材料和方法
材料
离子霉素来自Calbiochem(加州拉霍亚)。DiD和FM4-64来自分子探针(尤金,俄勒冈州)。
融合蛋白构建体
先前描述了编码人PKCα和PKCαC2结构域(韩国仁川英哈大学J.-W.Soh馈赠)的融合到氰荧光蛋白(CFP)(pCFP-PKCα与pCFP-PKCα_2)的质粒的构建(埃文斯等。,2004)。通过定点突变(Stratagene,La Jolla,CA)产生突变质粒(pCFP-PKCαC2/K209A/K211A和pCFP-PKCα/K209/K211A)。编码人细胞溶质磷脂酶A的质粒2(cPLA2)C2域(加入{“type”:“entrez核苷酸”,“attrs”:{“text”:“M72393”,“term_id”:“190006”}M72393型)含有来自PKCαC2(pCFP-cPLA)的CBL 1、2和32/PKC_CBLs)或PKCαC2 CBL和β3-4链(pCFP-cPLA2/PKC_CBLs+β3–4)由pCFP-cPLA扩增获得的重叠PCR片段组装而成2C2与cPLA2C2fwd和cPLA2C2rev引物和包含PKCαC2 CBL序列和β3–4链序列的引物。通过PCR组装片段并克隆到欣国防情报研究所/萨尔ECFP(C3)的位置。cPLA的氨基酸序列2/含cPLA的PKC_CBLs杂交2C2序列(S17-V30、D43-H62、P69-D93、T101-M148)因插入PKCαC2回路序列(I184-S192、I215-N220、W247-D254)而中断。cPLA的氨基酸序列2/含PKC_CBLs+β3–4杂合物的cPLA2C2序列(S17-V30、P69-D93、T101-M148)因插入PKCαC2环和β3-4链序列(I184-N220、W247-D254)而中断。由于不同的拓扑结构,PKCαC2β3–4链与cPLA同源2C2β2–3股。
含有与CFP或YFP(黄色荧光蛋白)融合的GAP43 N末端20残基的质粒(分别为mGAP43-CFP和-YFP)购自BD Biosciences Clontech(加利福尼亚州帕洛阿尔托)。TGN38-CFP和TGN38-YFP质粒是K.Simons(德国德累斯顿马普研究所)赠送的礼物。EGFP-PLCδ1PH域质粒是M.Katan(英国伦敦癌症研究中心细胞和分子生物学)赠送的礼物。
本研究中使用的pYFP质粒是从BD Biosciences Clontech购买的pEYFP中构建的,通过定点突变(Stratagene)引入Q70M突变以提高其质量(格里斯贝克等。,2001)。交换Nhe公司我/英国标准普尔编码荧光蛋白的GI片段产生不同颜色的荧光蛋白质粒。
对于体外脂质结合研究,PKCαC2,cPLA2/PKC_CBLs和cPLA2/使用PKCαC2-GSTfwd和PKCαC2-GSTrev引物扩增PKC_CBLs+β3–4序列,用于PKCαCO2和cPLA2C2 GSTfwd和cPLA2C2-GSTfwd,用于杂种,并克隆到Eag公司我/生态谷胱甘肽的RI位点S公司-转移酶(GST)融合载体。表达的蛋白质大肠杆菌菌株BL12D在用凝血酶切割和洗脱之前在谷胱甘肽亲和柱上分离。通过SDS-PAGE测定蛋白质纯度(莱姆利,1970年)用酪氨酸差异光谱法测定蛋白质浓度(科普兰,1994年)。所有结构均经DNA测序证实。
细胞培养
将从美国型培养物收集中心(弗吉尼亚州马纳萨斯)获得的Madin-Darby犬肾(MDCK)细胞以1×10的密度涂布在35-mm玻璃底培养皿(马萨诸塞州阿什兰MatTek)上4细胞/厘米2在含有10%胎牛血清、100 U/ml青霉素、100μg/ml链霉素、0.292 mg/ml谷氨酰胺的DMEM中培养237°C时。第二天,使用FuGENE-6(Roche Diagnostics,Indianapolis,IN)或Lipofectamine 2000(Invitrogen)在含有0.2%BSA、100 U/ml青霉素、100μg/ml链霉素和0.292 mg/ml谷氨酰胺的DMEM中,按照制造商的方案,用1–2.5μg每种相关质粒转染细胞。
荧光蛋白显微镜
