• Keine Ergebnisse gefunden

KNOCK ‐ OUT IN  CELL  LINES  VIA  TALEN  TECHNOLOGY

III.1. C HARACTERIZATION  OF THE  HUMAN   A LDO ‐ K ETO

III.1.3. S UBCELLULAR  LOCALIZATION  OF  AKR1B15   ISOFORMS

III.1.3. S

UBCELLULAR LOCALIZATION OF 

AKR1B15

 ISOFORMS

 

Most members of the AKR superfamily, like AKR1B10 (sharing 91 % amino acid sequence  identity with AKR1B15.1),  localize intracellular  to  the cytosol.  In order  to  fathom  the  subcellular localization of the two AKR1B15 isoforms, immunocytochemical analyses and       in silico predictions were carried out. 

SU B CE L L U L A R L O C A L I Z A T I O N O F F U L L L E N G T H AKR1B15 IS O F O R M S  Subcellular  localization  studies  with  HeLa  cells  overexpressing  N‐  and  C‐terminally  myc‐tagged  AKR1B15  isoforms  showed  that  both  N‐terminally  myc‐tagged  AKR1B15  isoforms,  AKR1B15.1  and  AKR1B15.2,  colocalize  with  the  cytosol  [Figure III‐9A, B].  A  cytosolic localization was also determined for  the C‐terminally myc‐tagged  AKR1B15.2  [Figure III‐9D, F, H]. In  contrast, AKR1B15.1  carrying  a  C‐terminal myc  tag colocalized  surprisingly with mitochondria [Figure III‐9C, E, G].  

Since it was found that the location of the fused myc tag within the protein influenced the  subcellular localization of AKR1B15.1 – cytosolic versus mitochondrial – localization studies  were  also performed  with  untagged  AKR1B15  isoforms. These studies  dealt  with  two  questions: First, what are the subcellular localizations of untagged AKR1B15 isoforms and  second, are the generated monoclonal rat‐anti‐AKR1B15 (AKB‐2) antibodies also functional  in  immunocytochemical  analyses.  The  subcellular  localization  studies  with  untagged  proteins revealed  that, comparable to  the C‐terminally myc‐tagged AKR1B15 isoforms,  untagged AKR1B15.1 colocalizes to mitochondria [Figure III‐10A, C, E], whereas untagged  AKR1B15.2 is a cytosolic protein [Figure III‐10B, D, F]. Thus, the mitochondrial localization  of AKR1B15.1 was verified.  

  Figure III‐9: Immunocytochemical subcellular localization studies with myc‐tagged AKR1B15 isoforms  revealed a surprising mitochondrial localization of C‐terminally myc‐tagged AKR1B15.1. 

Shown are representative results from subcellular localization studies with N‐ or C‐terminally myc‐tagged  AKR1B15 isoforms. HeLa cells were transiently transfected with N‐myc‐pcDNA3‐AKR1B15.1 (A), N‐myc‐

pcDNA3‐AKR1B15.2 (B),  pcDNA4‐myc/His B‐AKR1B15.1  (C, E, G),  or  pcDNA4‐myc/His B‐AKR1B15.2  (D, F, H) in order to express N‐terminally myc‐tagged (A‐B) or C‐terminally myc‐tagged proteins (C‐H). 

Nuclei were stained using Hoechst 33342 dye (a); counterstaining of the cytosol or endoplasmic reticulum  was performed via the co‐transfection of pCMV DsRed‐Express2 or pDsRed2‐ER, respectively, whereas  mitochondria were counterstained by vital stain using MitoTracker Orange CMTMRos (b); myc‐tagged  AKR1B15 isoforms were stained using mouse‐anti‐myc / AlexaFluor 488 goat‐anti‐mouse antibodies (c). 

The overlay of individual stains (d) shows nuclei in blue, counterstains in red, AKR1B15 in green, and  colocalization in yellow.  

 

  Figure III‐10: Immunocytochemical subcellular localization studies with untagged AKR1B15 isoforms  verified the mitochondrial and cytosolic localization of AKR1B15.1 and AKR1B15.2, respectively.  

Shown are representative results from subcellular localization studies with untagged AKR1B15 isoforms. 

