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Protein phosphorylation is a central feature of how cells interpret and respond to information in their extracellular milieu. Here, we present a high throughput screening protocol using kinases purified from mammalian cells to rapidly identify kinases that phosphorylate a substrate(s) of interest.
Wir haben ein Screening-Plattform zu dedizierten menschliche Proteinkinasen phosphoryliert für Substrate, die verwendet werden können, um neue Signaltransduktionswege aufzuklären identifizieren. Unsere Vorgehensweise bietet die Verwendung einer Bibliothek von gereinigtem GST-markiertes humanes Protein-Kinasen und ein rekombinantes Protein Substrat von Interesse. Wir haben diese Technologie ein Protein für die Beta-Zellproliferation erforderlich ist, sowie die verwendet werden, um MAP / Mikrotubuli-Affinität regulierenden Kinase 2 (Modell 2) als Kinase für eine Glucose-regulierten Website auf CREB-Regulated Transcriptional Koaktivator 2 (CRTC2) zu identifizieren, Axl Familie von Tyrosinkinasen als Regulatoren der Zellmetastasen durch Phosphorylierung des Adapterprotein ELMO. Wir beschreiben diese Technologie und diskutieren, wie sie helfen können, eine umfassende Karte, wie Zellen auf Reize aus der Umwelt zu etablieren.
Protein posttranslationale Modifikationen (PTMs) essentiell für die intrazelluläre Kommunikation. Vielleicht ist die am besten untersuchten aller PTMs ist Phosphorylierung durch Proteinkinasen, die eine Vielzahl von Proteinfunktionen, einschließlich ihrer biochemischen Aktivität, subzelluläre Lokalisierung, Konformation und Stabilität regulieren katalysiert. Die Identifizierung von Phosphorylierungsstellen auf Zielproteine können durch tryptische Phosphopeptid Kartierung oder jetzt Standard Proteomics Techniken unter Verwendung von Proben für die phosphorylierten Peptide 1,2 angereichert erreicht werden. Während drei Viertel der zum Ausdruck Proteom sollen phosphoryliert 3 und eine identifizierte 200.000 Phosphorylierungsstellen 5, wobei die Schätzungen bis zu 1 Mio. 6, viele von ihnen haben keine zugewiesenen Biologie, Signalwegs oder Proteinkinase.
Während Identifizierung der phosphorylierten Websites ist relativ einfach, eine vergleichsweise größere Herausforderung ist es,identifizieren die verwandten Kinase (n), dass diese Seiten abzielt, ein Prozess, wir als Mapping-Kinase: Substrat-Paare. Mehrere Ansätze zum Identifizieren von Kinase: Substrat-Paare beschrieben wurden, entweder ausgehend von einer Kinase von Interesse und der nach seiner Substrate oder beginnend mit einem Substrat von Interesse und zu versuchen, eine modifizierende Kinase experimentell 7-11 oder rechnerisch 12 finden. Kinasen für eine bekannte phosphorylierte Substrat identifizieren kann Bioinformatik verwendet, um Proteine, die eine kurze konservierte Aminosäuresequenz flankieren den phosphorylierten Rest (der Konsensusstelle), sowie die Identifizierung Kinasen, die einen präzipitierbaren Komplex mit dem Substrat enthalten identifizieren. Allerdings sind diese Ansätze zeitaufwendig und oft nicht von Erfolg gekrönt.
Wir entwickelten eine systematische funktionalen Ansatz schnell zu identifizieren Kinasen, die eine gegebene Substrat 13 phosphorylieren kann. Der Bildschirm Assay produziert hervorragende spezifischekeit, mit sehr klaren Auswahl für eine mögliche verwandte Kinasen. Angesichts der Zentralität der Phosphorylierung an biologischen Signal, der Bildschirm ist nützlich für die Entdeckung in nahezu allen Zellsignalwege 14-16. Der Bildschirm beinhaltet die Durchführung einer großen Kinase-Assay mit einer Bibliothek von menschlichen Proteinkinasen. Die Kinasen wurden mit bakteriellen Glutathion-S-Transferase (GST) -Protein, markiert worden und werden aus Säugetierzellextrakten gereinigt ist, was bedeutet, daß die rekombinanten Enzyme - im Gegensatz zu den aus Bakterien hergestellt, - in Gegenwart der vorgeschalteten Proteinkinasen oft die erforderliche erzeugten rekombinante Enzyme Aktivität haben in vitro. Tatsächlich, während Serin, Threonin und Tyrosin Kinaseaktivität für nachgeschaltete Kinaseaktivierung in Hefe 10 vorhanden sind, codiert das Hefegenom 122 Proteinkinasen, die anzeigt, dass die Säuger Kinoms, mit mehr als 500 Gene 17 ist wesentlich komplexer zu werden, um Regulate die Prozesse eindeutig höherer Ordnung Organismen. Darüber hinaus kann die Wirkung der relevanten Zellbiologie und menschlichen Erkrankungen (wie beispielsweise kleinen Molekülen, Wachstumsfaktoren, Hormone, etc.) verschiedene Reize zu 14,15 modulate Kinase-Aktivität in einem geeigneten Kontext eingesetzt werden.
