Name: nano-differential scanning fluorimetry for screening in fragment-based lead discovery
Uploaded: 2021-05-16T15:00:00
Duration: 6 min 26 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Nano-Differential Scanning Fluorimetry for Screening in Fragment-based Lead Discovery at JoVE.com

"עבודה זו נהנתה מגישה למתקן החלבון NKI, מרכז Instruct-ERIC. תמיכה כספית ניתנה על ידי iNEXT, מספר הפרויקט 653706, ו- iNEXT-Discovery, מספר הפרויקט 871037, במימון תוכנית Horizon 2020 של הנציבות האירופית".

<ol>
	<li>Hoffer, L., Muller, C., Roche, P., Morelli, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemistry-driven+hit-to-lead+optimization+guided+by+structure-based+approaches.">Chemistry-driven hit-to-lead optimization guided by structure-based approaches.</a> Molecular Informatics. 37 (9-10), 1800059 (2018).</li><li>Lamoree, B., Hubbard, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+perspectives+in+fragment-based+lead+discovery+(FBLD).">Current perspectives in fragment-based lead discovery (FBLD).</a> Essays in Biochemistry. 61 (5), 453-464 (2017).</li><li>Ress, D. C., Congreve, M., Murray, C. W., Carr, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fragment-based+lead+discovery.">Fragment-based lead discovery.</a> Nature Reviews Drug Discovery. 3 (8), 660-672 (2004).</li><li>Carr, R. A. E., Congreve, M., Murray, C. W., Rees, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fragment-based+lead+discovery:+Leads+by+design.">Fragment-based lead discovery: Leads by design.</a> Drug Discovery Today. 10 (14), 987-992 (2005).</li><li>Bradley, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+SGC+beyond+structural+genomics:+Redefining+the+role+of+3D+structures+by+coupling+genomic+stratification+with+fragment-based+discovery.">The SGC beyond structural genomics: Redefining the role of 3D structures by coupling genomic stratification with fragment-based discovery.</a> Essays in Biochemistry. 61 (5), 495-503 (2017).</li><li>Davies, T. G., Tickle, I. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fragment+screening+using+X-ray+crystallography.">Fragment screening using X-ray crystallography.</a> Topics in Current Chemistry. 317, 33-59 (2012).</li><li>Ma, R., Wang, P., Wu, J., Ruan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Process+of+fragment-based+lead+discovery+-+A+perspective+from+NMR.">Process of fragment-based lead discovery - A perspective from NMR.</a> Molecules. 21 (7), 854 (2016).</li><li>Troelsen, N. S., Clausen, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Library+design+strategies+to+accelerate+fragment-based+drug+discovery.">Library design strategies to accelerate fragment-based drug discovery.</a> Chemistry. 26 (50), 11391-11403 (2020).</li><li>Shi, Y., von Itzstein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+size+matters:+Diversity+for+fragment+library+design.">How size matters: Diversity for fragment library design.</a> Molecules. 24 (15), 2838 (2019).</li><li>Taylor, A., Doak, B. C., Scanlon, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+a+fragment-screening+library.">Design of a fragment-screening library.</a> Methods in Enzymology. 610, 97-115 (2018).</li><li>Cox, O. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+poised+fragment+library+enables+rapid+synthetic+expansion+yielding+the+first+reported+inhibitors+of+PHIP(2),+an+atypical+bromodomain.">A poised fragment library enables rapid synthetic expansion yielding the first reported inhibitors of PHIP(2), an atypical bromodomain.</a> Chemical Science. 7, 2322-2330 (2016).</li><li>Sreeramulu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NMR+quality+control+of+fragment+libraries+for+screening.">NMR quality control of fragment libraries for screening.</a> Journal of Biomolecular NMR. 74 (10-11), 555-563 (2020).</li><li>Pfaff, S. J., Chimenti, M. S., Kelly, M. J. S., Arkin, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+methods+for+identifying+fragment-based+inhibitors+of+protein-protein+interactions.">Biophysical methods for identifying fragment-based inhibitors of protein-protein interactions.</a> Methods in Molecular Biology. 1278, 587-613 (2015).</li><li>Fattori, D., Squarcia, A., Bartoli, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fragment-based+approach+to+drug+lead+discovery:+Overview+and+advances+in+various+techniques.">Fragment-based approach to drug lead discovery: Overview and advances in various techniques.</a> Drugs in R &amp; D. 9 (4), 217-227 (2008).</li><li>Winter, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+and+computational+fragment-based+approaches+to+targeting+protein-protein+interactions:+Applications+in+structure-guided+drug+discovery.">Biophysical and computational fragment-based approaches to targeting protein-protein interactions: Applications in structure-guided drug discovery.</a> Quarterly Reviews of Biophysics. 45 (4), 383-426 (2012).</li><li>Boelens, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=iNEXT:+a+European+facility+network+to+stimulate+translational+structural+biology.">iNEXT: a European facility network to stimulate translational structural biology.</a> FEBS Letters. 592 (12), 1909-1917 (2018).</li><li>Zhang, R., Monsma, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence-based+thermal+shift+assays.">Fluorescence-based thermal shift assays.</a> Current Opinion in Drug Discovery and Development. 13 (4), 389-402 (2010).</li><li>Boivin, S., Kozak, S., Meijers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+protein+purification+and+characterization+using+Thermofluor+screens.">Optimization of protein purification and characterization using Thermofluor screens.</a> Protein Expression and Purification. 91 (2), 192-206 (2013).</li><li>Martinez Molina, D., Nordlund, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+cellular+thermal+shift+assay:+a+novel+biophysical+assay+for+in+situ+drug+target+engagement+and+mechanistic+biomarker+studies.">The cellular thermal shift assay: a novel biophysical assay for in situ drug target engagement and mechanistic biomarker studies.</a> Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 56, 141-161 (2016).</li><li>Bruce, D., Cardew, E., Freitag-Pohl, S., Pohl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+to+stabilize+protein:+stability+screens+for+thermal+shift+assays+and+nano+differential+scanning+fluorimetry+in+the+Virus-X+Project.">How to stabilize protein: stability screens for thermal shift assays and nano differential scanning fluorimetry in the Virus-X Project.</a> Journal of Visualized Experiments JoVE. (144), e58666 (2019).</li></ol>

אין גילויים.

