Diese Protokolle liefern die Methodik zur Beurteilung der enzymatischen Aktivität einzelner Mitglieder der Protein-Arginin-Methyltransferase-Familie (PRMT) in Zellen. Detaillierte Richtlinien zur Bewertung der PRMT-Aktivität unter Verwendung endogener und exogener Biomarker, Methyl-Arginin-erkennender Antikörper und Inhibitor-Werkzeugverbindungen werden beschrieben.
Proteinmethyltransferasen (PRMTs) katalysieren den Transfer einer Methylgruppe auf Argininreste von Substratproteinen. Die PRMT-Familie besteht aus neun Mitgliedern, die Monomethylat- oder symmetrisch/asymmetrisch Dimethylat-Arginin-Rückstände können. Mehrere Antikörper, die verschiedene Arten von Argininmethylierung verschiedener Proteine erkennen, sind verfügbar; Auf diese Weise werden Werkzeuge für die Entwicklung von PRMT-Aktivitäts-Biomarker-Assays bereitgestellt. PRMT-Antikörper-basierte Assays sind aufgrund überlappender Substrate und motivbasierter Antikörperspezifitäten eine Herausforderung. Diese Fragen und der experimentelle Aufbau zur Untersuchung der Argininmethylierung, die von einzelnen PRMTs beigetragen wird, werden diskutiert. Durch die sorgfältige Auswahl der repräsentativen Substrate, die Biomarker für acht von neun PRMTs sind, wurde ein Panel von PRMT-Aktivitätstests entwickelt. Hier werden die Protokolle für zelluläre Assays berichtet, die die enzymatische Aktivität einzelner Mitglieder der PRMT-Familie in Zellen quantitativ messen. Der Vorteil der beschriebenen Methoden ist ihre einfache Leistung in jedem Labor mit Zellkultur und fluoreszierenden Western-Blot-Fähigkeiten. Die Substratspezifität und die gewählte Antikörperzuverlässigkeit wurden mit Knockdown- und Overexpression-Ansätzen vollständig validiert. Neben detaillierten Richtlinien der Assay-Biomarker und Antikörper werden auch Informationen über den Einsatz einer Inhibitor-Tool-Compound-Sammlung für PRMTs bereitgestellt.
Die Argininmethylierung ist eine wichtige posttranslationale Modifikation, die Protein-Protein- und Protein-RNA-Interaktionen reguliert und somit eine wichtige Rolle bei verschiedenen zellulären Prozessen wie Pre-mRNA-Spleißen, DNA-Schäden, Transkriptionsreaktion und Wachstumsfaktor-vermittelter Transduktion spielt1,2. Arginin wird durch Protein-Arginin-Methyltransferasen (PRMTs) methyliert, was zu Monomethyl arginin (Rme1), asymmetrischem Dimethylarginin (Rme2a) oder symmetrischem Dimethylarginin (Rme2s)3führt. Basierend auf dem Methylierungstyp werden PRMTs in drei Gruppen eingeteilt: Typ I (PRMT1, 2, 3, 4, 6 und 8), die die mono- und asymmetrische Dimethylierung katalysieren; Typ II (PRMT5 und PRMT9), die mono- und symmetrische Dimethylierung katalysieren; und Typ III (PRMT7), der nur Monomethylat Arginin3 kann.
