È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
L'ubiquitinazione è una modificazione post-traduzionale critica della proteina, la cui disregolazione è stata implicata in numerose malattie umane. Questo protocollo descrive in dettaglio come la visualizzazione dei fagi può essere utilizzata per isolare nuove varianti di ubiquitina in grado di legare e modulare l'attività delle ligasi E3 che controllano la specificità, l'efficienza e i modelli di ubiquitinazione.
L'ubiquitina è una piccola proteina da 8,6 kDa che è un componente fondamentale del sistema ubiquitina-proteasoma. Di conseguenza, può legarsi a una vasta gamma di proteine con elevata specificità ma bassa affinità. Attraverso la visualizzazione dei fagi, le varianti di ubiquitina (UbV) possono essere progettate in modo tale da mostrare una migliore affinità rispetto all'ubiquitina wildtype e mantenere la specificità di legame alle proteine bersaglio. Il display dei fagi utilizza una libreria fagemidica, in cui la proteina del mantello pIII di un batteriofago filamentoso M13 (scelto perché visualizzato esternamente sulla superficie del fago) viene fuso con UbV. I residui specifici di ubiquitina wildtype umana sono morbidi e randomizzati (cioè, c'è una propensione verso la sequenza wildtype nativa) per generare UbV in modo che vengano evitati cambiamenti deleteri nella conformazione proteica introducendo la diversità necessaria per promuovere nuove interazioni con la proteina bersaglio. Durante il processo di visualizzazione dei fagi, questi UbV vengono espressi e visualizzati sulle proteine del rivestimento fagico e panned contro una proteina di interesse. Gli UbV che mostrano interazioni di legame favorevoli con la proteina bersaglio vengono mantenuti, mentre i leganti poveri vengono lavati via e rimossi dal pool della biblioteca. Gli UbV trattenuti, che sono attaccati alla particella fagica contenente il fagemide corrispondente dell'UbV, sono eluiti, amplificati e concentrati in modo che possano essere panned contro la stessa proteina bersaglio in un altro round di visualizzazione dei fagi. Tipicamente, vengono eseguiti fino a cinque cicli di visualizzazione dei fagi, durante i quali viene imposta una forte pressione di selezione contro gli UbV che si legano debolmente e / o promiscuamente in modo che quelli con affinità più elevate siano concentrati e arricchiti. In definitiva, gli UbV che dimostrano una maggiore specificità e/o affinità per la proteina bersaglio rispetto alle loro controparti wildtype sono isolati e possono essere caratterizzati attraverso ulteriori esperimenti.
Comprendere i dettagli molecolari delle interazioni proteina-proteina è fondamentale per delineare i meccanismi di trasduzione del segnale dei processi biologici, in particolare quelli che contribuiscono a malattie clinicamente importanti. Negli ultimi anni, la visualizzazione dei fagi è stata utilizzata come metodo pratico e accessibile per isolare proteine / peptidi con un legame molto migliorato a una proteina bersaglio desiderata1,2,3,4, che a sua volta può essere utilizzata come sonde intracellulari di interazioni proteina-proteina.
L'ubiquitinazione è una cascata di attività enzimatiche (enzima attivante E1 → enzima coniugante E2 → ligasi E3) che coniugano covalentemente l'ubiquitina (Ub) a substrati proteici per indirizzarli alla degradazione o per mediare i cambiamenti di segnalazione cellulare. Inoltre, le deubiquitinasi catalizzano la rimozione dell'ubiquitina dalle proteine. Pertanto, nelle cellule, ci sono migliaia di interazioni proteina-proteina ub-dipendenti, la stragrande maggioranza delle quali riconosce una superficie comune con bassa affinità ma alta specificità per consentire interazioni deboli attraverso superfici ampie e diverse.
Ernst et al. hanno introdotto mutazioni in regioni di legame note di Ub per vedere se potevano migliorare l'affinità di legame per una proteina di interesse pur mantenendo un'elevata selettività5. È stata sviluppata una libreria combinatoria di oltre 10 miliardi (7,5 x 1010) varianti di Ub (UbV) con mutazioni in posizioni sulla superficie Ub che mediano le interazioni Ub-proteina conosciute. Questa libreria consisteva di fagemidi che esprimono la proteina del rivestimento del batteriofago M13 pIIII fusa in UbV diversificati. Pertanto, i singoli UbV possono essere visualizzati sulla superficie del fago tramite la proteina del mantello al momento dell'espressione. Durante il processo di selezione, i fagi che mostrano UbV con notevoli interazioni di legame con la proteina bersaglio saranno mantenuti e arricchiti nei successivi cicli di visualizzazione dei fagi, mentre i fagi che mostrano UbV che si legano male alla proteina bersaglio vengono lavati via e rimossi dal pool fagico. Le particelle di fagi trattenute contengono il fagemino corrispondente al loro UbV visualizzato, consentendo loro di essere sequenziati e ulteriormente caratterizzati una volta isolati.
