Kolagen hybridizující peptid - Collagen hybridizing peptide

Schéma řetězce CHP (značeného X) hybridizujícího s denaturovanými kolagenovými řetězci a tvořícího trojitou šroubovici kolagenu. Během progrese onemocnění, vývoje tkáně nebo stárnutí může být kolagen značně degradován kolagenolytickými proteázami, což způsobí, že se jeho trojitá šroubovice rozbalí při fyziologické teplotě v důsledku snížené tepelné stability. X může představovat biotin nebo fluorescenční značku.

A kolagen hybridizující peptid (CHP) je syntetický peptid sekvence s typicky 6 až 10 opakujícími se jednotkami Gly-Xaa-Yaa aminokyselina triplet, který napodobuje charakteristickou sekvenci přirozeného kolageny.[1][2] CHP peptid má obvykle vysoký obsah Prolin a Hydroxyprolin v pozicích Xaa a Yaa, což mu dává silný sklon k tvorbě jedinečného kolagenu trojitá šroubovice konformace.[1][3] V jednořetězcovém (monomerním) stavu může peptid rozpoznat denaturované kolagenové řetězce v tkáních vytvořením hybridizované trojité šroubovice s řetězci kolagenu.[2] K tomu dochází prostřednictvím trojité šroubovicové sestavy řetězce a mezireťazcové vodíkové vazby, podobným způsobem jako primery vázající se na roztavené DNA prameny během PCR.[4] Vazba nezávisí na konkrétní sekvenci nebo epitopu na kolagenu, což umožňuje CHP cílit na denaturované kolagenové řetězce různých typů.[5][6]

Kolagen, CHP, CMP a CLP

Schematické znázornění vztahu mezi CMP a CHP. Trojité šroubovicové CMP lze zahřát (nad definovanou teplotu), aby se disociovaly na monomerní CHP; po ochlazení se mohou prameny CHP v průběhu času znovu sestavit do trojité šroubovice.

Kolagen je hlavní složkou extracelulární matrix (ECM).[7] Nadrodina kolagenu se skládá z 28 různých typů kolagenu.[7] I když se funkce a hierarchická struktura těchto kolagenů mohou lišit, všechny musí být určujícím strukturním znakem známým jako trojitá šroubovice,[1] kde tři leváky polyprolin typu II (PPII) šroubovice se sestavují a tvoří pravotočivý nadšroubovicový spirálový motiv.[1][8] Krátké syntetické peptidy známé jako kolagenové mimetické peptidy (CMP) nebo kolagenové peptidy (CLP) hrály hlavní roli při objasňování 3D struktury kolagenu trojitá šroubovice, jeho kinetika skládání a tepelná stabilita jako malé trojité spirálové modely.[3][9][10][11] CMP, CLP a CHP jsou všechny velmi podobné, pokud jde o jejich aminokyselinové sekvence, ale pouze když jsou CMP nebo CLP zahřáté nad jejich teplotu tání, existují v disociovaném, jednořetězcovém stavu a lze je považovat za CHP.[2]

Vazební mechanismus

Jednovláknové CHP se vážou na denaturované kolagenové řetězce a želatina způsobem, který je jedinečný od jiných mechanismů cílení, protože specificky rozpoznávají jedinečný strukturální motiv (kolagen trojitá spirála ) pro skládání a sestavení řetězce, na rozdíl od specifické vazby epitopů, která je vidět monoklonální protilátky (mAb), například.[12] Díky svému jedinečnému mechanismu cílení mají CHP vysokou vazebnou specificitu vůči denaturovaným kolagenovým řetězcům, ale nemají téměř žádnou afinitu k intaktnímu (trojitému šroubovicovému) kolagenu.[13] CHP mohou obecně cílit na kolagenové řetězce, které byly denaturovány tepelnou,[13] chemikálie,[14] mechanické,[15] nebo enzymatické procesy,[13] stejně jako několik typů kolagenu (např. Plk, II, IV ).[5][6] Studie také ukázaly, že CHP a jejich fluoroforové konjugáty mají lepší stabilitu při kontaktu se sérem.[16]

Denaturovaný kolagen jako biomarker pro remodelaci a poškození tkání

Fluorescenční obraz axiálního průřezu myšího srdce 14. den po infarktu myokardu, obarvený Hoechst 33342 (modrý) a biotinem značený CHP (detekovaný pomocí AlexaFluor647-streptavidinu, červený). Měřítko: 1 mm.

