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여기에서는 필수 감광성 로돕신 발색단 11-시스-레티날을 생성하기 위한 전신 비타민 A 공급의 맥락에서 안구 및 전신 조직의 시각 기능 촉진에 관여하는 중요한 레티노이드를 검출하고 정량화하는 순상 고성능 액체 크로마토그래피 방법에 대해 설명합니다.
G 단백질 결합 수용체(GPCR)는 리간드와의 결합 시 G 단백질의 활성화를 통해 신호 캐스케이드를 시작하는 막관통 단백질의 슈퍼패밀리입니다. 모든 포유류의 시각에서 로돕신은 광전달 캐스케이드의 시작을 담당하는 GPCR입니다. 광수용체 내에서 로돕신은 발색단 11-시스-레티날에 결합되어 있으며 11-시스-레티널에서 모든 트랜스-레티널로의 빛에 민감한 이성질체를 통해 활성화되며, 이는 트랜스듀신 G 단백질을 활성화하여 광전달 캐스케이드를 일으킵니다.
광전달은 잘 알려져 있지만, 눈에서 11-시스-망막 생성을 위한 식이 비타민 A 전구체의 공급에 관여하는 과정과 이 공급의 중단을 초래하는 질병은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 비타민 A 전구체가 장으로 흡수되면 레티닐 에스테르로 간에 저장되고 레티놀 결합 단백질 4(RBP4)에 결합된 모든 트랜스 레티놀로 혈류로 방출됩니다. 이 순환 RBP4-레티놀은 간, 폐, 신장 및 눈과 같은 전신 장기에 흡수됩니다. 따라서 눈과 전신 장기에서 식이 비타민 A의 다양한 대사 산물을 정량화하는 방법은 적절한 로돕신 GPCR 기능을 연구하는 데 매우 중요합니다.
이 방법에서는 쥐 조직에서 비타민 A 분석을 위한 포괄적인 추출 및 분석 방법을 제시합니다. 순상, 고성능 액체 크로마토그래피 분석을 통해 레틴알데히드, 레티놀 및 레티닐 에스테르의 모든 관련 이성질체를 한 번의 실행으로 동시에 검출할 수 있으므로 실험 샘플을 효율적으로 사용할 수 있고 동일한 샘플 내의 다른 비타민 A 대사 산물에 대한 내부 신뢰성이 향상됩니다. 이 포괄적인 방법을 통해 조사관은 로돕신 GPCR 기능에서 전신 비타민 A 공급을 더 잘 평가할 수 있습니다.
G 단백질 결합 수용체(GPCR)는 가장 많이 연구되고 특성화된 단백질 슈퍼패밀리 중 하나입니다. 가장 잘 알려진 기능에서 GPCR은 신호 전달에서 세포 표면 수용체 역할을 하여 특정 리간드와 결합할 때 세포 내 반응을 초기화합니다. GPCR은 7개의 막관통(TM) 나선형 영역과 6개의 총 루프 영역을 특징으로 합니다. 6개의 고리 중 3개의 고리는 리간드 결합을 용이하게 하기 위해 세포 밖으로 배향되며, 다른 3개의 세포내 고리는 Gα, Gβ 및 Gγ 소단위 1,2로 구성된 이종 삼합체 G 단백질에 결합됩니다.
GPCR은 Class A Rhodopsin-Like, Class B Secretin Receptor family, Class C Glutamate, Class D Fungal Mating Pheromone Receptor, Class E Cyclic AMP receptor 및 Class F Frizzled/Smoothened 3,4를 포함한 여러 클래스로 분류됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 GPCR 로돕신과 같은 클래스 A 하위 클래스에는 광전달 및 시각 기능을 담당하는 중요한 GPCR인 로돕신이 포함됩니다. 로돕신은 앞서 언급한 7개의 TM 나선 영역, 6개의 세포외 및 세포내 루프, 광수용체 1,5,6,7에서 트랜스듀신(GT)으로도 알려진 이종삼합체 G 단백질과의 연관성을 포함하여 GPCR의 표준 모델에서 발견되는 모든 관련 주요 특성 및 구조적 요소를 포함합니다. 로돕신의 결합 포켓 내에서 빛에 민감한 발색단 리간드인 11-시스-레티날은 공유 Schiff 염기 결합을 통해 라이신 296의 로돕신에 결합하여 11-시스-레티닐리덴 1,8을 형성합니다. 광자가 흡수되면 11-cis-retinylidene 광이성질체가 all-trans-retinylidene으로 분해되어 로돕신 내에서 구조적 변화를 유도합니다. 따라서 11-시스-레티날 리간드는 로돕신 GPCR의 기능에 매우 중요하며, 광수용체 내의 높은 회전율을 극복하기 위해 11-시스-레티날의 견고하고 효율적인 공급을 지속적으로 유지해야 합니다.
