Zebrafish visando eletrófilos reativos e oxidantes (Z-REX) é um método baseado em biologia química para a investigação da sinalização de pequenas moléculas reativas. Esta técnica pode ser aplicada a peixes vivos de diferentes estágios de desenvolvimento. Aqui, acoplamos ensaios padrão em zebrafish com Z-REX para análise de vias de sinalização.
Metabólitos reativos e drogas eletrofílicas relacionadas estão entre as pequenas moléculas mais desafiadoras para estudar. Abordagens convencionais para desconstruir o modo de ação (MOA) de tais moléculas alavancam o tratamento em massa de espécimes experimentais com um excesso de uma espécie reativa específica. Nessa abordagem, a alta reatividade dos eletrófilos torna a marcação não discriminada do proteoma de maneira dependente do tempo e do contexto; Proteínas e processos sensíveis à redox também podem ser afetados indiretamente e muitas vezes de forma irreversível. Em um cenário de inúmeros alvos potenciais e efeitos secundários indiretos, vincular o fenótipo ao engajamento de alvos específicos continua sendo uma tarefa complexa. Zebrafish visando eletrófilos reativos e oxidantes (Z-REX) – uma plataforma de entrega de eletrófilos reativos sob demanda adaptada para uso em larvas de peixes-zebra – é projetado para fornecer eletrófilos a uma proteína específica de interesse (POI) em embriões de peixes vivos não perturbados. As principais características desta técnica incluem um baixo nível de invasividade, juntamente com a dosagem – quimiotipo – e liberação eletrofílica de precisão controlada espaço-temporalmente. Assim, em conjunto com um conjunto único de controles, essa técnica evita efeitos fora do alvo e toxicidade sistêmica, observados após exposição descontrolada em massa de animais a eletrófilos reativos e drogas eletrofílicas pleiotrópicas. Aproveitando o Z-REX, os pesquisadores podem estabelecer um ponto de apoio na compreensão de como as respostas individuais ao estresse e as saídas de sinalização são alteradas como resultado do envolvimento específico do ligante reativo com um POI específico, sob condições quase fisiológicas em animais vivos intactos.
Uma miríade de eventos de sinalização celular envolve reações entre pequenas moléculas reativas (produzidas endogenamente na célula ou xenobióticos/xenometabolitas, como drogas) e seu alvo proteico. Em muitos casos, um nível subestequiométrico desses eventos de ligação covalente pode desencadear respostas celulares, levando a alterações no desenvolvimento, metabolismo, apoptose e/ou resposta imune, por exemplo1. No entanto, a desconstrução do modo de ação (MOA) ligando eventos de ligação específicos às suas consequências fenotípicas tem se mostrado desafiadora. Métodos tradicionais de dosagem em bolus que envolvem a introdução de altas concentrações das espécies reativas frequentemente resultam em uma infinidade de proteínas sendo modificadas, bem como toxicidade excessiva para o organismo modelo2. Tais condições estão longe de ser as ideais. Um método foi desenvolvido para resolver esses problemas em cultura celular usando liberação de eletrófilos localizados de precisão em um contexto celular nativo, denominado T-REX (targetable reactive electrophiles and oxidants)3. Nos anos seguintes, o foco voltou-se para experimentos em organismos inteiros, que permitem a oportunidade de estudar proteínas em contextos celulares específicos em células não transformadas. Assim, ampliamos a técnica para ser compatível com vários modelos, incluindo modelos embrionários de Danio rerio . Neste trabalho, apresentamos o Z-REX (zebrafish visando eletrófilos reativos e oxidantes) (Figura 1).
Para entender o Z-REX, este artigo primeiro apresenta as tecnologias REX e seus conceitos subjacentes. Em sua essência, essas técnicas modelam a sinalização de espécies eletrofílicas reativas fisiológicas endógenas (RES) mimetizando como os eletrófilos naturais são produzidos localmente in vivo com precisão espaço-temporal. A proteína de interesse (POI) é expressa como um construto de fusão para Halo; este último ancora a sonda inerte e permeável ao tecido com o ER fotoengaiolado em uma estequiometria 1:1. Um desses RES endógenos é o 4-hidroxinonenal (HNE doravante), que é fotocageado na sonda Ht-PreHNE. Em muitos casos, usamos uma versão funcionalizada com alquina do HNE [i.e., HNE(alquino)], que tem propriedades biológicas essencialmente idênticas à HNE, mas pode ser rotulada pela química do clique. A sonda, que também é funcionalizada com um cloroalcano para reatividade com Halo, é referida como Ht-PreHNE (alquino). O complexo da fusão Halo-POI e a sonda assim formada permite a entrega proximal de RES ao POI fundido após irradiação com luz UV. Se o POI reage rapidamente com o RES, a marcação covalente resultante do POI com o ER permite identificar cisteínas cineticamente privilegiadas.
