Ein Acetyl-Click-Chemie-Assay zur Messung der Histon-Acetyltransferase-1-Acetylierung
Summary
Schnelle und genaue chemische Assays zum Screening auf bestimmte Inhibitoren sind ein wichtiges Instrument in der Arzneimittelentwicklung. Hier präsentieren wir einen skalierbaren Acetyl-Click-Chemie-Assay zur Messung der Hemmung der HAT1-Acetylierungsaktivität.
Abstract
HAT1, auch bekannt als Histon-Acetyltransferase 1, spielt eine entscheidende Rolle bei der Chromatinsynthese, indem es naszierendes H4 vor dem Nukleosomenaufbau stabilisiert und acetyliert. Es wird für das Tumorwachstum in verschiedenen Systemen benötigt, was es zu einem potenziellen Ziel für die Krebsbehandlung macht. Um die Identifizierung von Verbindungen zu erleichtern, die die enzymatische Aktivität von HAT1 hemmen können, haben wir einen Acetyl-Click-Assay für ein schnelles Screening entwickelt. In diesem einfachen Assay verwenden wir rekombinantes HAT1/Rbap46, das aus aktivierten menschlichen Zellen aufgereinigt wird. Das Verfahren nutzt das Acetyl-CoA-Analogon 4-Pentynoyl-CoA (4P) in einem Click-Chemie-Ansatz. Dabei handelt es sich um den enzymatischen Transfer eines Alkingriffs durch eine HAT1-abhängige Acylierungsreaktion auf ein biotinyliertes H4 N-terminales Peptid. Das eingefangene Peptid wird dann auf Neutravidinplatten immobilisiert, gefolgt von einer Click-Chemie-Funktionalisierung mit Biotin-Azid. Anschließend wird Amplexrot durch Streptavidin-Peroxidase-Rekrutierung oxidiert, was zu einer quantitativen Fluoreszenzleistung führt. Durch das Einbringen chemischer Inhibitoren während der Acylierungsreaktion können wir die enzymatische Hemmung basierend auf einer Verringerung des Fluoreszenzsignals quantifizieren. Wichtig ist, dass diese Reaktion skalierbar ist und ein Hochdurchsatz-Screening potenzieller Inhibitoren auf enzymatische Aktivität von HAT1 ermöglicht.
Introduction
Unter den zahlreichen eukaryotischen Acetyltransferasen war HAT1 die erste Histonacetyltransferase, die isoliert wurde 1,2,3. Nachfolgende Untersuchungen haben seine zentrale Rolle bei der Chromatinreplikation, insbesondere bei der Synthese neuer Nukleosomen während der S-Phase4, fest etabliert. Unsere Forschungsbemühungen führten zu der Erkenntnis, dass HAT1 durch die Behandlung mit dem epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) in Brustzellen stark stimuliert wird5. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass HAT1 für die schnelle Zellproliferation und Tumorbildung in vivo benötigt wird 6,7,8,9. Die Daten deuten darauf hin, dass HAT1 entscheidend für die Koordination anaboler und epigenetischer Prozesse für die Zellteilung ist und das Tumorwachstum vorantreibt.
HAT1 diacetyliert den aminoterminalen Schwanz des Histons H4 an den Lysinen 5 und 12 im Komplex mit dem Chaperonprotein Rbap46, das das Histon bindet und den Aminoterminus an HAT1 präsentiert. Histontetramere oder Disome10 werden dann zusammen mit HAT1/Rbap46 und anderen Histon-Chaperonen11 in den Zellkern importiert. Histone werden dann freigesetzt, um an der Replikationsgabel oder an anderen Stellen abgelagert zu werden, um die Genaktivierung oder -unterdrückung zu unterstützen. Die Funktion der HAT1-Diacetylierungsmarkierung auf Histon H4 ist nicht vollständig verstanden. Es wird wahrscheinlich innerhalb einer Spanne von 15-30 Minuten durch die Wirkung der Histon-Deacetylasen 12,13,14,15 schnell entfernt, nachdem H4 in das Chromatin eingefügt wurde. Daher wird die HAT1-Diacetylierungsmarkierung im Chromatin nicht propagiert und spielt möglicherweise keine echte epigenetische Rolle, obwohl eine Rolle bei der Rekrutierung von Chromatin-modifizierenden Enzymen für naszierendes Chromatin postuliert wurde12. Außerdem acetyliert HAT1 Chromatin nicht direkt; seine Aktivität ist auf lösliche Histone beschränkt.