11-시스-레티날과 같은 레틴알데히드는 레티노이드라고 통칭되는 분자 그룹에 속하며, 생물학적으로 관련성이 있는 레티노이드는 비타민 A로 더 널리 알려져 있습니다. 레티노이드는 공액 폴리엔 사슬에 연결된 고리형 말단기가 특징이며, 다른 쪽 끝에는 극성 말단기가 있습니다. 비타민 A의 레틴알데히드 및 관련 비타민체는 이러한 특성화에 예외가 아니며, 이들은 β-이오논 고리를 고리형 말단기, 디테르펜 폴리엔 사슬 및 비타머에 따라 다른 극성 말단기, 즉 레티알데히드에 대한 알데히드기, 레티놀에 대한 수산기, 레티노산에 대한 카르복실기, 레티닐 에스테르에 대한 에스테르 결합을 포함하고, 등(그림 1)9,10.
포유류는 비타민 A를 신생할 수 없지만 식물은 합성할 수 있습니다. 따라서 포유류 시스템 내의 모든 레티노이드는 식물 기반 생산자의 식단에서 먹이 사슬의 소비자에게 유래해야 합니다. 비타민 A 대사의 표준 모델에서, 전형적인 식물 프로비타민 A인 β-카로틴은 청소부 수용체 클래스 B, 구성원 1(SCARB1)을 통해 장내 장세포로 흡수되고, β-카로틴 산소효소 1(BCO1/BCMO1)에 의해 두 개의 모든 트랜스 망막 분자로 절단되며, 이는 레틴알데히드 결합 단백질 2(RBP2)에 결합하고 all-trans로 환원됩니다-레티놀 탈수소 효소 (RDH)에 의한 레티놀, 레시틴 레티놀 아실 전이 효소 (LRAT)에 의해 레티 닐 에스테르로 변환 된 다음 chylomicrons 11,12,13,14의 혈류로 보내집니다. 반면에 레티닐 팔미테이트와 같은 레티닐 에스테르는 동물성 원료에서 추출한 주요 프로비타민 A 역할을 합니다. 장 내강에서 나온 레티닐 팔미테이트는 카르복실에스테라아제 1(CES1)에 의해 올-트랜스-레티놀로 가수분해되어 장 장세포(15)로 확산된다. 간은 비타민 A 항상성의 주요 저장 및 항상성 기관으로, 이러한 chylomicrons 내의 레티닐 에스테르를 흡수하며, 이는 레티닐 에스테르 가수분해효소에 의해 세포 레티놀 결합 단백질 1(CRBP1)에 결합된 모든 트랜스 레티놀로 가수분해되고, 간 성상 세포로 들어가 LRAT에 의해 다시 레티닐 에스테르로 전환되어 저장됩니다13,16, 17. 유기체에서 비타민 A의 항상성 수준을 유지하기 위해 간은 레티놀 결합 단백질 4(RBP4)와 트랜스티레틴(TTR)으로 구성된 혈청 수송 복합체에 결합된 모든 트랜스 레티놀 형태로 비타민 A를 방출합니다15,18,19. 이 복합체는 이 원고에서 holo-RBP4로 지칭됩니다.
혈액 내 이러한 전신 비타민 A 공급을 이용하려면 비타민 A의 강력한 공급원이 유지되는 안구 조직을 포함한 전신 조직이 holo-RBP4를 조직 내로 흡수하는 방법을 가지고 있어야 합니다. 안구 조직의 광수용체가 풍부한 망막 내에서 레티노산 6(STRA6)에 의해 자극된 막 수용체는 이 기능과 관련된 수송체입니다. 기계론적 연구에서 STRA6는 holo-RBP4에서 RPE20으로의 세포외 all-trans-retinol의 섭취를 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이렇게 수입된 all-trans-retinol은 모든 trans-retinol이 RPE와 광수용체 외부 세그먼트 내에서 11-cis-retinal로 전환되는 과정인 시각 주기에 진입하여 로돕신 9,21에 결합할 때 시각 기능을 촉진합니다.