Z-REX pega as vantagens acima mencionadas das tecnologias REX e as aplica amplamente para estudar vias de sinalização específicas em peixes vivos. Este protocolo foi otimizado para zebrafish (D. rerio), uma vez que são organismos vertebrados geneticamente tratáveis que são transparentes durante o desenvolvimento e, portanto, ideais para técnicas optoquímicas/genéticas como as tecnologias REX. No entanto, uma estratégia semelhante também provavelmente funcionará bem em outras espécies de peixes geneticamente tratáveis, uma vez que a ampla aplicabilidade do método é devida ao mecanismo pseudo-intramolecular de liberação de eletrófilos derivados de lipídios (LDE). De fato, o procedimento é altamente biocompatível, uma vez que os peixes podem ser tratados com o Z-REX fotocaged-electrophile [por exemplo, Ht-PreHNE(alkyne)] por pelo menos 48 h sem impactos perceptíveis no desenvolvimento. Protocolo semelhante funciona em C. elegans 4,5.
O protocolo descreve primeiramente o uso de injeção de RNAm para produzir uma expressão transitória de uma construção de fusão Halo-POI não nativa em modelos embrionários de zebrafish, 1-1,5 dias pós-fertilização (dpf). Isto resulta na expressão da proteína ectópica na maioria das células do peixe (doravante designada por «ubíqua»), e não em tecidos ou locais específicos; no entanto, os dados mostram que efeitos específicos de células podem ser observados em certos casos. Após a injeção, os embriões são incubados com uma baixa concentração [0,3-5 μM Ht-PreHNE(alquina)] da sonda por até 30,5 h pós-fertilização (hpf). Então, em um tempo prescrito pelo usuário, a entrega do RES ao POI dentro dos peixes é alcançada por fotouncaging por 2-5 min. Após a fotouncaging do RES, uma variedade de ensaios fenotípicos a jusante pode ser realizada nas próximas 2-10 h: 1) imagens ao vivo das linhas do repórter (Figura 2A); 2) avaliação da marcação de alvos por análise de western blot (Figura 3); 3) análise transcriptômica (Figura 4); ou 4) imunofluorescência total (Figura 5).
Como um exemplo de imagem ao vivo de linhas de repórteres, Z-REX é demonstrado em conjunto com imagens ao vivo de linhagens de peixes, Tg(lyz:TagRFP) e Tg(mpeg1:eGFP), para medir como a modificação de RES de um sensor eletrófilo específico POI (ou seja, Keap1) diminui os níveis de neutrófilos e macrófagos, respectivamente, sem efeitos observáveis em outras células nos peixes. No entanto, mostramos anteriormente que a marcação de POI e a consequente sinalização da via de estudos de T-REX podem ser reproduzidas usando Z-REX para várias proteínas: Akt3 6, Keap17 e Ube2v26. Em geral, com o Z-REX, os cientistas podem estudar a(s) consequência(s) da modificação covalente de POIs por RES no contexto de várias vias redox complexas. Esta técnica é preparada para identificar alvos e seus resíduos funcionais para o planejamento covalente de fármacos e novos mecanismos de fármacos em um modelo animal inteiro mais contextualmente relevante.
Z-REX descrito neste protocolo demonstra uma estratégia robusta para investigação de pares eletrófilos-alvo e deconvolução de vias de sinalização em peixes vivos. A entrega direcionada à proximidade permite a dosagem e o controle espacial do tratamento com compostos eletrofílicos. Ao contrário dos métodos convencionais de dosagem em bolus, nos quais as concentrações suprafisiológicas de eletrófilos implantados muitas vezes levam a problemas fora do alvo, a quantidade relativamente pequena de eletrófilo liberada para o sistema torna o Z-REX amplamente não invasivo. Utilizamos 0,1-6 μM de Ht-PreHNE (alquino) em embriões de zebrafish, e os resultados mostraram que o tratamento não é prejudicial ao desenvolvimento embrionário11.
