Identificatie van eiwit complexen in<em> Escherichia coli</em> Met Sequential Peptide Affinity Purification in combinatie met tandem massaspectrometrie

Summary

Affiniteitszuivering van gemerkte eiwitten in combinatie met massaspectrometrie (APM) is een krachtige methode voor systematische mapping van eiwit interactie netwerken en het onderzoeken van de mechanistische basis van biologische processen. Hier beschrijven we een geoptimaliseerde sequentiële peptide affiniteit (SPA) APM procedure ontwikkeld voor de bacterie<em> Escherichia coli</em> Die worden gebruikt voor het isoleren en stabiele multi-eiwitcomplexen karakteriseren buurt homogeniteit zelfs vanaf lage kopie-aantallen per cel.

Abstract

Aangezien de meeste cellulaire processen gemedieerd worden door macromoleculaire samenstellingen, de systematische identificatie van eiwit-eiwit interacties (PPI) en de identificatie van de subunit samenstelling van multi-eiwit complexen kan inzichtelijk genfuncties en het begrip van biologische systemen ^{1, 2.} Fysieke interacties in kaart worden gebracht met groot vertrouwen vialarge schaal isolatie en karakterisering van endogeen eiwit complexen die bijna fysiologische omstandigheden gebaseerd op affiniteitszuivering van chromosomaal gemerkte eiwitten in combinatie met massaspectrometrie (APM). Deze aanpak is succesvol toegepast in evolutionair verschillende organismen, waaronder gist, vliegen, wormen, zoogdiercellen, bacteriën en ^1-6. In het bijzonder hebben wij een gegenereerd carboxy-terminale peptide Sequential Affinity (SPA) dual tagging systeem affiniteit zuiveren natieve eiwitcomplexen uit gekweekte gram-negatieve Escherichia coli, met genetically-handelbaar gastheer laboratoriumstammen die zeer geschikt is voor genoom-brede onderzoeken van de fundamentele biologie en geconserveerde processen van prokaryoten ^{1, 2, 7.} De SPA-merksysteem is analoog aan de tandem affinity purification methode oorspronkelijk ontwikkeld voor gist ^{8, 9,} en bestaat uit een calmoduline-bindend peptide (CBP) gevolgd door de splitsingsplaats voor de zeer specifieke tobacco etch virus (TEV) protease en drie kopieën van de FLAG-epitoop (3x FLAG), waardoor twee opeenvolgende rondes van affiniteitsverrijking. Na cassette amplificatie worden sequentiespecifieke lineaire PCR producten coderen voor de SPA-tag en een selecteerbare marker geïntegreerd en uitgedrukt in frame als carboxyterminale fusies in een DY330 achtergrond die wordt geïnduceerd om op transiënte expressie een efficiënte heterologe bacteriofaag lambda rekombinatiestelsel ^10. Dual volgende stappen zuivering met calmoduline en anti-FLAG affiniteit beads kan de zeer selectieveen efficiënte invordering van zelfs lage abundantie heeft eiwitcomplexen van grootschalige culturen. Tandem massaspectrometrie wordt vervolgens gebruikt om de stabiel co-zuivering eiwitten te identificeren met hoge gevoeligheid (laag nanogram detectielimieten).

We beschrijven gedetailleerde stap-voor-stap procedures we vaak gebruikt voor systematische eiwit tagging, zuivering en massaspectrometrie-analyse van oplosbare eiwitcomplexen van E. coli, die kan worden opgeschaald en mogelijk aangepast aan andere bacteriële species, waaronder bepaalde opportunistische pathogenen die vatbaar zijn recombineering. De resulterende fysieke interacties kunnen onthullen vaak interessante onverwachte onderdelen en verbindingen suggereren nieuwe mechanistische links. Integratie van de PPI gegevens met alternatieve moleculaire vereniging gegevens, zoals genetische (gen-gen) interacties en genomische-context (GC) voorspellingen kan opheldering van de wereldwijde moleculaire organisatie van multi-eiwit complexen te vergemakkelijken binnen bische paden. De netwerken gegenereerd voor E. coli kan worden gebruikt om inzicht te krijgen in de functionele architectuur van orthologe genproducten in andere microben die functionele annotaties op dit moment ontbreekt.