共同转染的MDCK细胞用Hanks的平衡盐溶液清洗,并在额外缓冲25 mM HEPES,pH 7.4(HH-BSS)的盐溶液中培养。使用配备60×1.25 NA油浸物镜的奥林巴斯倒置显微镜(纽约梅尔维尔)、Sutter滤光片轮中的CFP和YFP发射滤光片(Chroma Technology,Brattleboro,VT)、CFP/YFP二色镜和TILL Imago CCD相机(德国格拉夫芬TILL Photonics公司)对细胞进行成像。使用多色IV单色仪(TILL Photonics)分别为CFP和YFP提供430 nm和510 nm的激发光。图形中的图像和使用配备60×1.4 NA油浸物镜的尼康倒置显微镜(纽约州梅尔维尔)、CFP/YFP/RFP二向色镜和相应的单波段激发和发射滤波器(色度技术)以及CoolSNAP ES相机(光度学,亚利桑那州图森市)进行采集。激发灯由水银灯提供。在所有实验中,在采集第一组和第二组CFP/YFP图像集之间,用10μM离子霉素刺激细胞。图像集之间的间隔为5-10秒。使用TILLvisION软件进行图像采集和分析。最终图像是使用Adobe Photoshop(Adobe,San Jose,CA)和ImageJ(NIH,网址:http://rsb.info.nih.gov/ij/)。使用ImageJ制作了曲面图和视频。
PKCαC2域与PLCδ共定位1易位后不同焦平面的PH结构域和mGAP43。共存(A)YFP-PKCαC2(左)和CFP-PLCδ的细胞图像1在每个细胞的顶端(顶部)、内侧(中部)和基底(底部)平面用离子霉素处理后PH(右)。同一个细胞在给定的焦平面上成像。插图,所示单元格区域的放大视图。CFP-PLCδ的细胞内分布1离子霉素治疗前后PH值无明显变化。(B) 用离子霉素处理后,在每个细胞的顶端(顶部)、内侧(中部)和基底(底部)平面共表达YFP-PKCαC2(左)和mGAP43-CFP(右)的三个细胞的图像。插图,所示单元格区域的放大图。同一个细胞在给定的焦平面上成像。mGAP43-CFP的核周靶向高尔基体由星号表示(右图)。所有结果均代表至少五个实验。
mGAP43和PLCδ的彩色化1具有DiD的PH结构域。(A) 表达mGAP43-YFP的细胞顶面(左)用亲脂膜染料DiD染色(右)。细胞在37°C下与25μM DiD孵育5分钟,用冰镇HHBSS冲洗,并在冰上保存直至成像,以防止染料污染内膜。焦点位于心尖表面。插图,白框区域。mGAP43(左)和DiD(右)插图中区域的曲面图(底部)。比例尺反映了荧光强度随着周围暗淡膜的强度设置为1而增加的倍数。(B) 表达mGAP-YFP的细胞基底表面(左),DiD染色(右)。mGAP43(左)和DiD(右)插图中区域的曲面图(底部)。比例尺反映荧光强度的倍数增加。(C) 表达CFP-PLCδ的细胞的顶(顶)面和底(底)面1PH(左)用亲脂膜染料FM4-64染色(右)。细胞与5μg/ml FM4-64在冰镇HHBSS中孵育5分钟,冲洗,并放在冰上直到成像,以防止染料污染内膜。
脂质结合研究
使用的脂质为1-棕榈酰-2-油酰基-锡-甘油-3-磷酸胆碱(磷脂酰胆碱,PC),1-棕榈酰-2-油酰基-锡-甘油-3-磷酸丝氨酸(磷脂酰丝氨酸,PS)和L-α-磷脂酰肌醇-4,5,-二磷酸(PIP2)来自Avanti Polar Lipids(Alabaster,AL)。使用的氟是N个-[5-二甲氨基-萘-1-磺酰基]-1,2-二十六烷基-锡-分子探针中的甘油-3-磷酸乙醇胺(dansyl-PE,dPE)。将脂质溶解在氯仿/甲醇/水(1/2/0.8)中,得到71.25:23.75:5PC:PS:dPE或66.75:22.25:6:5PC:PS:PIP的比率2:dPE,在45°C的真空下干燥,直到去除所有溶剂,然后用缓冲液A(25 mM)水合N个-(2-羟乙基)哌嗪-N个pH 7.4的′-2-乙基磺酸(HEPES),含KOH、140 mM KCl和15 mM NaCl以及1 mM MgCl2)通过快速涡流。通过使用Misonix XL2020探针声波仪(Misonix,Farmingdale,NY)对水合脂质进行超声波处理以澄清,制备了声波小单层囊泡(SUV)。超声处理后,通过离心分离去除不溶性物质。
为了测量与脂质结合的蛋白质,在Photon Technology International QM-2000–6SE荧光光谱仪(新泽西州劳伦斯维尔)上进行了平衡荧光实验,实验温度为25°C,缓冲液a基本上如所述(纳列夫斯基等。,1997)。对于所有的平衡荧光实验,激发狭缝宽度和发射狭缝宽度分别为2和8 nm。在蛋白质中的供体固有色氨酸和由PC/PS/dPE或PC:PS:PIP组成的SUV之间测量FRET2:含有受体的dPE,丹酰PE。CaCl2在缓冲液A中的野生型或杂交C2结构域(1μM)和SUV(总脂质浓度100μM)的混合物中滴定,通过使用λ前任=284 nm和λ相对长度单位分别=520 nm。从蛋白质数据中减去dPE直接激发产生的荧光。图中给出了三个实验的平均值±SD。曲线通过使用KaleidaGraph软件(Synergy software,Reading,PA)的Hill方程表示数据的最佳拟合。
结构模型