순환성 holo-RBP4의 all-trans-retinol이 STRA6를 통해 혈액-망막 장벽을 통과하여 안구 조직 내의 RPE로 들어가면, RPE의 all-trans-retinol은 먼저 LRAT에 의해 레티닐 에스테르로 에스테르화된 다음 망막 색소 상피 특이적 65kDa 단백질(RPE65)에 의해 11-시스-레티놀로 가수분해됩니다. 11-시스-레티놀은 레티놀 탈수소효소 5에 의해 11-시스-레티날로 전환됩니다. 이 11-시스-레티널은 그런 다음 광수용체 간 레티노이드 결합 단백질(IRBP)9,21에 의해 광수용체의 바깥쪽 분절(OS)로 운반됩니다. 외부 핵층(ONL) 내의 광수용체 핵을 둘러싸고 있는 소포체 내에서 옵신 GPCR은 합성되어 연결된 섬모(CC)를 통해 운반됩니다. CC를 가로지르는 이러한 수송에 관여하는 운동 단백질은 논쟁의 여지가 있지만, 현재의 가설은 kinesin 및 dynein-based intraflagellar transport (IFT) 또는 myosin-based transport가 이 과정의 촉진자일 가능성이 있다고 주장합니다 14,22,23,24,25,26. 이 두 구성 요소가 OS 내의 막질 디스크 내에서 만나면 11-cis-retinal 및 opsin은 로돕신의 lysine 196에서 Schiff 염기 공유 결합을 통해 11-cis-retinylidene을 형성하여 phototransduction8을 준비합니다.
망막의 RPE 내에서 STRA6의 발현은 holo-RBP4로부터 all-trans-retinol의 섭취를 촉진하는 데 도움이 되지만, STRA6는 비타민 A의 주요 항상성 기관으로서의 역할과 holo-RBP4 15,19,27,28로부터 all-trans-retinol을 섭취하는 능력을 보임에도 불구하고 간에서 발현되지 않는 것으로 밝혀졌습니다. 29,30,31. 결국, 레티놀 결합 단백질 4 수용체 2(RBPR2)라는 유사한 수용체가 발견되었으며, STRA6와 마찬가지로 holo-RBP4에서 all-trans-retinol을 섭취할 수 있는 능력을 보이지만 간 조직32에서 발현됩니다.
따라서 시각 기능에서 로돕신의 역할을 완전히 이해하려면 시각 색소의 재생으로 절정에 이르는 생물학적 과정에 대한 이해가 필요합니다. 이는 프로비타민 A 전구체의 대사, 간 내 저장, 간에서 holo-RBP4 방출, STRA6 및 RBPR2 막 수용체를 통한 holo-RBP4의 최종 흡수를 포함하여 앞서 설명한 과정과 밀접한 관련이 있습니다. 위에서 언급했듯이 마우스와 같은 동물 모델은 이러한 과정 연구에서 최고의 모델 중 하나로 남아 있습니다. 따라서 쥐 조직에서 레티노이드를 추출하는 방법과 이러한 레티노이드를 검출하고 정량화할 수 있는 순상 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 방법을 제시하고자 합니다. 이러한 방법을 사용하면 11-cis-retinal rhodopsin 리간드 또는 main transport retinoid all-trans-retinol과 같이 위에서 설명한 중요한 레티노이드를 안구, 간 및 전신 기관에서 분석할 수 있습니다. 쥐 조직에서의 레티노이드 공급을 평가함으로써, 레티노이드의 물류 공급과 관련된 질병 상태 및 병리학에 대한 우리의 이해는 더욱 발전될 수 있습니다.
