Fluorescentie anisotropie als een instrument om eiwit-eiwit interacties te bestuderen

Summary

Eiwit interacties vormen de kern van de functie van een cel. Calorimetrische en spectroscopische technieken worden gewoonlijk gebruikt om ze te karakteriseren. Hier beschrijven we fluorescentie anisotropie als middel om de interactie tussen het eiwit gemuteerd in de Shwachman-Diamond Syndroom (SBDS) en elongatiefactor-1 achtige GTPase (EFL1) te bestuderen.

Abstract

Eiwit-eiwit interacties spelen een essentiële rol in de functie van een levend organisme. Zodra een interactie geïdentificeerd en gevalideerd moet worden karakteriseren de structurele en mechanistische niveau. Verschillende biochemische en biofysische methoden bestaan ​​voor een dergelijk doel. Onder hen, fluorescentie anisotropie is een krachtige techniek bijzonder gebruikt wanneer de fluorescentie-intensiteit van een fluorofoor gemerkt eiwit constant op eiwit-eiwit interactie blijft. In deze techniek, een fluorofoor-gemerkte eiwit wordt geëxciteerd met verticaal gepolariseerde licht van een geschikte golflengte die selectief exciteert een deel van de fluoroforen volgens hun relatieve oriëntatie van de inkomende straal. De resulterende emissie heeft ook een richtingsgevoeligheid wiens relatie in de verticale en horizontale vlakken definieert anisotropie (r) als volgt: r = (I -I _{VV VH)} / (I + 2I _{VV VH),} waarin I en I _VV <sub> VH de fluorescentie-intensiteiten van de verticale en horizontale componenten resp. Fluorescentie anisotropie is gevoelig voor de rotatiediffusie van een fluorofoor, namelijk de schijnbare molecuulgrootte van een fluorofoor gekoppeld aan een eiwit, die wordt veranderd van eiwit-eiwit interactie. In de onderhavige tekst wordt het gebruik van fluorescentie anisotropie als een instrument om eiwit-eiwitinteracties werd geïllustreerd met de binding tussen het eiwit gemuteerd in de Shwachman-Diamond Syndroom (SBDS) en elongatiefactor like-1 GTPase (EFL1) adres. Conventioneel, labeling van een eiwit met een fluorofoor op de thiolgroepen (cysteine) of de aminogroepen (de N-eindstandige amine of lysine) van het eiwit uitgevoerd. Echter, SBDS bezit meerdere cysteïnes en lysinen die niet gerichte etikettering ervan toestond. Als een alternatieve techniek, de kleurstof 4, werd 5'-bis (1,3,2 dithioarsolan-2-yl) fluoresceïne gebruikt om specifiek label een tetracysteine ​​motief, Cys-Cys-Pro-Gly-Cys-Cys, genetisch gemanipuleerde in de C-terminus van het recombinante eiwit SBDS. Montage van de experimentele gegevens kwantitatieve en mechanistische informatie over de binding mode tussen deze eiwitten.

Introduction

Cellen een veelheid van biomacromoleculen die voortdurend met elkaar. Deze associatie ontstaat complexen die deelnemen aan de cellulaire routes die verantwoordelijk zijn voor hun functioneren in signaaltransductie, regulatie van genexpressie en celmigratie onder andere. Alle proteïne-proteïne interacties die optreden in een cel omvatten een netwerk, bekend als interactoom. In Saccharomyces cerevisiae is aangetoond dat meer dan 70% van de eiwitten interagerende partners ¹ hebben. Inzicht in de interactoom van een cel en hun functies relevante informatie over de complexiteit en diversiteit van levende organismen. Verschillende methoden zijn beschreven geïdentificeerd en gekarakteriseerd eiwit-eiwit interacties. Verschillende hoog door te zetten methoden zoals gist two-hybrid ^2, eiwit-fragment complementatie assays ^3, affiniteitszuivering ⁴ gekoppeld aan massaspectrometrie en eiwitten microarrays worden gebruikt om een interactie ^5,6 identificeren. Eenmaal geïdentificeerd, is het nodig om het te bevestigen en kan variëren van geval tot geval. Kenmerkend voor deze experimenten omvatten het verstoren van de interactie zelf op het niveau van de individuele leden van de interactie paar, bijvoorbeeld door gen deletie of overexpressie van één van de eiwitten, en vervolgens naar veranderingen in de eigenschappen of functie van het andere lid van het cellulair niveau. Vervolgens biofysische technieken ⁷ worden gebruikt om de eiwit-eiwit interactie te karakteriseren op moleculair niveau. Daartoe is de structuur van eiwitcomplexen worden bepaald door röntgenkristallografie, kernspinresonantie en cryo-elektronenmicroscopie terwijl calorimetrie en fluorescentie spectroscopie worden gebruikt om ze kwantitatief en mechanistisch beschrijven.

