반응성 친전자필 및 산화제(Z-REX)를 표적으로 하는 제브라피쉬는 반응성 소분자 신호 조사를 위한 화학 생물학 기반 방법입니다. 이 기술은 다양한 발달 단계의 활어에 적용 할 수 있습니다. 여기에서는 신호 전달 경로 분석을 위해 제브라피쉬의 표준 분석과 Z-REX를 결합합니다.
반응성 대사 산물 및 관련 친전자성 약물은 연구하기 가장 어려운 소분자 중 하나입니다. 이러한 분자의 작용 방식(MOA)을 해체하기 위한 기존의 접근 방식은 특정 반응성 종을 과량으로 사용하여 실험 표본의 대량 처리를 활용합니다. 이 접근법에서, 친전성체의 높은 반응성은 시간 및 상황에 따라 방식으로 프로테옴의 비차별적 표지를 렌더링합니다. 산화 환원에 민감한 단백질과 공정은 간접적으로 그리고 종종 돌이킬 수 없는 영향을 받을 수 있습니다. 무수한 잠재적 표적과 간접적인 2차 효과를 배경으로 표현형을 특정 표적 참여에 연결하는 것은 여전히 복잡한 작업으로 남아 있습니다. 반응성 친전자필 및 산화제(Z-REX)를 표적으로 하는 제브라피쉬(유충 제브라피쉬에 사용하도록 개조된 주문형 반응성 친전자필 전달 플랫폼)는 교란되지 않은 활어 배아의 특정 관심 단백질(POI)에 친전자성을 전달하도록 설계되었습니다. 이 기술의 주요 특징은 낮은 수준의 침습성과 용량, 화학형 및 시공간적으로 제어되는 정밀 친전자성 전달을 포함합니다. 따라서 고유한 제어 제품군과 함께 이 기술은 반응성 친전자성 및 다면발현 친전자성 약물에 대한 동물의 통제되지 않은 대량 노출 후 관찰되는 표적 이탈 효과 및 전신 독성을 회피합니다. 연구자들은 Z-REX를 활용하여 온전한 살아있는 동물의 거의 생리학적 조건에서 특정 POI와의 특정 반응성 리간드 결합의 결과로 개별 스트레스 반응 및 신호 출력이 어떻게 변경되는지 이해하는 발판을 마련할 수 있습니다.
무수히 많은 세포 신호 전달 사건은 작은 반응성 분자(세포에서 내인성으로 생성되거나 약물과 같은 생체이물/이종대사산물)와 단백질 표적 간의 반응을 포함합니다. 많은 경우에, 이러한 공유 결합 이벤트의 화학량론적 수준은 세포 반응을 촉발할 수 있고, 예를 들어, 발달, 대사, 세포자멸사 및/또는 면역 반응의 변화를 유도할 수 있다1. 그러나 특정 결합 이벤트를 표현형 결과와 연결하여 작용 방식(MOA)을 해체하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다. 고농도의 반응성 종을 도입하는 전통적인 볼루스 투여법은 종종 다수의 단백질을 변형시킬 뿐만 아니라 모델 유기체에 과도한 독성을 초래한다2. 이러한 조건은 이상적이지 않습니다. T-REX(표적화 가능한 반응성 친전필 및 산화제)3라고 하는 기본 세포 맥락에서 정밀하게 국소화된 친전자필 전달을 사용하여 세포 배양에서 이러한 문제를 해결하기 위한 방법이 개발되었습니다. 그 사이에 초점은 전체 유기체에 대한 실험으로 바뀌었고, 이를 통해 형질전환되지 않은 세포의 특정 세포 맥락에서 단백질을 연구할 수 있는 기회를 얻었습니다. 따라서 우리는 Danio rerio 배아 모델을 포함한 여러 모델과 호환되도록 기술을 확장했습니다. 여기에서는 Z-REX(반응성 친전필 및 산화제를 표적으로 하는 제브라피쉬)를 제시합니다(그림 1).
