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Method Article
화학 유전학은 표적 유전자좌에서 다른 곁사슬을 포함하는 아미노산으로 게이트키퍼 잔기를 치환하는 것을 포함합니다. 여기에서 우리는 cdpk1 의 hypomorphic 대립 유전자를 포함하는 돌연변이 기생충을 생성하고 돌연변이 배경에서 기생충이 채택한 보상 경로를 확인했습니다.
말라리아 기생충에 의한 약물의 효과를 파괴하는 메커니즘 중 하나는 전사체의 재배선을 통해서입니다. 이 효과는 다유전자군에 속하는 표적 유전자에서 더 두드러집니다. CDPK 계열에 속하는 Plasmodium falciparum 단백질 키나아제는 혈액 병기 발달에 필수적입니다. 따라서 CDPK는 항말라리아 화합물 개발을 위한 좋은 대상으로 간주됩니다. 화학 유전학 접근법은 역사적으로 고등 진핵생물에서 단백질 키나아제의 기능을 규명하는 데 사용되어 왔습니다. 유전자 조작을 통해 다른 곁사슬을 가진 다른 아미노산을 게이트키퍼 잔기로 대체해야 합니다. 게이트키퍼 위치에서의 아미노산 치환은 단백질 키나아제의 활성을 조절하고 표적 유전자의 기능적 식별을 돕는 범프 키나아제 억제제(BKI)로 알려진 특정 종류의 화합물에 대한 감수성을 변화시킵니다. 여기에서 우리는 cdpk1의 hypomorphic 대립 유전자를 보유하는 돌연변이 기생충에 의해 진화 된 보상 메커니즘을 이해하기 위해 화학 유전학 접근 방식을 활용했습니다. 전반적으로, 우리의 접근법은 개별 키나아제에 대한 약물 내성의 발달을 방지하기 위해 동시에 표적화될 수 있는 보상 경로를 식별하는 데 도움이 됩니다.
말라리아는 매년 수백만 명의 사망을 초래하는 주요 전염병 중 하나이며, 특히 5세 미만의 어린이는1세를 기록하고 있습니다. 임상적으로 이용 가능한 말라리아 백신은 없습니다. 더욱이 가장 치명적인 인간 말라리아 기생충인 플라스모디움 팔시파룸(Plasmodium falciparum)은 아르테미시닌 2,3,4,5라는 최전선 약물에 대한 내성을 획득한 것으로 알려져 있습니다. 아르테미시닌 내성의 전 세계적 확산을 방지하기 위해 신속하게 배포할 수 있는 새로운 약물 표적과 새로운 전략을 식별하는 것이 시급합니다. 약물 작용 메커니즘과 보상 경로의 분자적 기초에 대한 더 나은 이해는 약물 내성 발생을 피하기 위한 더 나은 전략을 고안하는 데 도움이 될 수 있습니다.
칼슘 의존성 단백질 키나아제(Calcium Dependent Protein Kinase, CDPK) 계열에 속하는 단백질 키나아제(protein kinase)는 적혈구, 성기, 적혈구 전 단계(pre-erythrocytic stage) 동안 기생충 발달의 여러 단계에서 매우 중요하다6. P의 무성 복제 중. falciparum, CDPK5는 성숙한 schizonts에서 merozoites의 출구에 중요한 역할을하는 것으로 알려져 있습니다7. CDPK5의 조건부 결실은 정신분열증이 혈류로 merozoites를 방출하는 것을 허용하지 않으며, 이는 기생충의 죽음으로 이어집니다. CDPK5 매개 기생충 탈출의 분자 메커니즘은 완전히 이해되지 않았으며 단백질 키나아제 G(PKG)를 업스트림 조절인자로 포함하는 것으로 생각됩니다 7,8. CDPK7은 고리 단계 기생충이 영양류9로 성숙하는 데 필수적입니다. CDPK4는 CDPK과의 또 다른 구성원으로 모기의 성기 발달에 중요한 역할을 합니다. 그것은 편모 과정 동안 여러 단계에 관여하므로 자유롭고 운동성이 있는 남성 배우자 10,11,12,13의 형성에 중요합니다. CDPK1 인산화 성분 내막 복합체 및 rhoptry14,15. 또한, CDPK1의 조건부 결실은 RBC16의 침입에 관여하는 단백질의 저인산화(hypo-phosphorylation)를 초래합니다. CDPK1은 침입 과정 동안 정점 소기관의 배출을 조절하는 것으로 나타났다17. CDPK1은 또한 SERA5 프로테아제18을 인산화하여 감염된 적혈구에서 메로조이트의 탈출을 돕습니다. 인산화된 CDPK1은 우선적으로 메로조이트의 정점 말단에 국한되며, 여기서 침입 과정에 필요한 다른 기생충 단백질과 상호 작용할 수 있다19,20. CDPK1은 또한 수컷과 암컷 생식세포의 형성에 관여하는데, 이는 말라리아 전염과 모기 내 기생충의 성적 발달에 중요한 단계이다21.