In dit werk werd fluorescentie anisotropie gebruikt als een techniek om de wisselwerking karakteriseren tussen de GTPase EFL1 en SBDS-eiwit. Deze eiwitten deel aan de synthese van ribosomen door het bevorderen van de afgifte van eukaryote initiatie factor 6 van het oppervlak van de 60S ribosomale subeenheid ^8. De SBDS eiwit is gemuteerd in een ziekte bekend als de Shwachman-Diamond Syndroom ⁹ en fungeert als een guanine nucleotide exchange factor voor EFL1 verlagen van de affiniteit voor guanosinedifosfaat ^10,11. Disease mutaties in SBDS afschaffing van de interactie met EFL1 en daarmee te voorkomen dat de activering.

Fluorescentie anisotropie wordt algemeen gebruikt in biologische toepassingen eiwit-peptide of eiwit-nucleïnezuur interacties te bestuderen. Het is gebaseerd op het principe dat een fluorofoor geëxciteerd met gepolariseerd licht resulteert in een gedeeltelijk gepolariseerde emissie. Fluorescentie anisotropie wordt gedefinieerd door Vergelijking 1:

waar ik _vv en ik _VH zijn defluorescentie-intensiteiten van de verticaal _(VV) en horizontaal _(VH) gepolariseerde emissie wanneer het monster is enthousiast met verticaal licht ¹² gepolariseerd. Fluorescentie anisotropie is gevoelig voor factoren die de snelheid van de rotatiediffusie van de fluorofoor beïnvloeden en derhalve afhankelijk van de temperatuur, de viscositeit van de oplossing en de schijnbare molecuulgrootte van de fluorofoor. De schijnbare grootte van een eiwit dat een fluorofoor toeneemt bij interactie met een ander eiwit en dergelijke veranderingen kunnen vervolgens worden beoordeeld als een verandering van anisotropie. Meer specifiek zal een fluorofoor die langzaam roteert in oplossing ten opzichte van de fluorescentie levensduur grote I _VV waarde en kleine ik _VH waarde en dus een relatief grote anisotropie vertonen. Voor fluoroforen die snel in verhouding tot hun fluorescerende leven tuimelen, ik _vv en ik _VH zal vergelijkbaar zijn en hun anisotropie waarde klein zijn ¹² </sup> (Figuur 1). Bovendien, voor een goede anisotropie signaal geluidsmeting, is het noodzakelijk om een ​​fluorofoor een fluorescentie levensduur vergelijkbaar met de rotatiecorrelatietijd van het molecuul van belang hebben. Anders is het niet mogelijk om het verschil in anisotropie tussen vrij proteïne en dat in het complex een accurate. Bijvoorbeeld, de anisotropie van een fluorescerende probe met een levensduur bijna 4 nsec zoals fluoresceïne of rhodamine bevestigd aan een laag gewicht verbinding met 100 Da molecuulgewicht is 0,05. Binding aan een molecuul van 160 kDa zal de anisotropie waarde te verhogen tot 0,29; een verschil dat nauwkeurig kan worden gemeten. Daarentegen zullen dezelfde fluorescerende probe betrokken in een bindingsreactie waarvan de toename van moleculaire grootte varieert van 65 tot 1000 kDa alleen tot een verandering anisotropie van 0,28 tot 0,3, die te klein nauwkeurig te meten. In dit scenario zou een sonde met een levensduur van 400 nanoseconden meer geschikt ¹² zijn.