Z-REX를 이해하기 위해 이 기사에서는 먼저 REX 기술과 기본 개념을 제시합니다. 핵심적으로, 이러한 기술은 자연 친전성이 시공간 정밀도로 생체 내에서 국부적으로 생성되는 방식을 모방하여 내인성 생리학적 반응성 친전자성 종(RES) 신호 전달을 모델링합니다. 관심 단백질(POI)은 Halo에 대한 융합 구조로 표현됩니다. 후자는 광케이지 RES를 포함하는 조직 투과성 및 불활성 프로브를 1:1 화학량론에 고정합니다. 이러한 내인성 RES 중 하나는 4-하이드록시노네날(HNE)이며, 이는 프로브 Ht-PreHNE에서 광케이지됩니다. 많은 경우에, 우리는 HNE와 본질적으로 동일한 생물학적 특성을 갖지만 클릭 화학에 의해 라벨링될 수 있는 HNE의 알킨 기능화 버전[즉, HNE(알킨)]을 사용합니다. Halo와의 반응성을 위해 클로로알칸으로도 기능화된 프로브를 Ht-PreHNE(알킨)라고 합니다. 이렇게 형성된 Halo-POI 융합 및 프로브의 복합체는 UV 광을 조사할 때 융합된 POI에 RES의 근위 전달을 허용합니다. POI가 유리된 RES와 빠르게 반응하면 결과적으로 POI와 RES의 공유 결합 라벨링을 통해 동역학적으로 특권이 있는 시스테인을 식별할 수 있습니다.
Z-REX는 앞서 언급한 REX 기술의 장점을 활용하여 활어의 특정 신호 전달 경로를 연구하는 데 광범위하게 적용합니다. 이 프로토콜은 제브라피쉬(D. rerio)에 최적화되어 있는데, 이는 제브라피쉬가 발달 중에 투명하고 유전적으로 다루기 쉬운 척추동물 유기체이기 때문에 REX 기술과 같은 광화학/유전 기술에 이상적입니다. 그럼에도 불구하고, 유사한 전략은 유전적으로 다루기 쉬운 다른 어종에서도 잘 작동할 가능성이 높은데, 그 이유는 이 방법의 광범위한 적용 가능성이 지질 유래 친전자성(LDE) 전달의 유사 분자 내 메커니즘 때문이기 때문입니다. 실제로, 물고기는 발달에 눈에 띄는 영향 없이 최소 48시간 동안 Z-REX 광변성 친전성[예: Ht-PreHNE(알킨)]으로 처리할 수 있기 때문에 이 절차는 생체 적합성이 매우 높습니다. 유사한 프로토콜이 예쁜꼬마선충 4,5에서 기능합니다.
이 프로토콜은 먼저 수정 후 1-1.5일(dpf)에 배아 제브라피쉬 모델에서 비천연 Halo-POI 융합 구조의 일시적인 발현을 생성하기 위한 mRNA 주입의 사용을 설명합니다. 그 결과 특정 조직이나 지역이 아닌 물고기 내의 대부분의 세포(이하 ‘유비쿼터스’라고 함)에서 이소성 단백질이 발현됩니다. 그러나 데이터는 특정 경우에 세포 특이적 효과가 관찰될 수 있음을 보여줍니다. 주입 후, 배아는 수정 후 최대 30.5시간(hpf) 동안 프로브의 저농도[0.3-5μM Ht-PreHNE(알킨)]와 함께 배양됩니다. 그런 다음 사용자가 지정한 시간에 2-5분 동안 광경화하여 물고기 내 POI에 RES를 전달합니다. RES의 광융합 후, 다양한 다운스트림 표현형 분석이 다음 2-10시간 동안 수행될 수 있습니다: 1) 리포터 라인의 라이브 이미징(그림 2A); 2) 웨스턴 블롯 분석에 의한 표적 표지 평가(그림 3); 3) 전사체 분석(도 4); 또는 4) 전체 마운트 면역 형광 (그림 5).
리포터 라인의 라이브 이미징의 예로, Z-REX는 물고기 라인의 라이브 이미징, Tg(lyz:TagRFP) 및 Tg(mpeg1:eGFP)와 함께 시연되어 특정 친전자성 센서 POI(즉, Keap1)의 RES 변형이 물고기의 다른 세포에 관찰 가능한 영향 없이 각각 호중구 및 대식세포 수준을 각각 감소시키는 방법을 측정합니다. 그러나 우리는 이전에 T-REX 연구의 POI 표지 및 결과적 경로 신호 전달이 Akt3 6, Keap17 및 Ube2v26과 같은 여러 단백질에 대해 Z-REX를 사용하여 재현될 수 있음을 보여주었습니다. 전반적으로 Z-REX를 통해 과학자들은 여러 복잡한 산화 환원 경로의 맥락에서 RES에 의한 POI의 공유 변형 결과를 연구할 수 있습니다. 이 기술은 상황에 맞는 전체 동물 모델에서 공유 약물 설계 및 새로운 약물 메커니즘을 위한 표적과 기능적 잔류물을 정확히 찾아낼 준비가 되어 있습니다.
