Un protocole détaillé pour la génération de microarrays de protéines humaines auto-assemblés pour le dépistage des inhibiteurs de la kinase est présenté.
Le dépistage des inhibiteurs de la kinase est crucial pour mieux comprendre les propriétés d’un médicament et pour l’identification de cibles potentiellement nouvelles ayant des implications cliniques. Plusieurs méthodologies ont été signalées pour effectuer un tel dépistage. Cependant, chacun a ses propres limites (p. ex., le dépistage de seulement analogues ATP, la restriction à l’utilisation de domaines de kinase purifiés, les coûts importants associés aux tests de plus de quelques kinases à la fois, et le manque de flexibilité dans le dépistage des kinases protéiques avec mutations nouvelles). Ici, un nouveau protocole qui surmonte certaines de ces limitations et peut être employé pour le criblage impartial des inhibiteurs de kinase est présenté. Une force de cette méthode est sa capacité à comparer l’activité des inhibiteurs de kinase à travers les protéines multiples, soit entre différentes kinases ou différentes variantes de la même kinase. Des microréseaux de protéines auto-assemblés générés par l’expression de kinases protéiques par un système de transcription et de traduction in vitro (IVTT) à base humaine sont utilisés. Les protéines affichées sur le microarray sont actives, permettant de mesurer les effets des inhibiteurs de la kinase. La procédure suivante décrit les étapes du protocole en détail, de la génération de microréseaux et le dépistage à l’analyse des données.
Les kinases protéiques sont responsables de la phosphorylation de leurs cibles et peuvent moduler des voies moléculaires complexes qui contrôlent de nombreuses fonctions cellulaires (c.-à-d. prolifération cellulaire, différenciation, mort cellulaire et survie). La déréglementation de l’activité kinase est associée à plus de 400 maladies, faisant des inhibiteurs de la kinase l’une des principales classes de médicaments disponibles pour le traitement de plusieurs maladies, y compris le cancer, les troubles cardiovasculaires et neurologiques ainsi que les inflammatoires et les maladies auto-immunes1,2,3.
Avec l’avènement de la médecine de précision, l’identification de nouvelles thérapies, en particulier les inhibiteurs de la kinase, ont un grand attrait pharmaceutique et clinique. Plusieurs approches peuvent être utilisées pour l’identification de nouvelles paires possibles d’inhibiteurs de la kinase/kinase, y compris la conception de novo des inhibiteurs de la kinase et l’identification de nouvelles cibles pour les médicaments approuvés par la FDA. Ce dernier est particulièrement attrayant, puisque le temps et l’argent nécessaires à la mise en œuvre de ces médicaments dans les cliniques sont considérablement réduits en raison de la disponibilité des données d’essais cliniques antérieures. Un exemple canonique de la réutilisation d’un inhibiteur de kinase est l’imatinib, initialement conçu pour le traitement de la leucémie myélogène chronique (LMC) par l’inhibition de BCR-Abl, qui peut également être utilisé avec succès pour le traitement de c-Kit sur-exprimant tumeurs stromales gastro-intestinales (GISTs)4,5,6,7.
Le criblage des inhibiteurs de kinase peut être exécuté dans des essais contraignants ou des essais enzymatiques-basés. La première classe d’essais se concentre sur les interactions protéines-médicaments et peut fournir des informations telles que le site de ligature et l’affinité. Puisque l’activité de la kinase au moment de ces essais est inconnue, un certain nombre d’interactions peuvent être manquées ou faussement identifiées en raison des changements conformationnels dans la protéine. D’autre part, les essais à base d’enzymatiques exigent que les kinases protéiques soient actives et fournissent des informations précieuses sur l’effet de l’inhibiteur sur l’activité enzymatique, cependant, ce type de dépistage est généralement plus long et coûteux. À l’heure actuelle, les deux types d’essais sont disponibles dans le commerce auprès de plusieurs sources. Ils représentent une option fiable pour le dépistage des inhibiteurs de la kinase avec quelques limitations, y compris: I) la plupart des méthodes impliquent l’essai de kinases multiples individuellement, ce qui peut rendre le dépistage d’un grand ensemble de protéines coûteux; II) l’ensemble de kinases à tester se limite à une liste de kinases présélectionnées de type sauvage et à plusieurs versions mutées bien connues de certaines kinases, ce qui entrave l’essai de nombreux nouveaux isoformes mutés.