Die Entwicklung von niedermolekularen Histon-Acetyltransferase-Inhibitoren wurde durch unspezifische Assays und Assays mit niedrigem Durchsatz behindert, was häufig zur Erzeugung biologisch reaktiver Verbindungen führte16,17. Der Goldstandard-Assay zur Messung der Acetyltransferase-Aktivitäten erfordert die Verwendung von 3-H-Acetyl-coA, was den Durchsatz begrenzt und Strahlung erfordert. Nichtsdestotrotz wurden kürzlich spezifische und hochwirksame niedermolekulare Acetyltransferase-Inhibitoren beschrieben, die auf CBP/p30018 und KAT6A/B19,20 abzielen und durch die Verwendung von 3-H-Acetyl-CoA bestätigt wurden. In Zukunft werden verbesserte Assays entwickelt, um einen besseren Durchsatz zu erzielen und Laborgefahren zu vermeiden.
Jüngste Fortschritte in der Acetylierungsüberwachung21 haben die Click-Chemie verwendet, um die Überwachung enzymatischer Reaktionen zu ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von klickfähigen Vorläufern, die über einfache Synthesewege zugänglich oder käuflich zu erwerben sind und in Enzymreaktionen eingebaut werden können. Diese Reaktionen werden typischerweise in rekombinanten Systemen durchgeführt, obwohl auch zellbasierte Assays möglich sind22. Der Vorteil von klickfähigen Co-Faktoren und Substraten besteht darin, dass das Screening die Enzymaktivität direkt messen kann, ohne dass gekoppelte Auslesesysteme erforderlich sind, die oft durch das Screening von Verbindungen gestört werden und zusätzliche Handhabungsschritte erfordern. Dies ermöglicht Inhibitorbehandlungen nur während des enzymatischen Schritts, während alle nachgeschalteten Funktionalisierungs- und Detektionsschritte nach umfangreichem Waschen durchgeführt werden, um Verbindungen zu entfernen, wodurch das Potenzial für Assay-Interferenzen begrenzt wird. Diese Vorteile machen das Design von klickfähigen Assays gegenüber gekoppelten Assays vorzuziehen, die üblicherweise auf dem Nachweis von freiem Coenzym A beruhen.
Eine wichtige Überlegung ist die Akzeptanz von klickfähigen Co-Faktoren im aktiven Zentrum des Enzyms. Vorhandene Co-Faktoren mit aktivierten Klicks sind möglicherweise nicht vollständig mit der aktiven Website kompatibel, die für den nativen Co-Faktor optimiert ist. Strukturelle Informationen und Modellierung können verwendet werden, um Aminosäuresubstitutionen zu entwerfen, um das aktive Zentrum zu vergrößern und veränderte Substrate aufzunehmen23. Dies kann ein Screening mit verbesserter Enzymkinetik und niedrigeren Substrat- und Enzymspiegeln ermöglichen. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass veränderte katalytische Taschen möglicherweise keine Inhibitoren identifizieren, die stark mit dem nativen Enzym interagieren. Letztendlich ist eine Kombination von Ansätzen erforderlich, um potenzielle Enzyminhibitoren zu identifizieren und zu validieren.