蛋白质数据库(伯曼等。,2000)中实验确定的C2域模型的标识符是1RLW(cPLA2α指挥与控制;佩里西奇等。,1998)和1DSY(PKCαC2;维达格尔等。,1999)。混合C2域模型如所示通过将PKCαC2的相应CBL和β3–4区域放置在cPLA的结构核心上而构建2C2.cPLA的结构2使用程序CE(组合扩展;辛迪亚洛夫和伯恩,1998年)。结构对齐后,PKCαC2 PDB文件的适当部分替换了cPLA的区域2αC2 PDB文件,由。混合C2域模型在Modeller程序中能量最小化(加利福尼亚州圣地亚哥Accelrys)(萨利和布伦德尔,1993年)修复各种结构段之间的任何不匹配。由于杂交C2模型的钙离子配位方案与PKCαC2最接近,根据不同结构的多序列比对判断,假设杂交C2模型以与PKCβC2相同的方式结合两个钙离子。
结果
天然PKCα及其C2结构域的细胞内靶向性
监测PKCα对钙的细胞内靶向作用2+动员后,我们将PKCα融合到CFP,在MDCK细胞中表达融合蛋白,并在胞浆Ca增加时成像其细胞定位2钙处理细胞产生的浓度2+离子载体离子霉素。在未经刺激的细胞中,CFP-PKCα和从PKCα中分离的C2结构域融合到黄色荧光蛋白(YFP-PKCαC2)在胞浆中广泛分布()。由于其分子量较小,在细胞核中也观察到YFP-PKCαC2,还有许多与荧光蛋白融合的小结构域(巴拉和瓦尔奈,2002年)。作为对细胞质钙增加的反应2+浓度,CFP-PKCα从胞质溶胶转移到细胞外周和质膜顶面上的小斑点,在那里它与YFP-PKCαC2共定位(和补充图2视频)。因为CFP-PKCα和YFP-PKCαC2的荧光信号完全共定位()因此,C2域不仅提供Ca2+对PKCα的调节,但也需要所有必要的靶向信息。
PKCα和分离的PKCαC2结构域靶向MDCK细胞质膜中相同的点。MDCK细胞共表达(A)CFP-PKCα和(B)YFP-PKCαC2的CFP和YFP图像对(左面板)和(右面板)胞浆Ca刺激后140 s2+用10μM离子霉素处理细胞发出信号。焦点位于细胞的顶端表面。白色方框区域的插图、放大图和合并显示在C中。比例尺,10μm。图像代表了在五个或更多独立实验中观察到的多个细胞。
为了研究斑点的性质,我们首先使用两种不同的质膜标记物磷脂酶Cδ来测试斑点位于质膜上的假设1PH域与YFP融合(YFP-PLCδ1PH),广泛用作PIP标记2富含质膜(斯塔弗等。,1998;瓦尔奈和巴拉,1998年)以及生长相关蛋白43(GAP43)的20-残基双棕榈糖基靶向区域融合到YFP(mGAP43-YFP),已知其特异靶向血浆和高尔基体膜(阿尼等。,1998)。CFP-PKCαC2和YFP-PLCδ共存的细胞1用离子霉素处理PH以诱导钙2+动员,并在细胞顶部表面成像每个结构的荧光。为了完整性,还收集了细胞基底和内侧平面的图像。CFP-PKCαC2和YFP-PLCδ的荧光信号1PH完全重叠()。CFP-PKCαC2和YFP-PLCδ1PH荧光出现在细胞顶端表面的亮点和基底表面的亮斑中。中间切片的图像显示细胞外围有荧光,与共焦显微镜报告的图像类似(酒井等。,1997;Oancea和Meyer,1998年;斯塔弗等。,1998)。在表达CFP-PKCαC2和mGAP43-YFP并用离子霉素处理的细胞中,荧光信号的重叠是相同的,除了mGAP43-YFP与高尔基体相关,并且再次观察到明亮的顶端点状物和基底斑()。如预期,YFP-PLCδ的质膜荧光1PH和mGAP43-YFP在未刺激细胞中重叠(补充图S1)。
原则上,观察到的点状物和斑块可能代表含有高局部PIP密度的脂质和蛋白质的大簇2在质膜的细胞质表面,如脂筏簇(劳克斯等。,2000;劳赫尔等。,2000;高大等。,2000;棕色等。,2001;杀虫喷雾剂等。,2003;黄等。,2004;Golub和Caroni,2005年)。或者,点状物和斑块可以代表膜表面积局部密度高引起的几何特征(2002年科拉鲁索和春天;van Rheenen和Jalink,2002年)。为了解决这些可能性,我们首先使用亲脂性膜染料DiD和FM4-64在表达mGAP43 YFP的细胞中提供均匀的膜染色(劳赫尔等。,2000;van Rheenen和Jalink,2002年;Golub和Caroni,2005年)。表达低水平mGAP43-YFP的细胞在37°C下用DiD处理5分钟,然后冷却到4°C,以减缓染料向细胞内膜的移动。选择表达低水平mGAP43-YFP的细胞进行分析,因为表达高水平mGAP3-YFP细胞的胞浆中荧光比例相当大。如中所示mGAP43-YFP在心尖表面的点状模式与DiD染色重叠(顶面板)。插入区域的表面图是假彩色的,以显示背景膜上mGAP43-YFP和DiD强度的折叠变化(,底部面板)。mGAP43 YFP和DiD泪点都比周围的心尖膜亮约1.6倍,并且亮度区域完全重叠(,底部面板)。DiD染色的根尖点的亮度和分布与在MDCK细胞中的类似研究中所描述的相似(2002年科拉鲁索和春天)。对表达mGAP43-YFP并用DiD染色的细胞基底表面的分析得出了类似的结果,只是基底mGAP43-YFP和DiD斑块都被发现比周围膜亮三到四倍()。在mGAP43-YFP表达细胞上使用FM4-64进行的类似实验产生了类似的结果(未公布的数据)。这些结果表明,明亮的顶端点状物和基底斑块是由质膜的局部折叠而非脂质和蛋白质异质性区域(脂筏)引起的。