1. Vorbereitung der Reagenzien, Platten und Zellen
2. Transfektion
Hinweis: Siehe Abbildung 1 für ein Flussdiagramm des gesamten Protokoll.
3. GST-Pulldown-Kinase
4. Laufsport, Färbung und Trocknung Gele
Hinweis: Alle Arbeiten sind in einem Gebiet durchgeführt werden DESIGNAted auf Radioaktivität.
5. Entwicklung XAR Films
Repräsentative Ergebnisse von einem Bildschirm werden in Abbildung 2 dargestellt. 180 Kinasen wurden unter Verwendung eines GST-tagged Peptidsubstrat entsprechend zu AS 268-283 von CRTC2 sowie klassischen Kinaseassays Substrat das basische Myelinprotein (MBP) gescreent. Nur zwei Kinasen, MARK2 und die eng verwandte Kinase phosphoryliert das MARK3 CRTC2 Peptids. MBP ist als eine interne Kontrolle in allen Assays eingeschlossen, da es enthält viele phosphorylierbare Reste und läuft bei 18 kDa, in Richtung der Unterseite des Gels. Dies ermöglicht eine Interpretation der Spezifität: einige Kinase phosphoryliert wird kräftig ein Substrat und MBP. Der Hinweis ist, dass die Wells GST alleine (dh ohne die Kinase Kontrollen) enthalten reinigen immer eine endogene Kinaseaktivität, wodurch es immer Hintergrund Phosphorylierung in dem Assay. Während dies nicht ausschließen, dass die Phosphorylierung des Substrats ist real, legt es nahe, daß bei der in vitro-Setzen der Kinase kann weniger selektiv.Es ist besonders informativ, um mehrere Substrate unterschiedlicher MW Rückschlüsse auf Kinase-Substratspezifität zu ziehen sind.
Abbildung 1. Flussdiagramm, das wesentliche Schritte in Protokoll. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Beispiel Bildschirm Ergebnis. Autoradiographien eines Bildschirms der Version 1 der Bibliothek (180 menschliche Proteinkinasen) durchgeführt unter Verwendung von GST-Peptid-Substrat entsprechend zu AS 268-283 des Maus CRTC2 (von Jansson reproduziert et al., 2008). MBP, das basische Myelinprotein ist angegeben. Der hohe Grad der substrate Auswahl von verwandten Kinasen ist eine Funktion des Bildschirms. Jede Spur stellt die Reaktionsprodukte von einer verschiedenen Kinase-Assay. MARK3 (Gel 1) und MARK2 (Gel 16), die einzigen Kinasen zu TORC2 268-283 Peptid phosphorylieren, sind angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Seit den ursprünglichen Veröffentlichungen über den Ansatz 14,15 ist die ursprüngliche Bibliothek 180 GST-Kinasen wurden in 420 Mitglieder oder ~ 80% des menschlichen Protein Kinoms erweitert. Der erweiterte Bibliothek, die wie beschrieben Protokoll dauert 4-5 Tage und dann 1-4 Tage, um Filme zu entwickeln (wie dies notwendig erscheint), die durch die Verwendung von Phosphorimaging und digitale Signalverstärkung verkürzt werden konnte. Es gibt mehrere wichtige Schritte, bei denen darauf geachtet werden muss (siehe Abbildung 1 für die Übersicht über Protokoll). Erstens ist der gesunde Bestand von Zellen (Mykoplasmen freie, niemals zur Konfluenz während der Expansion zu erreichen, und mit Trypsin behandelt bei jedem Durchgang) während des Chargenexpansionsphase und in den 96-Well-Platten bei der Transfektion. Zellen sollten gleichmäßig ausgesät werden, und 80% konfluent, wenn die Transfektion erfolgt (Schritt 1.5).