레티노이드는 옵신 GPCR과의 연계를 통해 시각 기능에서 발색단으로 기능하는 것 외에도, DNA 및 조절된 유전자 전사에 직접 결합하는 핵 수용체의 두 가지 계열인 레티노산 수용체(RAR)와 레티노이드 X 수용체(RXR)에 의해 촉진되는 레티노산 신호 전달을 통한 포유류 세포 신호 전달에도 중요한 역할을 합니다33. 이 두 계열 또는 수용체는 모두 레티노산 형태의 레티노이드를 리간드로 사용합니다. RAR은 all-trans-retinoic acid와 9-cis-retinoic acid 모두에 대해 친화력을 갖는 것으로 나타났지만 RXR은 9-cis-retinoic acid34,35에 대해서만 친화력을 나타냅니다. 조절되지 않은 양의 레티노산은 기형을 유발하며, 레티노산 신호전달은 매우 엄격하게 제어되어야 한다36. 신호전달을 위한 레티노산의 생산은 후뇌 및 사지 발달과 같이 조직의 적절한 발달을 위해 국소적으로 그리고 매우 특정한 시점에 이루어져야 하지만, 수많은 다른 예들이 레티노산 신호전달을 이용한다37,38. 레티노산 신호전달에 관여하는 세포 내에서 레티노산은 STRA6 또는 RBPR2에 의해 흡수된 레티놀을 레틴알데히드로 산화시키는 알코올/레티놀 탈수소효소(ADH/RDHs)와 레틴알데히드가 레티노산으로 산화되는 것을 촉진하는 레틴알데히드 탈수소효소(RALDHs)의 두 가지 효소 그룹에 의해 합성된다39. 레티노산은 GPCR 신호전달 자체에 관여하지 않지만, 신호전달 수용체의 리간드로 기능하는 중요한 레티노이드로 존재합니다.
여기에서 자세히 설명하지는 않지만, 식품 연구 및 미생물 로돕신 연구와 같은 다양한 상황에서 HPLC를 사용하여 이전에 확립된 레티노이드 검출 방법을 인정하고자 합니다. 이러한 방법은 레티노이드 검출에 대한 다양한 목표와 접근법을 사용하는데, 여기에는 휘발성과 위험이 적은 이동상(40,41,42)을 필요로 하는 역상 기법의 사용, 레티노산 및 관련 이성질체(40,41)의 검출, 다양한 생물학적 공급원(43)으로부터의 정제 및 추출이 포함된다. 당사의 분석법은 특히 포유류 조직에서 레티닐 팔미테이트, 레틴알데히드 이성질체 및 레티놀 이성질체를 검출하는 데 중점을 둡니다. 의도된 사용 사례가 이 특정 애플리케이션과 다른 경우 다른 프로토콜을 고려해야 합니다.
참고: 모든 동물 실험은 미네소타 대학의 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았으며 안과 및 시력 연구에서 동물 사용에 대한 ARVO 선언문에 따라 수행되었습니다. 조명을 위해 어두운 빨간색 조명 아래에서 모든 추출을 수행합니다. 기기 디스플레이와 액세서리 LED에서 방출되는 잔류광에 주의하십시오.
1. 분광광도계 레티노이드 표준 생성 및 외부 표준 곡선 생성
참고: HPLC로 분석하기 전에 레티노이드를 임시로 보관할 드라이아이스 용기를 준비하십시오.
2. 조직 채취 및 검체 채취
알림: 조직 균질화 및 레티노이드 추출 전에 조직을 임시로 보관할 드라이아이스 용기를 준비합니다. 권장되는 조직 수확량은 표 2에 자세히 설명되어 있습니다. 각 조직에 대한 혈액 함량의 변화로 인한 레티노이드 변이를 설명하기 위해, 조직 추출은 완전히 관류된 마우스에서 수행되어야 하며, 혈액 추출은 별도의 마우스에서 완료되어야 합니다.
3. 조직 균질화
참고: 큰 장기(예: 간 또는 폐 조직)와 같이 장기의 더 작은 분할을 분석하려는 경우 조직의 다른 부분에서 레티노이드 함량의 차이를 피하기 위해 전체 장기를 균질화해야 합니다. 대신, 더 적은 양의 조직이 필요한 경우 균질화를 분할합니다. 프로토콜의 회로도는 그림 2에 자세히 설명되어 있습니다. 이 수정된 프로토콜은 케인과 나폴리44에서 채택되었습니다.
4. 레티노이드 추출
주의: 헥산은 가연성이 높고 휘발성이 높으며 독성이 강합니다. 헥산을 취급할 때는 NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)에서 승인한 호흡기, 보안경, 부틸 장갑 및 흄 후드를 사용해야 합니다. 샘플에서 헥산을 증발시킬 때 용매 흄 축적을 방지하기 위해 향상된 공기 순환 장치(예: 스노클 흡입 장치)를 사용하는 것이 좋습니다.
