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커뮤니케이션 생물학 5권, 기사 번호: 1147(2022) 이 기사 인용

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유비퀴틴-프로테아좀 경로에 의해 매개되는 단백질 분해는 많은 생리학적 및 병리학적 조건에서 신호 전달 이벤트를 조절합니다. 시험관 내 분해 분석은 세포 증식 및 기타 기본적인 세포 과정이 어떻게 조절되는지 이해하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이러한 분석법은 직접적이고 시간 특정적이며 정보가 풍부하지만 시간이 많이 소요되며 일반적으로 낮은 처리량의 폴리아크릴아미드 겔 전기 영동에 이어 자동 방사선 촬영 또는 면역 블로팅에 의존합니다. 우리는 무세포 추출물에서 단백질 분해를 발견하고 분석하기 위한 MITOMI 기반 통합 미세유체 기술인 pDOC(단백질 분해 온 칩)를 제시합니다. 이 플랫폼은 하나 이상의 물리화학적 환경에서 미량의 시약을 사용하여 동시에 신속하게 단백질 분해를 분석하는 수백 개의 마이크로챔버를 수용합니다. 본질적으로 pDOC는 조절된 단백질 분해와 관련된 생물의학 및 중개 연구와 관련하여 기존 분해 분석에 대한 민감한 다중 대안을 제공합니다.

유비퀴틴-프로테아좀 시스템에 의한 단백질 분해는 모든 진핵 세포의 단백질 수준이 균형을 유지하는 중앙 조절 모듈입니다. 주어진 순간에 각 단백질의 원하는 양에서 벗어나면 세포에 해로울 수 있으며, 이는 조직 기능 장애와 암, 낭포성 섬유증 및 신경퇴행성 장애를 포함한 인간의 광범위한 질병으로 이어질 수 있습니다1,2.

유비퀴틴화의 핵심 캐스케이드에는 세 가지 효소가 포함됩니다. E1 효소는 E2 접합 효소로 전달하기 위해 유비퀴틴 분자를 공유 결합하고 활성화합니다. 그런 다음, 유비퀴틴 결합 E2는 E3 유비퀴틴-리가제 효소와 상호작용하며, 이는 일반적으로 이소펩티드 결합을 통해 라이신 잔기로의 유비퀴틴 분자를 E2에서 표적 단백질로 전달하는 것을 촉매합니다. 반복적인 유비퀴틴화 현상은 표적 단백질에 하나 이상의 유비퀴틴 부분 사슬을 형성할 수 있습니다(즉, 폴리유비퀴틴화). 프로테아좀에 의해 인식되는 폴리유비퀴틴 사슬은 단백질 분해를 유발합니다1,2. 수백 가지의 서로 다른 E3 효소가 전체 유비퀴틴화 과정의 엄청난 기능적 범위와 특이성을 지배합니다. 세포 증식 및 세포 주기 조절과 관련하여 유비퀴틴 리가제 아나페이즈 촉진 복합체/사이클로솜(APC/C) 및 Skp1-Cullin-F-box 단백질 복합체(SCF)가 특히 중요합니다3,4,5. 두 복합체의 기질 특이성은 보조 활성화제(APC/C의 경우 Cdc20 및 Cdh1, SCF의 경우 여러 F-box 단백질 중 하나, 예: Skp2 및 β-TrCP6,7,8)에 따라 달라집니다. 전반적으로, 세포 주기 조절 E3 효소에 의해 매개되는 규칙적인 단백질 분해는 모든 진핵생물6,7,8,9,10에서 단방향 세포 주기를 보장합니다.

유비퀴틴 사슬의 일부 형태는 프로테아좀에 의한 단백질 분해를 표시하는 반면, 단일유비퀴틴화 및 기타 형태의 폴리유비퀴틴화는 프로테아좀 독립적인 경로를 통해 신호 전달 계통을 조절합니다. 또한 유비퀴틴화는 단백질 분해를 방지할 수 있는 방식으로 데유비퀴티나제라고 불리는 효소에 의해 역전될 수 있습니다12. 반대로, 프로테아좀 분해가 항상 유비퀴틴화와 결합되는 것은 아닙니다. 따라서 단백질 분해는 유비퀴틴화에서 추론할 수 없으며 직접 결정해야 합니다.

'무세포 시스템'으로도 알려진 무세포 추출물의 단백질 분해 분석은 세포 생물학 연구에 중요한 역할을 하여 생리학적으로 관련된 환경에서 유비퀴틴 매개 단백질 분해에 대한 직접적이고 정량적 분석을 가능하게 합니다. 실제로, 세포 주기 원리의 대부분은 개구리 알이나 순환하는 인간 세포의 추출물에서 세포 주기 단백질의 분해를 모니터링함으로써 발견되었습니다(예14,15,16,17,18,19,20 참조). 오늘날 현대 시대에 이러한 '분해 분석'의 광범위한 사용은 그 효능에 대한 증거입니다(예21,22,23 참조). 흥미롭게도 기존 분해 분석은 현대 기술의 진정한 혜택을 받은 적이 없으며 여전히 겔 전기 영동, 자동방사선 촬영 또는 면역 블로팅 및 다량의 생물학적 물질에 의존하고 있습니다.