This article describes a yeast growth-based assay for the determination of genetic requirements for protein degradation. It also demonstrates a method for rapid extraction of yeast proteins, suitable for western blotting to biochemically confirm degradation requirements. These techniques can be adapted to monitor degradation of a variety of proteins.
Regulert protein degradering er avgjørende for nesten alle cellulære funksjon. Mye av det som er kjent om de molekylære mekanismer og genetiske krav til eukaryote protein degradering ble opprinnelig etablert i Saccharomyces cerevisiae. Klassiske analyser av protein degradering har stolt på biokjemiske puls-jage og cykloheksimid-chase metoder. Mens disse teknikkene gir følsomme midler for å observere proteinnedbrytning, de er arbeidskrevende, tidkrevende, og lav gjennomstrømning. Disse metodene er ikke mottagelig for rask eller storskala screening for mutasjoner som hindrer protein degradering. Her er en gjærvekst-basert assay for den lette identifisering av genetiske krav til proteinnedbrytingen er beskrevet. I denne analysen blir en reporter-enzym som er nødvendig for vekst under bestemte selektive betingelser kondensert til et ustabilt protein. Celler som mangler endogen reporter-enzym, men som uttrykker fusjonsproteinet kan vokse under selective tilstander bare når fusjonsproteinet blir stabilisert (dvs. når proteinnedbrytingen er kompromittert). I veksten analysen beskrevet her, blir seriefortynninger av villtype og mutante gjærceller som inneholder et plasmid som koder for et fusjonsprotein flekket ut på selektive og ikke-selektive medium. Vekst under selektive betingelser er forenlig med nedbrytning funksjon av en gitt mutasjon. Økt protein overflod bør biokjemisk bekreftet. Fremgangsmåte for rask ekstraksjon av gjærproteiner i en form egnet for elektroforese og Western blotting er også demonstrert. En vekstbasert avlesning for proteinstabilitet, kombinert med en enkel protokoll for proteinekstraksjon for biokjemisk analyse, muliggjør hurtig identifisering av genetiske krav for proteinnedbrytning. Disse teknikkene kan bli tilpasset for å overvåke nedbrytningen av en rekke kortvarige proteiner. I det eksempel som presentert, HIS3 enzym, som er nødvendig for biosyntese histidin, ble smeltettil Deg1 -Sec62. Deg1 -Sec62 er målrettet for degradering etter det abnormt engasjerer endoplasmatiske retikulum translocon. Celler som inneholder Deg1 -Sec62-HIS3 var i stand til å vokse under selektive betingelser når proteinet ble stabilisert.
Selektiv protein degradering er avgjørende for eukaryote liv, og endret protein degradering bidrar til en rekke medisinske tilstander, inkludert flere typer kreft, nevrodegenerativ sykdom, hjerte- og karsykdommer, og cystisk fibrose 1-5. Ubiquitin-proteasom system (UPS), som katalyserer selektiv protein nedbrytning, er en voksende terapeutisk mål for disse forholdene 6-10. Ubiquitin ligaser kovalent feste polymerer av den 76-amino-syre ubiquitin til proteiner 11. Proteiner som er merket med polyubiquitin kjedene er anerkjent og proteolyserte av ~ 2,5 megadalton 26S proteasomet 12. Studier initiert i modellen eukaryot organisme Saccharomyces cerevisiae (spirende gjær) har vært grunnlegg i klarlegging av protein degraderingsmekanismer i eukaryote celler. Den første gang påvist fysiologiske substrat av UPS var gjær transkripsjonen repressor MATα2 13, 14, og mange høyt konserverte delene av UPS ble først identifisert og karakterisert i gjær (for eksempel 15 til 26). Funnene som er gjort i denne allsidige og genetisk medgjørlig modellorganisme vil trolig fortsette å gi viktig innsikt i konserverte mekanismer for ubiquitin-mediert degradering.
