロセス(M1)4、5、6とは大きく独立している。したがって、タンパク質ユビキチン化プロセスは非常に複雑であり、特定のポリウビキチンタグの変化を定量化する能力は、細胞機能における与えられた修飾の役割を最終的に理解するために重要である。さらにこのシステムの研究を複雑にし、UPS7の触媒構造であるプロテアソームは、いずれもタンパク質を分解するが、他の非タンパク質分解プロセス8、9にも関与しうる。当然のことながら、その最初の発見以来、正常かつ異常なユビキチンプロテアソーム活性は、長期記憶形成および多くの神経学的、神経変性および精神医学的な疾患状態に関与している。障害^10,11.その結果、脳内のUPS活性を効果的かつ効率的に定量化できる方法は、このシステムが疾患状態でどのように調節されるか、およびユビキチンおよび/またはを標的とする治療オプションの最終的な開発を最終的に理解するために重要である。プロテアソーム機能。

ラットやマウスから脳組織のユビキチン・プロテアソーム活性を定量化する上で多くの問題があり、これはUPS機能の研究に使用される最も一般的なモデルシステムであり、1)ユビキチン修飾の多様性、および2)分布および細胞外コンパートメント12、13、14を横切って機能するUPS^の差分規制。例えば、記憶形成中の脳におけるユビキチン・プロテアソーム機能の初期のデモンストレーションの多くは、全細胞のライサーションを使用し、タンパク質ユビキチン化およびプロテアソーム活性の両方における時間依存性の増加を示^{した15、16歳,17歳,18歳,19歳,しかし、}最近、ユビキチン・プロテアソーム活性は、学習に応じて細胞内の区画全体で大きく変化し、一部の地域では同時に増加し、他の地域では減少し、大きく異なるパターンであることがわかった。以前に報告されたものから全細胞^は21をlysates.これは、異なる細胞内区画間でのUPS活性の変化の寄与を解離できないため、細胞全体のアプローチの制限と一致しています。より最近の研究は、学習22、23、24に応答してシナプスで特にUPSを研究するためにシナプス画分プロトコルを採用しているが、使用される方法は、測定する能力を閉塞する同じ動物における核および細胞質のユビキチン・プロテアソーム変化。その結果、実験を何度も繰り返す必要が不要で、それぞれに異なる細胞分画が収集されます。これは動物の生命の損失を大きくするだけでなく、特定の事象に応答するか、特定の疾患状態の間に異なる細胞内区間でUPS活動を直接比較する能力を排除します。ユビキチンおよびプロテアソームのタンパク質標的が細胞全体で大きく異なっていることを考慮すると、ユビキチン-プロテアソームシグナル伝達が異なる細胞内接画においてどのように異なるかを理解することは、記憶形成と神経学的、神経変性および精神疾患の間の脳。

このニーズに対処するために、我々は最近、同じ^動物21から所定の脳領域に対して核、細胞質およびシナプス画分を収集することができる手順を開発した。さらに、同じサンプルから複数の細胞分画を収集して得ることができるタンパク質の限られた量を考慮して、我々はインビトロプロテアソーム活性およびリンケージ特異的なアッセイに以前に確立されたプロトコルを最適化したげっ歯類の脳組織から採取した細胞のタンパク質ユビキチン化。このプロトコルを使用して、ラットの横扁桃体における核および細胞質におけるプロテアソーム活性、K48、K63、M1および全体的なタンパク質ポリユービキチン化レベルにおける学習依存的変化を収集し、直接比較することができた。ここでは、UPSが長期記憶形成や様々な疾患状態にどのように関与しているのかについての理解を大幅に改善する可能性のある手順(図1)を詳細に説明します。しかしながら、我々のプロトコルで議論されるインビトロプロテアソーム活性は、広く使用されている一方で、完全な26Sプロテアソーム複合体の活性を直接測定しないことに留意すべきである。むしろ、このアッセイは20Sコアの活性を測定し、26Sプロテアソーム複合体全体とは対照的に、コア自体の活動を理解するプロキシとしてのみ役立つことができる。