<pclass = "jove_content">
Figuur 1. Schematische weergave van de gebruikte fluorescentie anisotropie en de procedure meetapparatuur. Schematische weergave van de gebruikte om een eiwit-eiwit interactie experiment meten van fluorescentie anisotropie te voeren apparatuur. Fluoroforen dat snelle weergave kleine anisotropie die toeneemt bij binding aan een interactie partner tuimelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Fluorescentietoepassingen vereisen de aanwezigheid van een fluorofoor in elk van de moleculen bestudeerd. Bestuderen eiwit-eiwit interacties zijn er drie type fluoroforen: 1) het tryptofaan residuen in de eiwitten, 2) chemisch gebonden fluoroforen en 3) fluorescerende fusiepartners zoals groen fluorescent eiwit (GFP) en derivatieven. De meeste eiwitten hebben tryptofaan residuen van de structuur, waardoor de gemakkelijkste manier om een ​​interactie te meten is door het bewaken van de veranderingen in de overeenkomstige fluorescentie spectra of door het bewaken veranderingen in de fluorescentie-intensiteit van het tryptofaan residuen. Evenwel tryptofaan residuen in beide eiwitten compliceert de analyse. Anderzijds, een fluorofoor de fluorescerende eigenschappen veranderen als gevolg van een interactie moet worden op of vlakbij de bindingsplaats en het kan interfereren met de interactie zelf. Dit heeft speciale aandacht nodig bij het gebruik van omvangrijke fluoroforen zoals GFP. Als geen van deze fluoroforen kunnen worden gebruikt voor bindingsstudies moet dan extrinsieke fluoroforen voeren aan die van de betrokken eiwitten. Vele chemisch gesynthetiseerde fluoroforen aanwezig en kunnen covalent worden gehecht aan proteïnen via hun reactieve groepen zoals aminogroepen (zijketen van lysines of N-terminus) en de thiolgroepen in cysteine. Fluorophore derivaten met isothiocyanaat en succinimidyl esters reageren met amidegroepen terwijl joodacetamide en maleimide zijn thiol-reactieve groepen ^13. De meest voorkomende kleurstoffen in fluorescentietoepassingen zijn derivaten van de fluoresceïne en de rhodamine groene kleurstoffen, coumarines, BODIPY fluoroforen en Alexa Fluor kleurstoffen. Een gedetailleerde lijst van in de handel verkrijgbare fluoroforen en het gebruik ervan kan worden gevonden in de referenties ^14,15. Voor succesvolle labeling, moet de reactieve groep wordt blootgesteld aan het oppervlak van het proteïne, maar door het grote aantal reactieve functionele groepen typisch in polypeptiden is het erg moeilijk om plaatsspecifieke modificatie krijgen. Het eiwit van belang in dit onderzoek SBDS bevat 5 cysteïnes vrij en 33 lysines die kunnen leiden tot multisite labeling. Niet-uniforme etikettering kan de binding beïnvloeden en zal data-analyse compliceren als verschillende fluorofoor moleculen verschillende fluorescentie-intensiteit signalen bij binding kan uitlokken. om overcome dit probleem, gebruikten we de flitser fluorofoor, 4 ', 5'-bis (1,3,2 dithioarsolan-2-vl) fluoresceïne aan de site-directe label de SBDS eiwit. Dit is een arseenoxide kleurstof met een hoge affiniteit voor vier cysteïnen gescheiden in een motief bekend als flash-tag bestaat uit de sequentie CCXXCC waarbij X elk aminozuur behalve cysteïne ^16,17. Dit tetracysteine ​​motief wordt toegevoegd aan de N- of C-terminus van het eiwit door genetische manipulatie met een geschikte linker aan de verstoring van de algehele vouw van het eiwit te voorkomen. Het paar bestaande uit Flash kleurstof en flash-tag werd oorspronkelijk ontworpen om plaatsspecifieke label eiwitten in levende cellen ¹⁷ maar het kan ook worden gebruikt om gezuiverde eiwitten in vitro labelen zoals hier toegelicht. Daarnaast zijn ook enzymatische strategieën ontwikkeld om plaatsspecifieke functionalisering van eiwitten ¹⁸ mogelijk.

In dit manuscript beschrijven we de bruikbaarheid van een fluorescentie anisotropiesa instrument om eiwit-eiwitinteracties. Binding kan worden beoordeeld door een eenvoudige inspectie van de binding curve vorm, terwijl kwantitatieve informatie kan worden verkregen bij de pasvorm van de experimentele gegevens.