Řízený obrat kolagenu je zásadní pro embryonální vývoj, morfogenezi orgánů i pro údržbu a opravy tkání.[17] Změny homeostázy kolagenu jsou však spojeny s řadou nemocí a patologických stavů. Může být spojena s nadměrnou degradací kolagenu metastázy rakoviny, stárnutí pokožky, artritida, a osteoporóza.[17] CHP mohou cílit tkáně procházející remodelací na základě jejich schopnosti vázat se na degradované a rozvinuté kolagenové řetězce prostřednictvím tvorby trojité šroubovice. Jako cílová skupina nabízejí CHP velký potenciál histopatologie, diagnostika a dodávka léků pro širokou škálu nemocí.

Většina metod pro hodnocení denaturace kolagenu v chorobných stavech je nepřímých, jako je detekce matricová metaloproteináza (MMP) aktivita nebo kvantifikace fragmentů kolagenových peptidů v moči, séru nebo synoviální tekutina.[18][19][20] Při použití konvenčních metod přímého cílení na kolagen se vědci musí spoléhat na peptidy vázající kolagen vybrané podle fágový displej,[21] odvozeno od proteinů vázajících kolagen,[22] nebo protilátky vytvořené proti kolagenům. Tyto sloučeniny bohužel nemohou cílit na denaturované kolageny, které jsou nestrukturované a nepředstavují definovaný 3D epitop. Kromě toho protilátky, u nichž se uvádí, že rozlišují specifické degradované fragmenty kolagenu, mohou rozpoznat pouze jeden nebo několik typů kolagenu.[2][23] Naproti tomu se CHP v zásadě mohou vázat na všechny typy denaturovaných kolagenů.[4][5][6]

Aplikace

Barvení tkáně

Fluorescenční obraz sagitálního řezu 18 d.p.c. myší embryo dvakrát obarvené biotinylovaným CHP (detekováno AlexaFluor647-streptavidin, oranžová) a protilátkou proti kolagenu I (detekováno AlexaFluor555-značenou oslí anti-králičí IgG H&L, azurová). mx, maxilla; md, mandibulární kost; bp, bazo-fenoidní kost; bo, bazioccipitální kost; vc, páteř; rb, žebro; h, hipbone; d, digitální kosti. Měřítko: 3 mm.

Fluoroforem nebo biotinem značené CHP se používají jako barvicí činidlo pro detekci degradace a denaturace kolagenu prostřednictvím imunofluorescence a imunohistochemie aplikace.[5] CHP mohou skvrnit zmrazené tkáňové řezy, formálně fixované parafínem zalité sekce (FFPE),[5] stejně jako čerstvé tkáně.[14][15] CHP lze použít na vzorky tkání z různých druhů a řady nemocí, jako je např infarkt myokardu, artritida, nefritida, a fibróza.[5]

Zobrazování in vivo

CHP mohou být také označeny téměř infračervené fluorofory pro in vivo fluorescenční zobrazování.[13][24]

Identifikace kolagenu

CHP lze použít k vizualizaci mnoha různých typů kolagenových pásů SDS-PAGE gely.[6] Kolagen je denaturován zahřátím v přítomnosti SDS před nanesením gelu. Kolagenové pásy jsou vizualizovány pomocí hybridizace CHP-kolagen, když jsou gely obarveny fluorescenčně značenými CHP.[6]

Detekce mechanického poškození pojivové tkáně

Kolagen nabízí mechanickou pevnost v nosných tkáních v těle, jako jsou šlachy, vazy a kosti. Při působení sil na tyto tkáně může dojít k poškození a uvolnění kolagenové trojité šroubovice a CHP umožňují detekci mechanického poškození v těchto pojivových tkáních na molekulární úrovni.[15][25]