Anerkjennelse og degradering av de fleste UPS underlag krever felles handling av flere proteiner. Derfor er et viktig mål for å karakterisere den regulerte nedbrytning av en gitt ustabilt protein er å bestemme den genetiske krav for proteolyse. Klassiske metoder (f.eks puls-chase og cykloheksimid-chase eksperimenter 27) for overvåking av proteindegradering i pattedyr eller gjærceller er arbeidskrevende og tidkrevende. Mens disse typer av metodikk gir meget følsomme midler for påvisning av proteindegradering, er de ikke egnet til hurtig analyse av proteindegradering eller store maskeringsng for mutasjoner som hindrer protein degradering. Her er en gjærvekst-basert assay for rask identifisering av genetiske krav til nedbrytning av ustabile proteiner presentert.
I gjærvekst-basert metode for analyse av proteindegradering, et ustabilt protein av interesse (eller degradering signal) er sammensmeltet, i rammen, til et protein som er nødvendig for gjærvekst under visse omstendigheter. Resultatet er et kunstig substrat som kan tjene som et kraftig verktøy for å bestemme den genetiske krav protein nedbrytning av den ustabile proteinet av interesse. Hensiktsmessig mest brukte laboratoriegjærstammer huse et panel av mutasjoner i gener som koder for metabolske enzymer som er involvert i biosyntesen av bestemte aminosyrer eller nitrogenholdige baser (f.eks 20,28-30). Disse enzymene er viktig for cellulær proliferasjon i fravær av eksogent tilgjengelig metabolitter i hvis syntese enzymer deltar. Slikmetabolske enzymer kan således virke som vekstbaserte reportere for nedbrytning av ustabile proteiner til hvilke de er sammensmeltet. De genetiske krav for proteinnedbrytning lett kan belyst, siden mutasjoner som hindrer proteolyse vil tillate celler som inneholder nedbrytning reporter til å vokse under selektive betingelser.
En vekstfordel er en indirekte indikasjon på at en bestemt mutasjon øker overflod av proteinet av interesse. Imidlertid kreves direkte biokjemisk analyse for å bekrefte at en mutasjon tillater vekst gjennom økt proteinnivå heller enn via indirekte eller kunstig årsaker. Effekten av en mutasjon på protein overflod kan bli bekreftet ved western blot-analyse av steady-state-proteinnivåer i celler som ikke gjør det havnen den spesielle mutasjon. En fremgangsmåte for hurtig og effektiv ekstraksjon av gjærproteiner (sekvensiell inkubasjon av gjærceller med natriumhydroksyd og prøvebuffer) i en form som egner segfor analyse av western blotting er også presentert 31. Sammen utgjør disse eksperimentene lette rask identifisering av kandidat regulatorer av protein degradering.
Metodikken som presenteres her muliggjør rask bestemmelse og biokjemiske bekreftelse av genetiske krav for proteindegradering i gjærceller. Disse eksperimentene markere nytten og kraft gjær som modell eukaryot organisme (flere gode anmeldelser av gjær biologi og samlinger av protokoller for håndtering, oppbevaring og manipulerer gjærceller (f.eks 41-44) er tilgjengelig for etterforskerne nye til organismen). Teknikkene kan lett bli anvendt for å undersøke nedbrytning og overflod av en rekke f…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker nåværende og tidligere medlemmer av Rubenstein lab for å gi en støttende og entusiastisk forskningsmiljø. Vi takker Ryan T. Gibson for å få hjelp i protokollen optimalisering. Vi takker Mark Hochstrasser (Yale University) og Dieter Wolf (Universität Stuttgart) for gjærstammer og plasmider. Vi takker våre anonyme lesere for deres hjelp i å forbedre klarhet og nytten av dette manuskriptet. Dette arbeidet ble støttet av en forskningspris fra Ball State University kapittel av Sigma Xi til SGW, en National Institutes of Health stipend (R15 GM111713) til EPJ, en Ball State University Aspire forskningspris til EPJ, og midler fra Ball State University Provost kontor og Institutt for biologi.