进一步研究明亮的点状物和斑块是否代表高局部密度的质膜或PIP2-含有脂筏,我们对PIP进行了成像2-特定CFP-PLCδ1PH结构域和质膜标记FM4-64。CFP-PLCδ1在4°C下用FM4-64处理PH表达细胞5分钟。由此产生的CFP-PLCδ亮尖点和基底斑1观察到PH与FM4-64共定位(,顶部面板)。由于CFP-PLCδ的比例较大1细胞溶质中与膜无关的PH值,FM4-64和CFP-PLCδ之间亮度差异的分析1PH斑点和斑块被排除;然而,CFP-PLCδ的荧光倍增1PH值始终低于FM4-64。这些结果再次表明,观察到的mGAP43和PLCδ的局部累积1PH域是由膜密度的局部增加引起的。
总之,我们对亲脂探针和蛋白质结构域的细胞定位进行的比较表明,mGAP43、PLCδ1PH和PKCαC2在我们的光学分辨率极限(~250 nm)内均匀分布在整个质膜上。在顶端和基底细胞表面观察到的明亮点状和斑块分别代表了由复杂几何特征而非膜平面内的异质性(如脂筏)引起的高质膜密度的局部区域。这些发现并不排除存在异质性或小于我们分辨率极限的筏的可能性,并补充诸如GAP43、PLCδ等蛋白质1和PKCα。
总的来说,目前的细胞定位结果证实了Ca2+如以前的研究所报道的那样,活化导致全长PKCα及其分离的C2结构域从细胞质转移到质膜的内叶,而不是其他细胞内膜(酒井等。,1997;Oancea和Meyer,1998年;斯塔弗等。,1998)。为了了解特异性质膜靶向是如何实现的,我们接下来在体外系统中研究了分离的PKCαC2蛋白的磷脂偏好性。
天然PKCαC2结构域与膜结合PIP的体外结合2
以前的研究表明PS和PIP2作为PKCαC2结构域与人工膜对接的调节因子(科尔巴兰·加西亚等。,2003;斯塔赫林等。,2003;Marin-Vicente公司等。,2005)。如上所述,PLC的膜结合目标δ1PH域,PIP2在质膜的内叶中特别富集(罗斯,2004)而PS是所有细胞膜的组成部分(van Meer,1998年)。许多独立的荧光研究观察到PLCδ的专属靶向性1PH域到质膜,表明其他细胞膜不含可检测水平的PIP2(罗斯,2004)。因此,PKCαC2结构域和质膜PIP之间的特异性相互作用2可以解释所观察到的血浆膜靶向特异性。为了验证这一假设,我们使用了一种已建立的蛋白-膜FRET分析来量化PIP的影响2关于Ca2+-磷脂囊泡的体外依赖性结合(纳列夫斯基等。,1997)。具体而言,在PKCαC2域的四个固有色氨酸供体和含有3:1 PC:PS和5 mol%丹酰-PE的磷脂囊泡之间监测FRET,后者作为FRET受体。囊泡也含有或缺乏6 mol%的PIP2.PIP的存在2显著改变Ca2+-C2结构域对接对囊泡的依赖性,使[Ca减少18倍2+]1/2相对于缺乏PIP的囊泡,C2结构域对接的亲和力增加了18倍2()。相反,PIP2对钙没有影响2+-胞浆磷脂酶A C2结构域的依赖性膜对接2α(cPLA2αC2;)。这些发现共同表明PIP2显著提高钙2+-钙介导PKCαC2结构域向膜表面的募集2+发出信号并建议PIP2结合驱动质膜靶向。
项目实施计划2增加PKCαC2结构域对磷脂囊泡的结合亲和力。(A)PKCαC2结构域和(B)cPLA的蛋白膜FRET分析2αC2结构域与磷脂囊泡结合,磷脂囊泡含有3:1的PC:PS和5 mol%的丹酰PE,带(•)或不带(○) 6摩尔百分比PIP2样品含有1μM C2结构域、100μM总脂质、1 mM MgCl2,140 mM KCl,15 mM NaCl,25 mM HEPES,pH 7.4,25°C。数据点表示三个独立实验的平均±SD。使用希尔方程(实线)进行的最佳拟合分析得出[Ca2+]1/2值为2.9±0.05μM(+PIP2)和51±1.5μM(–PIP2)对于PKCαC2和15±0.28μM(+PIP2)和13±0.29μM(–PIP2)对于cPLA2αC2.希尔系数在1.5到1.9之间,因为每个C2结构域被多个Ca激活2+离子(科胡特等。,2002).