이 프로토콜에 설명된 Z-REX는 활어의 친전자성-표적 쌍 조사 및 신호 전달 경로 디콘볼루션을 위한 강력한 전략을 보여줍니다. 근접 지향 전달은 친전자성 화합물 처리의 투여량 및 공간 제어를 가능하게 합니다. 배치된 친전필의 초생리학적 농도가 종종 표적 이탈 문제를 유발하는 기존의 볼루스 투여 방법과 달리, 시스템에 방출되는 친전자성의 상대적으로 적은 양은 Z-REX를 대체로 비침습적으로 만듭니다. 우리는 제브라피쉬 배아에 0.1-6μM Ht-PreHNE(알킨)를 사용했으며, 그 결과 치료가 배아 발달에 해롭지 않은 것으로 나타났다11.
Z-REX 절차는 일반적으로 배양된 세포에서 친전자성 감지 단백질을 스크리닝/연구하는 기술인 T-REX보다 깁니다. 실험의 목적이 친전자성-표적 상호작용을 스크리닝하는 것이라고 가정합니다. 먼저 배양된 세포에서 T-REX에 의한 광범위한 스크리닝을 수행하고 생체 내 검증 및 표현형/경로 분석을 위해 Z-REX를 사용하는 것이 좋습니다. 세포 배양과 비교할 때, Z-REX를 수행하기 위한 요구 사항은 T-REX가 요구하는 생화학적 실험 기술 외에 기본적인 어류 사육 기술입니다. Z-REX의 일반적인 기간(물고기 교배에서 광유도성 친전성 전달까지)은 2-3일이며, 이는 형질주입된 살아있는 세포에 대한 T-REX 실험의 일반적인 시간보다 1일 이상 길지 않습니다. 표현형 분석을 위한 라이브 이미징은 조명 조명 후 2-10시간 후에 수행할 수 있습니다. 풀다운 분석을 위한 비오틴-아지드와의 클릭 커플링은 3일이 소요됩니다. 전사 반응을 분석하기 위한 qRT-PCR은 3일이 걸립니다. IF 염색에는 5 일이 걸립니다. 이러한 단계는 세포 배양 단계와 거의 유사하지만 데이터를 해석하려면 어류 생리학 및 리포터 균주에 대한 이해가 필요합니다.
다중 변수 절차(12)로서, Z-REX가 결과의 불확실성을 배제하기 위해 여러 대조군이 필요하다(도 1D). 일반적인 대조군은 다음과 같다: (1) DMSO/비히클 치료만; (2) 프로브 처리, 그러나 조명 없음; (3) 조명 조명이지만 프로브 처리가 필요하지 않습니다. (4) P2A-분할 구성물, 헤일로와 POI가 별도로 표현되어, 근접 전달이 제거된다; 및 (5) 이전 연구에서 사용한 Akt3(C119S)6 및 Keap1(C151S, C273W, C288E)5와 같이 친전자성 감지 잔기가 돌연변이된 하이포모픽 돌연변이체.
다운스트림 분석에 웨스턴 블롯 분석이 포함되는 경우 수확 전에 디노킹을 수행해야 합니다. 노른자 단백질은 용해물 농도 평가의 충실도를 감소시키고 항체에 비특이적으로 결합할 수 있습니다. 활어 이미징 또는 전체 마운트 IF 염색을 수행할 때 난황낭의 자가형광 단백질 또는 항체 자체의 비특이적 결합으로 인해 난황낭에서 비특이적 형광 신호도 관찰했습니다. 자가형광 신호가 신호를 방해하는 경우 난황낭을 정량화에서 제외하거나 다른 영역을 별도로 정량화하는 것이 좋습니다. Dechorination은 활어 이미징 및 전체 마운트 IF 염색 분석에 필요합니다. chorion은 이미징을 방해할 수 있으며 나중에 정량화/세포 계수를 방해할 수 있습니다. 그러나 dechorination은 1dpf 이상의 배아에만 적용됩니다. blastulation/gastrulation/segmentation 단계의 어린 배아는 너무 약해서 융모막을 제거할 수 없습니다.