פרוטוקול זה מתאר שיטת תפוקה בינונית עד גבוהה להקרנת ספריות מקטעים באמצעות כמה רובוטיקה נפוצה וכלי מדידה. מסכים כמו אלה המתוארים בפרוטוקול זה יכולים להתבצע באופן שגרתי על ידי מתקן החלבון NKI באמסטרדם, למשל כשירות iNEXT-Discovery, לעתים קרובות אפילו בחינם למשתמשים לאחר יישום הצעה וביקורת עמיתים. במקרים כאלה, הספרייה DSi-Poised יכולה להיות מסופקת על ידי המתקן, אך ניתן לדון בשימוש בספריות אחרות גם בהקשר של כל יישום משתמש והסכם שירות שונים. בחירת המכשירים בפרוטוקול זה מייצגת פתרונות מעשיים למעבדות רבות, אך אין לראות בהן תקן זהב. שיטות ללא תוויות מומלצות למדידת היציבות התרמית של חלבון היעד להקרנת שברים, ולא בשיטות המשתמשות בתוויות רגישות לסביבה לאיתור התגלגלות בתרמוציקלופלר תגובת שרשרת פולימראז הפוך.
לשיטות ללא תוויות, כמו זו המוצגת כאן באמצעות מכשיר פרומתאוס, יש כמה יתרונות: הם משתמשים בכמויות נמוכות של חלבון, לעתים קרובות כמה סדרי גודל פחות; הם יכולים לשמש בו זמנית למדוד פיזור של המדגם ובכך צבירה; והתוויות המשמשות לזיהוי התגלות בגישות אחרות יכולות לקיים אינטראקציה שונה עם כל קטע, וכתוצאה מכך חפצים מדידה. פרוטוקול זה תואר בהקשר של רובוט יתוש, המאפשר pipetting של נפח קטן מאוד של מדגם (0.3 μL) כי לא ניתן לעשות באופן ידני. היתוש הוא רובוט פופולרי, נוכח במעבדות רבות עובד על ביולוגיה מבנית ופרויקטים גילוי סמים; עם זאת, הפרוטוקול יכול בבירור להשתמש בגישות חלופיות עבור pipetting בנפח נמוך.
ספריות קטעים מכילות תרכובות המומסות ב- DMSO. אחד האתגרים הראשוניים הוא למצוא את ריכוז DMSO האופטימלי שבו החלבון נשאר יציב, ואת התרכובות להישאר מסיס. זה כרוך בביצוע המדידות בריכוזים שונים של DMSO כדי לקבוע את התנאים האופטימליים להקרנה. החלבון כדי לפצל דילול בשימוש כאן תוצאות ריכוזי DMSO של 0.2%; רוב החלבונים יציבים למדי בתנאים אלה. כמות החלבון הנדרשת לביצוע ההקרנה לספרייה 768-מתחם הוא ~ 2-3 מ"ג בסך הכל, כמו המדידות מתבצעות בדרך כלל בריכוזים חלבון נמוך (0.2 מ"ג מ"ל-1). עבודה עם ריכוזי חלבון נמוכים יחסית לא רק מפחיתה את עלויות ייצור החלבון, אלא גם מפחיתה את הסיכויים למשפכי חלבון. ריכוז החלבון הנמוך אינו משפיע על זיהוי כריכת שברים, שכן ריכוז השברים בניסוי הוא ~ 2 mM, ומאפשר גם קלסרים חלשים להיות מזוהים.
מכיוון שגילוי המעבר הנמס בניסויים אלה מבוסס על עוצמת פלואורסצנטיות, היבט קריטי הוא לקבוע את כוח העירור של הלייזר שבו ניתן לבצע את המדידות. האינטראקציה של התרכובות עם החלבון יכול (i) אין השפעה על הפלואורסצנטיות המהותית שלה, (ii) לגרום מרווה, או (iii) להגדיל את הפלואורסצנטיות המהותית שלה. בנוסף לכך, עבודה עם ריכוזי חלבון נמוכים פירושה שספירת הפלואורסצנטיות של החלבון המקומי תהיה נמוכה. לכן יש להתאים את כוח העירור באופן כזה שניתן למדוד את רוב הדגימות. פרופיל הפיזור של כל ריצה מספק מידע חשוב אודות אפקטי הצבירה שעשויים להיות מופעלים על-ידי הוספת מקטע כלשהו. בנוסף, ההשפעה של טמפרטורה על מסיסות מתחם ניתן לראות גם על פרופיל הפיזור.
באופן בלתי צפוי, עבור תרכובות רבות נצפתה כי הפיזור דווקא ירד עם טמפרטורה עולה(איור 6). לכן חשוב להסתכל הן על עקומת המעבר ההיתוך והן על פרופיל הפיזור הנלווה כדי להחליט על האמינות של כל ניסוי, במיוחד עבור אותם שברים הנחשבים מועמדים למדידות תובעניות יותר על ידי קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן או ספקטרוסקופיית NMR, או אפילו נחשבים ללהיטים לכימיה של מעקב. מגבלה ספציפית אחת של השיטה למטרות סינון קטעים היא שלשברים רבים בספרייה DSi-Poised יש פלואורסצנטיות מהותית משמעותית, לפעמים אפילו מעבר למגבלת הרוויה של הגלאי, ולכן לא ניתן לסנן אותם כראוי עבור איגוד היעד גם בכוח עירור נמוך. נקודה נוספת שיש לציין לשיטה זו היא כי זה יכול לשמש רק עם חלבונים המכילים שאריות טריפטופן.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62469/62469fig6v11.jpg"> איור 6: השפעת הטמפרטורה על מסיסות מורכבת. עקומת מעבר נמסה ופרופיל פיזור של Hec1 עם שתי תרכובות שונות. (A)פרופיל הפיזור מראה כי עבור מדגם זה, המסיסות אינה מושפעת מהטמפרטורה. (B)פרופיל הפיזור מראה כי המסיסות של מדגם זה עולה עם טמפרטורה עולה. עקומת המעבר הנמסה במקרה זה אינה אמינה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/62469fig6v11large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
שאלה פתוחה היא מה צריך להיחשב כשינוי משמעותי ב- Tm, לא מנקודת מבט מתמטית, אלא מנקודת המבט המעשית: איזה שינוי ב- Tm חשוב לשקול כמעיד על כריכה של ליגנד לחלבון? בדוגמאות אלה, משמרות של פחות מ 1 °C (74% של שברים עבור מחייב Hec1, 66% עבור Mps1, ו 53% עבור Nsp5. בהתחשב 1 °C כמו "שינוי משמעותי" בקושי יספק להיטים כי הם ראויים להמשיך על ידי כימיה מעקב. בגרפים הסקירה הכללית (איור 5), נחשבו פחים של 1, 2, 5 או יותר מ- 5 מעלות של משמרת Tm, חיובית או שלילית. זה דורש שינוי על פי כל מקרה ספציפי כדי לתת סקירה טובה ולאפשר קבלת החלטות מושכלת, קביעת השלב הבא. ראוי לציין, עבור חלבונים מסוימים, הן ייצוב דה ייצוב של היעד נצפו בהתאם שברים נחשב. שני האירועים מעניינים, שכן שניהם יכולים להיות תוצאה של כריכת שבר, ושניהם יכולים להוביל למולקולת מעקב טובה כדי לתפעל התנהגות חלבון.
נותרה שאלה אחרונה, כלומר, "מה מגדיר להיט שימושי?". למעשה, התשובה תלויה במצב הספציפי. לדוגמה, עבור Hec1, כל השברים המייצבים את החלבון ביותר מ-2 מעלות או מערערים אותו ביותר מ-5 הועברו למשתפי הפעולה הכימיים שלנו, שעיצבו מולקולות חדשות המבוססות על להיטים אלה. עבור Nsp5, עם זאת, הלהיטים המדכאים ביותר הועברו למשתפי הפעולה שלנו ב- NMR כדי לאשר את הלהיטים שמקורם ב- nanoDSF בניסויי NMR. במילים אחרות, יש לנתח את תוצאות הסינון המתקבלות מפרוטוקול זה בזהירות ובאופן תלוי הקשר, קבלת החלטות מושכלות המבוססות על השאלה הספציפית והמתודולוגיה הסובבת. בכל מקרה, השיטה המתוארת כאן היא גישה משלימה למתודולוגיות קיימות כגון רנטגן והקרנה מבוססת NMR, אשר יכולה לשאוף לאשר, לתעדף או לתת רעיונות חדשים לקמפיינים בכימיה.
טבלה משלימה S1: רשימת מאגרים המשמשים להקרנת חלבונים. קיצורים: HEPES = 4-(2-הידרוקסיאתיל)-1-פיפרזינתאנסולניק; DTT = dithiothreitol; MOBS = 4-(N-מורפולינו)חומצה בוטאנסולפונית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/62469_Supp_Table_S1.xlsx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה משלימה S2: מאפיינים עבור MRC 2-צלחת טובה לשימוש עם רובוט nanodispenser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/62469_Suppl_Table_S2.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה משלימה S3: מאפיינים עבור צלחת V-תחתון 96-well לשימוש עם רובוט nanodispenser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/62469_Suppl_Table_S3.xlsx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה משלימה S4: המאגר, ריכוז החלבון וה- Tm של החלבונים שנדונו בתוצאות מייצגות. קיצורים: DTT = dithiothreitol; Hec1 = מתבטא מאוד בסרטן 1 חלבון; Mps1 = ציר מונופולרי קינאז 1; Nsp5 = SARS-CoV-2 3C דמוי פרוטאז. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/62469_Suppl_Table_S4.xlsx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
קובץ משלים 1: כללית כללית-נתונים לדוגמה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/Supplementaty_file_1.xlsx" target="_blank">זה.</a>
קובץ משלים 2: ערכי Tm ו- ΔTm עבור 406 מקטעים לדוגמה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/Supplementary_file_2.xlsx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