Dans ce contexte, les microréseaux protéiques sont une plate-forme puissante capable de surmonter certaines des limites présentées par les techniques disponibles dans le commerce. Il convient d’effectuer des essais à base d’enzymatiques dans le dépistage à haut débit à l’aide de protéines actives pleine longueur de toute séquence d’intérêt. Les microréseaux peuvent être générés par une approche auto-assemblée comme NAPPA (tableau de protéines programmables à l’acide nucléique), dans lequel les protéines sont exprimées juste à temps pour les essais, augmentant la probabilité que ceux affichés sur le tableau sont en effet actifs. Les protéines affichées sur NAPPA sont produites à l’aide de ribosomes d’origine humaine et de protéines chaperon afin d’améliorer la probabilité de pliage naturel et d’activité.
Les protéines sont initialement programmées en imprimant des cDNA codant pour les gènes d’intérêt fusionnés avec une étiquette de capture, avec un agent de capture, sur la surface du microarray. Les protéines sont ensuite produites sur les microréseaux à l’aide d’un système de transcription et de traduction in vitro (IVTT), et les protéines fraîchement exprimées sont immobilisées sur la surface du microréseau par l’agent de capture. Les tableaux NAPPA exprimés peuvent être utilisés pour l’étude des protéines affichées sur le tableau d’une manière impartiale et à haut débit8,9.
Auparavant, il a été démontré que les protéines affichées sur les tableaux NAPPA sont pliées correctement pour interagir avec des partenaires connus10; en outre, leur activité enzymatique a été exploitée pour la première fois en 2018, lorsqu’il a été démontré que les kinases protéiques affichées sur l’autophosphorylate microarray11. À ce jour, la méthodologie NAPPA a été utilisée pour de nombreuses applications distinctes, y compris la découverte de biomarqueurs12,13,14,15,16,17, interactions protéines-protéines10,18, identification de substrat19, et dépistage des médicaments11. Sa flexibilité est l’une des caractéristiques clés de la plate-forme qui permet de s’adapter à chaque application.
Ici, un protocole pour le criblage des inhibiteurs de kinase de tyrosine dans les tableaux auto-assemblés de NAPPA est présenté. La plate-forme est optimisée pour l’affichage des kinases actives de protéine humaine et pour l’analyse de l’activité de kinase de protéine, avec le fond bas et la gamme dynamique élevée. Parmi les modifications mises en œuvre pour utiliser nAPPA pour le dépistage des inhibiteurs de la kinase, mentionnons : I) les changements dans la chimie de l’impression, II) la déphosphorylation du microréseau protéique avant le criblage des inhibiteurs de la kinase, et III) l’optimisation de la détection de protéines phosphorylées sur le tableau. Ce protocole est le premier du genre et fournit des informations uniques sur l’étude kinase dans les microréseaux NAPPA.
Modifications et dépannage
Au cours de la phase d’optimisation de l’étude de l’activité kinase sur les tableaux NAPPA, l’une des principales sources de fond et de faible plage dynamique observée était le BSA utilisé sur le mélange d’impression. BSA fournissait les principales amines nécessaires pour croiser la surface de l’aminosilane et piégeait l’ADN et l’anticorps de capture sur place. Cependant, le BSA est fortement phosphorylé, ce qui rend difficile la détection du signal d’autophosphorylation sur le tableau au-dessus du bruit de fond. Pour résoudre ce problème, plusieurs alternatives pour BSA dans le mélange d’impression ont été testées, et la polylysine a été identifiée comme bon substitut. La polylysine n’a aucun site de phosphorylation; par conséquent, l’arrière-plan des tableaux non exprimés est très minime. De plus, les microréseaux imprimés en polylysine sont reproductibles et présentent de bons niveaux de protéines (figure 2).