Protocol

1. SBDS-flash Tag Protein Expressie en zuivering OPMERKING: Bij de experimenten anisotropie, een FLASH-tag die overeenkomt met de sequentie Cys-Cys-Pro-Gly-Cys-Cys werd aan de C-terminus van de menselijke SBDS coderende sequentie met PCR toegevoegd. Dit construct werd gesubkloneerd in de expressievector pRSET-A en getransformeerd in Escherichia coli C41 cellen aan een eiwit dat codeert voor een N-eindstandig hexahistidine tag (His-tag) expressie, het humane SBDS coderende sequentie en een C-terminus Flash…

Representative Results

Om anisotropie experiment uitvoert is het belangrijk uit te sluiten grote veranderingen in de fluorescentie-intensiteit van de fluorofoor aangezien de waargenomen anisotropie van een mengsel van species wordt vertegenwoordigd door Vergelijking 5: waarin F i de fractionele fluorescen…

Discussion

De meeste biochemische experimenten eiwitten vereisen niet alleen zuivere eiwit, maar ook grote hoeveelheden daarvan, ongeacht de gebruikte techniek. Daarom worden de voor dit type experimenten eiwitten verkregen door heterologe expressie, zoals het geval was gepresenteerd. Fluorescentie spectroscopie vereist de aanwezigheid van een fluorofoor in het onderzochte molecuul. Aromatische resten vormen de intrinsieke fluoroforen van een eiwit, maar met behulp van hun signaal eiwit-eiwitinteracties compliceert de analyse omda…

Materials

0.5 mm Glass beads	Biospec Products	11079105
Tris Base	Formedium	TRIS01	Ultra pure
Glycerol	Sigma-Aldrich	G5516
dye 4’, 5’-bis(1,3,2 dithioarsolan-2-yl) fluorescein	ThermoFischer Scientific	LC6090	This kit contains the dye to label a FlAsH tag
Ampiciline	IBI Shelton Scientific, Inc	IB02040
D(+)-Glucose Anhydrous	Formedium	GLU03
D(+)-Galactose	Formedium	GAL03
L-Leucine	Formedium	DOC0157
L-Tryptofan	Formedium	DOC0189
Bezamidine hydrochloride	Sigma-Aldrich	B6506-5G
PMSF	Gold Biotechnology, Inc	P-470-25	Phenylmethylsulfonyl fluoride
NaCl	Formedium	NAC02	Sodium Chloride
Glycerol	Tecsiquim, S.A. de C.V.	GT1980-6
MgCl2	Merck Millipore Corporation	1725711000	Magnesium Chloride
Imidazole	Sigma-Aldrich	I2399-500G
2-Mercaptoethanol	Sigma-Aldrich	M6250-100ML
K2HPO4	Sigma-Aldrich	P3786-500G	Potassium phosphate dibasic
NaH2PO4	Sigma-Aldrich	S3139-500G	Sodium phosphate monobasic
Yeast nitrogen base without amino acids	Formedium	CYN0410
Yeast extract	Formedium	YEM03	Micro Granulated
L-Tyroisne	Formedium	DOC0193
Adenine sulphate	Formedium	DOC0230
Casamino acids	Formedium	CAS03
Tryptone	IBI Shelton Scientific, Inc	IB49182
IPTG	Formedium	IPTG025
Name of Material	Company	Catalog Number	Comments/Description
Filtration units	Merck Millipore Corporation	UFC901096	Amicon Ultra-15, membrana PLGC Ultracel-PL, 10 kDa
Membrane Filter	Merck Millipore Corporation	GSWP04700	Membrane Filter, mixed cellulose esters, Hydrophilic, 0.22 µm, 47 mm, white, plain
Ni2+ affinity column	QIAGEN	30760	Cartridge pre-filled with 5 ml Ni-NTA Superflow
Strong Sulfopropyl cation exchanger column	GE Healthcare Life Science	17-5157-01	HiTrap SP Sepharose FF 5 ml
Size Exclusion column	GE Healthcare Life Science	28989335	HiLoad 16/600 Superdex 200 PG
Fluorescence cell	Hellma Analytics	111-057-40
Name of Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Spectrophotometer	Agilent Technologies	G6860AA	Cary 60 UV-Vis
Shaker	ThermoFischer Scientific	SHKA4000-7	MaxQ 4000 Benchtop temperature range Ambient-15° to 60°C
Centrifuge	ThermoFischer Scientific	75004271	Heraeus Megafuge 16R
FPLC	Pharmacia Biotech	Discontinued	FPLC system conductivity UV-MM II monitor P500 pump fraction
Spectrofluorometer	Olis	No applicable	Olis DM 45 with Polarization Toolbox