Hier beschreiben wir eine Methode, die entwickelt wurde, um die HAT1-Enzymaktivität mit dem Click-Co-Faktor 4-Pentynoyl-CoA24 zu reinigen und zu testen. Dieser Assay (Abbildung 1) verwendet die native Enzymsequenz im Komplex mit dem erforderlichen Partnerprotein Rbap46, das nachweislich die Enzymaktivität steigert. Die Reinigung des Enzyms aus menschlichen Zellen ermöglicht eine Enzymaktivierung in Cellulo, wodurch stimulierende posttranslationale Modifikationen erhalten bleiben können, die für die volle Enzymaktivität wichtig sind. Das Design und die Optimierung rekombinanter Enzymassays für chemische Hochdurchsatz-Screenings wurden erfolgreich zur Identifizierung und Charakterisierung von niedermolekularen HAT1-Inhibitoren eingesetzt.
Protocol
Representative Results
Discussion
In den letzten zehn Jahren wurde die Klickchemie prominent20 und ermöglichte das präzise Design wechselwirkender chemischer Strukturen. In diesem Zusammenhang haben sich verschiedene bioorthogonale kovalente Verbindungen21 als vielversprechende Optionen für die Bildung von Komplexen in ihrer natürlichen Umgebung herausgestellt. Die Click-Chemie verwendet Paare funktioneller Gruppen, die schnelle und selektive Reaktionen zeigen, die allgemein als “Click-Reaktionen” bekan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken George Zheng für die Bereitstellung von H4K12CoA. Wir danken den Mitgliedern des Gruber Lab für hilfreiche Diskussionen und Feedback. Wir danken der Unterstützung durch das NIH/NCI (1K08CA245024), CPRIT (RR200090) und die V Foundation (V2022-022).
Materials
| 4P CoA | Cayman Chemical | 10547 | Click chemistry co-factor |
| Amplex Red | Fisher Sci | A12222 | Fluorescence substrate |
| Biotin-PEG-Azide | Alfa Aesar | J64996MC | Click chemistry |
| Copper Sulfate | Sigma-aldrich | 7758-98-7 | Click chemistry |
| DMSO | Fisher Scientific | 67-68-5 | diluent |
| DTT | Acros Organics | 03-12-3483 | reducting agent |
| Forskolin | VWR | 102987-310 | Protein expression |
| Freestyle 293 Expression Medium | Thermo Fisher | 12338018 | Media |
| Freestyle 293-F cells | Thermo Fisher | R790-07 | Protein expression |
| H4-peptide/1-23-GGK-biotin | Anaspec | AS65097 | peptide substrate |
| HEPES | Sigma-aldrich | 7365-45-9 | EB buffer |
| Hydrogen peroxide 30% solution | Sigma-aldrich | Z00183-99-0 | initiator |
| M2 FLAG antibody slurry | Millipore-Sigma | A2220 | Protein purification |
| Macrosep 10K Filter (Pall Lab) | VWR | 89131-980 | Protein purification |
| Neutravidin Plate | Thermo Sci | 15127 | BSA-pre-blocked |
| NP40 (IGEPAL) | MP Biomedical | 198596 | 20x buffer |
| pHEK-293 plasmid | Takara Bio | 3390 | Protein expression |
| Phosphate Buffered Saline 10x | Alfa Aesar | Z00082-33-6 | wash buffer |
| Pra peptide | Genscript | Custom synthesis | biotinylated |
| Sodium Ascorbate | Sigma-aldrich | 134-03-2 | Click chemistry |
| Sodium chloride | Sigma-aldrich | 7647-14-5 | EB buffer |
| Sodium phosphate | VWR International | 7558-80-7 | buffer |
| Streptavidin | EMD Millipore | 189730 | competitor |
| Streptavidin-HRP | Cell Signaling | 3999S | enzyme |
| THPTA ligand | Fisher Sci | 1010-500 | Click chemistry |
| Tris base | Sigma-aldrich | 77-86-1 | 20x buffer |
| Triton-X 100 | VWR International | 9002-93-1 | EB buffer |
| Tween-20 | Sigma-aldrich | 9005-64-5 | Wash buffer |
| Urea | Sigma-Aldrich | 57-13-6 | quencher |
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