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Biochemistry

Estudio de las funciones y actividades del cotransportador neuronal K-Cl KCC2 mediante Western Blotting

Published: December 09, 2022
doi:
10.3791/64179
, , ,
1Institute of Biomedical and Clinical Sciences, Medical School, Faculty of Health and Life Sciences,University of Exeter, Hatherly Laboratories

Summary

El presente protocolo destaca la aplicación de la técnica Western blotting para estudiar las funciones y actividades del cotransportador neuronal K-Cl KCC2. El protocolo describe la investigación de la fosforilación de KCC2 en los sitios reguladores de quinasa Thr906/1007 a través de Western blotting. Además, los métodos adicionales para confirmar la actividad de KCC2 se destacan brevemente en este texto.

Abstract

El cotransportador de cloruro de potasio 2 (KCC2) es un miembro de la familia de portadores de solutos 12 (SLC12) de los cotransportadores de cloruro catiónico (CCC), que se encuentra exclusivamente en la neurona y es esencial para el buen funcionamiento de la homeostasis de Cl– y, en consecuencia, la inhibición GABAérgica funcional. La falla en la regulación adecuada de KCC2 es perjudicial y se ha asociado con la prevalencia de varias enfermedades neurológicas, incluida la epilepsia. Se ha avanzado considerablemente en la comprensión de los mecanismos implicados en la regulación del KCC2, acreditados para el desarrollo de técnicas que permitan a los investigadores estudiar sus funciones y actividades; ya sea a través de investigaciones directas (evaluación de la fosforilación de sitios reguladores de quinasas) o indirectas (observación y monitoreo de la actividad GABA). Aquí, el protocolo destaca cómo investigar la fosforilación de KCC2 en sitios reguladores de quinasa – Thr906 y Thr1007 – utilizando la técnica de Western Blotting. Existen otros métodos clásicos utilizados para medir directamente la actividad de KCC2, como el ion rubidio y el ensayo de captación de iones talio. Otras técnicas como la electrofisiología de parche-pinza se utilizan para medir la actividad de GABA; por lo tanto, refleja indirectamente KCC2 activado y/o inactivado según lo informado por la evaluación de la homeostasis del ion cloruro intracelular. Algunas de estas técnicas adicionales se discutirán brevemente en este manuscrito.

Introduction

El cotransportador de cloruro de potasio 2 (KCC2) es un miembro de la familia de portadores de solutos 12 (SLC12) de los cotransportadores catión-cloruro (CCC), que se encuentra exclusivamente en la neurona y es esencial para el buen funcionamiento de la homeostasis del Cl– y, en consecuencia, de la inhibición GABAérgica funcional 1,2,3,4. El mantenimiento de una baja concentración intraneuronal de Cl- ([Cl-]i) a 4-6 mM por KCC2 facilita la hiperpolarización del ácido γ-aminobutírico (GABA)/glicina y la inhibición sináptica en el cerebro y la médula espinal5. El fracaso en la regulación adecuada de KCC2 se ha asociado con la prevalencia de varias enfermedades neurológicas, incluyendo la epilepsia4. Además, la disminución de la extrusión de Cl− mediada por KCC2 y la alteración de las corrientes hiperpolarizantes mediadas por GABAA y/o receptores de glicina han sido implicadas en la epilepsia, el dolor neuropático y la espasticidad 6,7. El KCC2 neuronal se modula negativamente a través de la fosforilación de residuos reguladores clave dentro de su dominio intracelular C-terminal porel complejo de señalización de quinasa 1 con no-lisina (WNK)-STE20/SPS1 relacionado con prolina/alanina (SPAK)/oxidativo sensible al estrés (OSR), que facilita el mantenimiento de la actividad GABA despolarizada en neuronas inmaduras 2,8,9 . El WNK-SPAK/OSR1 fosforila los residuos de treonina 906 y 1007 (Thr906/Thr1007) y posteriormente regula a la baja la expresión génica del ARNm de KCC2, lo que lleva a un consiguiente deterioro de su función fisiológica 8,10. Más importante aún, sin embargo, ya es un hecho que se sabe que el complejo quinasa WNK-SPAK / OSR1 fosforila e inhibe la expresión de KCC2 1,2,4,11,12, y que la inhibición de las vías de señalización del complejo quinasa para fosforilar Thr906 / Thr1007 se ha relacionado con el aumento de la expresión del gen ARNm KCC2 13,14,15 . Es importante señalar que la regulación de la expresión neuronal de los cotransportadores KCC2 y Na+-K+-2Cl– 1 (NKCC1) a través de la fosforilación de proteínas funciona concomitantemente y en patrones inversos 1,4,16.

Ha habido avances consistentes y considerables en cuanto a la comprensión de los mecanismos involucrados en la regulación de KCC2, acreditados para el desarrollo de técnicas que permitan a los investigadores estudiar sus funciones y actividades; ya sea a través de investigaciones directas (evaluación de la fosforilación de sitios reguladores de quinasas) o indirectas (observación y monitoreo de la actividad GABA). El protocolo presentado aquí destaca la aplicación de técnicas de western blotting para estudiar las funciones y actividades del cotransportador neuronal K+-Cl– KCC2 mediante la investigación de la fosforilación del cotransportador en los sitios reguladores de quinasas Thr906/1007.