Aufgrund einer wachsenden Anzahl kommerziell erhältlicher Argininmethylierungs-spezifischer Antikörper kann die PRMT-Aktivität mittels Western Blotting gemessen werden. Fluoreszenzbasierter Western Blot ist die bevorzugte Technik gegenüber der chemilumineszenzierenden Detektion aufgrund eines größeren Dynamikbereichs und linearität, einer höheren Empfindlichkeit und der Möglichkeit des Multiplexings4. Um die Proteinmethylierungsgrade zu quantifizieren, ist eine Normalisierung des Methylierungssignals auf den Gesamtproteinspiegel erforderlich. Durch die Auswahl der Antikörper für Gesamt- und methyliertes Protein, das in verschiedenen Wirtsarten (z. B. Maus und Kaninchen) gezüchtet wird, können sekundäre Antikörper verwendet werden, die mit verschiedenen Fluorophoren markiert sind, und das Signal für beide Antikörper kann im selben Probenband bestimmt werden. Methyl-Arginin-Antikörper wurden entwickelt, um monomethylierte, asymmetrische oder symmetrisch dimethylierte Proteine zu identifizieren und zu charakterisieren, bei denen Methyl-Arginin in einem bestimmten Kontext vorkommt. Da die Mehrheit der PRMTs Methylatglycin- und Arginin-reiche Motive in ihren Substraten5ist, wurden mehrere Antikörper für die Peptide erhoben, die Monomethyl- oder asymmetrische, symmetrische Dimethyl-Arginin-Glycin-Wiederholungen wie D5A12, ASYM24 oder ASYM25 bzw. SYM11 enthalten. Andere Methyl-Arginin-Antikörper wurden gegen eine Peptidbibliothek erzeugt, die asymmetrische, symmetrische Dimethyl- und Monomethyl arginin in einem wiederholten Kontext enthält, was den Nachweis von Methyl-Arginin in diesen speziellen Kontexten erleichtert6. Es gibt auch eine zunehmende Anzahl von Antikörpern, die spezifische Arginin-Markierungen auf einem einzelnen Protein erkennen, die einen selektiven Nachweis der Methylierung ermöglichen, wie Histon H4R3me2a oder BAF155-R1064me2a.
Es gibt mehrere kommerziell erhältliche PRMT-Inhibitoren, die als Werkzeuge für PRMT-Zellassays verwendet werden können. Allerdings sind nicht alle von ihnen gründlich für Selektivität und Off-Target-Effekte charakterisiert und einige sollten mit Vorsicht verwendet werden. Das Structural Genomic Consortium hat in Zusammenarbeit mit akademischen Labors und Pharmapartnern gut charakterisierte potente, selektive und zelldurchlässige PRMT-Inhibitoren (chemische Sonden) entwickelt, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft ohne Einschränkungen verwendet werden können. Informationen zu diesen Inhibitoren finden Sie auf https://www.thesgc.org/chemical-probes/epigenetics und https://www.chemicalprobes.org/. Chemische Sonden sind niedermolekulare Inhibitoren mit in vitro IC50 oder Kd < 100 nM, über 30-facher Selektivität gegenüber Proteinen derselben Familie und signifikanter zellulärer Aktivität bei 1 μM. Zusätzlich hat jede chemische Sonde ein nahes chemisches Analogon, das gegen das beabsichtigte Ziel7,8,9 ,10,11,12inaktiv ist.
Das Ziel dieses Protokolls ist es, die zelluläre Aktivität einzelner PRMT-Familienmitglieder mit der fluoreszierenden Western-Blot-Methode zu messen. Hier finden Sie detaillierte Informationen zu validierten Assay-Biomarkern, Antikörpern und potenten zellaktiven Inhibitoren sowie wertvolle Strategien für eine erfolgreiche Assay-Implementierung.
Hier werden die detaillierten zellulären Assay-Protokolle für Mitglieder der PRMT-Familie beschrieben, die fluoreszierende Western-Blotting-Methoden verwenden. Es wurden einzigartige Substrate ausgewählt, bei denen die Veränderungen der Argininmethylierung bei individuellem PRMT-Verlust oder katalytischer Hemmung leicht nachgewiesen werden können und nicht von anderen Familienmitgliedern kompensiert werden können. Einige Proteine werden durch mehrere PRMTs21,23methyliert, was auf eine Überlappung der Substratspezifität hindeutet, wobei einige PRMTs nur eine geringe Menge an zellulärer Markierung in einem bestimmten Proteinsubstrat24,25 ,26,27beitragen, zum Beispiel tragen sowohl PRMT8 als auch PRMT1 zur Methylierung von EWS bei. Daher erforderte jeder Assay eine gründliche Validierung von Substraten und Antikörpern mit Knockdown- und/oder Überexpressionsexperimenten und eine weitere Validierung mit gut charakterisierten selektiven Inhibitoren. ES WURDEN PRMT-spezifische Substrate identifiziert, für die Veränderungen der Methylierungsmark innerhalb von 2-3 Tagen nach PRMT-Verlust/-Hemmung nachgewiesen werden konnten, um Compoundierungseffekte einer verminderten Zelllebensfähigkeit und -proliferation zu vermeiden, die sich indirekt auf die Methyl-Arginin-Mark-Spiegel auswirken können. Obwohl es möglich war, einzigartige Substrate für PRMT1, 4, 5, 7 und 9 zu finden; für PRMT3, 6 und 8 musste der Funktionsgewinnansatz angewendet werden. Mehrere Argininmethyl-spezifische Antikörper wurden auf verschiedene zelluläre Ziele getestet, aber keiner konnte signifikante Veränderungen innerhalb von 3 Tagen nach dem PRMT3- und PRMT6-Knockdown nachweisen; Daher wurden Biomarker-Assays mit ektopisch exprimierten Enzymen zusammen mit katalytisch inaktiven Mutanten entwickelt, die als Kontrolle für die Basissubstratmethylierung dienten. PRMT8 ist ein nahes PRMT1-Homolog und teilt ähnliche Substratpräferenzen. Da ein SELEKTIVER PRMT8-Biomarker nicht identifiziert werden konnte, wurde ein Assay in PRMT1-Knockdown-Zellen entwickelt, bei dem PRMT8 zusammen mit EWS co-exprimiert wurde. PRMT1 ist auch ein wichtiges Enzym, das für die asymmetrische H4R3-Methylierung verantwortlich ist, daher wurden für die Verwendung von H4R3me2a als Biomarker für PRMT3- und PRMT6-Zellassays Zellen mit niedrigen basalen H4R3me2a-Spiegeln ausgewählt sowie katalytisch inaktive Mutanten als Hintergrundkontrolle verwendet. Obwohl endogene Assays bevorzugt werden, erweisen sich exogene Assays als unschätzbar wertvoll für die Prüfung der zellulären Potenz mehrerer selektiver PRMT-Inhibitoren7,8,9. Mit wachsendem Wissen über prMT-Biologie erwarten wir, die Assays zu verbessern, indem wir spezifischere Biomarkerproteine für PRMT3, PRMT6 und PRMT8 finden.
Die Verwendung validierter Antikörper und geeigneter Kontrollen sind entscheidend für die Leistung des PRMT-Assays. Alle hier empfohlenen Antikörper wurden durch Knockdown- und Überexpressionsexperimente gründlich validiert, jedoch können Batch-to-Batch-Unterschiede, insbesondere bei polyklonalen Antikörpern, ihre Leistung immer noch beeinflussen. Daher ist es wichtig, genetische Methoden und chemische Sonden zusammen mit ihren eng verwandten Negativkontrollen zu verwenden, um die Zuverlässigkeit des Assays zu bestätigen. Darüber hinaus ist es für PRMT-Assays, die eine Proteinüberexpression erfordern, entscheidend, katalytisch inaktive Mutanten zusammen mit Wildtypprotein zu verwenden, um die basalen Methylierungsniveaus zu bestimmen.
Diese Sammlung quantitativer Assays zur Profilierung der Aktivität von PRMTs in Zellen kann für die wissenschaftliche Gemeinschaft von breitem Nutzen sein, da sie schnell und einfach mit minimaler Ausrüstung und begrenztem technischem Fachwissen implementiert werden kann, wobei nur grundlegende Zellkulturierungs- und fluoreszierende Western-Blotting-Techniken verwendet werden. Die empfohlenen Antikörper und chemischen Sonden für PRMTs können auch für aktivitätsbasierte Proteinprofilierungstests (ABPP) verwendet werden, um die Eignung einer bestimmten ABPP-Sonde zu ermitteln, das Zielengagement zu überwachen und Off-Target-Effekte unter Verwendung des konkurrierenden ABPP-Formats zu bewerten. Die hier diskutierten Assay-Entwicklungsansätze können auch auf andere Enzymfamilien wie Protein-Lysin-Methyltransferasen und Acetyltransferasen extrapoliert werden.
The authors have nothing to disclose.
Das Structural Genomics Consortium ist eine eingetragene Wohltätigkeitsorganisation (Nr.: 1097737), die Mittel von AbbVie, Bayer AG, Boehringer Ingelheim, Genentech, Genome Canada über das Ontario Genomics Institute [OGI-196], die EU und EFPIA über das Innovative Medicines Initiative 2 Joint Undertaking [EUbOPEN grant 875510], Janssen, Merck KGaA (aka EMD in Kanada und den USA), Pfizer, Takeda und den Wellcome Trust [106169/ZZ14/Z] erhält.