HeLa cells were transiently transfected with either pcDNA3.1(+)‐AKR1B15.1 (A, C, E) or pcDNA3.1(+)‐

AKR1B15.2 (B, D, F) in order to express untagged AKR1B15 isoforms. Non‐transfected HeLa cells served as  control (G). Nuclei were stained using Hoechst 33342 dye (a); mitochondria were stained using MitoTracker  Orange CMTMRos (b); untagged AKR1B15 isoforms were stained using either the monoclonal rat‐anti‐

AKR1B15 clone 9A5 (A, B) or clone 19E5 (C, D) primary antibody supernatants and AlexaFluor 488 goat‐

anti‐rat secondary antibody pairs or the polyclonal rabbit‐anti‐AKR1B15 (E‐G) primary antibody and  AlexaFluor 488 goat‐anti‐rabbit secondary antibody pair (c). The overlay of individual stains (d) shows  nuclei in blue, mitochondria in red, AKR1B15 in green, and colocalization in yellow. 

       

In addition, it could be seen that the generated monoclonal rat‐anti‐AKR1B15 clone 9A5 and  clone 19E5 antibodies also work in immunocytochemical analyses by possessing sufficient  affinity and low background [Figure III‐10A‐D]. Since the monoclonal antibodies were not  existent  at  the  beginning  of  these  studies,  the  affinity  purified  polyclonal  rabbit‐anti‐

AKR1B15 antibody was also included in these analyses. Although this antibody recognized  both AKR1B15 isoforms in the subcellular localization studies when overexpressed in HeLa  cells [Figure III‐10E, F], it gave also quite strong background signals resembling structures of  the cytoskeleton [Figure III‐10G]. These observations were in accord with the results gained  from Western blotting experiments [III.1.2.4].  

 

In conclusion, whereas most AKRs, including the longer AKR1B15 isoform AKR1B15.2, are  cytosolic proteins, AKR1B15.1 seems to be the first (human) AKR1 family member localizing  to mitochondria. 

IN S I L I C O S U B CE L L U L A R L O C A L I Z A T I O N P R E D I C T I O N 

Immunocytochemistry revealed an unexpected mitochondrial localization of AKR1B15.1. 

Although it is known that in silico subcellular localization predictions are error prone,  different subcellular prediction algorithms (TargetP 1.1 Server, SignalP 4.1 Server, PrediSi,  iPSORT, PSORT II, and MitoProt II) were used for the prediction of signal peptides or signal  cleavage sites in AKR1B15.1 and the subcellular localization of AKR1B15.1 in order to  underline the results gained from immunocytochemistry and to get an idea of key amino  acid residues in AKR1B15.1 responsible for its mitochondrial localization. For comparison  reasons, sequences of AKR1B15.2 and AKR1B10 were also included in the in silico analyses. 

The TargetP 1.1 Server, SignalP 4.1 Server, iPSORT, and MitoProt II prediction algorithms  did not predict any signal peptides or signal cleavage sites in the three proteins. However, a  cleavage site with a score of 0.185 at position 26 of AKR1B15.1 was predicted by PrediSi. 

Although that score was quite low and arguable, it was significantly higher compared       with the scores of cleavage sites predicted for AKR1B15.2 (score of 0.074 at position 41)        and AKR1B10 (score of 0.056 at position 221). When looking at the subcellular localization  predictions, the TargetP 1.1  Server  predicted no  mitochondrial  localization or secretory  signal in AKR1B15.1, AKR1B15.2, and AKR1B10. The same was true for the PSORT II  prediction  algorithm  which  predicted  a  cytosolic  localization  for  all  three  proteins. 

MitoProt II predicted a mitochondrial localization of AKR1B15.1, AKR1B15.2, and AKR1B10  with a probability of 15.5 %, 0.8 %, and 12.0 %, respectively, very slightly promoting the  results from the immunocytochemical analyses. In contrast, the iPSORT algorithm definitely  predicted  a  mitochondrial  targeting  peptide  in AKR1B15.1  but  not in AKR1B15.2  and  AKR1B10 by regarding the sequence of the first 30 amino acids. Thus, the iPSORT algorithm  was the only prediction tool which clearly underlined the mitochondrial localization of  AKR1B15.1,  though  AKR1B15.1  misses  a  distinct  signal  peptide.  In  addition,  iPSORT  indicated  a  crucial  role  of  the  N‐terminal  amino  acid  residues  in  AKR1B15.1  for  its  subcellular localization. However, the in silico predictions represented per se just a poor tool  to verify subcellular localizations.  

The detailed outputs of predictions are listed in the appendix [VI.5]. 