Western blot es un método utilizado para detectar proteínas específicas de interés de una muestra de tejido o célula. Este método primero separa las proteínas por tamaño a través de la electroforesis. Luego, las proteínas se transfieren electroforéticamente a un soporte sólido (generalmente una membrana) antes de que la proteína objetivo se marque con un anticuerpo específico. Los anticuerpos se conjugan a diferentes etiquetas o anticuerpos conjugados con fluoróforos que se detectan mediante métodos colorimétricos, quimioluminiscencia o fluorescencia. Esto permite detectar una proteína diana específica a partir de una mezcla de proteínas. Esta técnica se ha utilizado para caracterizar sitios fosfoespecíficos de KCCs1 y se ha utilizado para identificar inhibidores de quinasa que inhiben la fosforilación de KCC3 Thr991/Thr104817. Al seguir este protocolo, se puede detectar específicamente KCC2 total y fosforilado a partir de lisados celulares/tisulares. En principio, la detección de anticuerpos conjugados con proteínas mediante esta técnica es muy instrumental, ya que ayuda a mejorar la comprensión de las actividades cooperativas en los fosfositios de KCC2, lo que arroja luz sobre los mecanismos moleculares implicados en sus regulaciones fisiológicas. El análisis cuantitativo de la expresión total de proteínas es representativo de la función y actividad de KCC2. Existen otros métodos clásicos utilizados para medir directamente la actividad de KCC2, como el ion rubidio y el ensayo de captación de iones talio. Otras técnicas como la electrofisiología de parche-pinza se utilizan para medir la actividad de GABA; por lo tanto, refleja indirectamente KCC2 activado y/o inactivado según lo informado por la evaluación de la homeostasis del ion cloruro intracelular.

Protocol

NOTA: El protocolo describe el método Western blotting para detectar proteínas específicas de interés. 1. Cultivo celular y transfección Calentar todos los reactivos en el baño de perlas (37 °C) antes del procedimiento de cultivo celular. Prepare el medio de cultivo, Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM), suplementado con 10% de suero bovino fetal, 1% de 2mM de L-glutamina, 100x aminoácido no esencial, 100 mM de piruvato de sodio y 100 unidades/ml de penici…

Representative Results

Aquí, el resultado representativo presentado en la Figura 1 investigó el impacto de la estaurosporina y NEM en la fosforilación mediada por WNK-SPAK/OSR1 de KCC2 y NKCC1 en líneas celulares HEK293 que expresan de manera estable KCC2b (HEKrnKCC2b)18 utilizando la técnica de western blotting. Los detalles completos sobre los resultados representativos se discuten en Zhang et al.15. Similar a NEM, la estaurosporina es un i…

Discussion

Se han utilizado muchos métodos para medir las actividades de SLC12 de CCC que se expresan en las neuronas, incluido KCC2. Muchas de estas técnicas han demostrado mejorar el conocimiento científico sobre el análisis de la relevancia funcional de estos transportadores y sus patrones estructura-función en diferentes mutaciones relacionadas con la enfermedad. Críticamente, hay ventajas y advertencias para los diversos métodos21. Sin embargo, el protocolo explicado anteriormente, describió có…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por The Royal Society UK (Grant no. IEC\NSFC\201094), y una beca de doctorado de la Commonwealth.