Protocol

1. Bouw van Gene-specifieke SPA-tagging in E. coli DY330 Strain Het plasmide pJL148 omvat de SPA-tag DNA sequentie en de kanamycine resistentie marker cassette (Kan R) gebruikt als template in polymerase kettingreactie (PCR) amplificatie 7. Een 45 nt genspecifieke forward primer, onmiddellijk stroomopwaarts van het doelgen stopcodon in frame met een 27 bp (5'-AGCTGGAGGATCCATGGAAAAGAGAAG 3 ') tag specifieke forward primer en een 45 nt genspecifieke reverse primer, die zic…

Representative Results

Once tagged bait proteins, which are expressed at endogenous levels are affinity-purified from logarithmic phase cultures the samples were run on a silver-stain gel to visualize the individual polypeptide components of the isolated stable complexes. We also subjected a second portion of the affinity-purified protein samples to gel-free tandem mass spectrometry (LCMS) to identify the corresponding polypeptide sequences. The effectiveness of this APMS procedure is shown with a representative SDS-PAGE analysis of the compon…

Discussion

Een belangrijk aspect van de SPA-gebaseerde APM's beschreven aanpak is dat tagging wordt uitgevoerd binnen de natuurlijke chromosomale context, waardoor waarborging van de normale genregulatie wordt gehandhaafd (dwz. Inheemse aas promotor bewaard gebleven, vandaar expressie niveaus niet wordt verstoord) en native stabiel-geassocieerde eiwitcomplexen worden teruggewonnen op bijna endogene niveaus. Operon polariteit problemen zijn ook voorkomen door een buitenwaarts gerichte promoter in de selecteerbare marke…

