تكييف شبه عالي الإنتاجية لفحص ATPase المقترن بـ NADH لفحص مثبطات الجزيئات الصغيرة
Summary
وقد تم تكييف فحص أدينوكليوتيد أدينين (NADH) المقترنة ATPase لفحص الإنتاجية شبه العالية من مثبطات الموسين جزيء صغير. يتم تشغيل هذا التقييم الحركي في شكل لوحة دقيقة 384 جيدا مع أحجام التفاعل الكلي من 20 ميكرولتر فقط لكل بئر. يجب أن تكون المنصة قابلة للتطبيق على أي إنزيم منتج من ADP تقريبًا.
Abstract
تستخدم إنزيمات ATPase الطاقة الحرة المخزنة في الأدينوسين ثلاثي الفوسفات لتحفيز مجموعة واسعة من العمليات الكيميائية الحيوية الإنجرغوية في الجسم الحي التي لن تحدث تلقائيًا. هذه البروتينات هي حاسمة أساسا لجميع جوانب الحياة الخلوية, بما في ذلك التمثيل الغذائي, انقسام الخلايا, الاستجابات للتغيرات البيئية والحركة. يصف البروتوكول المعروض هنا فحص ادرينالين أدينوكليوتيد (NADH) المقترن بـ ATPase الذي تم تكييفه مع فحص الإنتاجية شبه العالية لمثبطات ATPase جزيء صغير. وقد تم تطبيق هذا القول على عضلة القلب والهيكل العظمي myosin الثاني، وهما المحرك الجزيئي القائم على الأكتين ATPases، كدليل على المبدأ. ويقترن التحلل المائي من ATP إلى أكسدة NADH عن طريق ردود الفعل الأنزيمية في التبيّاع. أولاً، يتم تجديد ADP التي تم إنشاؤها بواسطة ATPase إلى ATP بواسطة بييوروفات كيناز (PK). PK يحفز الانتقال من فوسفونولبيروفات (PEP) إلى بيروفات في نفس الوقت. في وقت لاحق، يتم تقليل بيروفات إلى اللاكتات عن طريق اللاكتات dehydrogenase (LDH)، الذي يحفز أكسدة NADH في نفس الوقت. وبالتالي، يرتبط الانخفاض في تركيز ATP مباشرة بالانخفاض في تركيز NADH، الذي يتبعه تغيير في الفلورة الجوهرية لـ NADH. طالما PEP متاح في نظام رد الفعل، تركيز ADP لا يزال منخفضا جدا، وتجنب تثبيط إنزيم ATPase من قبل المنتج الخاص به. وعلاوة على ذلك، فإن تركيز ATP لا يزال ثابتا تقريبا، مما أسفر عن دورات زمنية خطية. ويتم رصد الفلورة باستمرار، مما يسمح بتقدير سهل لنوعية البيانات ويساعد على تصفية القطع الأثرية المحتملة (على سبيل المثال، الناشئة عن هطول الأمطار المركبأو التغيرات الحرارية).
Introduction
Myosins هي محولات الطاقة الميكانوكيميائية التي تحلل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لتوليد حركة الاتجاه على طول خيوط الهيكل السيتولي أكتين في eukaryotes1,2. لديهم على حد سواء هيكليا وحركيا تتكيف مع وظائفها داخل الخلايا المختلفة، مثل نقل العضيات، وتقلص العضلات أو توليد التوتر الخلوي الهيكلي1،2. يتم تمثيل عائلة الموسين الخارقة من قبل ~ 40 جينات الموسين التي تنتمي إلى ~ 12 فئات myosin متميزة في الجينوم البشري3،4. أعضاء من فصول myosin تلعب أدوارمختلفة في مجموعة متنوعة للغاية من الاضطرابات, مثل العديد من السرطانات, الاضطرابات العصبية, اعتلال العضلات والهيكل العظمي, واعتلال عضلة القلب الضخامي5,6. وبالنظر إلى العدد الكبير من الوظائف الفسيولوجية والمرضية لهذه المحركات الجزيئية، فإنه ليس من المستغرب أنها أصبحت معترف بها بشكل متزايد كأهداف المخدرات لمجموعة متنوعة من الظروف7. وقد أحرز تقدم كبير مؤخرا في اكتشاف مثبطات الموسين الجديدة8و9و10 والمنشطات11، وتحسين خصائص الموجودةمنها 12، 13 , 14 سنة , 15.