תוכניות גילוי סמים לעתים קרובות להתחיל על ידי הקרנת תרכובות כימיות על היכולת שלהם לקיים אינטראקציה עם ו /או לשנות את הפונקציה של מטרות סמים, לרוב חלבונים. מה שמכונה "להיטים" שנמצאים במסכים כאלה, מניחים את הבסיס לגילוי לידים חדשים ומועמדים לפיתוח, ולרוב התרופות החדשות המרישיונות בימים אלה. הזמינות של שיטות תפוקה גבוהה ולכן חיוני לסנן מספר עצום של מטרות זמינות עם מספר עצום של תרכובות שונות כדי לזהות במהירות את הכריכה ההדוקה שלהם או את יכולתם לווסת פונקציה ספציפית של היעד. לאחר זיהוי להיטים, השילובים המבטיחים ביותר של יעדי פגיעה נדחפים לצינור פיתוח תרופות נרחב באמצעות טכנולוגיות אחרות, לעתים קרובות יקרות וגוזלות זמן רב, כדי להבין "יחסי מבנה-פעילות" (SAR).
גישות ביולוגיה מבנית, כגון אלה המוצעות על ידי תוכניות הגישה במימון האיחוד האירופי "תשתית עבור NMR, EM, וצילומי רנטגן למחקר תרגום" (iNEXT) ויורשו הנוכחי iNEXT-Discovery, משמשים לעתים קרובות כדי ללמוד את האינטראקציות של תרכובות רבות בפירוט רב תוך שיפור הזיקה ואת המאפיינים הפרמקולוגיים של הלהיטים הראשוניים על ידי בדרך כלל כמה סיבובים של כימיה סינתטית1. תרכובות מובילות שיוצאות מקמפיינים אלה של "מפגיעה למוביל" הופכות למועמדות לפיתוח ונכנסות ללימודים פרה-קליניים. מתודולוגיית הסינון המולקולרי המפותחת היטב יכולה להיות מסווגת בערך לשתי גישות, כלומר גילוי עופרת מבוסס ליגנד (LBLD) וגילוי עופרת מבוסס שבר (FBLD). בקמפיינים של LBLD, קולטני חלבון נבדקים עם כמה אלפי ליגנדים שנבחרו בקפידה (בהתבסס על מבנה הליבנדים הטבעיים או מבנה המטרה), או עם עשרות אלפי תרכובות רבות בספריות ליגנד דמויות סמים המכסות חלק גדול מהשטח הכימי.
בדרך כלל, התרכובות נבדקות עבור הפעילות המעכבת שלהם בבדיקת פעילות, בדרך כלל ניטור פונקציה אנזימטית. בקמפיינים FBLD2,3,4,5, עם זאת, כמה מאות תרכובות כי הם בדרך כלל קטנים יותר מאשר סמים (100-200 דלטון) נבדקים על יכולתם לקשור את היעד ישירות, ללא שימוש בבדיקת פעילות. כריכה זו עלולה להפריע לפעילות היעד וניתן למדודה על ידי שיטות ביופיסיות רבות המדווחות ישירות על יכולתם של שברים להיקשר ליעד, או בשיטות מבניות כגון קריסטלוגרפיה של קרנירנטגן 6 וספקטרוסקופיה תהודה מגנטית גרעינית7, ולאחרונה, גם מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונית. כאשר שברים נקשרים במקומות שונים הקרובים זה לזה על החלבון, ניתן לשלב את שברי הכריכה השונים, בדרך כלל בעלי זיקה נמוכה, באופן רציונלי כדי ליצור קבוצה קטנה של לידים שניתן ללמוד ביתר פירוט. התוצאה היא לעתים קרובות זיקה גבוהה יותר, תרכובות חזקות יותר, ומתודולוגיה זו החלה להניב מולקולות חשובות עם פוטנציאל קליני. הבחירה בספריית קטעים "אידיאלית" המנצלת קבוצות כימיות ביעילות הייתה תחום מחקר פעיל במשך שנים רבות8,9,10.
בעוד הדגש הראשוני היה על כיסוי שטח כימי מלא, תשומת הלב שלאחר מכן התמקדה על מתן שילוב כימי במורד הזרם של להיטי שבר לייצר תרכובות עופרת. מחקר כזה הוביל לספריות "צפויות". אלה מכילים שברים עם קבוצה פונקציונלית אחת לפחות המאפשרים כימיה סינתטית מעקב מהירה וזולה להתקדמות יעילה בלימוד SAR. אחת הפעילויות שזרזה iNEXT הייתה לעדכן את הספרייה התייצבת שפותחה על ידי חוקרים בקונסורציום מקור אור היהלום וגנומיקה מבנית. מאמץ משולב זה הביא לספריה DSi-Poised11, אשר אומתה גם בתוך iNEXT12. מאוחר יותר, ספריה זו הותאמת עם הזמינות של תרכובות במאגר REAL של Enamine Ltd., ארגון מחקר כימי ויצרן של אוספים גדולים של אבני בניין וספריות מורכבות להקרנה. DSi-Poised זמין כעת לכל אחד לרכישה, אך זמין גם במעבדות שותפות רבות של iNEXT-Discovery עבור פרויקטים נתמכים של סינון שברים.
לקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן יוקרתיות וטכנולוגיות ביולוגיה מבנית של NMR יש יתרונות וחסרונות עבור FBLD. שניהם דורשים דגימות יעד מבודדות ומניבים את הפרטים האטומיים ברזולוציה גבוהה הנדרשים עבור FBLD. עם זאת, גבישים נחוצים לקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן, והרסיסים נקשרים לחללים באזורי החלבון המסודרים היטב שאינם מעורבים בבניית סריג הגביש התלת מימדי. פתרון NMR לעתים קרובות מניב להיטים שונים מקריסטלוגרפיה רנטגן, כפי שהוא אינו מושפע על ידי סביבת הגביש והוא טוב בזיהוי כריכה גם באזורי חלבון מסודרים חלקית. עם זאת, בעוד ניסויי NMR מבוססי ליגנד הם מהירים יחסית, הם עדיין דורשים כמות משמעותית של זמן וחומר וניתן לעשות זאת באופן שגרתי רק למטרות חלבון קטנות יחסית או תחומים. לצורך תעדוף תרכובות לניסויים קריסטלוגרפיים או NMR, נעשה שימוש בגישות ביופיסיות13,14,15.
