stringtranslate.com

Коллагеновый гибридизирующий пептид

Схема цепи CHP (помеченной меткой "X"), гибридизующейся с денатурированными цепями коллагена и образующей тройную спираль коллагена. В процессе прогрессирования заболевания, развития тканей или старения коллаген может подвергаться значительной деградации коллагенолитическими протеазами, что приводит к развертыванию его тройной спирали при физиологической температуре из-за снижения термической стабильности. X может представлять собой биотиновую или флуоресцентную метку.

Гибридизированный коллагеновый пептид ( CHP ) представляет собой синтетическую пептидную последовательность, обычно содержащую от 6 до 10 повторяющихся единиц триплета аминокислот Gly-Xaa-Yaa , что имитирует характерную последовательность природных коллагенов . [1] [2] Пептид CHP обычно обладает высоким содержанием пролина и гидроксипролина в позициях Xaa и Yaa, что придает ему сильную склонность к формированию уникальной конформации тройной спирали коллагена. [1] [3] В одноцепочечном (мономерном) состоянии пептид может распознавать денатурированные нити коллагена в тканях, образуя гибридизированную тройную спираль с нитями коллагена. [2] Это происходит посредством сборки тройной спиральной цепи и межцепочечных водородных связей, аналогично связыванию праймеров с расплавленными нитями ДНК во время ПЦР . [4] Связывание не зависит от конкретной последовательности или эпитопа на коллагене, что позволяет CHP нацеливаться на денатурированные цепи коллагена разных типов. [5] [6]

Коллаген, CHP, CMP и CLP

Схема, показывающая связь между CMP и CHP. Тройные спиральные CMP можно нагреть (выше определенной температуры) для диссоциации на мономерные CHP; при охлаждении цепи CHP могут со временем снова собраться в тройную спираль.

Коллаген является основным компонентом внеклеточного матрикса (ВКМ). [7] Суперсемейство коллагенов состоит из 28 различных типов коллагена. [7] Хотя функция и иерархическая структура этих коллагенов могут различаться, все они имеют определяющую структурную особенность, известную как тройная спираль, [1] где три левозакрученные спирали полипролина II-типа (PPII) собираются, образуя правозакрученный суперспиральный мотив. [1] [8] Короткие синтетические пептиды, известные как коллагенмиметические пептиды (CMP) или коллагеноподобные пептиды (CLP), сыграли важную роль в выяснении трехмерной структуры тройной спирали коллагена , кинетики ее сворачивания и термической стабильности в качестве небольших тройных спиральных моделей. [3] [9] [10] [11] CMP, CLP и CHP очень похожи с точки зрения их аминокислотных последовательностей, но только когда CMP или CLP нагреваются выше температуры плавления, они существуют в диссоциированном, одноцепочечном состоянии и могут рассматриваться как CHP. [2]

Механизм переплета

Одноцепочечные CHP связываются с денатурированными коллагеновыми цепями и желатином способом, который является уникальным по сравнению с другими механизмами нацеливания, поскольку они специфически распознают уникальный структурный мотив ( тройную спираль коллагена ) для сворачивания и сборки цепи, в отличие от связывания специфических эпитопов, которое наблюдается , например, для моноклональных антител (mAbs). [12] Благодаря своему уникальному механизму нацеливания CHP обладают высокой специфичностью связывания с денатурированными коллагеновыми цепями, но практически не имеют сродства к интактному (тройной спирали) коллагену. [13] CHP могут широко нацеливаться на коллагеновые цепи, которые были денатурированы термическими, [13] химическими, [14] механическими [15] или ферментативными процессами, [13] , а также на множественные типы коллагена (например, Col I , II , IV ). [5] [6] Исследования также показали, что CHP и их конъюгаты с флуорофорами обладают превосходной стабильностью при контакте с сывороткой. [16]

Денатурированный коллаген как биомаркер ремоделирования и повреждения тканей

Флуоресцентное изображение аксиального поперечного сечения сердца мыши на 14-й день после инфаркта миокарда, окрашенное Hoechst 33342 (синий) и биотин-меченым CHP (обнаружено с помощью AlexaFluor647-стрептавидина, красный). Масштабная линейка: 1 мм.

Контролируемый оборот коллагена имеет решающее значение для эмбрионального развития, морфогенеза органов, а также для поддержания и восстановления тканей. [17] Однако изменения гомеостаза коллагена связаны с многочисленными заболеваниями и патологическими состояниями. Чрезмерная деградация коллагена может быть связана с метастазами рака , старением кожи , артритом и остеопорозом . [17] CHP могут быть нацелены на ткани, подвергающиеся ремоделированию, на основе их способности связываться с деградированными и развернутыми нитями коллагена посредством образования тройной спирали. В качестве нацеливающего фрагмента CHP предлагают большой потенциал в гистопатологии , диагностике и доставке лекарств для широкого спектра заболеваний.