Desired yeast strains, plasmids, standard medium and buffer components | Yeast strains with desired mutations may be generated in the investigator's laboratory. Wild-type yeast and a variety of mutants are also commercially available (e.g. from GE Healthcare). Plasmids encoding fusion proteins may be generated in the investigator's laboratory. | ||
3-amino-1H-1,2,4-triazole | Fisher Scientific | AC264571000 | Competitive inhibitor of His3 enzyme. May be included in medium to increase stringency of growth assay using His3 reporter constructs |
Endoglycosidase H (recombinant form from Streptomyces plicatus) | Roche | 11088726001 | May be used to assess N-glycosylation of proteins; compatible with SDS and beta-mercaptoethanol concentrations found in 1X Laemmli sample buffer |
Disposable borosilicate glass tubes | Fisher Scientific | 14-961-32 | Available from a variety of manufacturers |
Temperature-regulated incubator (e.g. Heratherm Incubator Model IMH180) | Dot Scientific | 51028068 | Available from a variety of manufacturers |
New Brunswick Interchangeable Drum for 18 mm tubes (tube roller) | New Brunswick | M1053-0450 | Tube roller is recommended to maintain overnight yeast starter cultures of yeast cells in suspension. A platform shaker or tube roller may be used to maintain larger cultures in suspension. |
New Brunswick TC-7 Roller Drum 120V 50/60 H | New Brunswick | M1053-4004 | For use with tube roller |
SmartSpec Plus Spectrophotometer | Bio-Rad | 170-2525 | Available from a variety of manufacturers |
Sterile 96-well flat bottom microtest plates with lid individually wrapped | Sarstedt | 82.1581.001 | Available from a variety of manufacturers |
Pipetman Neo P8x200N, 20-200 μl | Gilson | F14403 | Single-channel and multichannel pipettors are used at various stages of the protocol. While multichannel pipettors reduce the pipetting burden at several steps, single-channel pipettors may be used throughout the entire protocol. Available from a variety of manufacturers |
Pipetman Neo P8x20N, 2-20 μl | Gilson | F14401 | Available from a variety of manufacturers |
Plate imaging system (e.g. Gel Doc XR+ System) |
Bio-Rad | 170-8195 | A variety of systems may be used to image plates, including sophisticated imaging systems, computer scanners, and camera phones. |
Centrifuge 5430 | Eppendorf | 5427 000.216 | Rotor that is sold with unit holds 1.5 and 2.0 mL microcentrifuge tubes. Rotor may be swapped for one that holds 15 ml and 50 ml conical tubes |
Fixed-Angle Rotor F-35-6-30 with Lid and Adapters for Centrifuge Model 5430/R, 15/50 mL Conical Tubes, 6-Place | Eppendorf | F-35-6-30 | |
15 ml screen printed screw cap tube 17 x 20 mm conical, polypropylene | Sarstedt | 62.554.205 | Available from a variety of manufacturers |
1.5 ml flex-tube, PCR clean, Natural microcentrifuge tubes | Eppendorf | 22364120 | Available from a variety of manufacturers |
Analog Dri-Bath Heater | Fisher Scientific | 1172011AQ | Boiling water bath with hot plate may also be used to denature proteins |
SDS-PAGE running and transfer apparatuses, power supplies, and imaging equipment or darkrooms for SDS-PAGE and transfer to membrane | Will vary by lab and application | ||
Western blot imaging system (e.g. Li-Cor Odyssey CLx scanner and Image Studio Software) | Li-Cor | 9140-01 | Will vary by lab and application |
EMD Millipore Immobilon PVDF Transfer Membranes | Fisher Scientific | IPFL00010 | Will vary by lab and application |
Primary antibodies (e.g. Phosphoglycerate Kinase (Pgk1) Monoclonal antibody, mouse (clone 22C5D8)) | Life Technologies | 459250 | Will vary by lab and application |
Secondary antibodies (e.g. Alexa-Fluor 680 Rabbit Anti-Mouse IgG (H+L)) | Life Technologies | A-21065 | Will vary by lab and application |