含PKCαC2-Ca的杂交C2结构域的细胞内靶向和脂质结合2+-绑定循环
我们的下一个目标是确定特定质膜靶向下C2结构域的结构元素。一种可能性是CBL控制靶向特异性。例如,我们早期的工作表明,来自cPLA的相关C2域的CBL2足以促进C2结构域的天然细胞内靶向性,该结构域在体内与高尔基体和内质网膜对接(埃文斯等。,2004)。此外,其他研究表明,位于PKCαC2结构域CBL中的残基在将分离的C2结构域靶向质膜方面很重要(科内萨·扎莫拉等。,2001;斯塔赫林等。,2003;Marin-Vicente公司等。,2005),和PKCαC2对接的生物物理研究表明,CBL直接接触膜表面(科胡特等。,2003;).
评估PKCαC2 CBL在靶向和PIP中的作用2识别后,我们将PKCαC2 CBL融合到cPLA上2αC2域支架产生混合域(cPLA2/PKC_CBLs;)。因为cPLA的晶体结构2已知αC2和PKCαC2(佩里西奇等。,1998;维达格尔等。,1999),可以对齐同源结构以产生杂种()。直接比较cPLA之间的目标2/PKC-_CBLs杂交融合到CFP(CFP-cPLA2/PKC_CBLs)和YFP-PKCα2+-杂种从细胞质到近核位置的依赖性易位,其中一些与质膜结合仍可以检测到(和补充图6视频)。通过成像CFP-PKCαC2_CBLs和TGN38-YFP,TGN的标记物(图姆等。,1999),我们建立TGN膜作为近核结合的靶点()。相比之下,含有PKCαC2 CBL 1或CBL 1和3的类似杂种融合到cPLA2αC2结构域支架对Ca的反应未能向任何膜移位2+动员(未公布的数据)。这些发现表明,分离的PKCαC2结构域CBL可以直接调控Ca2+-依赖性靶向一组有限的阴离子细胞膜,但不足以使PKCαC2样靶向质膜。总的来说,这些发现表明,PKCαC2结构域的天然质膜靶向特异性所需的另一个结构元件必须位于CBL之外。
PKCαC2β链3和4是质膜靶向和Ca所必需的2+-依赖于PIP的绑定2-含有磷脂小泡。CFP和YFP共存细胞图像对(A)CFP-cPLA2/PKC_CBLs和YFP-PKCαC2,(B)CFP-cPLA2/PKC_CBLs和TGN38-YFP,或(C)CFP-cPLA2/刺激细胞质钙后1–2.5分钟PKC_CBLs+β3–4和YFP-PKCαC22+用离子霉素处理信号。白色方框区域的插图、放大图和合并显示在每个面板的右侧。比例尺,10μm。结果代表了至少五个实验。(D)cPLA的蛋白质-膜FRET分析2/PKC_CBLs和(E)cPLA2/PKC_CBLs+β3–4蛋白与磷脂囊泡结合(m)或不与(l)6%PIP结合2(请参见图例了解详细信息)。使用希尔方程(实线)进行的最佳拟合分析得出[Ca2+]1/2647±11 mM(+PIP2)和620±5.5μM(–PIP2)对于cPLA2/PKC_CBLs和值91.6±1.1 mM(+PIP2)和459±12 mM(–PIP2)对于PKCαC2_CBLs+β3–4。
还检测了具有三个PKCαC2 CBL的杂交C2结构域识别PIP的能力2体外蛋白膜FRET分析。即使没有PIP2,杂种需要较高的钙2+与野生型PKCαC2结构域相比,驱动膜对接的水平(比较图和),很可能是因为钙的次优取向2+与之前建议的其他C2域杂种的配位残基相同(格伯等。,2001)。值得注意的是,PIP2对钙没有影响2+-这种混合C2结构域对膜对接的依赖性,表明单用CBL不足以进行PIP2识别并提示涉及PKCαC2结构域的另一个区域。
含PKCαC2-Ca的杂交C2结构域的细胞内靶向性和脂质结合2+-结合环和β3–4发夹
由β链3和4形成的β发夹中的赖氨酸残基形成的基本区域被假定为与PS或PIP协调2在膜中(奥乔亚等。,2002;科尔巴兰·加西亚等。,2003;罗德里格斯-阿尔法罗等。,2004;Marin-Vicente公司等。,2005)电子顺磁共振研究表明,β3–4发夹位于膜表面附近(科胡特等。,2003)。为了研究β3-4发夹对特异性质膜靶向的作用,我们构建了另一个包含PKCαC2 CBL和β3-4发夹与cPLA融合的杂交C2结构域2C2脚手架并连接至CFP(CFP-cPLA2/PKC_CBLs+β3–4;)。对钙的反应2+增加CFP-cPLA2/PKC_CBLs+β3–4从胞质溶胶中移出,并与YFP-PKCαC2在根尖点完全共定位(和补充图6C视频)。对CFP-cPLA的移位进行成像2/PKC-_CBLs+β3–4和YFP-cPLA2/同一细胞中的PKC_CBLs杂交结构域清楚地揭示了β3–4发夹对质膜特异性靶向的重要作用(补充图S2和补充图S2video)。这些结果表明,PKCαC2结构域的β3–4发夹驱动了天然结构域的质膜靶向特异性。