وقد استخدمت منذ فترة طويلة نيكوتيناميد أدينين الدينوكليوتيد (NADH) المقترنة ATPase فحص لقياس نشاط ATPase من الإنزيمات المختلفة، مثل الريسكوبلازمية الشبكية Ca2 + مضخة ATPase16، وإصلاح الحمض النووي ATPase Rad5417، وAAA + ATPase p9718 أو ميكروتوبول الحركية kinesin19. يستخدم هذا التساي دورة تجديد ATP. يتم تجديد أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) التي تم إنشاؤها بواسطة ATPase إلى ATP بواسطة بينوفات كيناز (PK)، الذي يحول جزيء واحد من فوسفونولبيروفات (PEP) إلى بيروفات في نفس الوقت. في وقت لاحق، يتم تقليل البيروفات إلى اللاكتات عن طريق اللاكتات dehydrogenase (LDH). وهذا، بدوره، يُخأكّد جزيء واحد من NADH إلى NAD. ولذلك، فإن الانخفاض في تركيز NADH كدالة للوقت يساوي معدل التحلل المائي ATP. دورة تجديد ATP تحافظ على تركيز ATP ثابت تقريبا وتركيز ADP منخفضة طالما PEP متاح. وهذا يؤدي إلى دورات زمنية خطية، مما يجعل من السهل تحديد معدلات التفاعل الأولية ويساعد على تجنب تثبيط المنتج من قبل ADP19. على الرغم من أن اختبار ATPase المقترنة بNADH قد تم تكييفها بالفعل مع شكل 96-well20، فإن أحجام التفاعل العالية (~ 150 ميكرولتر) تجعلها مكلفة نسبيا بسبب ارتفاع الطلب على الكواشف، مما يجعلها أقل قابلية للفحص السريع لأعداد كبيرة من المركبات. الأساليب البديلة، مثل الفحص الأخضر المالاشيت19،21،الذي يعتمد على الكشف عن الفوسفات الذي ينتجه إنزيم ATPase، ثبت أنها أكثر ملاءمة للتصغير والفحص عالي الإنتاجية22 , 23 , 24– ومع ذلك، من المرجح أن يتأثر الاختبار بنقطة النهاية بعدة قطع أثرية (ترد مناقشتها أدناه)، والتي قد تظل غير مكتشفة في غياب دورات دراسية بدوام كامل.
هنا، تم تحسين فحص ATPase المقترن بNADH لفحص الإنتاجية شبه العالية لمثبطات الجزيئات الصغيرة. الهيكل العظمي وعضلة القلب myosin الثاني ومثبطات myosin blebbistatin8, الفقرة أمينوبلبستاتين13 وpara-nitroblebbistatin 12 تستخدم لإثبات قوة من فحص, الذي يعتمد على NADH الفلورة كقراءة. هذا البروتوكول قابل لفحص المشاريع التي تركز على أي إنزيمات منتجة من شرطة أبوظبي.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الحاسمة في البروتوكول
تحسين تخطيط لوحة عن طريق تشغيل عدة لوحات مع السيطرة السلبية فقط (رد فعل ATPase مع عدم وجود مثبط). فحص النتائج بعناية لأنماط في معدلات رد الفعل. على سبيل المثال، قد تنشأ هذه من آثار الحافة و / أو العيوب في طلاء سطح الماء من لوحات “غير ملزمة”. إ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل بمنحة من المعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية والمعهد الوطني لتعاطي المخدرات NS096833 (CAM).
Materials
| 384-well Low Flange Black Flat Bottom Polystyrene NBS Microplate | Corning | 3575 | |
| ATP (Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate) | Sigma | A7699 | |
| Aurora FRD-IB Dispenser | Aurora Discovery, Inc. | 00017425 | |
| Biomek NXP Multichannel Laboratory Automation Workstation | Beckman Coulter | A31841 | |
| Blebbistatin | AMRI | N/A | Custom synthesis |
| BSA (Bovine Serum Albumin, Protease-Free) | Akron Biotech | AK1391 | |
| Centrifuge 5430 R, refrigerated, with Rotor FA-35-6-30 | Eppendorf | 022620663 | |
| Centrifuge 5430, non-refrigerated, with Rotor A-2-MTP | Eppendorf | 022620568 | |
| DMSO (Dimethyl sulfoxide) | Sigma | D2650 | |
| DTT (DL-Dithiothreitol) | Sigma | D5545 | |
| E1 ClipTip Multichannel Pipette; 384-format; 8-channel | Thermo Scientific | 4672010 | |
| E1 ClipTip Multichannel Pipette; 96-format; 8-channel | Thermo Scientific | 4672080 | |
| EGTA (Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid) | Sigma | E3889 | |
| EnVision 2104 Multilabel Plate Reader | PerkinElmer | 2104-0010 | |
| Glycerol | Sigma | G2025 | |
| LDH (L-Lactic Dehydrogenase from rabbit muscle) | Sigma | L1254 | |
| MgCl2.6H2O (Magnesium chloride hexahydrate) | Sigma | M2670 | |
| Microplate Shaker | VWR | 12620-926 | |
| Microplate, 384 well, PP, Small Volume, Deep Well, Natural | Greiner Bio-One | 784201 | |