EF F E CT OF N‐T E R M I N I O N T H E S U B C E L L U L A R L O C A L I Z A T I O N 

The localization studies  with myc‐tagged and  untagged AKR1B15  isoforms as well as  iPSORT predictions demonstrated that the N‐terminal amino acid sequence of AKR1B15.1     is responsible for its mitochondrial localization. To verify these results and identify amino  acid residues important for the mitochondrial localization of AKR1B15.1 and the cytosolic  localization of the highly identical AKR1B10, N‐terminal sequence stretches of AKR1B10,  AKR1B15.1, and AKR1B15.2 were N‐terminally fused to AcGFP and these fusion proteins     were  analyzed  for  their  subcellular  localization  by  confocal  microscopy  [Figure III‐11,  Figure III‐12].  

 

The analyses showed that fusion proteins consisting of the first 38 amino acid residues  (Met1‐Ala38) of AKR1B15.1 and AKR1B10 fused to AcGFP [Figure III‐11] colocalized with  mitochondria and the cytosol, respectively [Figure III‐12A, D]. A cytosolic localization was  also seen for the N‐terminus of AKR1B15.2 (Met1‐Ala66) fused to AcGFP [Figure III‐12E]. 

This reflected the earlier results from localization studies with full length proteins. 

 

  Figure III‐11: The N‐terminal amino acid sequences (Met1‐Ala38) of AKR1B15.1 and AKR1B10  differ in only two amino acid residues.  

Shown are the alignment of the N‐terminal amino acid sequence (Met1‐Ala38) in AKR1B15.1 and in  AKR1B10 as well as a schematic illustration of the N‐terminal sequence – AcGFP fusion proteins.  

The two differing amino acid residues in the N‐terminal sequence of AKR1B15.1 and AKR1B10 at  positions 22 and 24 are highlighted in purple. 

 

As illustrated in Figure III‐4 and Figure III‐11, AKR1B15.1 and AKR1B10 differ in only two  amino acid residues within the first 38 amino acid residues: Arg22 and Leu24 in AKR1B15.1  compared to Lys22 and Pro24 in AKR1B10.  

To analyze which of the two differing amino acid residue is responsible for the cytosolic  localization of AKR1B10 or, contrary, the mitochondrial localization of AKR1B15.1, Lys22  and Pro24 in the N‐terminal peptide (Met1‐Ala38) of AKR1B10 were separately mutated to  the AKR1B15 equivalents Arg22 and Leu24, respectively. Here, it was seen that the K22R  mutation in the sequence of AKR1B10 had no effect on the cytosolic localization of the fusion  protein [Figure III‐12B]. In contrast, the P24L mutation changed the localization of the fusion  protein towards mitochondrial [Figure III‐12C]. Thus, a single amino acid residue exchange,  namely P24L, in AKR1B10 was sufficient to shift the localization of AKR1B10 from the  cytosol to mitochondria. 

         

 

  Figure III‐12: Subcellular localization studies with N‐terminal sequence with AcGPF fusion proteins  identified Leu24 in AKR1B15.1 versus Pro24 in AKR1B10 as key amino acid residues responsible for  their mitochondrial versus cytosolic localization, respectively. 

Shown are representative results from subcellular localization studies with N‐terminal AKR1B10 and  AKR1B15 sequences fused to AcGFP. HeLa cells were transiently transfected with pAcGFP‐N1‐AKR1B10  (Met1‐Ala38) (A), pAcGFP‐N1‐AKR1B10 (Met1‐Ala38) K22R (B), pAcGFP‐N1‐AKR1B10 (Met1‐Ala38) P24L  (C), pAcGFP‐N1‐AKR1B15.1 (Met1‐Ala38) (D), or pAcGFP‐N1‐AKR1B15.2 (Met1‐Ala66) (E) in order to  express N‐terminal sequence – AcGFP fusion proteins. Nuclei were stained using Hoechst 33342 dye (a); 

mitochondria were counterstained by vital stain using MitoTracker Orange CMTMRos (b); fusion proteins  were visualized via AcGFP fluorescence (c). The overlay of individual stains (d) shows nuclei in blue,  counterstains in red, AcGFP fusion proteins in green, and colocalization in yellow.  

 

In conclusion, localization  studies with the  AKR1B15.1 N‐terminus  (Met1‐Ala38) fused          to AcGFP verified the mitochondrial subcellular localization of AKR1B15.1. In addition,     Leu24 in AKR1B15.1 versus Pro24 in AKR1B10 was identified to be responsible for the  mitochondrial and cytosolic localization of AKR1B15.1 and AKR1B10, respectively.