מכיוון שפרוטוקולי מכשור וחישוב עדכניים מאפשרים הקרנה גבישית יעילה עבור FBLD על ידי קביעת מבנים וניתוח ~ 1,000 שברים ביעילות רבה, סדר עדיפויות זה הפך פחות חיוני במחקר מבוסס קרני רנטגן. עבור NMR עם זאת, רצוי להשתמש בניסויים זולים ומהירים יותר כדי לתעדף את הקרנת הספרייה ולחסוך זמן מכשירים על הציוד הקצה הגבוה ביותר. יחד עם זאת, שימוש בשילוב של טכנולוגיות שונות במהותן יכול לספק אישור עצמאי לאירועים מחייבים, או אפילו להיטים נוספים שאינם נאספים על ידי שימוש רק בקריסטלוגרפיה או בשיטת NMR. טכניקות קריסטלוגרפיות ו- NMR דורשות ציוד יקר מאוד ולעתים קרובות ניתן לעשות זאת רק במתקנים חיצוניים ייעודיים בעזרת מומחים מקומיים ומיומנים מאוד. בנוסף, ניתוח נכון של התוצאות דורש גם מומחיות גבוהה. בעוד תוכניות כגון iNEXT ו- iNEXT-Discovery הן דמוקרטיזציה גישה למתקנים כאלה16, זה כבר מוכר כי זול, מהיר, ותפוקה גבוהה FBLD הקרנה בשיטות אחרות יכול לעודד תוכניות הקרנת סמים במגוון רחב בהרבה של מעבדות. תוצאות כאלה יכולות לשמש כאינדיקציה לבניית שיתופי פעולה עם כימאים רפואיים, ולתעדף את ניסויי ההקרנה היקרים ביותר לתרכובות המבטיחות ביותר אם מתקני NMR וקריסטלוגרפיה מטילים הגבלות על מספר התרכובות שניתן לסנן.
ה- TSA יוצר שיטה ביופיסית מהירה, יעילה וזולה יחסית ונגישה17 שניתן להשתמש בה להקרנת FBLD. זה שימש בהגדרות מרובות, החל בסיוע למצוא תנאי חלבון יציבים לניסויי התגבשות18, למציאת תרכובות שנקשרות ליעדים ספציפיים בתאים19. TSAs שימשו גם למדידת קבועי הניתוק עבור חלבוני יעד מחייבי ליגנד, כמו כריכת ליגנד מוביל לעתים קרובות לשינויים ביציבות תרמית. בכל TSAs, השינוי בטמפרטורת denaturation של חלבון (יציבותו) נמדד כפונקציה של עליית טמפרטורה איטית. דרך יעילה לעקוב אחר denaturation חלבון על חימום היא על ידי DSF או Thermofluor, אשר כימות מרווה פלואורסצנטיות של צבע הידרופובי (בדרך כלל Sypro כתום) על אינטראקציה עם אזורים הידרופוביים חשופים של חלבון המתפתח עקב עליית הטמפרטורה.
Nano-DSF מתייחס בדרך כלל למדידה של היציבות התרמית של חלבון בהיעדר צבעים חיצוניים. אחד המכשירים הראשונים שהציעו אפשרות זו היה OPTIM1000 המודד ספקטרום רחב של עוצמת אור, כמו גם פיזור אור של מדגם. מכונה זו אפשרה מדידה סימולטנית של התפשטות חלבון (בדרך כלל בעקבות פלואורסצנטיות טריפטופן) וצבירת חלבונים (כפי שנוצר חלקיקים לגרום לעלייה של פיזור אור ב ~ 400 ננומטר). מאוחר יותר, הפרומתאוס הציג את השימוש בהשתקפות אחורית למדידת צבירה וזיהוי רגיש של אות הפלואורסצנטיות, המאפשר הקרנה של ריכוזי חלבון נמוכים עם רגישות טובה20. הסעיף הבא מתאר כיצד פרומתאוס שימש להדגמת פרוטוקול סינון שברים לאיתור כניסות למטרות חלבון שונות. מבוא קצר על איכות וכמות החלבון הצפויה מלווה בפרוטוקול שלב אחר שלב להכנת, ביצוע וניתוח ניסויי סינון הקטעים. תוצאות המיון של שלושה חלבונים הוצגו כנתונים לדוגמה שהושגו כחלק משיתוף פעולה של iNEXT-Discovery.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>ClearVue Sheets</td>
			<td>Molecular Dimensions</td>
			<td></td>
			<td>adhesive sealing film for protein plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CORNING 6570 Aluminium Sealing Tape</td>
			<td>CORNING</td>
			<td></td>
			<td>adhesive sealing film for fragment plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DSi poised library</td>
			<td>Enamine</td>
			<td></td>
			<td>Fragment library containing 768 compounds used in this study</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Elisa Reagent Reservior</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>15075</td>
			<td>Reagent reservior used for pipetting the protein</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Greiner round (U) bottom plates</td>
			<td></td>
			<td>Cat. No.&#160;650201</td>
			<td>Fragments supplied in these plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mosquito type X1</td>
			<td>sptlabtech</td>
			<td>Part nr- 3019-0003</td>
			<td>Nanolitre dispenser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRC 2-well crystallization plate</td>
			<td></td>
			<td>MRC96T-PS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pierce ELISA Reagent Reservoirs</td>
			<td>Pierce</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="2">Prometheus High Sensitivity capillaries</td>
			<td>Catalog PR-C006</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prometheus NT.48 nanoDSF</td>
			<td>Nanotemper</td>
			<td>Catalog nr PR001 (+ Aggregation Detection Optics, catalog nr PR-AGO)</td>
			<td>nanoDSF and light back scattering</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="2">Prometheus Standard capillary type</td>
			<td>Catalog PR-C002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TX-1000</td>
			<td colspan="2">Thermoscientific</td>
			<td>Centrifuge for plates</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

