القياس الكمي لانزيم A في الخلايا والانسجه
Summary
يصف هذا الأسلوب اعداد العينات من الخلايا المستزرعة والانسجه الحيوانية ، واستخراج واشتقاق انزيم A في العينات ، تليها اللوني السائل عاليه الضغط لتنقيه والتقدير الكمي لانزيم ديريفاتيزيد A من قبل الامتصاص أو الكشف عن الفلورية.
Abstract
وقد كشفت البحوث الناشئة ان الانزيم الخلوي A (CoA) العرض يمكن ان تصبح الحد مع تاثير ضار علي النمو, التمثيل الغذائي والبقاء علي قيد الحياة. قياس CoA الخلوية هو التحدي بسبب وفره منخفضه نسبيا والتحويل الديناميكي لل CoA الحرة إلى ثيوترات CoA التي ، بدورها ، والمشاركة في العديد من ردود الفعل الايضيه. يتم وصف الأسلوب الذي يتنقل من خلال المزالق المحتملة اثناء اعداد العينة للحصول علي فحص مع مجموعه خطيه واسعه من الكشف التي هي مناسبه للاستخدام في العديد من المختبرات الطبية الحيوية.
Introduction
انزيم A (CoA) هو عامل مساعد أساسي في جميع الكائنات الحية ويتم توليفها من حمض الثنائية ، وتسمي أيضا بانتوثينات (الملح من حمض الثنائي) أو فيتامين B5. CoA هو الناقل الرئيسي داخل الخلايا من الأحماض العضوية ، بما في ذلك الأحماض القصيرة السلسلة مثل خلات والسكينات ، فرع سلسله الأحماض مثل بروبيونات وميثيل مالوناتي ، الأحماض الدهنية طويلة السلسلة مثل بالميتات والأوليات ، والأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدا مثل الأحماض الدهنية غير المشبعة ، و xenobiotics مثل حمض فالبرويك. يشكل الحامض عضويه [ثيوستر] ربط انزيمي مع [CoA] ان يمكن استعماله كركيزة في علي 100 رد فعل في وسيطه أيض1. هي أيضا المنظمين تفارغي والمنشطات الناقلة. هو الآن يقدر2 ان الخلوية إجماليه [CoA] نظمت إمداد تموين3,4; التالي ، يمكن ان يكون الحد من توافر CoA ، وان نقص CoA يمكن ان تكون كارثية ، كما يتمثل في الاضطرابات الوراثية الموروثة التي تؤثر علي التخليق الحيوي CoA5. بانتوثينات كيناز يحفز الخطوة الاولي في التخليق الحيوي CoA (الشكل 1) و بانتوثينات العصبية المرتبطة المقترنة ، ودعا pkan ، هو سبب الطفرات في الجينات PANK2 6. CoA synthase ، المشفرة من قبل جين Coasyn ، يحفز الخطوتين الأخيرتين في التخليق الحيوي coa (الشكل 1) و Coasy البروتين المرتبطة نيوروتنكس ، ودعا copan ، هو سبب طفرة في الجينات coasyn 7. كل من PKAN و CoPAN موروثه الامراض العصبية المرتبطة بتراكم الحديد في الدماغ ونقص CoA بشكل سلبي امراض المرض.
المستويات الخلوية من مجموع CoA تختلف بين الانسجه8 ومجموع coa يمكن زيادة أو نقصان تحت مجموعه متنوعة من الولايات الفسيولوجية والمرضية والدوائية. الكبد الزيادات coa اثناء التبديل الوقود من بنك الاحتياطي الفيدرالي إلى الدولة صام9، ومستويات coa الكبد هي عاليه بشكل غير طبيعي في الفئران البدناء ناقص ليبتين ،10. انخفاض CoA الكبد استجابه لابتلاع الايثانول المزمن11. مستويات CoA الدماغ في نموذج الماوس Pank2 الضربة القاضية هي الاكتئاب خلال فتره ما قبل الولادة ، ولكن في وقت لاحق في الدماغ مرحله الكبار coa المحتوي يعادل مستويات البرية ، مما يدل علي استجابه CoA التكيف اثناء التطوير12. التلاعب في محتوي CoA الانسجه عن طريق التكوين أو الجينات طرق التسليم تؤثر علي وظائف الأيض والعصبية13،14،15. التطوير الإكلينيكي للعلاجات المحتملة لل pkan أو كوبان يتضمن قياسات الخلايا أو الانسجه CoA كمؤشرات للفعالية16،17،18،19،20 . يتطلب تقييم كل هذه الشروط ونتائجها الايضيه أو الوظيفية طريقه كميه لقياس مجموع CoA.