Materials

Materials	Vendor	and Catalog Numbers
			I. Antibiotics
Kanamycin	Bioshop	#KAN201
Ampicillin	Bioshop	#AMP201
			2. Terrific-Broth medium
Bio-Tryptone	Bioshop	#TRP 402
Yeast extract	Bioshop	#YEX 555
Glycerol	Bioshop	#GLY 002
K2HPO4	Bioshop	#PPM 302
KH2PO4	Bioshop	#PPM 303
			3. Bacterial Strain and Plasmid
DY330		Yu et al. (2000)10
pJL148		Zeghouf et al. (2004)7
			4. PCR and Electrophoresis Reagents
Taq DNA polymerase	Fermentas	# EP0281
10 X PCR buffer	Fermentas	# EP0281
10 mM dNTPs	Fermentas	# EP0281
25 mM MgCl2	Fermentas	# EP0281
Agarose	Bioshop	# AGA002
Loading dye	NEB	#B7021S
Ethidium bromide	Bioshop	# ETB444
10X TBE buffer	Thermo Scientific	#28355
Tris Base	Bioshop	#TRS001
Boric acid	Bioshop	#BOR001
0.5 M EDTA (pH 8.0)	Sigma	# E6768
DNA ladder	NEB	#N3232L
			5. Plasmid isolation and Clean-up Kits
Plasmid Midi kit	Qiagen	#12143
QIAquick PCR purification kit	Qiagen	#28104
			6. PCR and Transformation Equipments
Thermal cycler	BioRad	iCycler
Agarose gel electrophoresis	BioRad
Electroporator	Bio-Rad	GenePulser II
0.2 cm electroporation cuvette	Bio-Rad
42 °C water bath shaker		Innova 3100
Beckman Coulter TJ-25 centrifuge	Beckman Coulter	TS-5.1-500
32 °C Shaker	New Brunswick Scientific, USA
32 °C large Shaker	New Brunswick Scientific, USA
32 °C plate incubator	Fisher Scientific
			7. Electrophoresis and Western blotting
Acrylamide monomer, N,N’- methylenebis-acrylamide	Bio-Rad	#161-0125
Ammonium persulfate	Bioshop	# AMP001
n-butanol	Sigma	# B7906
TEMED	Bioshop	#TEM001
Whatman No. 1 filter paper	Fischer Scientific	#09-806A
Mini protean 3 cell	Bio-Rad	#165-3301
iBlot gel transfer device	Invitrogen	#IB1001
Nitrocellulose membranes	Bio-Rad	#162-0115
Monoclonal Anti-Flag M2 antibody	Sigma	#F3165
Horseradish peroxidase	Amersham	#NA931V
Pre-stained protein molecular weight standards	Bio-Rad	#161-0363
Chemiluminescence reagent	PIERCE	#1856136
Autoradiography film	Clonex Corp	#CLEC810
Quick Draw blotting paper	Sigma	#P7796
C2 platform rocking shaker	New Brunswick Scientific, USA
			8. Sonication Equipment and Reagents
Sonicator	Branson Ultrasonic	#23395
NaCl	Bioshop	#SOD001
Protease inhibitors	Roche	#800-363-5887
0.5 mM TCEP-HCl	Thermo Scientific	#20490
			9. Affinity Purification Reagents and Equipment
0.8 x 4 cm Bio-Rad polypropylene column	Bio-Rad	#732-6008
Benzonase nuclease	Novagen	#70746
Anti-FLAG M2 agarose beads	Sigma	#A2220
Calmodulin-sepharose beads	GE Healthcare	#17-0529-01
TEV protease	Invitrogen	#12575-015
Triton X-100	Sigma	#T9284
CaCl2	Sigma	#C2661
EGTA	Sigma	#E3889
LabQuake Shaker	Thermolyne	#59558
			10. Silver Staining Reagents
Methanol	Bioshop	#MET302
Acetic acid	Bioshop	t#ACE222
Sodium-thiosulfate	Sigma	#S-7143
Silver nitrate	Fischer Scientific	#S181-100
Formaldehyde	Bioshop	#FOR201
Sodium carbonate	Bioshop	#SOC512
			11. Reagents and Equipment for Protein Identification
Trypsin Gold, Mass Spectrometry Grade	Promega	# V5280
50 mM NH4HCO3	Bioshop	#AMC555
1 mM CaCl2	Bioshop	#CCL302
Acetonitrile	Sigma	#A998-4
Formic acid	Sigma	#F0507
HPLC grade water	Sigma	#95304
Iodoacetamide	Sigma	#16125
Millipore Zip-Tip	Millipore	# ZTC18M960
~10 cm of 3 μm Luna-C18 resin	Phenomenex
Proxeon nano HPLC pump	Thermo Fisher Scientific
LTQ Orbitrap Velos mass spectrometer		Thermo Fisher Scientific
			12. Labware
4 liter conical flasks	VWR	#89000-372
50 ml polypropylene falcon tubes	Any Vendor
1.5 ml micro-centrifuge tubes	Any Vendor
250 ml conical flaks	VWR	#29140-045
15 ml sterile culture tubes	Thermo Scientific	#366052
Cryogenic vials	VWR	#479-3221
-80 °C freezer	Fisher Scientific	#13-990-14
Speed vacuum system	Thermo Scientific
			Buffers and Solutions 1. 1 liter Terrific Broth (TB) media 11 g Bio-Tryptone 22 g Yeast Extract 2% Glycerol 50 ml potassium salt stock solution 2. Potassium Salt Stock Solution 1.5 M K2HPO4 0.35 M KH2PO4 3. Sonication Buffer 20 mM Tris-HCl (pH 7.9) 150 mM NaCl 0.2 mM EDTA 10% Glycerol Before use add protease inhibitor (PI) and 0.1-0.5 mM TCEP 4. AFC buffer 30 mM Tris-HCl (pH 7.9) 150 mM NaCl 0.1% detergent Before use add PI and 0.1-0.5 mM TCEP 5. TEV cleavage buffer 30 mM Tris-HCl (pH 7.9) 150 mM NaCl 0.2 mM EDTA 0.1% detergent Before use add PI and 0.1-0.5 mM TCEP 6. Calmodulin binding buffer 30 mM Tris-HCl (pH 7.9) 150 mM NaCl 2 mM CaCl2 0.1% detergent Before use add PI and 0.1-0.5 mM TCEP 7. Calmodulin wash buffer 30 mM Tris-HCl pH 7.9 150 mM NaCl 2 mM CaCl2 0.1-0.5 mM TCEP 8. Calmodulin elution buffer 30 mM Tris-HCl (pH 7.9) 100 mM NaCl 10 mM EGTA 0.1-0.5 mM TCEP 9. Developing solution (1L) 37% Formaldehyde 30 g sodium carbonate 1000 ml distilled water 10. Digestion buffer 50 mM NH4HCO3 1 mM CaCl2 11. Wetting and Equilibration solution 70% acetonitrile (ACN) in 0.1% formic acid 12. Washing solution 100% H2O in 0.1% formic acid