O procedimento Z-REX é geralmente mais longo do que o T-REX, uma técnica para triagem/estudo de proteínas sensíveis a eletrófilos em células cultivadas. Suponha que o propósito do experimento seja rastrear interações eletrophile-target; sugerimos primeiramente realizar uma triagem extensiva por T-REX em células cultivadas e usar Z-REX para validação in vivo e análise fenotípica/via. Em comparação com a cultura celular, os requisitos para a realização do Z-REX são técnicas básicas de criação de peixes, além das habilidades experimentais bioquímicas exigidas pelo T-REX. Um período de tempo típico para Z-REX (do cruzamento de peixes à entrega de eletrófilos induzíveis por luz) é de 2-3 dias, que não é mais do que 1 dia a mais do que o tempo típico para um experimento de T-REX em células vivas transfectadas. Imagens ao vivo para análise fenotípica podem ser realizadas 2-10 h após a iluminação da luz; o acoplamento de clique com biotina-azida para ensaio pull-down leva 3 dias; qRT-PCR para dosagem de resposta transcricional leva 3 dias; A coloração IF leva 5 dias. Essas etapas são aproximadamente semelhantes aos seus equivalentes de cultura celular, embora a interpretação dos dados exija uma compreensão da fisiologia dos peixes e das cepas repórteres.
Como procedimento de múltiplas variáveis12, vários grupos de controle são necessários para que o Z-REX exclua incertezas nos resultados (Figura 1D). Os grupos de controle comuns são: (1) DMSO/tratamento do veículo apenas; (2) tratamento com sonda, mas sem iluminação luminosa; (3) iluminação luminosa, mas sem tratamento com sonda; (4) construção P2A-split, na qual Halo e o POI são expressos separadamente, de modo que a entrega de proximidade é ablida; e (5) mutantes hipomórficos, cujos resíduos sensíveis a eletrófilos são/são mutados, como Akt3 (C119S)6 e Keap1 (C151S, C273W, C288E)5, que já utilizamos em estudos anteriores.
Se os ensaios a jusante envolverem análise de western blot, a desidratação deve ser realizada antes da colheita. As proteínas da gema reduzem a fidelidade das avaliações da concentração de lisado e podem ligar-se não especificamente aos anticorpos. Ao realizar imagens de peixes vivos ou coloração de FI de montagem inteira, também observamos sinais fluorescentes inespecíficos no saco vitelino, provavelmente resultantes de proteínas autofluorescentes no saco vitelino, ou ligação inespecífica dos próprios anticorpos. Se o sinal de autofluorescência interferir com o sinal, sugerimos excluir o saco vitelínico da quantificação, ou quantificar diferentes regiões separadamente. A descorinação é necessária para imagens de peixes vivos e ensaio de coloração de FI de montagem inteira. O córion pode interferir na imagem e, posteriormente, na quantificação/contagem celular. No entanto, a descorinação só é aplicável a embriões com mais de 1 dpf; embriões mais jovens nos estágios de blastulação/gastrulação/segmentação são frágeis demais para serem descorionados.
O protocolo Z-REX descrito aqui é baseado na expressão de POI ectópica impulsionada por mRNA. O procedimento é rápido em comparação com o uso/geração de linhas de peixes transgênicos. A expressão impulsionada por mRNA é ubíqua e transitória, e dura pelo menos 2 dias para mRNAs usados neste protocolo. No entanto, é provável que a duração da expressão varie em outros casos. Assim, essa abordagem fornece uma janela investigativa rápida e mais global sobre os efeitos de um evento específico de marcação de eletrófilos, compatível com vários ensaios de alto rendimento/alto conteúdo. Linhagens transgênicas com expressão estável de Halo-POI em tecidos específicos também são compatíveis com Z-REX11. Tais linhas são melhor usadas quando uma pergunta mais precisa precisa ser feita, por exemplo, quando um fenótipo em um órgão específico é previsto a partir de dados de cultura celular, ou quando a triagem de experimentos de injeção de RNAm prevê que um órgão específico é sensível a um evento de marcação de letrófilos. Uma indução de resposta antioxidante cardíaca específica através de Z-REX foi demonstrada usando peixes Tg(gstp1:GFP;DsRed-P2A-myl7:Halo-TeV-Keap1) em nossa publicação anterior11. Também pode ser possível realizar Z-REX em peixes transgênicos com mais de 2 dpf.
The authors have nothing to disclose.
Financiamento: Novartis FreeNovation, NCCR e 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 |