Zweitens ist es ideal bei der Transfektion ein automatisiertes Flüssigkeitsspender zu verwenden, um die Lautstärke zu minimieren transfer Fehler, so Begrenzungskoeffizienten von Variationen ("cvs") zwischen den Wells. Für kleine Volumina, Einpassen der Spender mit einem kleineren Volumen Kassettengrenzen Reagenzienverlust aufgrund der reduzierten Totvolumina und erhöht die Dosiergenauigkeit. Der Behandlungsschritt mit Natrium Pervanadat, einer Pfanne Tyrosinphosphataseinhibitor wird als allgemeiner Anreiz zur Phosphorylierung von Zielkinasen erhöhen. Die Aufnahme von Calcium in diesem Schritt erhöht die Zell-Matrix-Adhäsion, verhindert Zellverlust durch Runden der Zahlen bei längerer Pervanadat Behandlung ausgelöst. Dieser Schritt sollte nur unter Einhaltung der 10-minütigen Inkubationszeit durchgeführt werden.
Drittens, für den Kinase-Assay selbst, gibt es verschiedene Überlegungen bei der Auswahl des rekombinanten Substrats: Peptide, Proteindomänen, oder intakte Proteine so groß wie 120 kDa können alle verwendet werden. Wenn eine spezifische Phosphorylierungsstelle ist bekanntlich ein Peptidsubstrat die geradlinige Ansatz, aber groß genug sein muss, um zu erkennen seinauf einem SDS-PAGE Gel. Somit können Peptidsubstrate mit GST fusioniert und gereinigt werden von den Bakterien bis ein MG von> 25 ergeben. Größere Proteine haben den Vorteil, daß sie wahrscheinlich gefaltet und ihre phosphorylierten Resten ausgesetzt, wie sie in der Zelle sein, doch sind mit dem Nachteil, dass sie zusätzliche Reste, die phosphoryliert werden kann und gibt Signal in dem Assay umfassen. Wir bevorzugen, um einen Bildschirm unter Benutzung einer Peptidsubstrat von 15-20 Aminosäuren einen Rückstand, der bekanntlich in vivo phosphoryliert werden und ist dafür bekannt, eine biologische Ereignis regulieren Umgebung besteht, wie dies macht Validierung der Kandidaten Kinasen vom Bildschirm sowohl in vitro und in vivo viel schneller.
Letzten, im Idealfall der Menge an Protein, Ansätze oder mehr als 1 & mgr; g pro Napf; dies natürlich variiert mit dem Molekulargewicht von dem Substrat. Weniger Protein pro Vertiefung kann sinn Treffer ergeben, aber die "mehr ist besser" gilt, wie es erhöht Signal: noise. Norm wird, sind nicht zu empfehlen, da Gradientengelen Gradientengelen knacken zu oft beim Trocknen. Nach Trocknung der Gele, Feststellung eines radioaktiven Signals gegenüber dem Hintergrund mit einem Geigerzähler gibt einen ausgezeichneten Erfolgsmeldung des Assays.