5. 재현탁 및 HPLC 분석
참고: 이 원고에 사용된 HPLC 시스템은 2액 펌프 시스템이었기 때문에 4가지 성분으로 구성된 이동상을 작동 전에 단일 병에 미리 혼합했습니다.
주의: 이 방법에 사용된 4가지 유기 용제는 모두 가연성이 높고 휘발성이 높으며 독성이 높습니다. 1,4-디옥산은 산소에 노출되면 폭발성 과산화물 형성에 취약합니다. 사용하지 않을 때는 1,4-다이옥산이 들어 있는 모든 용기를 닫아 두십시오. NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)에서 승인한 호흡기, 보안경, 부틸 장갑 및 흄 후드를 사용할 때는 이러한 용제를 취급해야 합니다. HPLC에서 이러한 용매를 실행하는 동안, 용매 흄 축적을 방지하기 위해 일부 형태의 향상된 공기 순환 장치(예: 스노클 흡입 장치)를 사용하는 것이 권장됩니다.
6. 피크 식별 및 적분
여기에서는 위에서 설명한 방법을 활용하여 쥐 안구 및 전신 조직에서 레티노이드를 검출 및 정량화하고 대표적인 크로마토그램을 생성했습니다. 또한 이러한 조직에서 검출될 수 있는 일반적인 레티노이드에 대한 요약을 제공할 것입니다.
생후 6개월이 되었을 때, 생쥐는CO2 질식을 통해 안락사시켰다. 안구 레티노이드 함량을 유지하기 위?...
이 방법에서 순상 HPLC는 레티닐 에스테르, 레티닐알데히드 및 레티놀을 포함한 관련 레티노이드를 검출하고 정량화하는 데 사용됩니다. 로돕신 GPCR의 활성화에서 중요한 발색단으로서 11-시스-레티날의 중요성을 감안할 때, 11-시스-레티날의 생성과 관련된 대사 산물을 검출할 수 있는 방법은 전반적인 시각 기능 연구에 매우 중요합니다. 이 방법의 주요 장점...
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 연구는 NIH-NEI 보조금(EY030889 및 3R01EY030889-03S1)과 미네소타 대학의 G.P.L.에 대한 창업 자금의 지원을 받았습니다. 또한 이 원고에 사용된 11-cis-retinal 표준을 제공해 준 National Eye Institute에 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagent | |||
1-Octanol, suitable for HPLC, ≥99.5% | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma | 203-917-6 | |
1,4-Dioxane, suitable for HPLC, ≥99.5% | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma | 204-661-8 | |
11-cis-retinal | National Eye Institute | N/A | |
11-cis-Retinol | Toronto Research Chemicals | TRC-R252105 | |
13-cis-retinal | Toronto Research Chemicals | TRC-R239900 | |
13-cis-retinol | Toronto Research Chemicals | TRC-R252110 | |
All-trans-Retinal | Toronto Research Chemicals | TRC-R240000 | |
All-trans-Retinol | Toronto Research Chemicals | TRC-R252002 | |
Ethyl Acetate, suitable for HPLC, ≥99.7% | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma | 205-500-4 | |
Hexane, HPLC Grade | Fisher Scientific, Spectrum Chemical | 18-610-808 | |
Methanol (HPLC) | Fisher Scienctific | A452SK-4 | |
Retinyl Palmitate | Toronto Research Chemicals | TRC-R275450 | |
Sodium Chloride (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Scientific | S271-500 | |
Instruments | |||
1260 Infinity II Analytical Fraction Collector | Agilent | G1364F | |
1260 Infinity II Binary Pump | Agilent | G7112B | |
1260 Infinity II Diode Array Detector | Agilent | G7115A | |
1260 Infinity II Multicolumn Thermostat | Agilent | G7116A | |
1260 Infinity II Vialsampler | Agilent | G7129A | |
ST40R Refrigerated Centrifuge | Thermo Scientific | TSST40R | |
Vacufuge Plus Centrifuge Concentrator | Eppendorf | 22820168 | |
Consumables | |||
2 mL Amber Screw Top Vials | Agilent | 5188-6535 | |
Crimp Cap with PTFE/red rubber septa, 11 mm | Agilent | 5183-4498 | |
Disposable Glass Conical Centrifuge Tubes | Millipore Sigma | CLS9950215 | |
Screw cap tube, 15 mL | Sarstedt | 62.554.502 | |
Vial insert, 150 µL, glass with polymer feet | Agilent | 5183-2088 |
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