| MOPS (3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid) | Sigma | M1254 | |
| Myosin Motor Protein (full length) (Bovine cardiac muscle) | Cytoskeleton | MY03 | |
| Myosin Motor Protein (full length) (Rabbit skeletal muscle) | Cytoskeleton | MY02 | |
| NADH (β-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced disodium salt hydrate) | Sigma | N8129 | |
| NaN3 (Sodium azide) | Sigma | 71289 | |
| NaOH (Sodium hydroxide) | Sigma | S8045 | |
| Optical Filter CFP 470/24nm (Emission) | PerkinElmer | 2100-5850 | Barcode 240 |
| Optical Filter Fura2 380/10nm (Excitation) | PerkinElmer | 2100-5390 | Barcode 112 |
| Optical Module: Beta Lactamase | PerkinElmer | 2100-4270 | Barcode 418 |
| OriginPro 2017 software | OriginLab | N/A | |
| para-Aminoblebbistatin | AMRI | N/A | Custom synthesis |
| para-Nitroblebbistatin | AMRI | N/A | Custom synthesis |
| PEP (Phospho(enol)pyruvic acid monopotassium salt) | Sigma | P7127 | |
| PK (Pyruvate Kinase from rabbit muscle) | Sigma | P9136 | |
| Rabbit Muscle Acetone Powder | Pel Freez Biologicals | 41995-2 |
References
- Heissler, S. M., Sellers, J. R. Kinetic Adaptations of Myosins for Their Diverse Cellular Functions. Traffic. 17 (8), 839-859 (2016).
- Hartman, M. A., Spudich, J. A. The myosin superfamily at a glance. Journal of Cell Science. 125 (Pt 7), 1627-1632 (2012).
- Berg, J. S., Powell, B. C., Cheney, R. E. A millennial myosin census. Molecular Biology of the Cell. 12 (4), 780-794 (2001).
- Sebe-Pedros, A., Grau-Bove, X., Richards, T. A., Ruiz-Trillo, I. Evolution and classification of myosins, a paneukaryotic whole-genome approach. Genome Biology and Evolution. 6 (2), 290-305 (2014).
- Newell-Litwa, K. A., Horwitz, R., Lamers, M. L. Non-muscle myosin II in disease: mechanisms and therapeutic opportunities. Disease Models & Mechanisms. 8 (12), 1495-1515 (2015).
- He, Y. M., Gu, M. M. Research progress of myosin heavy chain genes in human genetic diseases. Yi Chuan. 39 (10), 877-887 (2017).
- Rauscher, A. A., Gyimesi, M., Kovacs, M., Malnasi-Csizmadia, A. Targeting Myosin by Blebbistatin Derivatives: Optimization and Pharmacological Potential. Trends in Biochemical Sciences. 43 (9), 700-713 (2018).
- Straight, A. F., et al. Dissecting temporal and spatial control of cytokinesis with a myosin II Inhibitor. Science. 299 (5613), 1743-1747 (2003).
- Sirigu, S., et al. Highly selective inhibition of myosin motors provides the basis of potential therapeutic application. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (47), E7448-E7455 (2016).
- Green, E. M., et al. A small-molecule inhibitor of sarcomere contractility suppresses hypertrophic cardiomyopathy in mice. Science. 351 (6273), 617-621 (2016).
- Morgan, B. P., et al. Discovery of omecamtiv mecarbil the first, selective, small molecule activator of cardiac Myosin. ACS Medicinal Chemistry Letters. 1 (9), 472-477 (2010).
- Kepiro, M., et al. para-Nitroblebbistatin, the non-cytotoxic and photostable myosin II inhibitor. Angewandte Chemie International Edition. 53 (31), 8211-8215 (2014).
- Varkuti, B. H., et al. A highly soluble, non-phototoxic, non-fluorescent blebbistatin derivative. Scientific Reports. 6, 26141 (2016).
- Verhasselt, S., et al. Discovery of (S)-3′-hydroxyblebbistatin and (S)-3′-aminoblebbistatin: polar myosin II inhibitors with superior research tool properties. Organic and Biomolecular Chemistry. 15 (9), 2104-2118 (2017).
- Verhasselt, S., Roman, B. I., Bracke, M. E., Stevens, C. V. Improved synthesis and comparative analysis of the tool properties of new and existing D-ring modified (S)-blebbistatin analogs. European Journal of Medicinal Chemistry. 136, 85-103 (2017).