화학 유전학 접근법은 역사적으로 포유류 키나아제22,23의 기능적 역할을 식별하는 데 사용되었습니다. 이 접근법은 게이트키퍼 위치의 잔류물을 다른 곁사슬의 아미노산으로 치환하는 방법을 활용합니다. 게이트키퍼 잔기의 변화는 인접한 ATP 포켓의 크기를 조절하며, 이는 다시 야생형에 비해 돌연변이 효소에 대한 범프 키나아제 억제제(BKI)라고 하는 화합물의 접근성을 변화시킵니다. 게이트키퍼 위치에서 부피가 큰 잔류물을 더 작은 잔류물로 치환하면 BKI에 접근할 수 있고, 역치환은 키나아제를 BKI에 내성을 갖도록 합니다. 몇몇 경우에, 게이트키퍼 잔기의 치환은 표적 효소의 키나아제 활성의 감소와 연관되어, 기능적 연구에 대한 변형을 용납할 수 없게 만든다24,25. 효소 활성에 대한 게이트키퍼 치환의 부정적 영향은 불내성 키나아제(25)의 두 번째 부위에서 억제 인자 돌연변이를 생성함으로써 역전될 수 있다. Apicomplexan 단백질 키나아제의 기능을 연구하기 위해 화학 유전학 접근법이 활용되었습니다. 더 작은 게이트키퍼 잔기를 함유하는 야생형 CDPK4는 bumped kinase 억제제 BKI-1 및 1294에 의해 선택적으로 억제되었으며, 이로 인해 남성 생식세포 형성 및 난포 발달이 차단되었습니다11,12. CDPK4의 작은 게이트키퍼 잔기를 부피가 큰 메티오닌 잔기로 치환하면 편모11에서 BKI 매개 억제가 감소했다. 말라리아 기생충과 밀접한 관련이 있는 Apicomplexan 기생충인 Toxoplasma gondii의 CDPK1은 tachyzoites26,27에 의한 숙주 세포의 운동성 및 침입에 관여하는 것으로 나타났습니다. 야생형 TgCDPK1의 더 작은 게이트키퍼 포켓을 이용하여 동물 모델에서 질병 발병을 감소시키는 특정 억제제를 설계했습니다28,29. P.의 참여 팔시파룸 후기 분열형 발달 및 배우자 형성에서 단백질 키나아제 G(PKG)는 특정 약리학적 억제제(30,31)를 사용하여 효소의 활성을 억제함으로써 입증되었습니다. 게이트키퍼 위치에서 트레오닌을 글루타민(T618Q)으로 치환하면 억제제에 대한 돌연변이 효소의 민감도가 크게 감소하여 정상적인 생식세포 형성 및 분열체-고리 진행이 발생했습니다30,31.
대부분의 이전 연구는 표적 키나아제 11,12,22,23,26,30,31의 기능적 특성 분석을 위해 화학 유전학 접근법을 사용했지만, 우리는 단백질 키나아제의 저형성 대립유전자를 품고 있는 기생충의 보상 메커니즘 발달을 이해하기 위해 이 접근법을 채택했습니다. 우리는 이전에 메티오닌 (T145M)으로 CDPK1의 야생형 게이트키퍼 잔기를 치환하면 돌연변이 효소32의 트랜스인산화 전위가 ~ 47% 감소한다는 것을 보여주었습니다. cdpk1의 hypomorphic 대립유전자(cdpk1t145m)를 포함하는 돌연변이 기생충은 다른 CDPK 패밀리 구성원의 전사 재배선에 의해 CDPK1의 감소된 활성에 대해 사전 적응됩니다. 우리는 이 전략이 필수 단백질 키나아제의 저형성 대립유전자를 포함하는 돌연변이 기생충의 보상 메커니즘을 설명하기 위해 일반적으로 사용될 수 있다고 믿습니다. 표적 키나아제의 기능을 부분적으로 보상하는 다른 키나아제는 개별 키나아제에 대한 약물 내성의 발달을 방지하기 위해 타겟 키나아제와 함께 동시에 억제될 수 있습니다. 이것은 말라리아 통제를 위한 더 나은 전략이 될 수 있습니다.
그만큼 P. falciparum 기생충 균주 (NF54)는 Alvaro Molina Cruz 21,32,33에서 수득하였다. 기생충 배양에 사용된 O+ 인간 적혈구는 인도 뉴델리의 로타리 혈액 센터에서 채취했습니다. 플라스미드 pL6eGFP 및 pUF1은 Jose-Juan Lopez-Rubio로부터 수득하였다. DSM267은 Margaret A. Phillips와 Pradipsinh K. Rathod로부터 입수하였다. WR99210 Jacobus Pharmaceutical Company에서 제공했습니다.
1. 대장균에서 재조합 CDPK1 발현을 위한 플라스미드 구축
2. E. coli에서 재조합 CDPK1 단백질의 발현 및 정제
3. 재조합 CDPK1 게이트키퍼 돌연변이 단백질 생성을 위한 부위 지정 돌연변이 유발
4. CDPK1의 In vitro kinase 활성 분석
참고: 재조합 야생형 CDPK1 및 게이트키퍼 돌연변이 단백질의 키나아제 활성은 Allen et al.34에 설명된 반합성 에피토프 태깅 접근법에 의해 평가됩니다.
5. in vitro kinase assay의 thio-phosphorylated products를 검출하기 위한 Western blot 분석
6.게이트키퍼 치환을 도입하기 위해cdpk1 locus를 타겟팅하기 위한 가이드 시퀀스 클로닝
참고: 20개의 뉴클레오티드의 가이드 서열은 수동 큐레이션으로 선택하고 다음 단계를 사용하여 BtgZI 부위의 pL6eGFP 플라스미드에서 클로닝했습니다.
7. Cas9 엔도뉴클레아제 제한 cdpk1 유전자좌의 수리를 위한 상동성 암의 클로닝
참고: 타겟 유전자좌에 도입될 SNP를 포함하는 상동성 암(homology arm)은 상업적으로 합성됩니다. 우리는 일반적으로 길이가 400-1000bp인 상동성 암을 사용합니다. 상동성 암(homology arm)은 원하는 SNP의 통합 후 변형된 유전자좌의 재절단을 방지하기 위해 가이드 RNA 영역 및 PAM에 조용한 돌연변이를 포함합니다. Met 또는 Ser 게이트키퍼 돌연변이와 침묵 돌연변이를 포함하는 상동성 암(CDPK1의 뉴클레오티드 133 - 553에 해당)은 AflII 및 SpeI 제한 부위 옆에 있습니다.
8. 말라리아 기생충 transfection을 위한 pL6CK1Met, pL6CK1Ser 및 pUF1 플라스미드 정제
9. transfection을 위한 Plasmodium falciparum의 시험관 내 배양 및 소르비톨 동기화
참고: 인간 적혈구(RBC)에서 P. falciparum in vitro 배양은 Trager 및 Jensen(36)이 설명한 방법에 따라 수행됩니다.
10. pL6CK1Met, pL6CK1Ser 및 pUF1 플라스미드를 이용한 고리 단계 기생충의 형질주입
참고: 다음 단계는 플라스미드 DNA를 가진 고리 단계 기생충의 직접 transfection에 사용됩니다.
11. cdpk1 locus의 원하는 변형을 가진 형질전환 기생충의 PCR 검증
12. 클론 유전자 변형 기생충을 얻기 위한 희석 제한
13. Real-Time PCR을 이용한 전사체 분석
재조합 WT CDPK1은 N-말단 글루타티온 S-전이효소(GST) 태그가 있는 융합 단백질로 발현되고 GST 친화성 크로마토그래피를 사용하여 정제됩니다. 정제된 CDPK1 단백질은 anti-CDPK1 및 anti-GST 항체를 사용하여 Western blot을 통해 검출되었습니다(그림 1). WT CDPK1의 트레오닌 게이트키퍼 잔기(T145)는 부위 지정 돌연변이 유발을 사용하여 각각 CDPK1T145M 및 CDPK1T145S 돌?...
cdpk1의 hypomorphic 대립 유전자를 포함하는 돌연변이 형질 전환 기생충의 생성은 재조합 효소를 사용한 시험관 내 키나아제 활성 데이터를 기반으로 합니다. 다른 gatekeeper 잔기를 가진 돌연변이 재조합 단백질을 가능한 한 많이 생성하는 것이 좋습니다. P. falciparum 게놈은 AT가 매우 풍부하기 때문에 E에서 재조합 단백질의 발현. 대장균은 코?...
저자는 이해 상충이 없습니다.
우리는 JNU 생명 과학 대학의 중앙 계측 시설을 통해 이용할 수 있는 지원과 시설을 인정합니다. AB에 대한 생명공학부(BT/PR28256/MED/29/1313/2018)의 재정 지원도 감사드립니다. pL6eGFP 및 pUF1 플라스미드를 제공해 주신 Jose-Juan Lopez-Rubio에게 감사드립니다. 연구비 지원 기관은 저작물 출판을 준비하고 결정하는 데 아무런 역할도 하지 않습니다. MS는 과학 및 산업 연구 위원회(Council for Scientific and Industrial Research)로부터 JRF-SRF Fellowship을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1x phosphate inhibitor cocktail | Sigma-Aldrich | 04906 845001 | |
AflII | NEB | R0520S | |
Albumax II | Gibco | 11021-037 | |
Anti-GST antibody | ThermoFisher Scientific | G7781 | |
Anti-Mouse HRP | Sigma-Aldrich | A4416 | |
Anti-Rabbit HRP | Sigma-Aldrich | A6154 | |
BamHI | NEB | R3136S | |
BtgZ1 | NEB | R0703S | |
Centrifuge | ThermoFisher Scientific | Sorvall legend micro 17R | |
Centrifuge ( For pelleting Bacterial cell) | ThermoFisher Scientific | Sorvall ST 8R | |
Centrifuge ( For pelleting/processing parasite) | ThermoFisher Scientific | Sorvall ST 8R (TX-400 rotor) | |
DpnI | NEB | RO1765 | |
D-Sorbitol | Sigma-Aldrich | S1876 | |
E. coli BLR(DE3) pLysS competent cells | Sigma-Aldrich | 69956 | |
E. coli DH5a Competent Cells | Takara Bio | 9057 | |
Electroporation Cuvettes, 0.2 cm gap | BioRad | 1652086 | |
Electroporator | BioRad | GenePulser Xcell | |
femtoLUCENTTM PLUS HRP chemiluminescent reagent | G-Bioscience | 7860-003 | |
Gentamicin | ThermoFisher Scientific | 15750078 | |
Giemsa Stain | Himedia | S011-100ML | |
Glutathione Sepharose 4B | GE Healthcare | 17075601 | |
HEPES, Free Acid | Merck | 391338 | |
Hypoxanthine | Merck | 4010CBC | |
In-fusion HD cloning Kit | Takara Bio | 1711641A | |
iQ SYBR Green Supermix | BioRad | 1708880EDU | |
MBP, dephosphorylated | Merck | 13-110 | |
NotI | NEB | R3189S | |
Nucleobond Xtra Maxi EF | Takara Bio | 740424 | |
NucleoSpin Gel and PCR clean-up Mini kit | Takara Bio | 740609 | |
Percoll | GE Healthcare | 17-0891-01 | |
p-nitrobenzyl mesylate (PNBM) | Abcam | Ab138910 | |
Primestar Max DNA Polymerase | Takara Bio | R045A | |
Protease inhibitor cocktail | Roche | 11836170001 | |
Qiaprep Spin Miniprep Kit | Qiagen | 27106 | |
QuikChange II XL site-directed mutagenesis kit | Agilent | 200521 | |
RNeasy Mini kit | Qiagen | 74104 | |
RPMI-1640 | ThermoFisher Scientific | 31800-105 | |
Saponin | Sigma-Aldrich | 47036 | |
Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | |
SpeI-HF | NEB | R3133S | |
SuperScript III First-Strand Synthesis kit | ThermoFisher Scientific | 18080-051 | |
T4 DNA Ligase | ThermoFisher Scientific | 15224017 | |
Thiophosphate ester antibody | Abcam | Ab92570 |
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