Materials

40% acrylamide Sigma-Aldrich A2917 Used to make seperating and stacking gel for SDS-PAGE 
Ammonium Per Sulfate Sigma-Aldrich 248614 Used to make seperating and stacking gel for SDS-PAGE 
anti pSPAK Dundee University S670B Used as primary antibody for western blotting
anti-KCC2 Dundee University S700C Used as primary antibody for western blotting
anti-KCC2 pSer940 Thermo Fisher Scientific PA5-95678 Used as primary antibody for western blotting
anti-KCC2 pThr1007 Dundee University S961C Used as primary antibody for western blotting
anti-KCC2 pThr906 Dundee University S959C Used as primary antibody for western blotting
anti-mouse Cell Signalling technology 66002 Used as secondary antibody for western blotting
anti-NKCC1 Dundee University S841B Used as primary antibody for western blotting
anti-NKCC1 pThr203/207/212 Dundee University S763B Used as primary antibody for western blotting
anti-rabbit Cell Signalling technology C29F4 Used as secondary antibody for western blotting
anti-sheep abcam ab6900 Used as secondary antibody for western blotting
anti-SPAK Dundee University S669D Used as primary antibody for western blotting
anti-β-Tubulin III Sigma-Aldrich T8578 Used as primary antibody for western blotting
Benzamine Merck UK 135828 Used as component of lysis buffer
Beta-mercaptoethanol Sigma-Aldrich M3148 Used as component of loading buffer and lysis buffer
Bradford Coomasie Thermo Scientific 1856209 Used for lysate protein quantification
Casting apparatus Atto  WSE-1165W Used to run SDS-page electrophoresis
Centrifuge Eppendorf 5804 Used in lysate preparation
Centrifuge VWR MicroStar 17R Used for spinning samples
Dimethyl sulfoxide (DMSO) Sigma-Aldrich D2650-100ML Used for cell culture experiment
Dried Skimmed Milk Marvel N/A Used to make blocking buffer
Dulbecco's Modified Eagle's Medium – high glucose Sigma-Aldrich D6429 Used for cell culture
ECL reagent Perkin Elmer ORTT755/2655 Used to develop image for western blotting
EDTA Fisher Scientific D/0700/53 Used as component of lysis buffer
EGTA Sigma-Aldrich e4378 Used as component of lysis buffer
Electrophoresis Power Supply BioRad PowerPAC HC To supply power to run SDS-page electrophoresis
Ethanol ThermoFisher E/0650DF/17 Used for preparing sterilized equipments and environment
Fetal Bovine Serum -  heat inactivated Merck Life Sciences UK F9665 Used for cell culture
Fumehood Walker A7277 Used for cell culture
Gel Blotting – Whatman GE Healthcare  10426981 Used in western blotting to make transfer sandwich
Glycine Sigma-Aldrich 15527 Used to make buffers
GraphPad Prism Software GraphPad Software, Inc., USA Version 6.0 Used for plotting graphs and analysing data for  western blotting
HCl Acros Organics 10647282 Used to make seperating and stacking gel for SDS-PAGE 
Heating block Grant QBT1 Used to heat WB loading samples
HEK293 cells Merck UK 12022001-1VL Cell line for culture experiment
ImageJ Software Wayne Rasband and Contributors; NIH, USA  ImageJ 1.53e Used to measure band intensities from western blotting images
Imaging system BioRad ChemiDoc MP Used to take western blotting images
Incubator LEEC LEEC precision 190D Used for cell culture
Isopropanol Honeywell 24137 Used in casting gel for electrophoresis
L-glutamine solution Sigma-Aldrich G7513 Used for cell culture
Lithium dodecyl sulfate (LDS) Novex NP0008 Used as loading buffer for western blotting
MEM Non-essential amino acid  Merck Life Sciences UK M7145 Used for cell culture
Microcentrifuge Eppendorf 5418 Used for preparing lysates for WB
Microplate reader BioRad iMark Used for lysate protein concentration readout
Microsoft Powerpoint Microsoft, USA PowerPoint2016 Used to edit western blotting images
Molecular Weight Marker BioRad 1610373 Used for western blotting
N-ethylmaleimide Thermo Fisher Scientific 23030 Used for cell culture experiment
Nitrocellulose membrane Fisher Scientific 45004091 Used for western blotting
Penicillin-Streptomycin Gibco 15140122 Used for cell culture
pH Meter Mettler Toledo Seven compact s210 Used to monitor pH of buffer solutions
Phenylmethylsulfonylfluoride (PMSF) Sigma-Aldrich P7626 Used as component of lysis buffer
Phosphate Buffer Saline Sigma-Aldrich D8537 Used for cell culture
PKCδ pThr505 Cell Signalling technology 9374 Used as primary antibody for western blotting
Sepharose Protein G Generon PG50-00-0002 Used for immunoprecipitation
Sodium chloride Sigma-Aldrich S7653 Used as component of wash buffer
Sodium Chloride Sigma-Aldrich S7653 Used to prepare TBS-T buffer
Sodium Dodecyl Sulfate Sigma-Aldrich L5750 Used to make seperating and stacking gel for SDS-PAGE 
sodium orthovanadate Sigma-Aldrich S6508 Used as component of lysis buffer
Sodium Pyruvate Sigma-Aldrich S8636 Used for cell culture
sodium-β-glycerophosphate Merck UK G9422 Used as component of lysis buffer
Staurosporine (from Streptomyces sp.) Scientific Laboratory Supplies, UK S4400-1MG Used for cell culture experiment
Sucrose Scientifc Laboratory Supplies S0389 Used as component of lysis buffer
TEMED Sigma-Aldrich T7024 Used to make seperating and stacking gel for SDS-PAGE 
Transfer Chamber BioRad 1658005EDU Used in western blotting to transfer protein on membrane
Tris Sigma-Aldrich T6066 Used to make seperating and stacking gel for SDS-PAGE 
Triton-X100 Sigma-Aldrich T8787 Used as component of lysis buffer
Trypsin-EDTA Solution Merck Life Sciences UK T4049 Used for cell culture
Tween-20 Sigma-Aldrich P3179 Used as make TBS-T buffer
Vacuum pump Charles Austen Dymax 5 Used for cell culture
Vortex Scientific Industries K-550-GE Used in sample preparation
Vortex mixer Scientific Industries Ltd Vortex-Genie  K-550-GE Used of mixing resolved sample
Water bath Grant Instruments Ltd. (JB Academy) JBA5 Used to incubate solutions
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References

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Josiah, S. S., Meor Azlan, N. F., Oguro-Ando, A., Zhang, J. Study of the Functions and Activities of Neuronal K-Cl Co-Transporter KCC2 Using Western Blotting. J. Vis. Exp. (190), e64179, doi:10.3791/64179 (2022).
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