La modification critique suivante effectuée sur l’analyse standard de NAPPA était l’addition d’une étape de traitement de Phosphatase/DNase. Le traitement des microréseaux avec de la phosphatase permet d’éliminer toute phosphorylation qui s’est produite dans le mélange IVTT lors de la synthèse et de la capture des protéines (Figure 3). La source de cette phosphorylation pourrait provenir de l’activité intrinsèque d’autophosphorylation ou de l’activité des kinases présentes dans le mélange IVTT. L’élimination de toute post-expression de phosphorylation a permis d’identifier facilement les kinases qui sont actives et peuvent subir une autophosphorylation (figure 3).
Étapes critiques du protocole
NAPPA est une technologie robuste, mais comme prévu, il ya plusieurs étapes critiques. La première est l’acquisition d’ADN de haute qualité dans la concentration appropriée. L’utilisation d’ADN de mauvaise qualité ou en faibles concentrations générera des microréseaux de mauvaise qualité, plusieurs caractéristiques n’étant pas exprimées et affichées dans les niveaux appropriés, ce qui diminuera le nombre de protéines analysées sur le tableau. La deuxième étape critique est l’expression des protéines sur le microarray. L’utilisation d’un système IVTT qui exprimera des niveaux élevés de protéines fonctionnelles est essentielle pour étudier l’activité kinase sur le tableau.
La prochaine étape critique sur le dépistage DelI est la façon dont les microréseaux sont gérés. Les microréseaux ne doivent pas sécher pendant n’importe quelle étape du protocole, et la manipulation douce est recommandée pour empêcher des rayures qui peuvent augmenter le signal de fond. Étant donné que les tableaux de toute l’expérience seront comparés les uns aux autres, il est important de s’assurer que chaque étape d’incubation est même sur toutes les diapositives. Par exemple, le temps nécessaire pour effectuer une étape dans un seul tableau doit être pris en considération lorsqu’un lot de 20 tableaux est traité pour prévenir les différences dans la durée d’incubation entre les tableaux.
Enfin, la conception de l’expérience et l’inclusion de contrôles positifs et négatifs sont essentielles pour le contrôle de la qualité et l’analyse des données. La première série de contrôles sont celles imprimées dans chaque tableau et comprend des contrôles négatifs [c.-à-d. des taches vides (sans aucun matériau imprimé), de l’eau ou un vecteur vide (n’exprimez que l’étiquette)], ainsi qu’un contrôle positif (c.-à-d. IgG purifié, qui est détecté par le anticorps secondaires et est inerte à l’altération des niveaux de phosphorylation). Collectivement, ils mesurent les niveaux de fond du microarray, le report possible lors de l’impression et l’intensité du signal de la méthode de détection.
La prochaine série de contrôles sont les contrôles de dépistage des médicaments et comprennent les microréseaux déphosphorylés et autophosphorylés (en présence ou en absence de DMSO). Comme mentionné précédemment, le microarray déphosphorylated mesure le niveau de phosphorylation après le traitement de phosphatase et donc le niveau de base pour toutes les autres expériences. Plus le niveau de base est bas, plus la plage dynamique des essais est élevée. Les tableaux autophosphorés présentent les niveaux maximums de phosphorylation de tous les tableaux et le signal doit être fort et clair. Il est utilisé pour l’analyse des données, mais aussi comme un contrôle que toutes les réactions ont été effectuées avec succès sur le tableau.
Limites de la technique
À partir de maintenant, l’une des limites du dépistage des médicaments présenté ici est sa capacité à dépister uniquement les kinases protéiques qui peuvent être autophosphorylated. Une façon possible de surmonter cela est d’imprimer un kinase et substrat connu au même endroit. La co-impression de l’ADN pour deux protéines distinctes a été accomplie avec succès15, suggérant la faisabilité de cette approche. En outre, la protéine affichée sur le tableau peut ne pas être pliée correctement résultant en une protéine inactive. L’utilisation du système d’expression basé sur l’homme a apporté une amélioration significative de l’activité kinase mesurée sur le tableau; cependant, certaines protéines ne peuvent toujours pas être analysées sur le tableau en raison de son inactivité.