Большинство методов оценки денатурации коллагена при болезненных состояниях являются косвенными, такими как обнаружение активности матриксной металлопротеиназы (ММП) или количественное определение фрагментов коллагенового пептида в моче, сыворотке или синовиальной жидкости . [18] [19] [20] Используя обычные методы для прямого нацеливания на коллаген, исследователи должны полагаться на коллагенсвязывающие пептиды, выбранные с помощью фагового дисплея , [21] полученные из коллагенсвязывающих белков, [22] или антитела, полученные против коллагенов. К сожалению, эти соединения не могут нацеливаться на денатурированные коллагены, которые неструктурированы и не представляют определенный 3D-эпитоп. Кроме того, антитела, которые, как сообщалось, различают определенные деградированные фрагменты коллагена, могут распознавать только один или несколько типов коллагена. [2] [23] Напротив, КГП, в принципе, могут связываться со всеми типами денатурированных коллагенов. [4] [5] [6]

Приложения

Окрашивание тканей

Флуоресцентное изображение сагиттального сечения эмбриона мыши 18 dpc, дважды окрашенного биотинилированным-CHP (обнаружено AlexaFluor647-стрептавидином, оранжевый цвет) и антителом к ​​коллагену I (обнаружено AlexaFluor555-меченым ослиным антикроличьим IgG H&L, голубой цвет). mx — верхняя челюсть; md — нижняя челюсть; bp — базисфеноидальная кость; bo — основная затылочная кость; vc — позвоночный столб; rb — ребро; h — тазовая кость; d — пальцевые кости. Масштабная линейка: 3 мм.

CHP, меченные флуорофором или биотином, используются в качестве окрашивающего агента для обнаружения деградации и денатурации коллагена с помощью иммунофлуоресценции и иммуногистохимии . [5] CHP могут окрашивать замороженные срезы тканей , срезы, фиксированные формалином и залитые парафином (FFPE), [5] , а также свежие ткани. [14] [15] CHP применим к образцам тканей разных видов и при ряде заболеваний, таких как инфаркт миокарда , артрит , нефрит и фиброз . [5]

Визуализация in vivo

ЦГП также могут быть помечены флуорофорами ближнего инфракрасного диапазона для флуоресцентной визуализации in vivo . [13] [24]

Идентификация коллагена

CHP можно использовать для визуализации множества различных типов коллагеновых полос в гелях SDS-PAGE . [6] Коллаген денатурируется при нагревании в присутствии SDS перед загрузкой геля. Коллагеновые полосы визуализируются посредством гибридизации CHP-коллагена, когда гели окрашиваются флуоресцентно-мечеными CHP. [6]

Выявление механических повреждений соединительной ткани

Коллаген обеспечивает механическую прочность в тканях, несущих нагрузку в организме, таких как сухожилия, связки и кости. Когда силы прилагаются к этим тканям, тройная спираль коллагена может быть повреждена и раскручена, а КГП позволяют обнаруживать механические повреждения в таких соединительных тканях на молекулярном уровне. [15] [25]