nano-differential scanning fluorimetry for screening in fragment-based lead discovery

בדיקות משמרות תרמיות (TSAs) בוחנות כיצד טמפרטורת ההיתוך (Tm)של חלבון יעד משתנה בתגובה לשינויים בסביבתו (למשל. השירות של TSA, ובמיוחד של פלואורימטריה סריקה ננו-דיפרנציאלית (nano-DSF), הוקם לאורך השנים, הן למציאת תנאים המסייעים לייצב חלבון מסוים והן להסתכל על כריכת ליגנד על ידי ניטור שינויים ב- Tmלכאורה . מאמר זה מציג הקרנה יעילה של ספריית הקטעים (DSi-Poised) (DSi-Poised) (DSi-Poised) (768 תרכובות) על-ידי שימוש בננו-DSF, תוך ניטור Tm לזיהוי כריכת מקטעים פוטנציאלית. התנאים הקדם לגבי איכות החלבון והריכוז לביצוע ניסויי ננו-DSF מפורטים בקצרה ואחריו פרוטוקול שלב אחר שלב המשתמש במתקן רובוטי ננו-ליטר המשמש בדרך כלל במעבדות ביולוגיה מבנית להכנת הדגימות הנדרשות בלוחות 96-well. הפרוטוקול מתאר כיצד תערובות ריאגנט מועברות נימים הדרושים למדידות ננו-DSF. בנוסף, מאמר זה מספק פרוטוקולים למדידת דנטורציה תרמית (ניטור פלואורסצנטיות טריפטופן מהותית) וצבירה (ניטור פיזור גב אור) ואת השלבים הבאים להעברת נתונים וניתוח. לבסוף, נדונים ניסויי סינון עם שלושה יעדי חלבון שונים כדי להמחיש את השימוש בהליך זה בהקשר של קמפיינים לגילוי עופרת. ניתן להעביר בקלות את העיקרון הכולל של השיטה המתוארת לספריות קטעים אחרות או להתאים אותו לכלים אחרים.

