Hình ảnh tế bào sống với các miền protein có khả năng nhận biết phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate; một nghiên cứu so sánh

BMC Cell Biology - 2009
Zsófia Szentpétery1, András Balla2, Yeun Ju Kim1, Mark A. Lemmon3, Tamás Balla1
1Sections on Molecular Signal Transduction, Program for Developmental Neuroscience, NICHD, National Institutes of Health, Bethesda, MD, 20892, USA
2Department of Physiology, Semmelweis University School of Medicine, Budapest, Hungary
3Department of Biochemistry and Biophysics, School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104, USA

Tóm tắt

Tóm tắt Nền tảng

Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate [PtdIns(4,5)P 2] là một phospholipid điều tiết hết sức quan trọng được tìm thấy trong màng plasma của tất cả các tế bào eukaryota. Ngoài việc là tiền chất của các thông điệp thứ cấp quan trọng, PtdIns(4,5)P 2 còn điều tiết các kênh ion và các transporter, đồng thời phục vụ cho cơ chế nội bào bằng cách tuyển dụng các protein thích hợp clathrin. Việc hình ảnh hóa sự định vị và những thay đổi động lực học trong mức độ PtdIns(4,5)P 2 trong tế bào sống là rất quan trọng để hiểu biết về sinh học của PtdIns(4,5)P 2. Điều này chủ yếu đã được thực hiện bằng cách sử dụng miền pleckstrin homology (PH) của PLCδ1 nối với GFP. Tại đây, chúng tôi báo cáo một phân tích so sánh giữa một số miền PH nấm men được mô tả gần đây cũng như miền Tubby ở động vật có vú để đánh giá tính hữu dụng của chúng như các công cụ hình ảnh PtdIns(4,5)P 2.

 Kết quả

Tất cả các miền PH nấm men trước đây đã được chỉ ra là liên kết với PtdIns(4,5)P 2 đều cho thấy sự định vị ở màng plasma nhưng chỉ một phần nhỏ phản ứng với các thao tác điều chỉnh PtdIns(4,5)P 2 ở màng plasma. Không có miền nào trong số này thể hiện bất kỳ lợi thế nào so với reporter PLCδ1PH-GFP và đều bị ảnh hưởng bởi mức độ biểu hiện, định vị hạt nhân hoặc gây ra các cấu trúc màng đặc biệt. Ngược lại, miền Tubby cho thấy sự định vị ở màng cao, nhất quán với việc liên kết PtdIns(4,5)P 2 và không hiển thị ái lực với headgroup hòa tan, Ins(1,4,5)P3. So sánh chi tiết giữa miền Tubby và PLCδ1PH cho thấy miền Tubby có ái lực cao hơn đối với PtdIns(4,5)P 2 màng và do đó thể hiện độ nhạy thấp hơn để báo cáo về những thay đổi của lipid này trong quá trình kích hoạt phospholipase C.

 Kết luận

Các kết quả này cho thấy rằng cả PLCδ1PH-GFP và miền GFP-Tubby đều là các báo cáo hữu ích về những thay đổi của PtdIns(4,5)P 2 ở màng plasma, với những lợi thế và nhược điểm rõ ràng. Trong khi PLCδ1PH-GFP là một báo cáo nhạy hơn, việc liên kết với Ins(1,4,5)P3 của nó có thể làm giảm độ chính xác trong việc đo lường những thay đổi của PtdIns(4,5)P 2. Miền Tubby thì chính xác hơn để báo cáo về PtdIns(4,5)P 2 nhưng ái lực cao hơn và độ nhạy thấp hơn có thể hạn chế tính hữu dụng của nó khi kích hoạt phospholipase C chỉ ở mức vừa phải. Những nghiên cứu này cũng đã chứng minh rằng những thay đổi tương tự trong mức độ PtdIns(4,5)P 2 ở màng plasma có thể điều chỉnh khác nhau nhiều hiệu ứng nếu chúng thể hiện các ái lực khác nhau với PtdIns(4,5)P 2.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Berridge MJ: Inositol trisphosphate and diacylglycerol as intracellular messengers. Bio chem J. 1984, 220: 345-360.

Di Paolo G, De Camilli P: Phosphoinositides in cell regulation and membrane dynamics. Nature. 2006, 443 (7112): 651-657. 10.1038/nature05185.

Suh BC, Hille B: Regulation of ion channels by phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate. Curr Opin Neurobiol. 2005, 15: 370-378. 10.1016/j.conb.2005.05.005.

Hilgemann DW, Feng S, Nasuhoglu C: The complex and intriguing lives of PIP2 with ion channels and transporters. Sci STKE. 2001, 2001 (111): RE19-10.1126/stke.2001.111.re19.