Ссылки

  1. ^ abcd Шоулдерс, Мэтью Д.; Рейнс, Рональд Т. (2009). «Структура и стабильность коллагена». Annual Review of Biochemistry . 78 : 929–958. doi : 10.1146/annurev.biochem.77.032207.120833. ISSN  1545-4509. PMC 2846778.  PMID 19344236  .
  2. ^ abcd Wahyudi, Hendra; Reynolds, Amanda A.; Li, Yang; Owen, Shawn C.; Yu, S. Michael (октябрь 2016 г.). «Нацеливание коллагена для диагностической визуализации и терапевтической доставки». Journal of Controlled Release . 240 : 323–331. doi :10.1016/j.jconrel.2016.01.007. PMC 4936964. PMID  26773768 . 
  3. ^ ab Персиков, АВ; Рэмшоу, JA; Киркпатрик, А.; Бродский, Б. (2000-12-05). "Аминокислотные склонности для тройной спирали коллагена". Биохимия . 39 (48): 14960–14967. doi :10.1021/bi001560d. ISSN  0006-2960. PMID  11101312.
  4. ^ ab Li, Yang; Yu, S. Michael (декабрь 2013 г.). «Нацеливание и имитация коллагенов с помощью сборки тройной спиральной пептидной структуры». Current Opinion in Chemical Biology . 17 (6): 968–975. doi :10.1016/j.cbpa.2013.10.018. ISSN  1879-0402. PMC 3863647. PMID 24210894  . 
  5. ^ abcdef 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 Imaging of Tissue Remodeling with Collagen Hybridizing Peptides». ACS Nano . 11 (10): 9825–9835. doi :10.1021/acsnano.7b03150. ISSN  1936-0851. PMC 5656977. PMID 28877431  . 
  6. ^ abcde Ли, Янг; Хо, Даниэль; Мэн, Хуан; Чан, Таня Р.; Ан, Бо; Ю, Ханри; Бродски, Барбара; Джун, Альберт С.; Майкл Ю, С. (2013-01-16). "Прямое обнаружение коллагеновых белков с помощью флуоресцентно меченых коллагеномиметических пептидов". Bioconjugate Chemistry . 24 (1): 9–16. doi :10.1021/bc3005842. ISSN  1043-1802. PMC 3586774. PMID 23253177  . 
  7. ^ ab Бирк, Дэвид Э.; Брукнер, Питер (2005-04-12), «Супраструктуры коллагена», Темы в современной химии , Springer Berlin Heidelberg, стр. 185–205, doi :10.1007/b103823, ISBN 9783540232728
  8. ^ Энгель, Юрген; Бехингер, Ганс Петер (2005-04-12), «Структура, стабильность и сворачивание тройной спирали коллагена», Topics in Current Chemistry , Springer Berlin Heidelberg, стр. 7–33, doi :10.1007/b103818, ISBN 9783540232728
  9. ^ Будко, Сергей; Франк, Сабина; Каммерер, Ричард А.; Штетефельд, Йорг; Шультесс, Тереза; Ландвер, Рут; Люстиг, Ариэль; Бехингер, Ганс Петер; Энгель, Юрген (март 2002 г.). «Зарождение и распространение тройной спирали коллагена в одноцепочечных и тримеризованных пептидах: переход от кинетики третьего порядка к кинетике первого порядка». Журнал молекулярной биологии . 317 (3): 459–470. doi :10.1006/jmbi.2002.5439. ISSN  0022-2836. PMID  11922677.
  10. ^ Бехингер, Ганс Петер; Моррис, Николас П.; Дэвис, Дженис М. (1993-01-15). «Термическая стабильность и сворачивание тройной спирали коллагена и влияние мутаций при несовершенном остеогенезе на тройную спираль коллагена I типа». Американский журнал медицинской генетики . 45 (2): 152–162. doi :10.1002/ajmg.1320450204. ISSN  0148-7299. PMID  8456797.
  11. ^ Холмгрен, Стивен К.; Тейлор, Кимберли М.; Бретшер, Линн Э.; Рейнс, Рональд Т. (апрель 1998 г.). «Код стабильности коллагена расшифрован». Nature . 392 (6677): 666–667. doi :10.1038/33573. ISSN  0028-0836. PMID  9565027. S2CID  4425523.
  12. ^ Сюй, Цзинсонг; Родригес, Дороти; Ким, Дженни Дж.; Брукс, Питер К. (октябрь 2000 г.). «Генерация моноклональных антител к криптическим участкам коллагена с помощью субтрактивной иммунизации». Гибридома . 19 (5): 375–385. doi :10.1089/02724570050198893. ISSN  0272-457X. PMID  11128027.
  13. ^ abcd Li, Y.; Foss, CA; Summerfield, DD; Doyle, JJ; Torok, CM; Dietz, HC; Pomper, MG; Yu, SM (2012-08-27). "Нацеливание коллагеновых нитей с помощью фототриггерной гибридизации тройной спирали". Труды Национальной академии наук . 109 (37): 14767–14772. doi : 10.1073/pnas.1209721109 . ISSN  0027-8424. PMC 3443117. PMID 22927373  . 