ويعد الفحص الدقيق والموثوق لقياس CoA في العينات البيولوجية تحديا تقنيا في العديد من المختبرات. لسوء الحظ ، لا توجد تحقيقات متاحه لتقييم أو قياس CoA أو CoA ثيوترات في الخلايا السليمة ، علي الرغم من ان النظير من الطبيعية CoA thioesters وقد استخدمت علي نطاق واسع كتحقيقات ميكانيكيه في دراسات CoA استر استخدام الانزيمات21. التحويل من CoA, مع [سلفهيدراريل] حره (-[ش]) [موليتي], إلى [CoA] [ثيوستر] (أو العكس) سريعة في خلايا أو نسيج حيوانيه اثناء انتقال إلى بيئة مختلفه واثناء خليه تحلل. العديد من acyl-CoA synthetases و acyl-CoA thioesterases في الخلايا توسط التحويلات داخل تجمع CoA ، والانزيمات الاضافيه التي تستخدم CoA ثيوترات كما ركائز تبقي نشطه في عينات بيولوجية حتى مروي من قبل الكيميائية أو الفيزيائية يعني. التحميل من acyl-المجموعات من CoA إلى كارنيتين بواسطة المحولات acyl هو مثال واحد داخل شبكه من ردود الفعل التي يمكن ان تغير من CoA/CoA التوزيع thioester. يمكن استخدام المتعقبات المشعة لقياس معدلات توليف CoA في الخلايا. وقد تم استعراض الأساليب الحالية لقياس مشتقات CoA و CoA في العينات البيولوجية22 وتشمل المقايسات الطيفية الانزيميه المقترنة ، والفصل اللوني السائل عالي الضغط والإجراءات القائمة علي الطيف الكتلي. ومع ذلك ، غالبا ما تتركز هذه الأساليب علي الأنواع الجزيئية الخاصة CoA وهي عمياء إلى الاختلاف من تجمع CoA الكلي. الاختبارات الانزيميه المقترنة تتطلب عموما كميات أكبر من مواد الإدخال بسبب الحساسيات الكشف المنخفضة ولها مجموعه محدوده من الخطي.
وقد وضعت لدينا مختبر اجراء موثوق بها للقياس الكمي لمجموع CoA في الخلايا المستزرعة والانسجه الحيوانية. وتشمل الاستراتيجية التحلل المائي لجميع ثيوترات CoA لإنتاج CoA الحرة فقط خلال اعداد العينة ، بدلا من بذل الجهود للحفاظ علي وتحليل الطيف بأكمله من الأنواع CoA. هذا الاجراء هو تجميع للأساليب المنشورة الفردية لاعداد العينة ، CoA اشتقاق ، تنقيه وتحديد بعد اللوني السائل عاليه الضغط (HPLC) ، والتقدير الكمي لديريفاتيزيد CoA عن طريق الامتصاص أو الكشف عن الفلورية23،24،25. وقد مكنت القرارات CoA التي تم الحصول عليها باستخدام هذا الاجراء فهمنا لتنظيم CoA وتطوير نهج علاجي لعلاج نقص CoA.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا نظهر اجراء موثوق به ، خطوه بخطوه لقياس إجمالي CoA في الخلايا والانسجه الحيوانية مع مجموعه واسعه من الكشف الخطي التي يمكن الوصول اليها في العديد من المختبرات التي لديها HPLC مع اما الامتصاص أو فلوري كاشف الإنتاج. وبدلا من ذلك ، فان قياس الطيف الكتلي هو أسلوب شائع لتقييم شهادة الاصاله والتو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويقر المؤلفون بتمويل البحوث التي ترعاها شركه CoA Therapeutics, Inc. ، وهي شركه تابعه لبريدجبيو LLC ، والمعاهد الوطنية للمنح الصحية GM34496 ، والجمعيات الخيرية السورية اللبنانية المرتبطة.