מסך מלא של ספריית DSi-Poised (768 שברים) בוצע על שלושה חלבונים בעלי עניין רפואי, כלומר, הקינטוצ'ורה החיצונית שבאה לידי ביטוי בחלבון מסוג סרטן 1 (Hec1, או Ndc80), תחום הטטרריקואופפטיד הרגולטורי (TPR) של ציר קינאז מונופולרי 1 (Mps1), ופרוטאז דמוי SARS-CoV-2 3C, Nsp5, אשר מבקע את C-טרמינל של פוליפרוטאין משוכפל ב -11 אתרים. תנאי החיץ שנבחרו עבור כל חלבון, כמו גם ריכוז החלבון ו- Tm של החלבונים, מוצגים בטבלה משלימה S4.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62469/62469fig5v12.jpg"> איור 5: התפלגות תדירות השינוי בטמפרטורת ההיתוך (ΔTm)עבור שלושת החלבונים, Hec1, Mps1 ו-Nsp5, המוצגים במחקר זה כתוצאות מייצגות. קיצורים: Hec1 = מתבטא מאוד בחלבון סרטן 1; Mps1 = ציר מונופולרי קינאז 1; Nsp5 = SARS-CoV-2 3C דמוי פרוטאז. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62469/62469fig5v11large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
התוצאות של שלוש ההקרנות באמצעות הפרוטוקול המתואר לעיל, המוצגות כהתפלגות התדירות של השינוי ב- Tm לעומת מספר הקטעים, מוצגות באיור 5. חלקות אלה נוצרו כמתואר בסעיף 5.3 של הפרוטוקול, התוויית תדירות השינוי הנצפה ב- Tm. את משמעות השינוי יש להגדיר באופן סובייקטיבי עבור כל פרויקט אחר, כמתואר בסעיף הדיון להלן. ערכים שליליים מצביעים על ירידה בטמפרטורת ההיתוך בנוכחות קטע, ערך חיובי עלייה ב- Tm. ממזימות כאלה, קל להבחין כי עבור Nsp5, כל השברים יש השפעה מערערת, ואילו עבור Hec1 ו Mps1, הן להיטים מייצבים ומערערים נצפים. זה צפוי וידונו.

Watch this Scientific Journal Video about Nano-Differential Scanning Fluorimetry for Screening in Fragment-based Lead Discovery at JoVE.com

Nano-Differential Scanning Fluorimetry for Screening in Fragment-based Lead Discovery

ניטור שינויים בטמפרטורת ההיתוך של חלבון יעד (כלומר,בדיקת משמרות תרמית, TSA) היא שיטה יעילה לבדיקת ספריות שברים של כמה מאות תרכובות. אנו מציגים פרוטוקול TSA המיישם פלואורימטריה סריקה ננו-דיפרנציאלית בסיוע רובוטיקה (nano-DSF) לניטור פלואורסצנטיות טריפטופן מהותית ופיזור גב אור להקרנת שברים.

פלואורימטריה סריקה ננו-דיפרנציאלית להקרנה בתגלית עופרת מבוססת שבר

Thermal shift assays (TSAs) examine how the melting temperature (Tm) of a target protein changes in response to changes in its environment (e.g., buffer ...

פרוטוקול זה שימושי עבור קמפיינים לגילוי הפניות מפוצלות ככלי נוסף לבחירת קטעים מבטיחים כמועמדים לחום. Nano DSO להקרנת שברים משתמש בכמות מוגבלת של דגימת חלבון ללא תווית וניתן להשתמש בו באופן שגרתי כמעט לכל מטרות החלבון. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לסנן אוספים של ליגנדים.או כדי לאמת חום מהשיטות האחרות. מוציאים צלחת שבר ממינוס 20 או מינוס 80 מעלות צלזיוס ומניחים לה להפשיר בטמפרטורת החדר עם רעד עדין על שייקר עליון ספסל. צנטריפוגות את הצלחת ב 500 פעמים G במשך 30 שניות כדי לאסוף את כל טיפות דבק בצד של בארות.קח צלחת התגבשות MRC 2-היטב ופיפטה 15 מיקרוליטרים של תמיסה מלאי חלבון לתוך כל תת באר באמצעות pipette רב ערוצי. כדי לבדוק הגדרות שבר וצלחת חלבון על היתוש, להפעיל את מתקן ננו ולוודא כי אין מכשולים סביב הרכיבים הנעים. פתח את ממשק המשתמש הגרפי, לחץ על הכרטיסיה התקנה ותחת תצורת סיפון בדוק אם סוג הצלחת שבה מסופקות התרכובות והצלחת שבה מועבר החלבון כבר נמצאים ברשימת הצלחות הזמינות.אם לא, לחץ על אפשרויות ולאחר מכן על לוחות וצור הגדרת לוח חדשה על-ידי מילוי הערכים הנכונים עבור סוג המאפיין. תחת הכרטיסיה התקנה, ציין את מיקומי הלוח תחת תצורת הסיפון. באמצעות התפריט הנפתח, בחר צלחת תחתונה Grainier U למיקום אחד ו- MRC צלחת 2-well למיקום שני ולשמור את הפרוטוקול.מניחים את צלחת השברים בעמדה אחת ואת צלחת החלבון בעמדה 2 של הסיפון. בכרטיסיית הפרוטוקול, לחץ על קובץ ובחר את הפרוטוקול שנשמר בשלב הקודם לחלוקת הקטעים. הגדר את עוצמת הקול של השברים שיש לחלק כ- 0.3 מיקרוליטרים.עבור לוח טיפוסי שבו עמודות 1 ו- 12, אינן מכילות קטעים, הגדר את מיקום ההתחלה לעמודה 2 ואת מיקום הסיום לעמודה 11. בלוחות מסוימים, אם עמודות 2 או 11 ריקות, השתמש בעמודות שלוש ו- 10 כערכי התחלה וסיום. לחץ על הפעל כדי להפעיל את התוכנית.לאחר חלוקה, אשר לוקח בערך שתי דקות הושלמה, להסיר את החלבון ואת לוחות שבר מהרובוט ולאטום אותם עם סרט איטום דבק. צנטריפוגות בקצרה צלחת החלבון ב 500 פעמים G במשך 30 שניות כדי לאסוף כל טיפה דבק בצדדים הבארות לפני שתמשיך לשלב הבא. בדוק חזותית את בארות צלחת החלבון למשפכים שאולי התרחשו עקב הוספת השברים.אם משקעים נצפים בארות רבות, להפחית את הריכוז של שברים ולחזור על הניסוי. תדליק את מכשיר הפרומתאוס. במסך המגע, הקש פתח מגירה כדי לגשת למודול הטעינה הנימי של המכשיר.הסר את הפס המגנטי ממודול הטעינה ונקה את המראה עם אתנול כדי להסיר את כל חלקיקי אבק. כדי להעביר פתרון מצלחת שברי החלבון לנומים, הנח את צלחת החלבון ואת הנימים ליד המכשיר לגישה נוחה למודול הטעינה הנימי. קח נימי אחד מחזיק אותו בקצה אחד ולגעת בתמיסה בצלחת החלבון עם הקצה השני של הנימי כדי להעביר את המדגם.תמיד ללבוש כפפות ולהקפיד לא לגעת נימי באמצע כמו זיהומים מן הכפפות ישפיעו על המדידה. מקם את נימי בעמדה המיועדת של המחזיק, לוודא שהוא מיושר כראוי ומרוכז, חזור על שלבים אלה כדי למלא את כל המיקומים במודול הטעינה. בסוף, מניחים את הפס המגנטי על גבי הנימים כדי להחזיק אותם במקום ולחץ על סגור מגירה כדי להתחיל את הניסוי Nano-DSF.פתח את יחסי הציבור של יישום פרומתאוס. ThermControl וליצור פרויקט חדש על ידי לחיצה על התחל הפעלה חדשה. ראשית, בצע סריקת גילוי כדי לזהות את הפלואורסצנטיות של הדגימות. לשנות את האות הפלואורסצנטי של הדגימות על ידי התאמת כוח העירור של הלייזר.לקבלת denaturation תרמית, לחץ על הכרטיסייה סריקת התכה, להגדיר את טמפרטורת ההתחלה ל 20 מעלות צלזיוס, טמפרטורת הקצה ל 95 מעלות צלזיוס ואת שיפוע הטמפרטורה למעלה אחת צלזיוס לדקה. לאחר מכן לחץ על התחל מדידה. התפלגות תדרים של שינוי וטמפרטורת ההיתוך עבור החיצוני, קינטי, או בא לידי ביטוי גבוה בסרטן חלבון אחד, רגולציה tetratricopeptide לחזור תחום של ציר מונופולרי קינאז 1, ו SARS-CoV-2 3c דמוי פרוטאז מוצגים כאן.ערכים שליליים מצביעים על ירידה בטמפרטורת ההיתוך בנוכחות קטע, בעוד ערך חיובי מצביע על עלייה בטמפרטורת ההיתוך. עבור Nsp5, לכל השברים יש השפעה דה-ייצוב, ואילו עבור Hec1 ו- Mps1, הן פגיעות ייצוב והן דה-ייצוב נצפים. זוהי שיטה זולה ומהירה לסנן ספריות קטעים.שיטות אחרות כגון NMR או קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן יכולות להראות את הכריכה המדויקת של שברים והן זמינות גם באמצעות גילוי INX. התוצאות עם פרוטאז קורונה עזרו להציע תרכובות חדשות שניתן לפתח לתרופות נגד COVID-19.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Preparation and Delivery of Protein Microcrystals in Lipidic Cubic Phase for Serial Femtosecond Crystallography

הכנה והגשת microcrystals חלבון בשלב lipidic מעוקב עבור קריסטלוגרפיה Femtosecond סידורי

Membrane proteins (MPs) are essential components of cellular membranes and primary drug targets. Rational drug design relies on precise structural ...

Preparation and In Vivo Use of an Activity-based Probe for N-acylethanolamine Acid Amidase

Preparation and In Vivo Use of an Activity-based Probe for N-acylethanolamine Acid Amidase

הכנה<em&gt; In vivo</em&gt; השתמש של Probe פעילות מבוססת עבור<em&gt; N</em&gt; -acylethanolamine חומצה Amidase

Activity-based protein profiling (ABPP) is a method for the identification of an enzyme of interest in a complex proteome through the use of a chemical ...

Determination of High-affinity Antibody-antigen Binding Kinetics Using Four Biosensor Platforms

קביעת קינטיקה מחייב אנטיגן נוגדן גבוהה זיקה באמצעות ארבע פלטפורמות biosensor

Label-free optical biosensors are powerful tools in drug discovery for the characterization of biomolecular interactions. In this study, we describe the ...

Microcrystallography of Protein Crystals and In Cellulo Diffraction

Microcrystallography of Protein Crystals and In Cellulo Diffraction

Microcrystallography של קריסטלים חלבון ו<em&gt; בסולו</em&gt; השתברות

The advent of high-quality microfocus beamlines at many synchrotron facilities has permitted the routine analysis of crystals smaller than 10 &#181;m in ...

A Simple Method for High Throughput Chemical Screening in Caenorhabditis Elegans

A Simple Method for High Throughput Chemical Screening in Caenorhabditis Elegans

שיטה פשוטה להקרנה כימי תפוקה גבוהה ב Caenorhabditis Elegans

Caenorhabditis elegans is a useful organism for testing chemical effects on physiology. Whole organism small molecule screens offer significant advantages ...

Method for Efficient Refolding and Purification of Chemoreceptor Ligand Binding Domain

שיטת Refolding יעילה וטיהור של ליגנד Chemoreceptor מחייב תחום

Identification of natural ligands of chemoreceptors and structural studies aimed at elucidation of the molecular basis of the ligand specificity can be ...

Extracellular Protein Microarray Technology for High Throughput Detection of Low Affinity Receptor-Ligand Interactions

חלבון חוץ-תאית הטכנולוגיה Microarray לגילוי תפוקה גבוהה של אינטראקציות קולטן-ליגנד זיקה נמוכה

Secreted factors, membrane-tethered receptors, and their interacting partners are main regulators of cellular communication and initiation of signaling ...

How to Stabilize Protein: Stability Screens for Thermal Shift Assays and Nano Differential Scanning Fluorimetry in the Virus-X Project

איך לייצב את חלבון: מסכי יציבות תרמית משמרת מבחני ו ננו דיפרנציאלית סריקה Fluorimetry בפרוייקט וירוס-X

The Horizon2020 Virus-X project was established in 2015 to explore the virosphere of selected extreme biotopes and discover novel viral proteins. To ...

Kinase Inhibitor Screening In Self-assembled Human Protein Microarrays

הקרנת מעכבי קינאז במיקרוערכים של חלבון אנושי מורכב בעצמו

The screening of kinase inhibitors is crucial for better understanding properties of a drug and for the identification of potentially new targets with ...

Monitoring GPCR-&#946;-arrestin1/2 Interactions in Real Time Living Systems to Accelerate Drug Discovery

Monitoring GPCR-ÃƒÅ½Ã‚Â²-arrestin1/2 Interactions in Real Time Living Systems to Accelerate Drug Discovery

מעקב GPCR-β-arrestin1/2 אינטראקציות בזמן אמת מערכות חיים כדי להאיץ את גילוי הסמים

Interactions between G-protein coupled receptors (GPCRs) and &#946;-arrestins are vital processes with physiological implications of great importance. ...