  14. ^ ab Hwang, Jeongmin; San, Boi Hoa; Turner, Neill J.; White, Lisa J.; Faulk, Denver M.; Badylak, Stephen F.; Li, Yang; Yu, S. Michael (апрель 2017 г.). «Молекулярная оценка денатурации коллагена в децеллюляризованных тканях с использованием коллагенового гибридизирующего пептида». Acta Biomaterialia . 53 : 268–278. doi :10.1016/j.actbio.2017.01.079. ISSN  1742-7061. PMC 5462463 . PMID  28161576. 
  15. ^ abc 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). "Обнаружение на молекулярном уровне и локализация механических повреждений коллагена с помощью гибридизирующих пептидов коллагена". Nature Communications . 8 : 14913. doi :10.1038/ncomms14913. ISSN  2041-1723. PMC 5364439 . PMID  28327610. 
  16. ^ Беннинк, Лукас Л.; Смит, Дэниел Дж.; Фосс, Кэтрин А.; Помпер, Мартин Г.; Ли, Ян; Ю, С. Майкл (2017-05-08). «Высокая сывороточная стабильность коллагеновых гибридизирующих пептидов и их конъюгатов флуорофора». Молекулярная фармацевтика . 14 (6): 1906–1915. doi :10.1021/acs.molpharmaceut.7b00009. ISSN  1543-8384. PMC 8063002. PMID 28445649  . 
  17. ^ ab Bonnans, Caroline; Chou, Jonathan; Werb, Zena (декабрь 2014 г.). «Ремоделирование внеклеточного матрикса при развитии и заболеваниях». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 15 (12): 786–801. doi :10.1038/nrm3904. ISSN  1471-0072. PMC 4316204. PMID  25415508 . 
  18. ^ Немировский, OV; Дюфилд, DR; Саньер, T.; Аггарвал, P.; Уэлш, DJ; Мэтьюз, WR (февраль 2007 г.). «Открытие и разработка биомаркера неоэпитопа коллагена II типа (TIINE) для активности матриксной металлопротеиназы: от in vitro к in vivo». Аналитическая биохимия . 361 (1): 93–101. doi :10.1016/j.ab.2006.10.034. PMID  17187753.
  19. ^ Гарвикан, Элейн Р.; Воан-Томас, Энн; Иннес, Джон Ф.; Клегг, Питер Д. (июль 2010 г.). «Биомаркеры обновления хряща. Часть 1: Маркеры деградации и синтеза коллагена». The Veterinary Journal . 185 (1): 36–42. doi :10.1016/j.tvjl.2010.04.011. PMID  20488735.
  20. ^ Руссо, Жан-Шарль; Дельмас, Пьер Д (июнь 2007 г.). «Биологические маркеры остеоартрита». Nature Clinical Practice Rheumatology . 3 (6): 346–356. doi :10.1038/ncprheum0508. ISSN  1745-8382. PMID  17538566. S2CID  13168927.
  21. ^ Helms, Brett A.; Reulen, Sanne WA; Nijhuis, Sebastiaan; Graaf-Heuvelmans, Peggy THM de; Merkx, Maarten; Meijer, EW (2009-08-26). "Высокоаффинное пептидное нацеливание коллагена с использованием синтетических фаговых имитаторов: от фагового дисплея к дендримерному дисплею". Журнал Американского химического общества . 131 (33): 11683–11685. doi :10.1021/ja902285m. ISSN  0002-7863. PMID  19642697.
  22. ^ Лян, Хуэй; Ли, Сяорань; Чен, Бинг; Ван, Бин; Чжао, Яннан; Чжуан, Ян; Шен, Хэ; Чжан, Чжицзюнь; Дай, Цзяньу (июль 2015 г.). «Коллаген-связывающий одноцепочечный фрагмент антитела Fv к EGFR для таргетной терапии рака». Журнал контролируемого выпуска . 209 : 101–109. doi : 10.1016/j.jconrel.2015.04.029. ПМИД  25916496.
  23. ^ Фреймарк, Брюс; Кларк, Дерек; Перназетти, Флавия; Никель, Джефф; Мышка, Дэвид; Бауэрле, Патрик А.; Ван Эппс, Деннис (июль 2007 г.). «Нацеливание гуманизированного антитела D93 на участки ангиогенеза и роста опухоли путем связывания с несколькими эпитопами на денатурированных коллагенах». Молекулярная иммунология . 44 (15): 3741–3750. doi :10.1016/j.molimm.2007.03.027. PMID  17507095.
  24. ^ Беннинк, Лукас Л.; Ли, Ян; Ким, Бумджин; Шин, Ик Джэ; Сан, Бой Хоа; Зангари, Маурицио; Юн, Донхун; Ю, С.Майкл (ноябрь 2018 г.). «Визуализация протеолиза коллагена с помощью гибридизации пептидов: от 3D-культуры клеток до визуализации in vivo». Биоматериалы . 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. (2018-02-01). «Обнаружение и характеристика повреждений коллагена на молекулярном уровне в перерастянутых церебральных артериях». Acta Biomaterialia . 67 : 307–318. doi :10.1016/j.actbio.2017.11.052. ISSN  1742-7061. PMC 5794621. PMID 29225149  .