Une deuxième limitation est la mesure de la phosphorylation à l’aide d’un anticorps pan antiphospho-tyr. En dépit de sa non-spécificité concernant le motif du site de phosphorylation, toutes les phosphorylations mesurées se sont produites sur des résidus de tyrosine, laissant derrière eux des serines et des thréonines et leurs kinases respectives. À ce jour, plus de 10 anticorps pan phospho-Ser/Thr ont été testés sans succès, malgré plusieurs tentatives pour optimiser les conditions d’incubation et de lavage. Un nouveau système de détection indépendant des anticorps peut être la meilleure option pour augmenter le nombre de kinases protéiques qui peuvent être dépistées pour l’inhibition des médicaments. Dans ce contexte, quelques options sont disponibles, y compris la radioactivité ou des approches chimiques comme la conjugaison par clic. Une série d’optimisations est nécessaire pour minimiser le signal d’arrière-plan et fournir une bonne plage dynamique pour les essais.
La troisième limitation est l’acquisition de clones d’ADNc à imprimer sur le tableau. Les clones d’ADNc peuvent être générés à l’aide de n’importe quelle technique de clonage, y compris des systèmes de recombinaison spécifiques au site, tels que Creator ou Gateway23. Une autre option est d’acheter les clones de la bibliothèque DNAsu, trouvé à lt;https://dnasu.org/DNASU/Home.do-gt;, où plus de 17.000 clones cDNAs, y compris l’ensemble du kinome humain, est facilement disponible pour être utilisé pour la construction de tableaux NAPPA24 .
La quatrième limite est que tous les laboratoires ne sont pas équipés d’équipements appropriés pour fabriquer et filtrer leurs propres tableaux NAPPA. Ce protocole fournit des méthodes alternatives pour générer l’ADN à imprimer sur le microréseau, sans avoir besoin d’équipement à haut débit, et des protocoles pour effectuer manuellement toutes les étapes d’hybridation. Cependant, l’accès à un scanner de tableau et de microarray est toujours nécessaire. Une option pour surmonter ce problème est d’utiliser le service de base NAPPA et l’installation, trouvé à lt;http://nappaproteinarray.org / ‘gt;, qui distribue personnalisé salan iemn à un prix académique à but non lucratif. Enfin, comme de toute méthode de dépistage, les données obtenues sur les tableaux sont susceptibles d’être des artefacts (positifs ou négatifs) et devraient donc être validées à l’aide d’analyses orthogonales.
Importance par rapport aux méthodes existantes
Plusieurs plates-formes sont disponibles dans le commerce pour le dépistage des kinases protéiques. Une approche couramment utilisée est l’analyse de liaison, qui peut être effectuée avec des fragments de protéines, domaine kinase, de plus grands fragments de protéines avec le domaine kinase et certaines régions de régulation, et même des protéines pleine longueur. Les protéines sont généralement exprimées dans les systèmes bactériens en raison du coût et de la simplicité dans les protocoles d’expression et de purification. L’interaction entre le médicament d’intérêt et la protéine est ensuite mesurée avec un certain type d’évaluation de rapport comme la fluorescence ou la présence d’étiquettes, par exemple. La principale limitation de cet ensemble d’approches est le fait que la protéine n’est pas nécessairement active lors de l’interaction avec le médicament, ce qui peut entraîner l’identification de fausses interactions positives et fausses et négatives. Les fragments de protéines sont particulièrement vulnérables aux changements dans la conformation et le manque d’activité et toutes les données obtenues doivent être validées à l’aide de protéines actives, de préférence sous leur forme intégrale. Une autre limitation de certaines plates-formes est la capacité de filtrer uniquement les analogues ATP, limitant son utilisation globale.