直接测试β3–4发夹在PIP中的作用2我们评估了cPLA的体外结合2/PKC_CBLs+β3–4杂交蛋白与带有或不带有PIP的囊泡2在蛋白膜FRET分析中。与cPLA相比2/PKC_CBLs杂交蛋白,其中PIP2对钙没有影响2+-依赖膜结合()、PIP2显著改变了Ca2+-cPLA的依赖性结合2/PKC_CBLs+β3–4蛋白转化为磷脂小泡,使[Ca减少五倍2+]1/2与缺乏PIP的囊泡结合2()。总之,这里提供的数据支持Ca的观点2+PKCα向PIP的依赖性易位2-富集的质膜由PKCαC2结构域的两个膜相互作用区域控制:CBL区域,该区域特异性结合Ca2+并驱动仅具有有限特异性的膜结合,以及β3–4发夹,这是完全膜特异性和PIP所必需的2认可。
突变体PKCαC2结构域的细胞内靶向和脂质结合
接下来,我们将注意力转向位于β3–4发夹中的四个赖氨酸残基()。早期的研究表明,PKCαC2的β3链中的赖氨酸197和199以及β4链中的赖氨酸209和211在Ca中很重要2+-独立,PIP2-与囊泡、PS和PIP的依赖性结合2-体外PKCα活性的依赖性调节和膜滞留(奥乔亚等。,2002;科尔巴兰·加西亚等。,2003;罗德里格斯-阿尔法罗等。,2004;Marin-Vicente公司等。,2005)。假设这些赖氨酸残基在PIP中很重要2识别预测,这些位置的突变将削弱体内膜靶向特异性和体外脂质结合亲和力。为了验证这一假设,创建了两个突变体,每个突变体在关键赖氨酸位置包含一对替换:K197A/K199A和K209A/K211A。
先前的研究表明,K209A/K211A双突变对PIP的影响显著大于K197A/K199A2-依赖性PKCα激酶体外活性和体内膜结合(罗德里格斯-阿尔法罗等。,2004); 因此K209A/K211A被选择用于体内荧光成像研究。首先,将含有K209A/K211A的突变体PKCαC2域融合到YFP(YFP-PKCαC2/K209A/K211A)。由此产生的突变主要针对近膜,其中一些与质膜的结合仍然可以检测到,以响应钙2+动员。观察到的靶向模式与在同一细胞中表达的CFP-PKCαC2明显不同,后者只针对质膜斑点和斑块(和补充图7视频)。YFP-PKCαC2/K209A/K211A与TGN38-CFP的共成像证实了易位的主要靶点是TGN(补充图S3A),如先前在cPLA中观察到的那样2/缺少PKCαβ3–4区域的PKC_CBLs杂种()。这些结果表明,β3–4发夹中必需赖氨酸的丢失使PIP失活2结合位点。在这种情况下,靶向性仅由CBL控制,特异性降低。YFP-PKCαC2/K209A/K211A与CFP-cPLA的直接共定位证实了这一点2/PKC_CBLs公司(和补充图7B视频)。
PKCαC2结构域β链3和4中的赖氨酸残基是质膜靶向和Ca2+-依赖于PIP的绑定2-含有磷脂小泡。共表达细胞的CFP和YFP图像对(A)YFP-PKCαC2/K209A/K211A和CFP-PKCαC2,(B)YFP-PKCαC2/K209/K211A与CFP-cPLA2/PKC_CBLs或(C)YFP-PKCα和CFP-PKCα/K209A/K211A刺激细胞质Ca后55秒2+通过添加离子霉素发出信号。白色方框区域的插图、放大图和合并显示在每个面板的右侧。比例尺,10μm。结果代表了至少五个实验。(D)PKCαC2/K197A/K199A蛋白质和(E)PKCβC2/K209A/K211A蛋白质与磷脂囊泡结合的蛋白质-膜FRET分析(○) 6%PIP2(请参见图例了解详细信息)。使用希尔方程(实线)进行的最佳拟合分析得出[Ca2+]1/2值为51±1.3 mM(+PIP2)和94±4.1 mM(–PIP2)对于PKCαC2/K197A/K199A和89±1.7 mM(+PIP2)和122±3.2 mM(–PIP2)用于PKCαC2/K209A/K211A。用于比较的虚线是野生型PKCαC2结合的希尔曲线.