Der Bildschirm ist in vitro und weitere Komplexitätsebenen in vivo vorhanden ist, muss ein Kandidat-Kinase (n) für ein gegebenes Substrat in Zellen bestätigt werden. Insbesondere kann der Bildschirm ein Mitglied der Familie, die die biochemische Kapazität, um das Substrat in vitro phosphorylieren hat, aber doch nicht im gleichen Zelltyp oder in demselben subzellulären Kompartiment als Substrat exprimiert werden. Zum Beispiel, während MARK2 und MARK3 waren beide Treffer in einem Bildschirm für Kinase, CRTC2 auf Ser275 phosphorylieren konnten nur MARK2 gebildete Komplex mit dem Substrat in den Zellen 14. Im folgenden sind eine Reihe weiterer Experimente, die verwendet werden, um die physiologische Relevanz der Kandidat-Kinase zu bestätigen. First, Mobilitätsverschiebungen des Substrats, auf SDS-PAGE folgenden Coexpression des Kandidaten Kinase kann als Bestätigungssteuerung verwendet werden. Geeignete Kontrollen wie Co-Transfektion eines katalytisch inaktiven Kinase kann Spezifität zu bestätigen. Zweitens kann das Substrat aus Zellextrakten, die mit 32 P-Orthophosphat eine katalytisch inaktive Kinase inkubiert wurden, um den Einbau von Phosphat in das Substrat in Gegenwart des Wildtyp zu bestätigen und nicht immungefällt werden. Drittens kann ein phosphospecific Antikörper gegen das phosphoacceptor Sequenz (falls bekannt) erzeugt und verwendet, um einen Anstieg der Substratphosphorylierung zu bestätigen, wenn die Kinase überexprimiert werden. Ein zweites Screening unter Verwendung eines Mutanten-Substrat, das eine nicht-phosphorylierten Rest an der Zielstelle kann Spezifität vor der Erzeugung eines phosphoantibody eine besonders wichtige Steuer mit größeren Domäne und Vollängenprotein Materialien zu prüfen. Pharmakologische Hemmung nähert, um einen Kandidaten zu hemmenDatum Kinase kann auch verwendet werden, jedoch ist Vorsicht geboten, wie die Hemmung der verwandten Kinasen ausgeübt wird, ist eine underappreciated Realität. Schließlich RNAi-vermittelte Silencing des Kandidaten-Kinase (n) in Zellen verfolgt und Western-Blotting zum Verlust der Zielstelle mit einer Phosphorylierung phosphospecific Antikörper Überwachung durchgeführt werden kann.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde vom NSERC Zuschuss unterstützt 386634. Wir möchten die Mitglieder des Screaton Lab für hilfreiche Diskussionen danken.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Lysis buffer | Made in house | See Protocol step 1.1 | |
10x kinase buffer | Made in house | See Protocol step 1.2 | |
10x M-ATP | Made in house | See Protocol step 1.3 | |
Human kinase plasmids | Orfeome, Invitrogen, Origene | GST-tagged in house | |
96 well plates | Fisher Scientific | CS003595 | |
293T cells | ATCC | CRL-11268 | |
DMEM | Fisher Scientific | SH3002201 | supplement with 100 U/ml penicillin, 100 μg/ml streptomycin, 10% fetal calf serum. |
CO2 incubator | Sanyo | MCO-17AIC | |
15 cm cell culture dishes | Fisher Scientific | 877224 | |
Reduced serum medium | Invitrogen | 22600-050 | |
Lipid-based transfection reagent | Invitrogen | 11668-019 | |
Automated liquid dispenser | Thermo Scientific | 5840300 | |
Small cassette attachment | Thermo Scientific | 24073295 | |
Standard cassette attachment | Thermo Scientific | 14072670 | |
4 mM pervanadate | Made in house | See Protocol step 3.1 | |
0.25 M CaCl2 | Made in house | ||
Multichannel pipette (20-200 μl) | Labnet | p4812-200 | |
Multichannel pipette (1-10 μl) | Thermo Scientific | 4661040 | |
V-bottom 6-well plates | Evergreen Scientific | 290-8116-01V | |
Glutathione coated 96-well plates | Fisher Scientific | PI-15240 | |
Hybridization oven | Biostad | 350355 | |
GST tagged substrate | Made in house | ||
Myelin Basic Protein (MBP) | Sigma | M1891 | |
Repeater pipette (1 ml) | Eppendorf | 22266209 | |
32P gamma-ATP | Perkin Elmer | BLU502Z500UC | |
2x SDS lysis buffer (100 ml) | Made in house | See Protocol step 1.4 | |
26-well precast TGX gels | BioRad | 567-1045 | gel percentage required is dependent on the molecular weight of the substrate of interest |
Coomassie stain | Made in house | 0.1% Coomassie R250, 10% acetic acid, 40% methanol | |
Coomassie destain | Made in house | 10% acetic acid, 20% methanol | |
Labeled gel containers | Made in house | Used plastic lids from empty tip boxes, just big enough to contain one gel | |
Whatman filter paper | Fisher Scientific | 57144 | |
Cellophane sheets (2) | BioRad | 165-0963 | |
Gel dryer | Labconco | 4330150 | |
Double emulsion autoradiography film | VWR | IB1651454 | |
Film cassette | Fisher Scientific | FBAC-1417 | |
Intensifying screen | Fisher Scientific | FBIS-1417 | |
Plate sealing rubber roller | Sigma | R1275 |
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