Kolsch V, Charest PG, Firtel RA: The regulation of cell motility and chemotaxis by phospholipid signaling. J Cell Sci. 2008, 121 (Pt 5): 551-559. 10.1242/jcs.023333.

Raucher D, Stauffer T, Chen W, Shen K, Guo S, York JD, Sheetz MP, Meyer T: Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate functions as a second messenger that regulates cytoskeleton-plasma membrane adhesion. Cell. 2000, 100: 221-228. 10.1016/S0092-8674(00)81560-3.

Irvine RF: Nuclear inositide signalling -- expansion, structures and clarification. Biochim Biophys Acta. 2006, 1761 (5-6): 505-508.

Stauffer TP, Ahn S, Meyer T: Receptor-induced transient reduction in plasma membrane PtdIns(4,5)P2 concentration monitored in living cells. Curr Biol. 1998, 8: 343-346. 10.1016/S0960-9822(98)70135-6.

Várnai P, Balla T: Visualization of phosphoinositides that bind pleckstrin homology domains: calcium-and agonist-induced dynamic changes and relationship to myo-[3H]inositol-labeled phosphoinositide pools. J Cell Biol. 1998, 143: 501-510. 10.1083/jcb.143.2.501.

Varnai P, Balla T: Live cell imaging of phosphoinositide dynamics with fluorescent protein domains. Biochim Biophys Acta. 2006, 1761 (8): 957-967.

Brown FD, Rozelle AL, Yin HL, Balla T, Donaldson JG: Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate and Arf6-regulated membrane traffic. J Cell Biol. 2001, 154: 1007-1017. 10.1083/jcb.200103107.

Watt SA, Kular G, Fleming IN, Downes CP, Lucocq JM: Subcellular localization of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate using the pleckstrin homology domain of phospholipase C delta1. Bio chem J. 2002, 363: 657-666.

Hirose K, Kadowaki S, Tanabe M, Takeshima H, Iino M: Spatiotemporal dynamics of inositol 1,4,5-trisphosphate that underlies complex Ca2+ mobilization patterns. Science. 1999, 284: 1527-1530. 10.1126/science.284.5419.1527.

Nash MS, Young KW, Willars GB, Challiss RA, Nahorski SR: Single-cell imaging of graded Ins(1,4,5)P3 production following G-protein-coupled-receptor activation. Bio chem J. 2001, 356 (Pt 1): 137-142.

Lemmon MA: Pleckstrin homology domains: not just for phosphoinositides. Biochem Soc Trans. 2004, 32: 707-711. 10.1042/BST0320707.

Yu JW, Mendrola JM, Audhya A, Singh S, Keleti D, DeWald DB, Murray D, Emr SD, Lemmon MA: Genome-wide analysis of membrane targeting by S. cerevisiae pleckstrin homology domains. Mol Cell. 2004, 13: 677-688. 10.1016/S1097-2765(04)00083-8.

Carroll K, Gomez C, Shapiro L: Tubby proteins: the plot thickens. Nat Rev Mol Cell Biol. 2004, 5: 55-63. 10.1038/nrm1278.

Santagata S, Boggon TJ, Baird CL, Gomez CA, Zhao J, Shan WS, Myszka DG, Shapiro L: G-protein signaling through tubby proteins. Science. 2001, 292: 2041-2050. 10.1126/science.1061233.

Field SJ, Madson N, Kerr ML, Galbraith KA, Kennedy CE, Tahiliani M, Wilkins A, Cantley LC: PtdIns(4,5)P2 functions at the cleavage furrow during cytokinesis. Curr Biol. 2005, 15 (15): 1407-1412. 10.1016/j.cub.2005.06.059.

Nelson CP, Nahorski SR, Challiss RA: Temporal profiling of changes in phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, inositol 1,4,5-trisphosphate and diacylglycerol allows comprehensive analysis of phospholipase C-initiated signalling in single neurons. J Neurochem. 2008, 107 (3): 602-615. 10.1111/j.1471-4159.2008.05587.x.

Quinn KV, Behe P, Tinker A: Monitoring changes in membrane phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate in living cells using a domain from the transcription factor tubby. J Physiol. 2008, 586 (Pt 12): 2855-2871. 10.1113/jphysiol.2008.153791.

Balla A, Ju Kim Y, Varnai P, Szentpetery Z, Knight Z, Shokat KM, Balla T: Maintenance of Hormone-sensitive Phosphoinositide Pools in the Plasma Membrane Requires Phosphatidylinositol 4-Kinase III{alpha}. Mol Biol Cell. 2007, 19 (2): 711-721. 10.1091/mbc.E07-07-0713.

Varnai P, Thyagarajan B, Rohacs T, Balla T: Rapidly inducible changes in phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate levels influence multiple regulatory functions of the lipid in intact living cells. J Cell Biol. 2006, 175 (3): 377-382. 10.1083/jcb.200607116.