여기에 설명된 Z-REX 프로토콜은 mRNA 기반 이소성 POI 발현을 기반으로 합니다. 이 절차는 형질전환 낚싯줄을 사용/생성하는 것에 비해 빠릅니다. mRNA 기반 발현은 유비쿼터스이고 일시적이며 이 프로토콜에 사용되는 mRNA의 경우 최소 2일 동안 지속됩니다. 그러나 발현 기간은 다른 경우에 다를 수 있습니다. 따라서 이 접근 방식은 여러 고처리량/고함량 분석과 호환되는 특정 친전자성 표지 이벤트의 효과에 대한 빠르고 보다 글로벌한 조사 창을 제공합니다. 특정 조직에서 안정적인 Halo-POI 발현을 갖는 형질전환 계통도 Z-REX11과 호환됩니다. 이러한 라인은 예를 들어 특정 장기의 표현형이 세포 배양 데이터에서 예측되거나 mRNA 주입 실험에서 스크리닝하여 특정 장기가 친전자성 표지 이벤트에 민감하다고 예측할 때와 같이 보다 정확한 질문이 필요할 때 가장 잘 사용됩니다. Z-REX를 통한 심장 특이적 항산화 반응 유도는 이전 간행물11에서 Tg(gstp1:GFP;DsRed-P2A-myl7:Halo-TeV-Keap1) 물고기를 사용하여 입증되었습니다. 2dpf보다 오래된 형질전환 어류에 대해 Z-REX를 수행하는 것도 가능할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
자금 지원: Novartis FreeNovation, NCCR 및 EPFL.
2-Mercaptoethanol (BME) | Sigma-Aldrich | M6250 | |
1.5-mL microcentrifuge tube | Axygen | MCT-150-C-S | |
10-cm Petri dishes | Celltreat | 229692 | |
2-mL microcentrifuge tube | Axygen | MCT-200-C-S | |
30% Acrylamide and bis-acrylamide solution | BioRad | 1610154 | |
6-well plate | Celltreat | 229506 | |
Acetone | Fisher | A/0600/15 | |
Agarose | GoldBio | A201-100 | |
All Blue Prestained Protein Standards | BioRad | 1610373 | |
Ammonium persulfate | Sigma | A3678 | |
Biotin-dPEG11-azide | Quanta Biodesign | 102856-142 | |
Bradford Dye | BioRad | 5000205 | |
BSA | Fisher | BP1600-100 | |
Capillary tubes | VWR | HARV30-00200 | |
Chloroform | Supelco, Inc | 1.02445.1000 | |
cOmplete, Mini, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Roche | 11836170001 | |
Cu(TBTA) | Lumiprobe | 21050 | |
CuSO4 | Sigma | 209198 | |
DMSO | Fisher | D128-500 | |
Donkey anti-mouse-Alexa Fluor 647 | Abcam | ab150107 | 1:800 (IF) |
Donkey anti-rabbit-Alexa Fluor 647 | Abcam | ab150075 | 1:1000 (IF) |
Donkey anti-rat-AlexaFluor 568 | Abcam | ab175475 | 1:1000 (IF) |
ECL substrate | Thermo Fisher Scientific | 32106 | |
ECL-Plus substrate | Thermo Fisher Scientific | 32132 | |
End-to-end rotator | FinePCR | Rotator AG | |
Ethanol | Fisher | E/0650DF/15 | |
Ethidium bromide | Sigma | E1510 | |
Flaming/Brown Micropipette Puller | Sutter Instrument Co. | P-97 | |
Fluorescence stereomicroscope | Leica | M165 FC | |
Forceps (blunt) | self made | self made by blunting sharp forceps (Fine Science Tools, Dumont #5, 11252-40) | |
Forceps (sharp) | Fine Science Tools | Dumont #5, 11252-40 | |
Gel loading tip | Fisher | 02-707-181 | |
Gel/blot imager | Vilber | Fusion FX imager | |
Glass beads | Sigma | 45-G1145 | |
Glass stage micrometer | Meiji Techno. | MA285 | |
Heat inactivated FBS | Sigma | F2442 | |
Heated ultrasonic bath | VWR | 89375-470 | |
HEPES | Fisher | BP310-1 | |
High capacity streptavidin agarose | Thermo Fisher Scientific | 20359 | |
Ht-PreHNE alkyne probe | self-made | – | Parvez, S. et al. T-REX on-demand redox targeting in live cells. Nat Protoc. 11 (12), 2328-2356, (2016). |
Imaging plate (10% HBSS buffer, for live embryos) | Made with Petri dish, and 2% agarose in 10% HBSS buffer | ||
Imaging plate (PBS, for formaldehyde-fixed embryos) | Made with Petri dish, and 2% agarose in PBS | ||