Reference

  1. ^ A b C d Ramena, Matthew D .; Raines, Ronald T. (2009). "Kolagenová struktura a stabilita". Roční přehled biochemie. 78: 929–958. doi:10,1146 / annurev.biochem.77.032207.120833. ISSN  1545-4509. PMC  2846778. PMID  19344236.
  2. ^ A b C d Wahyudi, Hendra; Reynolds, Amanda A .; Li, Yang; Owen, Shawn C .; Yu, S. Michael (říjen 2016). „Cílení na kolagen pro diagnostické zobrazování a terapeutické podávání“. Journal of Controlled Release. 240: 323–331. doi:10.1016 / j.jconrel.2016.01.007. PMC  4936964. PMID  26773768.
  3. ^ A b Persikov, A. V .; Ramshaw, J. A .; Kirkpatrick, A .; Brodsky, B. (12. 12. 2000). "Aminokyselinové sklony pro kolagenovou trojšroubovici". Biochemie. 39 (48): 14960–14967. doi:10.1021 / bi001560d. ISSN  0006-2960. PMID  11101312.
  4. ^ A b Li, Yang; Yu, S. Michael (prosinec 2013). „Cílení a napodobování kolagenů prostřednictvím trojité šroubovicové peptidové sestavy“. Aktuální názor na chemickou biologii. 17 (6): 968–975. doi:10.1016 / j.cbpa.2013.10.018. ISSN  1879-0402. PMC  3863647. PMID  24210894.
  5. ^ A b C d E F Hwang, Jeongmin; Huang, Yufeng; Burwell, Timothy J .; Peterson, Norman C .; Connor, Jane; Weiss, Stephen J .; Yu, S. Michael; Li, Yang (2017-10-24). „In situ zobrazení remodelace tkáně pomocí kolagenových hybridizujících peptidů“. ACS Nano. 11 (10): 9825–9835. doi:10.1021 / acsnano.7b03150. ISSN  1936-0851. PMC  5656977. PMID  28877431.
  6. ^ A b C d E Li, Yang; Ho, Daniel; Meng, Huan; Chan, Tania R .; An, Bo; Yu, Hanry; Brodsky, Barbara; Jun, Albert S .; Michael Yu, S. (2013-01-16). "Přímá detekce kolagenních proteinů fluorescenčně značenými kolagenovými mimetickými peptidy". Biokonjugovaná chemie. 24 (1): 9–16. doi:10.1021 / bc3005842. ISSN  1043-1802. PMC  3586774. PMID  23253177.
  7. ^ A b Birk, David E .; Bruckner, Peter (12. 4. 2005), „Kolagenové nadstavby“, Témata ze současné chemie, Springer Berlin Heidelberg, str. 185–205, doi:10.1007 / b103823, ISBN  9783540232728
  8. ^ Engel, Jürgen; Bächinger, Hans Peter (12. 4. 2005), „Struktura, stabilita a skládání trojité šroubovice kolagenu“, Témata ze současné chemieSpringer Berlin Heidelberg, s. 7–33, doi:10.1007 / b103818, ISBN  9783540232728
  9. ^ Boudko, Sergei; Frank, Sabine; Kammerer, Richard A .; Stetefeld, Jörg; Schulthess, Therese; Landwehr, Ruth; Lustig, Ariel; Bächinger, Hans Peter; Engel, Jürgen (březen 2002). „Nukleace a propagace trojité šroubovice kolagenu v jednořetězcových a trimerizovaných peptidech: přechod z kinetiky třetího řádu na první řád“. Journal of Molecular Biology. 317 (3): 459–470. doi:10.1006 / jmbi.2002.5439. ISSN  0022-2836. PMID  11922677.
  10. ^ Bächinger, Hans Peter; Morris, Nicholas P .; Davis, Janice M. (1993-01-15). "Tepelná stabilita a skládání trojité šroubovice kolagenu a účinky mutací v osteogenesis imperfecta na trojitou šroubovici kolagenu typu I." American Journal of Medical Genetics. 45 (2): 152–162. doi:10,1002 / ajmg.1320450204. ISSN  0148-7299. PMID  8456797.
  11. ^ Holmgren, Steven K .; Taylor, Kimberly M .; Bretscher, Lynn E .; Raines, Ronald T. (duben 1998). "Kód pro stabilitu kolagenu byl dešifrován". Příroda. 392 (6677): 666–667. doi:10.1038/33573. ISSN  0028-0836. PMID  9565027. S2CID  4425523.
  12. ^ Xu, Jingsong; Rodriguez, Dorothy; Kim, Jenny J .; Brooks, Peter C. (říjen 2000). "Generování monoklonálních protilátek na kryptická kolagenová místa pomocí subtraktivní imunizace". Hybridom. 19 (5): 375–385. doi:10.1089/02724570050198893. ISSN  0272-457X. PMID  11128027.
  13. ^ A b C d Li, Y .; Foss, C. A .; Summerfield, D. D .; Doyle, J. J .; Torok, C. M .; Dietz, H. C .; Pomper, M. G .; Yu, S. M. (2012-08-27). „Cílení na kolagenové řetězce pomocí foto-spouštěné hybridizace trojité šroubovice“. Sborník Národní akademie věd. 109 (37): 14767–14772. doi:10.1073 / pnas.1209721109. ISSN  0027-8424. PMC  3443117. PMID  22927373.