- Warren, G. B., Toon, P. A., Birdsall, N. J., Lee, A. G., Metcalfe, J. C. Reconstitution of a calcium pump using defined membrane components. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 71 (3), 622-626 (1974).
- Kiianitsa, K., Solinger, J. A., Heyer, W. D. Rad54 protein exerts diverse modes of ATPase activity on duplex DNA partially and fully covered with Rad51 protein. Journal of Biological Chemistry. 277 (48), 46205-46215 (2002).
- Hanzelmann, P., Schindelin, H. Structural Basis of ATP Hydrolysis and Intersubunit Signaling in the AAA+ ATPase p97. Structure. 24 (1), 127-139 (2016).
- Hackney, D. D., Jiang, W. Assays for kinesin microtubule-stimulated ATPase activity. Methods in Molecular Biology. 164, 65-71 (2001).
- Kiianitsa, K., Solinger, J. A., Heyer, W. D. NADH-coupled microplate photometric assay for kinetic studies of ATP-hydrolyzing enzymes with low and high specific activities. Analytical Biochemistry. 321 (2), 266-271 (2003).
- Carter, S. G., Karl, D. W. Inorganic phosphate assay with malachite green: an improvement and evaluation. Journal of Biochemical and Biophysical Methods. 7 (1), 7-13 (1982).
- Henkel, R. D., VandeBerg, J. L., Walsh, R. A. A microassay for ATPase. Analytical Biochemistry. 169 (2), 312-318 (1988).
- Rowlands, M. G., et al. High-throughput screening assay for inhibitors of heat-shock protein 90 ATPase activity. Analytical Biochemistry. 327 (2), 176-183 (2004).
- Rule, C. S., Patrick, M., Sandkvist, M. Measuring In Vitro ATPase Activity for Enzymatic Characterization. Journal of Visualized Experiments. (114), 54305 (2016).
- Pardee, J. D., Spudich, J. A. Purification of muscle actin. Methods in Cell Biology. 24, 271-289 (1982).
- Zhang, J. H., Chung, T. D., Oldenburg, K. R. A Simple Statistical Parameter for Use in Evaluation and Validation of High Throughput Screening Assays. Journal of Biomolecular Screening. 4 (2), 67-73 (1999).
- Kovacs, M., Toth, J., Hetenyi, C., Malnasi-Csizmadia, A., Sellers, J. R. Mechanism of blebbistatin inhibition of myosin II. Chem Journal of Biological Chemistry. 279 (34), 35557-35563 (2004).
- Allingham, J. S., Smith, R., Rayment, I. The structural basis of blebbistatin inhibition and specificity for myosin II. Nature Structural & Molecular Biology. 12 (4), 378-379 (2005).
- Kettlun, A. M., et al. Purification and Characterization of 2 Isoapyrases from Solanum-Tuberosum Var Ultimus. Phytochemistry. 31 (11), 3691-3696 (1992).
- Hulme, E. C., Trevethick, M. A. Ligand binding assays at equilibrium: validation and interpretation. British Journal of Pharmacology. 161 (6), 1219-1237 (2010).
- Motulsky, H. J., Neubig, R. R. Analyzing binding data. Current Protocols in Neuroscience. 52 (1), 7.5.1-7.5.65 (2010).
- Sehgal, P., Olesen, C., Moller, J. V. ATPase Activity Measurements by an Enzyme-Coupled Spectrophotometric Assay. Methods in Molecular Biology. 1377, 105-109 (2016).
- Solinger, J. A., Lutz, G., Sugiyama, T., Kowalczykowski, S. C., Heyer, W. D. Rad54 protein stimulates heteroduplex DNA formation in the synaptic phase of DNA strand exchange via specific interactions with the presynaptic Rad51 nucleoprotein filament. Journal of Molecular Biology. 307 (5), 1207-1221 (2001).
- Banik, U., Roy, S. A continuous fluorimetric assay for ATPase activity. Biochemistry Journal. 266 (2), 611-614 (1990).
- Xiao, Y. X., Yang, W. X. KIFC1: a promising chemotherapy target for cancer treatment?. Oncotarget. 7 (30), 48656-48670 (2016).
- See, S. K., et al. Cytoplasmic Dynein Antagonists with Improved Potency and Isoform Selectivity. ACS Chemical Biology. 11 (1), 53-60 (2016).
- Datta, A., Brosh, R. M. New Insights Into DNA Helicases as Druggable Targets for Cancer Therapy. Frontiers in Molecular Biosciences. 5, 59 (2018).