为了确保观察到的分离C2结构域的靶向结果表明全长PKCα,我们还评估了含有K209A/K211A双突变融合到CFP(CFP-PKCα/K209A/K211A)的全长PKCβ的靶向性。全长突变体CFP-PKCα/K209A/K211A靶向近核区和质膜对钙的响应2+对于野生型全长YFP-PKCα,这种增加与所观察到的唯一的质膜靶向性差异很大(和补充图7C视频)。正如预期的那样,全长突变体CFP-PKCα/K209A/K211A的靶向与相应的突变体C2结构域YFP-PKCαC2/K209/K211A一致(图S3B和补充图S3B视频)。然而,全长突变体比C2结构域突变体表现出更多的质膜靶向性,这表明全长蛋白的其他膜相互作用区,很可能是C1结构域和/或假底物区,也在C2结构域有缺陷时发挥靶向作用。然而,我们的结果清楚地表明,对于分离的C2结构域,赖氨酸残基209和211的突变降低了全长酶的靶向特异性。
该假设还预测,β3–4发夹中必需赖氨酸的突变将降低PIP的作用2关于Ca2+-体外依赖性囊泡结合。PIP的观察结果证实了这一预测2对Ca几乎没有影响2+-蛋白膜FRET分析中PKCαC2/K197A/K199A和PKCαC2/K209A/K211A双突变C2结构域的依赖膜结合()。正如先前激酶活性研究所建议的那样(罗德里格斯-阿尔法罗等。,2004)K209A/K211A双突变对PIP的影响大于K197A/K199A2-依赖性膜结合。总之,这些数据强调了β3–4发夹中的基本残基对于体内观察到的特异性质膜靶向和PIP的重要性2体外观察到PKCαC2结构域的结合。
讨论
在这项研究中,我们检测了PKCαC2结构域的两个膜相互作用区对1)Ca的贡献2+-依赖性,体内质膜靶向和2)钙2+-依赖,PIP2体外结合。通过将PKCαC2结构域的膜相互作用区域功能性移植到不同C2结构域体内,我们能够清楚地证明CBL对一般膜亲和力的重要性,以及β3–4发夹对质膜特异性和PIP的重要性2认可。
PKCα和分离的PKCαC2结构域对点滴和补丁的靶向性
我们最初的PKCα易位研究显示,明显的局部靶向是根尖点和基底斑块。因为许多报告也观察到带有GFP标记的PLCδ的根尖点和基底斑1PH域并将其解释为PIP的局部聚集2(如上所述),我们进一步探讨了这些地区的起源。使用两种化学性质不同的染料对质膜进行均匀染色,我们发现点状和斑块是膜表面积增加的区域(褶皱和微绒毛),这与其他两份报告一致(2002年科拉鲁索和春天;van Rheenen和Jalink,2002年)并且不是PIP的站点2和/或脂筏富集。然而,我们的观察结果可能是特定于细胞类型的,因为其他使用类似膜染料的小组得出结论,PLCδ1质膜局部区域的PH域和mGAP43积聚不是由局部增加的膜面积引起的,而是由筏引起的(黄等。,2004;Golub和Caroni,2005年)。最近,PKCα被证明与Ca中不溶于洗涤剂的组分有关2+-筏式约束的依赖方式(鲁奇等。,2005)。然而,细胞中的脂筏与来源于细胞的洗涤剂不溶性组分之间的相关性仍然受到质疑(范·莱恩等。,2005)。尽管本文使用传统的筏形标记物观察到的质膜点状和斑块显然不是筏形,但我们不能排除膜不均匀性的存在,如筏形,其可能太小而无法通过光学显微镜分辨。
CBL在靶向细胞膜中的作用
钙2+长期以来,由PKCαC2结构域的三个CBL定义的囊袋中的结合被认为是PKCα和分离的PKCαC22结构域向细胞质膜移位以及体外脂质双层结合的关键(梅德科娃和乔,1998年;科尔巴兰·加西亚等。,1999;维达格尔等。,1999;Conesa萨莫拉等。,2001;Stahelin和Cho,2001年; 科胡特等。, 2002,2003;Murray和Honig,2002年)。在体外,也可能在体内,这种易位涉及钙的结合2+-将蛋白质负载到膜表面的阴离子PS头基(维达格尔等。,1999; (埃文斯等。,2004)。这里的结果进一步证明,融合到另一个C2结构域的PKCαC2 CBL对Ca足够2+-依赖性转运到阴离子细胞膜和磷脂小泡。然而,尽管先前的研究已经得出结论,CBL负责独特的质膜靶向(斯塔赫林等。,2003;Marin-Vicente公司等。,2005)本研究结果表明,PKCαC2 CBL单独介导的细胞内靶向性与天然C2结构域的质膜靶向性不同,且特异性较低。因此,在没有β3–4发夹的情况下,CBL主要针对TGN,与质膜的轻微结合仍然可以检测到。因此,单用CBL不足以实现特定的质膜靶向。这与另一个C2域,即cPLA的靶向机制形成了巨大对比2α、 移植的CBL足以赋予cPLA的天然膜靶向特异性2混合结构域上的α(高尔基和内质网膜)(埃文斯等。,2004).