  14. ^ A b Hwang, Jeongmin; San, Boi Hoa; Turner, Neill J .; White, Lisa J .; Faulk, Denver M .; Badylak, Stephen F .; Li, Yang; Yu, S. Michael (duben 2017). „Molekulární hodnocení denaturace kolagenu v decellularizovaných tkáních pomocí peptidu hybridizujícího kolagen“. Acta Biomaterialia. 53: 268–278. doi:10.1016 / j.actbio.2017.01.079. ISSN  1742-7061. PMC  5462463. PMID  28161576.
  15. ^ A b C Weiss, Jeffrey A .; Yu, S. Michael; Buehler, Markus J .; Reese, Shawn P .; Depalle, Baptiste; San, Boi Hoa; Qin, Zhao; Li, Yang; Zitnay, Jared L. (2017-03-22). "Detekce molekulární hladiny a lokalizace mechanického poškození v kolagenu umožněné peptidy hybridizujícími kolagen". Příroda komunikace. 8: 14913. doi:10.1038 / ncomms14913. ISSN  2041-1723. PMC  5364439. PMID  28327610.
  16. ^ Bennink, Lucas L .; Smith, Daniel J .; Foss, Catherine A .; Pomper, Martin G .; Li, Yang; Yu, S. Michael (08.05.2017). "Vysoká sérová stabilita kolagen hybridizujících peptidů a jejich fluoroforových konjugátů". Molekulární farmaceutika. 14 (6): 1906–1915. doi:10.1021 / acs.molpharmaceut.7b00009. ISSN  1543-8384. PMID  28445649.
  17. ^ A b Bonnans, Caroline; Chou, Jonathan; Werb, Zena (prosinec 2014). „Přestavba extracelulární matrix ve vývoji a nemoci“. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 15 (12): 786–801. doi:10.1038 / nrm3904. ISSN  1471-0072. PMC  4316204. PMID  25415508.
  18. ^ Nemirovskiy, O.V .; Dufield, D.R .; Sunyer, T .; Aggarwal, P .; Welsch, D.J .; Mathews, W. R. (únor 2007). „Objev a vývoj biomarkeru kolagenového neoepitopu typu II (TIINE) pro aktivitu matrixové metaloproteinázy: od in vitro po in vivo.“ Analytická biochemie. 361 (1): 93–101. doi:10.1016 / j.ab.2006.10.034. PMID  17187753.
  19. ^ Garvican, Elaine R .; Vaughan-Thomas, Anne; Innes, John F .; Clegg, Peter D. (červenec 2010). "Biomarkery obratu chrupavky. Část 1: Markery degradace a syntézy kolagenu". Veterinární věstník. 185 (1): 36–42. doi:10.1016 / j.tvjl.2010.04.011. PMID  20488735.
  20. ^ Rousseau, Jean-Charles; Delmas, Pierre D (červen 2007). "Biologické markery u osteoartrózy". Přírodní klinická praxe revmatologie. 3 (6): 346–356. doi:10.1038 / ncprheum0508. ISSN  1745-8382. PMID  17538566. S2CID  13168927.
  21. ^ Helms, Brett A .; Reulen, Sanne W. A .; Nijhuis, Sebastiaan; Graaf-Heuvelmans, Peggy T. H. M. de; Merkx, Maarten; Meijer, E. W. (2009-08-26). „Vysoce afinitní peptidové cílení na kolagen pomocí syntetických fágových napodobenin: od fágového displeje k dendrimerovému displeji“. Journal of the American Chemical Society. 131 (33): 11683–11685. doi:10,1021 / ja902285m. ISSN  0002-7863. PMID  19642697.
  22. ^ Liang, Hui; Li, Xiaoran; Chen, Bing; Wang, Bin; Zhao, Yannan; Zhuang, Yan; Shen, He; Zhang, Zhijun; Dai, Jianwu (červenec 2015). „Fragment protilátky Fv s jedním řetězcem FFR vázající se na kolagen pro cílenou terapii rakoviny“. Journal of Controlled Release. 209: 101–109. doi:10.1016 / j.jconrel.2015.04.029. PMID  25916496.
  23. ^ Freimark, Bruce; Clark, Derek; Pernasetti, Flavia; Nickel, Jeff; Myszka, David; Baeuerle, Patrick A .; Van Epps, Dennis (červenec 2007). "Cílení humanizované protilátky D93 na místa angiogeneze a růstu nádoru vazbou na více epitopů na denaturovaných kolagenech". Molekulární imunologie. 44 (15): 3741–3750. doi:10.1016 / j.molimm.2007.03.027. PMID  17507095.
  24. ^ Bennink, Lucas L .; Li, Yang; Kim, Bumjin; Shin, Ik Jae; San, Boi Hoa; Zangari, Maurizio; Yoon, Donghoon; Yu, S.Michael (listopad 2018). „Vizualizace proteolýzy kolagenu peptidovou hybridizací: Od 3D buněčné kultury po zobrazování in vivo“. Biomateriály. 183: 67–76. doi:10.1016 / j.biomaterials.2018.08.039. PMID  30149231.
  25. ^ Converse, Matthew I .; Walther, Raymond G .; Ingram, Justin T .; Li, Yang; Yu, S. Michael; Monson, Kenneth L. (01.02.2018). „Detekce a charakterizace poškození kolagenu na molekulární úrovni v přetížených mozkových tepnách“. Acta Biomaterialia. 67: 307–318. doi:10.1016 / j.actbio.2017.11.052. ISSN  1742-7061. PMC  5794621. PMID  29225149.