Materials
| 2-(2-pyridyl)-ethyl silica gel SPE column | Millipore-Sigma | 54127-U | |
| coenzyme A | Avanti Polar Lipids | 870700 | |
| Gemini C18 3 μm 100 Å HPLC column | Phenomenex | 00F-4439-E0 | |
| monobromobimane | ThermoFisher Scientific | M-1378 | |
| Omni-Tip probe tissue disrupter | Omni International | 32750H | |
| Parafilm | Fisher | S37440 | |
| PowerGen 125 motorized rotor stator homogenizer | ThermoFisher Scientific | NC0530997 | |
| Spin-X centrifuge tube filter | CoStar | 8161 | |
| Trizma-HCl | Fisher | T395-1 | |
| Waters 2475 fluorescence detector | Waters | 2475 | |
| Waters 2489 UV-Vis detector | Waters | 2489 | |
| Waters e2695 separations module | Waters | e2695 |
References
- Abiko, Y., Greenburg, D. M. . Metabolic Pathways. 7, 1-25 (1975).
- Leonardi, R., Zhang, Y. -. M., Rock, C. O., Jackowski, S. Coenzyme A: Back in action. Progress in Lipid Research. 44, 125-153 (2005).
- Jackowski, S., Rock, C. O. Regulation of coenzyme A biosynthesis. Journal of Bacteriology. 148, 926-932 (1981).
- Robishaw, J. D., Berkich, D. A., Neely, J. R. Rate-limiting step and control of coenzyme A synthesis in cardiac muscle. Journal of Biological Chemistry. 257, 10967-10972 (1982).
- Di Meo, I., Carecchio, M., Tiranti, V. Inborn errors of coenzyme A metabolism and neurodegeneration. Journal of Inherited Metabolic Disease. 42, 49-56 (2019).
- Zhou, B., et al. A novel pantothenate kinase gene (PANK2) is defective in Hallervorden-Spatz syndrome. Nature Genetics. 28, 345-349 (2001).
- Dusi, S., et al. Exome sequence reveals mutations in CoA synthase as a cause of neurodegeneration with brain iron accumulation. American Journal of Human Genetics. 94, 11-22 (2014).
- Dansie, L. E., et al. Physiological roles of the pantothenate kinases. Biochemical Society Transactions. 42, 1033-1036 (2014).
- Leonardi, R., Rehg, J. E., Rock, C. O., Jackowski, S. Pantothenate kinase 1 is required to support the metabolic transition from the fed to the fasted state. PLoS ONE. 5, 11107 (2015).
- Leonardi, R., Rock, C. O., Jackowski, S. Pank1 deletion in leptin-deficient mice reduces hyperglycaemia and hyperinsulinaemia and modifies global metabolism without affecting insulin resistance. Diabetologia. 57, 1466-1475 (2014).
- Israel, B. C., Smith, C. M. Effects of acute and chronic ethanol ingestion on pantothenate and CoA status of rats. The Journal of Nutrition. 117, 443-451 (1987).
- Garcia, M., Leonardi, R., Zhang, Y. M., Rehg, J. E., Jackowski, S. Germline deletion of pantothenate kinases 1 and 2 reveals the key roles for CoA in postnatal metabolism. PLoS One. 7, 40871 (2012).
- Corbin, D. R., et al. Excess coenzyme A reduces skeletal muscle performance and strength in mice overexpressing human PANK2. Molecular Genetics and Metabolism. 120, 350-362 (2017).
- Shumar, S. A., Kerr, E. W., Fagone, P., Infante, A. M., Leonardi, R. Overexpression of Nudt7 decreases bile acid levels and peroxisomal fatty acid oxidation in the liver. Journal of Lipid Research. 60, 1005-1019 (2019).