La plupart des services disponibles dans le commerce pour le dépistage des ITC à l’aide d’approches enzymatiques n’utilisent que des versions sauvages de la kinase d’intérêt, et parfois seulement quelques mutants sélectionnés. Sachant que la résistance aux médicaments est très fréquente chez les patients traités par TKI, il est important d’être en mesure de mesurer la réponse médicamentelle chez différents mutants, pour la sélection de l’inhibiteur le plus approprié. En raison de la nature de nAPPA, le criblage des mutants de kinase est simple et peut être facilement accompli, et le seul outil exigé est l’incorporation du mutant de kinase dans la collection de cDNA de NAPPA, qui peut être faite par mutagénèse spécifique au site, par exemple.
Applications futures
L’une des formes les plus courantes de traitement s’écoule ntlapse dans le traitement du cancer à l’aide d’inhibiteurs de la kinase est l’acquisition de mutations dans la cible médicamenteuse au cours d’un cours de traitement. Le dépistage de ces mutants concernant leur réponse aux inhibiteurs de la kinase est d’une importance vitale pour la sélection de la deuxième/troisième génération de TKIs afin d’obtenir un traitement personnalisé pour chaque patient. L’approche de dépistage des médicaments présentée ici, fournit une plate-forme de dépistage impartiale dans laquelle tout inhibiteur de la tyrosine kinase peut être testé contre un panel de kinases tyrosine présents dans le génome humain. Étant donné que les protéines affichées sur les tableaux NAPPA sont exprimées in vitro à partir de l’ADNc imprimé sur la diapositive, n’importe quelle variante mutante peut facilement être incorporée dans la collection d’ADNc pour être affichée sur le tableau. L’installation dans laquelle les mutants kinase peuvent être générés et exprimés sur le tableau, combiné avec la puissance à haut débit de la technique NAPPA, fournit un environnement unique pour l’étude des mutants kinase et leur réponse aux médicaments, ce qui rend NAPPA approprié pour dépistage personnalisé des médicaments, l’un des objectifs de la médecine de précision.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tient à remercier tout le monde au laboratoire de LaBaer pour leur aide et leurs critiques lors du développement du projet. Ce projet a été soutenu par la subvention des NIH U01CA117374, U01AI077883 et Virginia G. Piper Foundation.
Reagent/Material | |||
364 well plates (for arraying) | Genetix | x7020 | |
800 µL 96-well collection plate | Abgene | AB-0859 | |
96-pin device | Boekel | 140500 | |
Acetic Acid | Millipore-Sigma | 1.00066 | |
Acetone 99.9% | Millipore Sigma | 650501 | |
Aluminum seal for 96 well plates | VWR | 76004-236 | |
Aminosilane (3-aminopropyltriethoxysilane) | Pierce | 80370 | |
ANTI-FLAG M2 antibody produced in mouse | Millipore Sigma | F3165 | |
Anti-Flag rabbit Antibody (polyclonal) | Millipore Sigma | F7425 | |
ATP 10 mM | Cell Signaling | 9804S | |
β-Glycerophosphate disodium salt hydrate | Millipore-Sigma | G9422 | |
bacteriological agar | VWR | 97064-336 | |
Blocking Buffer | ThermoFisher/Pierce | 37535 | |
Brij 35 | ThermoFisher/Pierce | BP345-500 | |
BS3 (bis-sulfosuccinimidyl) | ThermoFisher/Pierce | 21580 | |
BSA (bovine serum albumin) | Millipore Sigma | A2153 | |
Coverslip 24 x 60 mm | VWR | 48393-106 | |
Cy3 AffiniPure Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 715-165-150 | |
DeepWell Block, case of 50 | ThermoFisher/AbGene | AB-0661 | |
DEPC water | Ambion | 9906 | |
DMSO (Dimethyl Sulfoxide) | Millipore-Sigma | D8418 | |
DNA-intercalating dye | Invitrogen | P11495 | |
DNase I | Millipore-Sigma | AMPD1-1KT | |
DTT | Millipore-Sigma | 43816 | |
EDTA | Millipore-Sigma | EDS | |
Ethanol 200 proof | Millipore-Sigma | E7023 | |
Filter plates | Millipore-Sigma | WHA77002804 | |
Gas Permeable Seals, box of 50 | ThermoFisher/AbGene | AB-0718 | |
Glass box | Wheaton | 900201 | |
Glass slides | VWR | 48300-047 | |
Glycerol | Millipore-Sigma | G5516 | |
HCl (Hydrochloric acid) | Millipore-Sigma | H1758 | |
HEPES Buffer Solution | Millipore-Sigma | 83264 | |
Human-based IVTT system | Thermo Scientific | 88882 | |
ImmunoPure Mouse IgG whole molecule | ThermoFisher/Pierce | 31202 | |
Isopropanol | Millipore-Sigma | I9516 | |
KCl (Potassium chloride) | Millipore-Sigma | P9333 | |
KH2PO4(Potassium phosphate monobasic) | Millipore-Sigma | P5655 | |
Kinase buffer | Cell Signaling | 9802 | |
KOAc (Potassium acetate) | Millipore-Sigma | P1190 | |
Lambda Protein Phosphatase | new england biolabs | P0753 | |
Lifterslips, 24 x 60 mm | ThermoFisher Scientific | 25X60I24789001LS | |
Metal 30-slide rack with no handles | Wheaton | 900234 | |
MgCL2 (Magnesium chloride) | Millipore-Sigma | M8266 | |
Na3VO4 (Sodium orthovanadate) | Millipore-Sigma | S6508 | |
NaCl (Sodium Chloride) | Millipore-Sigma | S3014 | |
NaOAc (Sodium acetate) | Millipore-Sigma | S2889 | |
NaOH (Sodium hydroxide) | Millipore-Sigma | S8045 | |
NucleoBond Xtra Midi / Maxi | Macherey-Nagel | 740410.10 / 740414.10 | |
Nucleoprep Anion II | Macherey Nagel | 740503.1 | |
Phosphoric Acid | Millipore-Sigma | 79617 | |
Poly-L-Lysine Solution (0.01%) | Millipore-Sigma | A-005-C | |
Protein Phosphatase (Lambda) | New England Biolabs | P0753 | |
RNAse | Invitrogen | 12091021 | |
SDS (Sodium dodecyl sulfate) | Millipore-Sigma | L6026 | |
SDS (Sodium dodecyl sulfate) | Millipore-Sigma | 05030 | |
Sealing gasket | Grace Bio-Labs, Inc | 44904 | |
Silica packets | VWR | 100489-246 | |
Single well plate | ThermoFisher/Nalge Nunc | 242811 | |
Sodium acetate (3M, pH 5.5) | Millipore-Sigma | 71196 | |
TB media (Terrific Broth) | Millipore-Sigma | T0918 | |
Tris | IBI scientific | IB70144 | |
Triton X-100 | Millipore-Sigma | T8787 | |
Tryptone | Millipore-Sigma | T7293 | |
Tween 20 | Millipore-Sigma | P9416 | |
Yeast Extract | Millipore-Sigma | Y1625 | |
Name | Company | Catalog number | Yorumlar |
Equipments | Maker/model | ||
Programmable chilling incubator | Torrey Pines IN30 Incubator with Cooling | ||
Shaker for bacterial growth | ATR Multitron shaker | ||
Vacuum manifold with liquid waste trap | MultiScreenVacuum Manifold 96 well | ||
96 well autopippetor/liquid handler | Genmate or Biomek FX | ||
Liquid dispenser | Wellmate | ||
DNA microarrayer | Genetix QArray2 | ||
Automatic hybridization station | Tecan HS4800 Pro Hybridization Station | ||
Microarray scanner | Tecan PowerScanner | ||
Microarray data quantification | Tecan Array-ProAnalyzer 6.3 |