虽然PKCαC2 CBL本身不足以赋予杂交C2结构域质膜特异性,但应该强调的是,该杂交结构域确实表现出Ca2+-依赖性膜结合,并在体内转移到有限的膜靶点。因此,这种杂交结构域的CBL保留其功能性Ca2+-活性结构及其与阴离子膜的结合。杂交结构域的TGN和质膜靶点都含有高水平的PS,因为TGN细胞质小叶是质膜细胞质小片的前体。对于观察到的杂交结构域靶向这些膜的最简单解释是,移植的CBL保留其与膜结合的PS头组的天然相互作用,从而确保主要转移到具有高PS密度的细胞膜。然而,很明显,这种减弱的特异性不足以确保向质膜的排他性移位。
β3–4发夹中碱性区在靶向细胞膜中的作用
生物物理研究表明,PKCαC2结构域的β链3和4形成的β发夹靠近质膜,因为该结构域相对于质膜的方向几乎平行(科胡特等。,2003)与早期预测类似(维达格尔等。,1999)。PKCαC2与Ca络合的进一步结构研究2+可溶性PS在β3–4发夹中显示了一个由四个赖氨酸残基组成的基本区域,该区域具有强大的正电荷(奥乔亚等。,2002)。在晶体结构中观察到K209和K211与可溶性PS之间的特定相互作用(奥乔亚等。,2002)。此外,K209和K211也参与了PIP的研究2绑定(科尔巴兰·加西亚等。,2003),而PS-和PIP2-碱性区赖氨酸的突变降低了依赖性酶的激活(科尔巴兰·加西亚等。,2003;罗德里格斯-阿尔法罗等。,2004)。这些研究指出,β3–4发夹的基本区域是区别于CBL的第二个功能性脂质结合位点。本文提供的成像实验直接证明,β3-4发夹及其与PIP的相互作用2对靶向质膜至关重要。因此,在cPLA中添加PKCαβ3–4发夹2/PKC_CBLs杂交产生天然PKCαC2样靶向PIP2-富含质膜的内叶。此外,蛋白-膜FRET研究最终证明,β3–4发夹对识别PIP至关重要2通过混合域。第二个膜相互作用位点在质膜靶向和PIP中的重要性2我们的实验进一步证实了这一认识,碱性区K209和K211的两个赖氨酸残基的突变促进了靶向主要是TGN而不是质膜。值得注意的是,PKCαC2结构域的β3–4发夹中的基本区域突变产生了与杂交C2结构域相同的易位模式,该结构域具有PKCαC2-CBLs,但缺乏β3–4.发夹。此外,我们的体外FRET研究表明PIP2β3或β4链中赖氨酸的突变对结合有很大影响。总的来说,结果清楚地表明,β3–4发夹中的基本区域是正确靶向质膜和识别PIP所必需的第二个位点2.
CBL和基本区域具有重合检测功能
在这里,我们提供了证据表明,PKCαC2结构域的两个膜相互作用位点,即CBL和β3–4发夹的基本区域,都与钙有关2+-介导靶向PS和PIP2分别在质膜的细胞质表面。目前的研究结果表明,钙2+与CBL的结合对于体内外驱动膜结合是必要的,但不足以实现特定的质膜靶向。相比之下,β3–4发夹的基本区域与PIP的相互作用2虽然不足以在缺乏钙的情况下驱动易位2+通过与PIP的交互作用,需要绑定到CBL,以实现特定目标2-富含质膜。钙2+需要与CBL结合,为阴离子膜对接提供静电驱动力(纳列夫斯基等。,1997;埃文斯等。,2004)也可能需要重新排列β3–4发夹,以产生适合PIP的构象2结合。
这两个功能区的存在是为了生成Ca2+-激活,PS/PIP2符合性检测对PKCαC2结构域起作用,进而对整个酶起作用。钙2+-触发PS和PIP目标2通过将膜对接到磷脂酶C介导的PIP水解产生的高密度二酰甘油的质膜区域,质膜内可能发挥重要的生理作用2与PKCα的C1结构域结合,是其充分酶活性所必需的。例如,有人建议PIP2和某些蛋白质,其中一些是已知的PKCα效应蛋白,在脂筏中富集,这些脂筏太小或间隔太近,荧光显微镜无法检测到(霍普和派克,1996年;劳克斯等。,2000;内野等。,2004)。如果此类PIP2-富集的筏存在,它们可以作为信号复合物的组织中心,其中PKCα与其底物蛋白非常接近。此外,PIP的调制2时空分布在PKCα调控中起重要作用。为了研究这些可能性,需要在更高空间分辨率下进行进一步的体内研究或对隔离筏进行生化研究。