Wal van Der J, Habets R, Varnai P, Balla T, Jalink K: Monitoring Phospholipase C activation kinetics in live cells by FRET. J Biol Chem. 2001, 276: 15337-15344. 10.1074/jbc.M007194200.

Hammond GR, Sim Y, Lagnado L, Irvine RF: Reversible binding and rapid diffusion of proteins in complex with inositol lipids serves to coordinate free movement with spatial information. J Cell Biol. 2009, 184 (2): 297-308. 10.1083/jcb.200809073.

Balla A, Tuymetova G, Tsiomenko A, Varnai P, Balla T: A plasma membrane pool of phosphatidylinositol 4-phosphate is generated by phosphatidylinositol 4-kinase type-III alpha: studies with the PH domains of the oxysterol binding protein and FAPP1. Mol Biol Cell. 2005, 16: 1282-1295. 10.1091/mbc.E04-07-0578.

Varnai P, Lin X, Lee SB, Tuymetova G, Bondeva T, Spat A, Rhee SG, Hajnoczky G, Balla T: Inositol lipid binding and membrane localization of isolated pleckstrin homology (PH) domains. Studies on the PH domains of phospholipase C delta 1 and p130. J Biol Chem. 2002, 277: 27412-27422. 10.1074/jbc.M109672200.

Uchiyama T, Yoshikawa F, Hishida A, Furuichi T, Mikoshiba K: A novel recombinant hyper-affinity Inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) absorbent traps IP3, resulting in specific inhibition of IP3-mediated calcium signaling. J Biol Chem. 2001, 277: 8106-8113. 10.1074/jbc.M108337200.

Varnai P, Balla A, Hunyady L, Balla T: Targeted expression of the inositol 1,4,5-triphosphate receptor (IP3R) ligand-binding domain releases Ca2+ via endogenous IP3R channels. Proc Natl Acad Sci USA. 2005, 102 (22): 7859-7864. 10.1073/pnas.0407535102.

Xu C, Watras J, Loew LM: Kinetic analysis of receptor-activated phosphoinositide turnover. J Cell Biol. 2003, 161: 779-791. 10.1083/jcb.200301070.

Bartlett PJ, Young KW, Nahorski SR, Challiss RA: Single cell analysis and temporal profiling of agonist-mediated inositol 1,4,5-trisphosphate, Ca2+, diacylglycerol, and protein kinase C signaling using fluorescent biosensors. J Biol Chem. 2005, 280 (23): 21837-21846. 10.1074/jbc.M411843200.

Roy A, Levine TP: Multiple pools of phosphatidylinositol 4-phosphate detected using the pleckstrin homology domain of Osh2p. J Biol Chem. 2004, 279: 44683-44689. 10.1074/jbc.M401583200.

Yeung T, Terebiznik M, Yu L, Silvius J, Abidi WM, Philips M, Levine T, Kapus A, Grinstein S: Receptor activation alters inner surface potential during phagocytosis. Science. 2006, 313 (5785): 347-351. 10.1126/science.1129551.

Shi X, Basran J, Seward HE, Childs W, Bagshaw CR, Boxer SG: Anomalous negative fluorescence anisotropy in yellow fluorescent protein (YFP 10C): quantitative analysis of FRET in YFP dimers. Biochemistry. 2007, 46 (50): 14403-14417. 10.1021/bi701575n.

Nash MS, Willets JM, Billups B, John Challiss RA, Nahorski SR: Synaptic activity augments muscarinic acetylcholine receptor-stimulated inositol 1,4,5-trisphosphate production to facilitate Ca2+ release in hippocampal neurons. J Biol Chem. 2004, 279 (47): 49036-49044. 10.1074/jbc.M407277200.

Nash MS, Schell MJ, Atkinson PJ, Johnston NR, Nahorski SR, Challiss RA: Determinants of metabotropic glutamate receptor-5-mediated Ca2+ and inositol 1,4,5-trisphosphate oscillation frequency. Receptor density versus agonist concentration. J Biol Chem. 2002, 277 (39): 35947-35960. 10.1074/jbc.M205622200.

Watras J, Fink CC, Loew LM: Endogenous inhibitors of InsP3-induced Ca2+ release in neuroblastoma cells. Brain Res. 2005, 1055 (1-2): 60-72. 10.1016/j.brainres.2005.06.091.

Horowitz LF, Hirdes W, Suh BC, Hilgemann DW, Mackie K, Hille B: Phospholipase C in living cells: activation, inhibition, Ca2+ requirement, and regulation of M current. J Gen Physiol. 2005, 126 (3): 243-262. 10.1085/jgp.200509309.

Thông tin
Thông tin xuất bản

BMC Cell Biology

Thông tin tác giả