- Shumar, S. A., et al. Induction of neuron-specific degradation of Coenzyme A models pantothenate kinase-associated neurodegeneration by reducing motor coordination in mice. PLoS ONE. 10, 0130013 (2015).
- Zano, S. P., Pate, C., Frank, M., Rock, C. O., Jackowski, S. Correction of a genetic deficiency in pantothenate kinase 1 using phosphopantothenate replacement therapy. Molecular Genetics and Metabolism. 16, 281-288 (2015).
- Sharma, L. K., et al. A therapeutic approach to pantothenate kinase associated neurodegeneration. Nature Communications. 9, 4399 (2018).
- Alvarez-Cordoba, M., et al. Pantothenate Rescues Iron Accumulation in Pantothenate Kinase-Associated Neurodegeneration Depending on the Type of Mutation. Molecular Neurobiology. 56, 3638-3656 (2019).
- Arber, C., et al. iPSC-derived neuronal models of PANK2-associated neurodegeneration reveal mitochondrial dysfunction contributing to early disease. PLoS One. 12, 0184104 (2017).
- Di Meo, I., et al. Acetyl-4′-phosphopantetheine is stable in serum and prevents phenotypes induced by pantothenate kinase deficiency. Scientific Reports. 7, 11260 (2017).
- Nishikawa, T., Edelstein, D., Brownlee, M. The missing link: a single unifying mechanism for diabetic complications. Kidney International Supplements. 77, 26-30 (2000).
- Tsuchiya, Y., Pham, U., Gout, I. Methods for measuring CoA and CoA derivatives in biological samples. Biochemical Society Transactions. 42, 1107-1111 (2014).
- Demoz, A., Netteland, B., Svardal, A., Mansoor, M. A., Berge, R. K. Separation and Detection of Tissue Coash and Long-Chain Acyl-Coa by Reversed-Phase High-Performance Liquid-Chromatography after Precolumn Derivatization with Monobromobimane. Journal of Chromatography. 635, 251-256 (1993).
- Shimada, K., Mitamura, K. Derivatization of Thiol-Containing Compounds. Journal of Chromatography B. 659, 227-241 (1994).
- Minkler, P. E., Kerner, J., Ingalls, S. T., Hoppel, C. L. Novel isolation procedure for short-, medium-, and long-chain acyl-coenzyme A esters from tissue. Analytical Biochemistry. 376, 275-276 (2008).
- Newton, G. L., Fahey, R. C. Determination of biothiols by bromobimane labeling and high-performance liquid chromatography. Methods in Enzymology. 251, 148-166 (1995).
- Radkowsky, A. E., Kosower, E. M. Bimanes .17. (Haloalkyl)-1,5-Diazabicyclo[3.3.0]Octadienediones (Halo-9,10-Dioxabimanes) – Reactivity toward the Tripeptide Thiol, Glutathione. Journal of the American Chemical Society. 108, 4527-4531 (1986).
- Zhang, Y. M., et al. Chemical knockout of pantothenate kinase reveals the metabolic and genetic program responsible for hepatic coenzyme A homeostasis. Chemistry & Biology. 14, 291-302 (2007).
- Tokutake, Y., Onizawa, N., Katoh, H. Toyoda A,Chohnan S. Coenzyme A and its thioester pools in fasted and fed rat tissues. Biochemical and Biophysical Research Communications. 402, 158-162 (2010).
- Shibata, K., Nakai, T., Fukuwatari, T. Simultaneous high-performance liquid chromatography determination of coenzyme A, dephospho-coenzyme A, and acetyl-coenzyme A in normal and pantothenic acid-deficient rats. Analytical Biochemistry. 430, 151-155 (2012).
- Chohnan, S., Takamura, Y. A simple micromethod for measurement of CoASH and its use in measuring the intracellular levles of CoASH and short chain acyl-CoAs in Escherichia coli K12 cells. Agricultural and Biological Chemistry. 55, 87-94 (1991).