Utilizzando questa strategia di ingegneria proteica, sono stati sviluppati inibitori UbV per le deubiquitinasi umane5 e le proteasi virali6. È importante sottolineare che abbiamo generato UbV inibitori per le ligasi E3 della famiglia HECT umana attraverso il dirottamento del sito di legame E2 e l'attivazione di UbV che occupano un esosite Ub-binding sul dominio HECT7. Possiamo anche inibire gli E3 monomerici della famiglia RING prendendo di mira il sito di legame E2 e indurre la dimerizzazione UbV per attivare l'ANELLO omodimerico E3s8. Per gli RING E3 multi-subunità, gli UbV possono ottenere l'inibizione prendendo di mira la subunità RING (ad esempio, per il complesso APC/ C9) o interrompendo la formazione di complessi (ad esempio, per SCF E3s10). Collettivamente, gli UbV possono essere sfruttati per interrogare sistematicamente le interazioni proteina-proteina nel sistema Ub-proteasoma (UPS) in modo da poter decifrare meglio i meccanismi biochimici degli enzimi UPS e identificare e convalidare i siti funzionali per l'intervento terapeutico.
Il seguente protocollo descrive come impiegare una libreria UbV visualizzata da fagi generati in precedenza per indirizzare una proteina di interesse e come arricchire i leganti UbV che interagiscono con la proteina bersaglio attraverso cicli successivi di visualizzazione dei fagi.
1. Preparazione del reagente
2. Preparazione proteica
3. Preparazione per il primo turno di selezione
4. Primo turno di selezione
5. Preparazione per i successivi turni di selezione
6. Successivi turni di selezione
7. Elaborazione post selezione e isolamento dei fagi
I leganti prodotti dal display dei fagi possono essere verificati e analizzati in molti modi. Si raccomanda di procedere prima con il sequenziamento del fago con primer che affiancano l'inserto diversificato nella libreria fagemimidica. Un esperimento di visualizzazione ideale dei fagi mostrerà una chiara inclinazione verso diverse sequenze (Figura 1). Saranno presenti anche altre sequenze ma con un conteggio inferiore, apparendo più come rumore di fondo. Nell'esempio fornito, dove la visu...
Come accennato nel passaggio 2.1 (preparazione delle proteine), è possibile utilizzare una varietà di metodi per valutare la concentrazione proteica e ciascuno avrà vantaggi e svantaggi unici in base alla specifica proteina bersaglio utilizzata per la visualizzazione dei fagi. In precedenza è stata fornita una fonte di descrizioni e protocolli dettagliati per i metodi più diffusi11.
L'uso del fago trattenuto da un precedente ciclo di visualizzazione dei fagi come i...
Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.
La tecnologia della variante dell'ubiquitina è stata ideata nel laboratorio del Dr. Sachdev Sidhu (Università di Toronto). WZ è attualmente un CIFAR Azrieli Global Scholar nel programma Humans & The Microbiome. Questa ricerca è stata finanziata da NSERC Discovery Grants assegnato a WZ (RGPIN-2019-05721).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Axygen Mini Tube System (0.65 mL, sterile, 96/Rack, 10 Racks/pack) | Fisher Scientific | 14-222-198 | Culturing phage outputs after phage display. |
BD Difco Dehydrated Culture Media: LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | Fisher Scientific | DF0446-17-3 | Preparing plates for titering. |
Bovine Serum Albumin (BSA), Fraction V | BioShop Canada | ALB001 | Buffer component. |
Carbenicillin disodium salt 89.0-100.5% anhydrous | Millipore-Sigma | C1389-5G | Culturing phagemid-infected cells. |
Compact Digital Microplate Shaker | Fisher Scientific | 11-676-337 | Shaking plates during incubation with the phage library. |
Corning Microplate Aluminum Sealing Tape | Fisher Scientific | 07-200-684 | Sealing phage glycerol stocks. |
Dehydrated Agar | Fisher Scientific | DF0140-01-0 | Preparing plates for titering. |
DS-11 Spectrophotometer/Fluorometer | DeNovix | DS-11 FX+ | Protein concentration measurement. |
Greiner Bio-One CellStar 96-Well, Non-Treated, U-Shaped-Bottom Microplate | Fisher Scientific | 7000133 | Storing phage glycerol stocks. |
Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A144-500 | Phage elution. |
Invitrogen One Shot OmniMAX 2 T1R Chemically Competent E. coli | Fisher Scientific | C854003 | Bacterial strain for phage infection. |
Kanamycin Sulfate | Fisher Scientific | AAJ1792406 | Culturing M13K07 helper phage-infected cells. |
M13KO7 Helper Phage | New England Biolabs | N0315S | Permit phagemid packing and secretion. |
MaxQ 4000 Benchtop Orbital Shaker | Fisher Scientific | 11-676-076 | Bacterial cell culture. |
Nunc MaxiSorp 96 well microplate, flat bottom | Life Technologies | 44-2404-21 | Immobilizing proteins. |
Phosphate Buffered Saline (PBS) 10X Solution | Fisher Scientific | BP3994 | Buffer component/phage resuspension medium. |
Polyester Films for ELISA and Incubation | VWR | 60941-120 | Covering the microplates during incubation. |
Polyethylene Glycol 8000 (PEG) | Fisher Scientific | BP233-1 | Phage precipitation. |
Sodium chloride | Millipore-Sigma | S3014 | Phage precipitation. |
Sterile Plastic Culture Tubes: Translucent Polypropylene | Fisher Scientific | 14-956-1D | Culturing phage inputs. |
Tetracycline Hydrochloride | Fisher Scientific | BP912-100 | Culturing E. coli OmniMax cells. |
Tris Base | Fisher Scientific | BP1525 | Neutralizing eluted phage solution. |
Tryptone Powder | Fisher Scientific | BP1421-2 | Cell growth media component. |
Tween 20 | Fisher Scientific | BP337500 | Buffer component. |
Yeast Extract | Fisher Scientific | BP1422-2 | Cell growth media component. |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon