Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
В данной работе мы описываем протоколы биофизической характеристики образования тройных комплексов, индуцированных протеолизом, нацеленным на химеры (PROTACS), в которых участвуют убиквитин-лигазы фон Хиппеля-Линдау E3-лигазы (VHL) и цереблона (CRBN). Биофизические методы, проиллюстрированные здесь, включают поверхностный плазмонный резонанс (SPR), биослойную интерферометрию (BLI) и изотермическую титрованную калориметрию (ITC).
Е3-лигазы и белки, предназначенные для деградации, могут быть индуцированы для образования комплексов гетеробифункциональными молекулами в многоступенчатом процессе. Кинетика и термодинамика взаимодействий способствуют эффективности убиквитинирования и, как следствие, деградации белка. Биофизические методы, такие как поверхностный плазмонный резонанс (SPR), биослойная интерферометрия (BLI) и изотермическая титровательная калориметрия (ITC), предоставляют ценную информацию, которую можно использовать для оптимизации этих взаимодействий. С помощью двух модельных систем был создан биофизический инструментарий для понимания кооперативности формирования тройных комплексов и влияния «эффекта крюка» на кинетику связывания. В одном случае был оценен протеолиз, нацеленный на молекулу химеры (PROTAC), которая индуцировала образование тройного комплекса между Brd4BD2 и VHL. Гетеробифункциональная молекула MZ1 обладает нМ сродством как к белку Brd4BD2 (SPR K D = 1 нМ, ITC K D = 4 нМ), так и к комплексу VHL (SPR K D = 29 нМ, ИТК K D = 66 нМ). Для этой системы были разработаны надежные анализы SPR, BLI и ITC, которые воспроизводили опубликованные результаты, демонстрирующие кооперативность образования тройных комплексов. В другом случае была изучена молекула, которая индуцировала тройные комплексы между белком PPM1D с молекулярной массой 46,0 кДа и цереблоном [CRBN (319-442)]. Гетеробифункциональная молекула BRD-5110 имеет SPR KD = 1 нМ для PPM1D, но гораздо более слабое связывание с усеченным комплексом CRBN (319-442) (SPR KD= ~ 3 мкМ). В этом случае связывание CRBN в SPR не насыщалось, что приводило к «хуковому эффекту». Была проведена оценка требований к пропускной способности и реагентам для SPR, BLI и ITC, а также даны общие рекомендации по их применению к проектам PROTAC.
Полиубиквитинирование белков в клетке является жестко регулируемым процессом, в котором участвуют ферменты семейства убиквитин-лигаз 1,2. Концевыми ферментами в этом пути являются убиквитин-лигазы E3, которые ковалентно присоединяют молекулы убиквитина к своим белок-связывающим партнерам3. Полиубиквитинирование этих партнеров, связывающих белки, нацелено на их протеолитическую деградацию протеасомой4. Эта система является частью процесса белкового гомеостаза, который был терапевтически использован для индукции деградации белков, участвующих в заболевании5. Малые молекулы, которые индуцируют взаимодействие между убиквитин-лигазами E3, такие как E3-лигаза фон Хиппеля-Линдау (VHL) или церебблон (CRBN), обычно состоят из боеголовки, связывающей E3-лигазу, соединенной гибким линкером с боеголовкой, которая связывается с белком, предназначенным для деградации. Эти гетеробифункциональные молекулы обычно называют протеолизом, нацеленным на химеры, или PROTACS6.
Разработка PROTACS включает в себя оценку способности молекул индуцировать деградацию белков в клетках. Было разработано множество систем клеточного анализа, которые отслеживают индуцированное взаимодействие между белком-мишенью и компонентами E3-лигазы, такими как VHL или CRBN, при обработке клеток молекулой PROTAC. Один из таких клеточных анализов, система nanoluc-Halotag7, включает в себя E3-лигазу, сплавленную с акцептором Halotag, и белок-мишень, помеченный донором нанолюка. Образование тройного комплекса сближает донор нанолюка и акцептор галотага, что позволяет передавать энергию от донора к акцептору, что приводит к излучению света. Вариации этой системы могут быть использованы для оценки клеточной проницаемости молекул PROTACS8 или изменения относительного уровня убиквитинирования целевого белка9. В то время как эти клеточные системы необходимы для оптимизации PROTACS, образование комплексов между E3-лигазами и белками, предназначенными для деградации, является многоступенчатымпроцессом. Кинетика и термодинамика бинарных и троичных взаимодействий способствуют эффективному убиквитинированию и, как следствие, деградации белка12,13,14.
Описаны протоколы, которые могут быть адаптированы для биофизической характеристики образования тройных комплексов, индуцированных PROTACS, с использованием поверхностного плазмонного резонанса (SPR), биослойной интерферометрии (BLI) и изотермической титрующей калориметрии (ITC). Протоколы SPR и ITC для молекулы MZ1 PROTAC, которая индуцирует образование тройных комплексов между Brd4BD2 и VHL, полученные из литературных сообщений13,15 и описанные здесь, позволили повторить полученные результаты с некоторой модификацией описанных процедур, которые будут обсуждаться. В настоящий отчет включено описание анализа BLI, используемого для оценки образования тройного комплекса между MZI, Brd4,BD2 и VHL. Измерения сродства с помощью BLI согласуются с теми, которые наблюдались в SPR и ITC. Также описан ранее опубликованный протокол, в котором был разработан SPR-анализ для оценки образования тройного комплекса, индуцированного PROTAC, между PPM1D, протеинфосфатазой Ser/Thr, экспрессия которой индуцируется p53-зависимым образом16, и CRBN. В этом случае молекула PROTAC имеет наномолярное сродство к PPM1D и только микромолярное сродство к CRBN. В этом случае связывание молекулы PROTAC с CRBN не является насыщаемым, что приводит к часто наблюдаемому «эффекту крюка». Крюковый эффект является свойством трех систем организма, в которых есть два вида, которые могут образовывать гетеротримерный комплекс, когда оба связаны с молекулой-мостом (рис. 1)17. Эффект крючка наблюдается, когда перемычка находится в избыточной концентрации по сравнению с двумя другими видами. Результирующее состояние — это состояние, в котором бинарные взаимодействия вытесняют троичные взаимодействия. Системы, в которых наблюдается эффект крюка, требуют специальных соображений по планированию экспериментов, обсуждаемых в этом отчете. Приведены общие понятия и требования к реагентам для оценки использования биофизических анализов для оценки образования тройных комплексов, индуцированных PROTAC.
Все белки были гиперэкспрессированы в E.coli с хорошей продуктивностью и чистотой (>80%) в соответствии с литературными протоколами18. Биотинилирование проводили с помощью BirA-катализируемой реакции18. Все малые молекулы получали в исходных растворах 1 мМ в 100% ДМСО. Процедуры, описанные в настоящем документе, не требуют специального лабораторного оборудования или мер предосторожности. Следует использовать стандартные лабораторные средства индивидуальной защиты (СИЗ) (например, лабораторный халат, защитные очки и перчатки).
Белки, применяемые в этом исследовании, перечислены ниже:
VHL: биотинилированный комплекс VHL(53-213)/ElonginB (1-104)/ElonginC(17-112) с Avi-меткой на С-конце ElonginB.
Brd4BD2: немаркированный Brd4BD2(333-460)
CRBN: биотинилированный CRBN(319-442) с Avi-меткой на N-конце
PPM1D: немаркированный или двойной тег His8 PPM1D(1-420) на конце N
Ниже перечислены малые молекулы, примененные в этом исследовании:
MZ1 (МВт = 1002,6 Да): PROTAC, который связывается с VHL и Brd4BD2
BRD-2512 (MW = 841,4 Da): CRBN K D ~3 мкМ, не связывается с PPM1D
BRD-5110 (МВт = 872,0 Да): CRBN K D ~3 мкМ, PPM1D KD = 1-2 нМ
BRD-4761 (MW = 476,6 Da): не связывается с CRBN, PPM1D KD = 1-2 нМ
1. Метод 1: ITC (изотермическая титрование, калориметрия)
ПРИМЕЧАНИЕ: Титрование проводится с помощью микрокалориметра с автоматическим введением.
2. Метод 2: BLI (биослойная интерферометрия)
3. Способ 3: SPR (поверхностный плазмонный резонанс)
ПРИМЕЧАНИЕ: Все эксперименты SPR проводятся с использованием сенсорных чипов с покрытием из стрептавидина (SA) на RT. Несмотря на то, что чип NTA используется для детектирования между белком и малыми молекулами, его следует использовать с осторожностью при применении к тройному комплексу, так как наблюдается гораздо более высокий фон, чем у SA-чипа, возможно, из-за электростатических взаимодействий между поверхностью заряженного чипа и белком в анализируемом веществе.
Характеристику бинарного комплекса VHL:MZ1 и тройного комплекса VHL:MZ1:Brd4BD2 можно найти на рисунке 2 (ITC), рисунке 3 (BLI) и рисунке 4 (SPR) с использованием очень похожего буфера. K D, извлеченный из ортогональных анализов, является последо...
Биофизическая характеристика бинарных и троичных взаимодействий между молекулами PROTAC и их партнерами по связыванию с белками может дать уникальную и дополняющую информацию о широко используемых клеточных системах. Понимание сродства между каждой боеголовкой молекулы PROTAC и ее партн?...
Авторы не имеют конкурирующих финансовых интересов или иных конфликтов интересов.
Эта работа была поддержана премией за инновации и развитие технологий от Центра развития терапии при Институте Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда. Авторы хотели бы поблагодарить членов высшего руководства и комитет по рассмотрению за поддержку этой работы.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
96-plate | Greiner | 655076 | flat-bottom, black plates used In BLI experiments |
96-well plate | Nunc | 73520-120 | Plate use for ITC sample preparation |
96-well plate | Greiner | 650101 | Plate used to prepare samples for SPR experiments |
Auto iTC200 micro-calorimeter | Malvern Panalytical | Instrument used to perform ITC experiments. Product discontinued. | |
Biacore S200 | Cytiva | 29136649 | Instrument used to perform SPR experiments |
MZ1 | ProbeChem | PC-60099 | PROTAC that binds to VHL and Brd4BD2 |
NTA sensor chip | Cytiva | BR100532 | SPR chip used to perform SPR experiments involving PPM1D |
Octet Red-384 | Sartorius | Instrument used to perform BLI experiments. Product discontinued. | |
Plate cover | Malvern | PQA0001 | Cover for Nunc 96-well plate (73520-120) |
Plate cover | Cytiva | 28975816 | Plate cover for Greiner plate (650101) |
Series S SA sensor chip | Cytiva | BR100531 | SPR chip used to perform SPR experiments involving MZ1:VHL:BRD4 |
Streptavidin (SA) Dip and Read Biosensors | Sartorius | 18-509 | Coated sensors used in BLI experiments |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены