Experimentální embryologie Bi1130 Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 2 Mgr. Jakub Harnoš, Ph.D. JS 2023 5.5.2023 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 22 Osnova ̶ (Meziproteinové) interakce (PPI) Made by James Harnos ̶ Proteiny ̶ Analýza proteinů (lokalizace, konformace, aktivita) ̶ Post-translační modifikace (PTM) Dnes: další PTM, techniky studujících PPI a několik příkladů z Vývoj. biologie Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 23 Posttranslační modifikace proteinů https://www.rockland.com/ Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 24 Posttranslační modifikace proteinů ̶ Modifikace postranních řetězců aminokyselin v proteinech (pomocí enzymů) ̶ Velká diverzita proteomu ̶ Význam mj. pro diagnostiku chorob: Co jsou PTM a jaká je jejich funkce při embryogenezi? a) Fosforylace ̶ První popsaná PTM proteinů (Eugene P. Kennedy, 1954) ̶ Reverzibilní (enzymy: fosfatázy) ̶ Připojení malé anorganické skupiny PO4 3̶ Aminokyseliny: Ser, Thr, Tyr ̶ Enzymy: Kinázy + ATP (subs. a zároveň zdroj E) ̶ Funkce: regulace + signalizace (sign. dráhy) Posttranslační modifikace proteinů Molekula ATP Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 25 a) Fosforylace ̶ Př. DVL + CK1 (viz minule) ̶ Př. beta-katenin (fosforylace mění konformaci) Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 26 www.wikipedia.org Made by James Harnos Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii7 Gao et al., 2011. Wnt signaling gradients establish planar cell polarity by inducing Vangl2 phosphorylation through Ror2. Dev Cell. − Př. z Vývoj. biologie: fosforylace při růstu končetin a) Fosforylace Posttranslační modifikace proteinů b) Acetylace ̶ 3 typy ̶ Reverzibilní/ireverzibilní (enzymy: deacetylázy) ̶ Připojení zbytku kyseliny octové (CH3COO-) ̶ Aminokyseliny: Lys ̶ Enzymy: Acetyltransferázy + acetylkoenzym A (subs.) + ATP ̶ Funkce: regulace buněčného cyklu, stabilita chromatinu, meziproteinové interakce Posttranslační modifikace proteinů Př. Acetylace histonů Acetylkoenzym A Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 28 b) Acetylace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 29 ̶ Př. obecně histony (potom snadná vazba TF např. z rodiny TCF/LEF, na uvolněnou DNA) ̶ Př. samotný beta-katenin Hoffmeier et al., 2017. Trimethylation and Acetylation of β-Catenin at Lysine 49 Represent Key Elements in ESC Pluripotency. Cell Rep. b) Acetylace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 210 − Př. z Vývoj. biologie: acetylace primárních cilií Nakakura T et al. 2015 The elongation of primary cilia via the acetylation of α-tubulin by the treatment with lithium chloride in human fibroblast KD cells. Med Mol Morphol. Methylace histonů c) Methylace ̶ Reverzibilní (enzymy: demethylázy) ̶ Enzymy: Methyltransferázy + S-adenosylmethionin (subs.) + ATP ̶ Připojení CH3 skupiny (hydrofobní) ̶ Aminokyseliny: Arg, Lys ̶ Funkce: epigenetické regulace u jaderných proteinů Posttranslační modifikace proteinů S-adenosylmethionin Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 211 c) Methylace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 212 ̶ Př. obecně histony (= zastavení transkripce např. WNT genů) ̶ Př. samotný beta-katenin Hoffmeier et al., 2017. Trimethylation and Acetylation of β-Catenin at Lysine 49 Represent Key Elements in ESC Pluripotency. Cell Rep. c) Methylace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 213 − Př. z Vývoj. biologie: methylace histonů během embryogeneze Reik, W. 2007 Stability and flexibility of epigenetic gene regulation in mammalian development. Nature d) Ubikvitinace ̶ Reverzibilní (enzymy: deubikvitinázy – DUB) ̶ Připojení ubiquitinu (malý protein, ≈80 aa, 8 kDa) ̶ Komplex enzymů (E1-E3) + ubikvitin (subs.) + ATP ̶ Aminokyseliny: Lys ̶ Funkce: označení proteinů pro degradaci v proteazomu Posttranslační modifikace proteinů Proteazom Ubikvitin 14 d) Ubikvitinace Posttranslační modifikace proteinů 15 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 2 www.cisbio.eu ̶ Př. beta-katenin Kaskáda enzymů E1-E3 d) Ubikvitinace Posttranslační modifikace proteinů 16 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 2 − Př. z Vývoj. biologie: buněčný cyklus (a chyby v něm) Rape M. 2018 Ubiquitylation at the crossroads of development and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. e) SUMOylace ̶ Reverzibilní (desumoylační enzymy) ̶ Připojení molekuly SUMO (Small Ubiquitin-related MOdifier protein, ≈100aa, 12 kDa) ̶ Enzymy: kaskáda E1-E3 (podobně jak u ubikvitinace) + SUMO (subs.) + ATP ̶ Aminokyseliny: Lys ̶ Funkce: zvyšuje stabilitu proteinu (ovlivňuje buň. signalizaci, expresi genů, buněčný cyklus) Posttranslační modifikace proteinů SUMO (z angl. Small Ubiquitin-like Modifier) 17 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 2 e) SUMOylace Posttranslační modifikace proteinů 18 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 2 Karami et al., 2017. Novel SUMO-Protease SENP7S Regulates β-catenin Signaling and Mammary Epithelial Cell Transformation. Sci Rep. ̶ Př. beta-katenin (nebo Axin) e) SUMOylace Posttranslační modifikace proteinů 19 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 2 − Př. z Vývoj. biologie: Lomelí H, Vázquez M. 2011 Emerging roles of the SUMO pathway in development. Cell Mol Life Sci. f) Glykosylace ̶ 6 typů (N-, O-, C-, ….) ̶ Reverzibilní (glykosidázy) ̶ Navázání molekuly sacharidu ̶ Enzymy: Glykosyltransferázy + monosacharidy/polysacharidy (subs.) + ATP ̶ Aminokyseliny: N-gly… (Asp, Arg), O-gly… (Ser, Thr, Tyr), C-gly… (Try) ̶ Funkce: buněčný transport, komponenty buněčného povrchu, sekretované proteiny Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 220 f) Glykosylace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 221 ̶ Př. WNT ligand glykan glykan lipid (acyl) Více info – viz lipidace dále f) Glykosylace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 222 − Př. z Vývoj. biologie: embryonální vývoj u Tribolium castaneum Walski T, et al. 2016 Protein N-glycosylation and N-glycan trimming are required for postembryonic development of the pest beetle Tribolium castaneum. Sci Rep. g) Lipidace ̶ Reverzibilní (glykosidázy) ̶ Připojení vyšší mastné kyseliny (amfifilní charakter) ̶ Aminokyseliny: Cys, nebo Cys-Alif-Alif-X ̶ Enzymy: lipázy/acyl transferázy + acyl (subs.) + ATP ̶ Funkce: buněčný transport, součást buněčných membrán Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 223 g) Lipidace Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 224 Made by Igor Cervenka ̶ Př. WNT ligand h) Disulfidická vazba ̶ Z angl. cysteine bridges ̶ Reverzibilní (viz vpravo) ̶ Vazba mezi dvěma atomy síry ̶ Enzymy: Dsb + ATP (žádný substrát: oxidace) ̶ Aminokyseliny: 2x Cys ̶ Funkce: vliv na 3D konformaci proteinů, obecně zvyšují stabilitu molekuly Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 225 h) Disulfidická vazba Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 226 MacDonald et al., 2014 Disulfide Bond Requirements for Active Wnt Ligands JBC ̶ Př. WNT ligand h) Disulfidická vazba Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 227 MacDonald et al., 2014 Disulfide Bond Requirements for Active Wnt Ligands JBC ̶ Př. WNT ligand (+ glykosylace + lipidace) i) Hydroxylace ̶ Reverzibilní ̶ Připojení OH skupiny (možnost tvorby H-můstků) ̶ Enzymy: hydroxalázy + 2-oxoglutarát (subs.) + ATP ̶ Aminokyseliny: Pro ̶ Funkce: vliv na strukturu, umožňuje vyšší rozpustnost ve vodě Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 228 i) Hydroxylace ̶ Př. tentokrát mimo buň. signalizaci Kolagen: Vliv PTM (hydroxylace) na strukturu proteinu – vznik H-můstků: elasticita Posttranslační modifikace proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 229 Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 230 Osnova ̶ (Meziproteinové) interakce (PPI) Made by James Harnos ̶ Proteiny ̶ Analýza proteinů (lokalizace, konformace, aktivita) ̶ Post-translační modifikace (PTM) Dnes: další PTM, techniky studujících PPI a několik příkladů z Vývoj. biologie Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii31 Proteinové interakce - Interakce dvou nebo více proteinů - Biologický význam interakcí - Chemická podstata interakcí - Reverzibilita a specifita interakce - Poznání funkce daného proteinu (Studium fyziologických procesů) Made by James Harnos Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii32 Proteinové interakce - Role v embryogenezi Elucidation of the Protein Interactome of Drosophila melanogaster Guruharsha, et al. 2011. A protein complex network of Drosophila melanogaster. Cell Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii33 Proteinové interakce: detekce https://www.creative-proteomics.com/ ̶ Fluorescence: podmínka 1 (ko-) lokalizace Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii34 University of Uppsala ̶ Fluorescence: Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii35 https://www.ptglab.com/ ̶ Fluorescence: podmínka 2 ̶ A) Světelná mikroskopie se širokým zorným polem („wide-field“) vs. B) konfokální mikroskopie Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii36 ̶ Fluorescence: druhy ̶ epi-fluorescence vs. imuno-fluorescence Princip: GFP a deriváty: přednáška 12 (značení protilátkámi: dnes) Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii37 ̶ Imunofluorescence: Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Protilátky: ̶ Adaptivní imunita ̶ Rozpoznání antigenů ̶ Proteinová povaha ̶ Vazba na protein našeho zájmu ̶ Struktura – tvar Y ̶ Řetězce – těžký (H), lehký (L) ̶ Domény – variabilní, konstantní ̶ Třídy: POLYKLONÁLNÍ MONOKLONÁLNÍ Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii38 ̶ Imunofluorescence: Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Protilátky: https://www.oni.bio/ Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii39 ̶ Imunofluorescence: Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Protilátky: Přímá detekce: ̶ Značená primární protilátka ̶ Původní metoda + rychlá - méně univerzální, nižší intenzita signálu ̶ Značená sekundární protilátka ̶ Vazba na primární protilátku + univerzální, vyšší citlivost - pomalejší Nepřímá detekce: Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii40 ̶ Imunofluorescence: Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Protilátky: ̶ Polyklonální: různé B lymfocyty, různé epitopy na antigenu ̶ Monoklonální: jeden klon B lymfocytů, jeden epitop antigenu ̶ Rekombinantní: rekombinantní DNA, bez využívání živočichů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii41 ̶ Imunofluorescence: změna lokalizace čeho? Trio HA DAPIDvl2 FLAGMerge A) B) + + Proteinové interakce: detekce (ko-) lokalizace Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii42 Proteinové interakce: detekce Co-IP + SDS-PAGE/WB ̶ Inkubace lyzátu s protilátkou (Ab) ̶ Imunoprecipitace („vychytání“) částicemi/kuličkami s proteinem A/G ̶ Separace částic od zbytku lyzátu? Centrifugace vs. magnetismus ̶ Analýza vzorku: SDS-PAGE + Western blot co-IP = studium fyzické interakce proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 243 Separační techniky: SDS-PAGE o Dodecyl síranu sodného – polyakrylamidová gelová elektroforéza o Biochemická metoda pro separaci proteinů o Rozdělení podle hmotnosti a velikosti řetězce Pohyb proteinů o Záporně nabité proteiny putují ke kladné anodě o Molekulová hmotnost o Menší molekula = vyšší rychlost = delší vzdálenost o Větší molekula = nižší rychlost = kratší vzdálenost Základní informace Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii44 Separační techniky: SDS-PAGE Příprava vzorku – denaturace o Narušení terciární struktury proteinů o Vysoká teplota o Přítomnost SDS o Přítomnost ϐ-merkaptoethanolu o Dodecyl síranu sodného o Detergent – amfifilní vlastnosti o Rozbíjí terciární strukturu proteinů o Dává proteinům záporný náboj Molekula SDS Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii45 Separační techniky: SDS-PAGE Systém pufrů (diskontinuální) aa: glycin Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii46 Separační techniky: SDS-PAGE Systém pufrů (diskontinuální) a) Koncentrační gel • pH 6,8 • Cl-: nejrychlejší pohyb • Glycin: nejpomalejší • Koncentrace vzorku do úzkého proužku Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii47 Separační techniky: SDS-PAGE a) Koncentrační gel b) Rozdělovací gel • pH 8,8 • Glycin získává záporný náboj • Proteiny migrují na základě molekulové hmotnosti Systém pufrů (diskontinuální) Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii48 Separační techniky: SDS-PAGE Další analýza proteinů o Hmotnostní spektrometrie o Barvení stříbrem o Barvení „brilliant blue“ barvivem o Western blotting Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii49 Separační techniky: Western-blotting o Analýza, detekce a kvantifikace (??) proteinů o Southern blot (1975) – přenos DNA z gelu na membránu o ‘Northern’ blot (1977) – ……. RNA ………. o ‘Western’ blot (1979) – … proteinů ……… o George Stark, Harry Tobwin, Neal Burnette Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii50 Separační techniky: Western-blotting o Postup: SDS-PAGE Transfer na membránu Blokování Značení protilátkami Detekce Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii51 Separační techniky: Western-blotting o Postup: SDS-PAGE Transfer na membránu Blokování Značení protilátkami Detekce o Elektroforetický transfer o Membrány – polyvinylové (PVDF), nitrocelulosové o Podmínky dle výrobce o Vizualizace proteinů: př. Ponceau S red Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii52 Separační techniky: Western-blotting o Postup: SDS-PAGE Transfer na membránu Blokování Značení protilátkami Detekce o Proti nespecifickým vazbám o Blokovací roztoky o BSA, sušené mléko Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii53 Separační techniky: Western-blotting o Postup: SDS-PAGE Transfer na membránu Blokování Značení protilátkami Detekce o Promývání – PBS, TBS o Primární protilátka o Sekundární protilátka Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii54 Separační techniky: Western-blotting o Postup: SDS-PAGE Transfer na membránu Blokování Značení protilátkami Detekce o Radioizotopy o Enzymatické reakce – alkalické fosfatázy, křenové peroxidázy o Chemiluminiscence o CCD kamera Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii55 Křenová peroxidáza o ,,Horseradish peroxidase“ o Metaloenzym o Substrát: H2O2 o 1,2-diaminobenzen o Žlutooranžový produkt o Detekce: pomocí CCD kamera HRP Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii56 Separační techniky: Western-blotting o Výsledek – jak vlastně vypadá výstup? Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii57 Proteinové interakce: detekce – další metody Blízkostí indukované značení ̶ In vivo metoda ̶ Fúze proteinu s enzymem BL ̶ Značení okolních proteinů ̶ Př. Značka: biotin ̶ Detekce: (WB) + MS Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii58 Proteinové interakce: detekce – další metody Blízkostí indukované značení Rosenthal SM, et al. 2021 A Toolbox for Efficient ProximityDependent Biotinylation in Zebrafish Embryos. Mol Cell Proteomics. − Př. Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii59 Proteinové interakce: detekce – další metody Blízkostí indukovaná ligace (PLA – Proximity ligation assay) ̶ In vivo metoda ̶ Kovalentní provázání komplexu – bifunkční činidla ̶ Komplex se při izolaci nerozpadá ̶ Nebezpečí vazby náhodných proteinů Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii60 Proteinové interakce: detekce – další metody Blízkostí indukovaná ligace (PLA – Proximity ligation assay) ̶ Př. Bedzhov I, Stemmler MP. 2015 Applying the proximity ligation assay (PLA) to mouse preimplantation embryos for identifying protein-protein interactions in situ. Methods Mol Biol. Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii61 Proteinové interakce: detekce – další metody FRET: intermolekulární Wong KL, et al..2018 ERK Activity Dynamics during Zebrafish Embryonic Development. Int J Mol Sci. − Př. Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii62 Proteinové interakce: detekce – další metody Afinitní purifikace (AP) ̶ Afinita proteinu zájmu k ligandu ̶ Levná a jednoduchá metoda ̶ Malá specifita a senzitivita ̶ Připojení proteinu na pevnou matrici ̶ Aplikace buněčných proteinů na matrici ̶ Zachycení proteinů interagujících s proteinem na matrici ̶ Analýza zachycených proteinů (hmotnostní spektrometrie) In vitro AP ̶ Značení proteinu – protilátky, genetická modifikace (FLAG, HA, GFP) ̶ Matrice s afinními molekulami ̶ Aplikace buněčného lyzátu ̶ Eluce a analýza In vivo AP Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii63 Proteinové interakce: detekce – další metody Kvasinkový dvouhybridový systém ̶ Umělé genové konstrukty – fúzní proteiny: ̶ DNA-vazebná doména + ,,bait“ ̶ Aktivační doména + ,,prey“ ̶ Interakce → transkripce určitého genu (lacZ) Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii64 Proteinové interakce: detekce – další metody Kvasinkový dvouhybridový systém ̶ Proteinová interakce ̶ Navázání vazebné domény poblíž reportérového genu ̶ Aktivační doména způsobí aktivaci jeho transkripce ̶ Exprese reportérového genu (změna barvy kvasinkové kolonie) Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii65 Proteinové interakce: detekce – další metody Proteinové čipy ̶ Matrice s mnoha navázanými proteiny ̶ Detekce – fluorescence/HRP + Analýza velkého množství interakcí zároveň - Ovlivnění struktury a vlastností připojením na matrici, Náročná tvorba čipů (finance+čas) Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii66 Manipulace funkce proteinů Photo courtesy of Neurobyn. Optogenetika Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii67 Manipulace funkce proteinů Optogenetika: nejenom neurony Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii68 Manipulace funkce proteinů Optogenetika: nejenom neurony − Př. Johnson HE et al., 2020. Optogenetic Rescue of a Patterning Mutant. Curr Biol. Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii 269 Shrnutí ̶ (Meziproteinové) interakce (PPI) Made by James Harnos ̶ Proteiny ̶ Analýza proteinů (lokalizace, konformace, aktivita) ̶ Post-translační modifikace (PTM) Dnes: další PTM, techniky studujících PPI a několik příkladů z Vývoj. biologie Bi1130 - Metody analýzy proteinů využívané ve Vývojové biologii70 Děkuji Vám za pozornost