10 cm TC dishes | Greiner bio-one | 664160 | |
24-well TC plates | Greiner bio-one | 662160 | |
4–12% Bis-Tris Protein Gels | ThermoFisher Scientiffic | NP0323BOX, NP0322BOX,NP0321BOX | |
Amersham Hybond P PVDF membrane | Millipore-Sigma | 10600021 | |
anti-Asym 24 | Millipore-Sigma | 07-414 | |
anti-Asym 25 | Millipore-Sigma | 09-814 | |
anti-B-actin | Santa Cruz Biotechnologies | sc-47778 | |
anti-BAF155 | Santa Cruz Biotechnologies | sc-32763 | |
anti-BAF155-R1064me2a | Millipore-Sigma | ABE1339 | |
anti-FLAG (#, 1:5000) | Millipore-Sigma | F4799 | |
anti-GFP | Clontech | 632381 | |
anti-H3 | Abcam | ab10799 | |
anti-H3R2me2a | Millipore-Sigma | 04-848 | |
anti-H3R8me2a | Rockland | 600-401-I67 | |
anti-H4 | Abcam | ab174628 | |
anti-H4R3me2a | Active Motif | 39705 | |
anti-Hsp/Hsc70 | Enzo | ADI-SPA-820 | |
anti-PRMT1 | Millipore-Sigma | 07-404 | |
anti-PRMT3 | Abcam | ab191562 | |
anti-PRMT4 | Bethyl | #A300-421A | |
anti-PRMT5 | Abcam | ab109451 | |
anti-PRMT6 | Abcam | ab47244 | |
anti-PRMT7 | Abcam | ab179822 | |
anti-Rme1 | CST | 8015 | |
anti-Rme2a | CST | 13522 | |
anti-Rme2s | CST | 13222 | |
anti-Rme2s (ASYM25), Millipore, , 1:2000) | 09-814 | ||
anti-SAP145 (Abcam, #, 1:1000) | Abcam | ab56800 | |
anti-SAP145-R508me2s | kind gift from Dr. Yanzhong Yang, Beckman Research Institute of City of Hope | ||
anti-SmBB’ | Santa Cruz Biotechnologies | sc-130670 | |
benzonase | PRODUCED IN-HOUSE | ||
BSA | Millipore-Sigma | A7906 | |
C2C12 | gift from Dr. Stephane Richard, McGill University | ||
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Millipore-Sigma | 11873580001 | |
DMEM | Wisent | 319-005-CL | |
DMSO | Bioshop | DMS666.100 | |
donkey anti-mouse IgG-IR680 | Licor | 926-68072 | |
doxycycline | Millipore-Sigma | D9891 | |
EDTA | Bioshop | EDT111.500 | |
FBS | Wisent | 80150 | |
glycine | Bioshop | GLN002.5 | |
goat-anti-rabbit IgG-IR800 | Licor | 926-32211 | |
HEK293T | gift from Dr. Sam Benchimol, York University | ||
Image Studio Software ver 5.2 | Licor | ||
Loading buffer: NuPAGE LDS Sample Buffer (4x) | ThermoFisher Scientiffic | NP0007 | |
MCF7 | ATCC® HTB-22™ | ||
NaCl | Bioshop | SOD001.1 | |
NuPAGE MOPS SDS Running Buffer | ThermoFisher Scientiffic | NP0001 | |
Odyssey Blocking Buffer (dilute 4 x with PBST) | Licor | 927-40000 | Intercept (PBS) Blocking Buffer can also be used # 927-70001 |
Odyssey CLX Imaging System | Licor | model number 9140 | |
PBS (tissue culture) | Wisent | 311-010-CL | |
PBS (western blot) | Bioshop | PBS405.4 | |
penstrep | Wisent | 450-201-EL | |
Pierce™ BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher Scientiffic | 23225 | |
SDS | Bioshop | SDS001.1 | |
skim milk powder | Bioshop | SKI400.500 | |
TC20 automated cell counter | Biorad | 1450102 | |
Tripsin-EDTA (0.25%) | Wisent | 325-043-EL | |
Tris | Bioshop | TRS003.5 | |
Tritton X-100 | Bioshop | TRX506 | |
trypan blue | GIBCO | 15250-061 | |
Tween-20 | Bioshop | TWN510.500 |