Injection plate | Made with microinjection mold, Petri dish, and 2% agarose in 10% HBSS buffer | ||
LDS | Apollo | APOBI3331 | |
Methanol | VWR | 20864.32 | |
Microinjection mold | Adaptive Science Tools | TU-1 | |
Microloader tips | Eppendorf | 930001007 | |
Micromanipulator | Narishige | MN-153 | |
Microscope for micro-injection | Olympus | SZ61 | |
Microscope light source | Olympus | KL 1600 LED | |
Mineral oil | Sigma | M3516 | |
mMessage mMachine SP6 Transcription Kit | Ambion | AM1340 | |
Mouse anti- β-actin-HRP | Sigma | A3854 | 1:20000 (WB) |
Mouse anti-HaloTag | Promega | G921A | 1:500 (IF) |
Multi-mode reader | BioTek Instruments | Cytation 5 | |
Nucleic acid agarose gel electrophoresis apparatus | Biorad | Mini-Sub Cell GT Systems | |
Oligo(dT)20 | Integrated DNA Technologies | customized: (dT)20 | |
Orange G | Sigma | O3756 | |
Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | |
PBS | Gibco | 14190144 | |
pCS2+8 Halo-2XHA-P2A-TeV-Keap1-2xHA | self-cloned | – | Available from Prof. Yimon AYE's group at EPFL |
pCS2+8 Halo-TeV-Keap1-2xHA | self-cloned | – | Available from Prof. Yimon AYE's group at EPFL |
Pneumatic PicoPump | WPI | SYS-PV820 | |
Protein electrophoresis equipment and supplies | Biorad | Mini-PROTEAN Tetra Vertical Electrophoresis | |
Rabbit anti-active Caspase-3 | BD Pharmingen | 559565 | 1:800 (IF) |
Rat anti-HA-HRP | Sigma | H3663 | 1:500 (IF and WB) |
Rat anti-RFP | ChromoTek | 5F8 | 1:800 (IF) |
Refrigerated centrifuge | Eppendorf | 5417R | |
RNAseOUT recombinant ribonuclease inhibitor | ThermoFisher Scientific | 10777019 | |
RnaseZap RNA decontamination solution | ThermoFisher Scientific | AM9780 | |
Rocking Shaker | DLAB | SK-R1807-S | |
SDS | Teknova | S9974 | |
SuperScript III reverse transcriptase | ThermoFisher Scientific | 18080085 | |
t-Butanol | Sigma | 471712 | |
TCEP-HCl | Gold Biotechnology | TCEP1 | |
TeV protease (S219V) | self-made | – | Parvez, S. et al. T-REX on-demand redox targeting in live cells. Nat Protoc. 11 (12), 2328-2356, (2016). |
Tg(lyz:TagRFP) | Zebrafish International Resource Center (ZIRC) | uwm11Tg (ZFIN) | – |
Tg(mpeg1:eGFP) | Zebrafish International Resource Center (ZIRC) | gl22Tg (ZFIN) | – |
Thermal cycler | Analytik Jana | 846-x-070-280 | |
TMEDA | Sigma | T7024 | |
Transfer pipets | Fisher | 13-711-9D | |
Tris | Apollo | APOBI2888 | |
Triton X-100 | Fisher | BP151-100 | |
TRIzol reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596018 | |
Trypsin inhibitor from Glycine max (soybean) | Sigma | T9003 | |
Tween 20 | Fisher | BP337-500 | |
UV lamp with 365-nm light | Spectroline | ENF 240C | |
UV meter | Spectroline | XS-365 | |
Vortexer | Scientific Industries, Inc. | Vortex-Genie 2 | |
Western Blotting Transfer equipment and supplies | Biorad | Mini Trans-Blot or Criterion Blotter | |
Zebrafish husbandry and breeding equipment | in house | ||
Zirconia beads | BioSpec | 11079107zx |