Membrana-COLUNA: Uma Ferramenta bioquímicos na identificação de interações proteína-proteína de Proteínas de Membrana<em&gt; In Vivo</em

Resumo

A abordagem bioquímica é descrita a identificação in vivo de interacções proteína-proteína (PPI), de proteínas de membrana. O método combina a proteína de ligação cruzada, de purificação por afinidade e espectrometria de massa, e é adaptável para quase qualquer tipo de célula ou organismo. Com esta abordagem, embora a identificação de IPP transientes torna-se possível.

Resumo

As proteínas da membrana são essenciais para a viabilidade celular e, portanto, são alvos terapêuticos importantes ^1-3. Desde que funcionam nos complexos de ^4, métodos para identificar e caracterizar as suas interacções são necessárias ^5. Para isso, desenvolvemos a membrana Strep-proteína experimento interação, chamada de membrana-espinha ^6. Esta técnica combina in vivo de ligação cruzada utilizando o formaldeído reversível de reticulação com a purificação por afinidade de uma proteína de membrana de isca Strep-tag. Durante o procedimento, as proteínas presa reticulados são co-purificados com a proteína de membrana de isca e, subsequentemente, separado por ebulição. Assim, duas grandes tarefas podem ser executadas quando se analisa as interações proteína-proteína (IBP) de proteínas de membrana usando Membrane-espinha: primeiro, a confirmação de um parceiro de interação proposto por immunoblotting e, segundo, a identificação de novos parceiros de interação através da análise de espectrometria de massa . Além disso, mesmo low afinidade PPIs transientes são detectáveis ​​por esta técnica. Finalmente, Membrane-espinha é adaptável a praticamente qualquer tipo de célula, tornando-o aplicável como ferramenta de triagem para identificar poderoso PPIs de proteínas de membrana.

Introdução

Para entender a função de uma proteína que é essencial conhecer os seus parceiros de interação. Várias técnicas clássicas estão disponíveis para a identificação de parceiros de interacção de proteínas solúveis. No entanto, estas técnicas não são facilmente transferíveis para a membrana proteínas, devido à sua natureza hidrofóbica ^4. Para ultrapassar esta limitação, foi desenvolvido o Strep-proteína de membrana interacção experimento (Membrane-SPINE) ^6. Ele baseia-se no método da coluna vertebral, que era apenas adequado para proteínas solúveis ^7.

Benefícios membrana da coluna vertebral de duas vantagens do formaldeído agente de reticulação: primeiro, o formaldeído pode facilmente penetrar as membranas e, consequentemente, gera uma imagem precisa da interactoma de uma célula viva ^8. Em segundo lugar, formaldeído ligações cruzadas pode ser revertida por ebulição ^9. Aqui, estas duas vantagens são usados ​​para identificar não só IPP permanentes, mas também transientes de prote membranains ^6.

Em resumo, um Strep-tag está fundido com o terminal C da proteína de membrana integral isca. As células que expressam a proteína de membrana de isca são incubadas com formaldeído, que as ligações cruzadas atacam proteínas para a proteína isco membrana (Figura 1). Modificações de proteínas presas não são necessários. Em seguida, a fracção de membrana é preparado. Portanto, as proteínas da membrana são solubilizados por tratamento com detergente e isca proteínas são co-purificados com suas proteínas presas utilizando a purificação por afinidade. Subsequentemente, a ligação transversal é invertida por ebulição, e o isco e suas proteínas presa co-eluidas são separadas por SDS-PAGE. Finalmente, as proteínas de presa pode ser identificado por análise de imunotransferência ou espectrometria de massa.

Protocolo

Nota: Informações detalhadas sobre tampões indicados no protocolo está disponível na Tabela 1.

1. Fixação de interações proteína-proteína por formaldeído Cross-ligando em células vivas

1. Para começar a preparar meios de cultura, soluções de reserva e de tampão P1
   1. Prepare 500 ml meio: O meio deve proporcionar condições que suportam a interação entre a proteína isca membrana e proteínas presas. Além disso, um experimento deve ser realizado sob condições em que se espera nenhuma interação (por exemplo, sem cross-linking).
      Nota: Nós comparamos interações proteína-proteína em bactérias estressados ​​e não-estressados. Portanto, podemos preparar 500 ml de Luria Bertani (LB) (Tabela 1) que complementar com um agente de indução de stress (por exemplo, NaCl a 0,5 M) num frasco de 2 L de Erlenmeyer. Para o controle, usamos meio LB normal com 0,17 M de NaCl (pH 7,0).
   2. Preparar tampão Tris (20 mM Tris-HCl, pH 8,0) e 0,1 M de ácido etilenodiaminotetracético (EDTA), pH 8,0 solução de estoque (Tabela 1).
   3. Prepare tampão P1. Dissolve-se a sacarose a uma concentração final de 0,5 M em tampão Tris. Esterilizar tampão P1 por filtração e armazená-lo a 4 ° C.
2. Crescer as células que expressam a proteína de membrana de isco com uma fusão C-terminal de Strep-tag de um vector. Induzem a expressão de proteínas de membrana de isco durante um tempo suficiente.
   Nota: Foram induzir a expressão de proteínas de membrana bacterianas isca em fase-log precoce (A ₆₀₀ = 0,3) pela adição de 250 ul de 1 M isopropil-β-D-tiogalactopiranósido (IPTG) para 500 ml de meio (concentração final: 0,5 mM) . Para permitir uma expressão suficiente, que incuba-se as bactérias até à fase de fim de registo (A ₆₀₀ = 1,2).
3. Prepare-se para cada uma cultura de duas provetas de centrifugação com um volume mínimo de 300 ml de cada um e colocá-las sobre gelo.
4. Realize formaldeído cross-linking.
   CAUÇÃO: O formaldeído é altamente tóxico Recomendamos trabalhando sob uma coifa de segurança..
   1. Transfira o recipiente de cultura sob uma coifa de segurança. Dividir cada amostra em duas amostras, uma omissão de reticulação (- X) e uma incluindo o formaldeído de reticulação (+ X). Adicionar 4 ml de solução de formaldeído a 37% e 250 ml de cultura para atingir uma concentração final de 0,6%.
5. Transfira os recipientes de cultura para trás e cultivar células por mais 20 min como antes.
6. Preencha seus culturas dentro dos tubos de centrífuga sob uma coifa de segurança. Recolher as células por centrifugação a 3000 xg durante 30 min.
7. Elimine o sobrenadante com cuidado pipetando-lo sob uma coifa de segurança. Colete tóxico sobrenadante contendo formaldeído e descartá-la adequadamente.
8. A fim de atingir o rendimento ideal durante a preparação de proteínas de membrana, preparar esferoplastos primeiro. Aqui, nós fornecemos um protocolo para a formação de esferoplastos de bactérias Gram-negativas:
   1. Prepartampão e P2 (Tabela 1) a partir de pó liofilizado. Suavemente dissolver 2 mg de lisozima em 0,1 M de EDTA, pH 8, num tubo de 1,5 ml. Sempre preparar tampão P2 na hora para o dia do experimento.
   2. Prepare Tris-buffer com inibidor de protease (P3 buffer). A 10 ml de tampão Tris, adicionar 0,1 ml de 1 M de fluoreto de fenilmetilsulfonilo (PMSF) (Tabela 1) para uma concentração final de 10 mM. Use o tampão imediatamente, para garantir o funcionamento adequado da PMSF como inibidor da protease.
   3. Os sedimentos de células Ressuspender em 10 ml de tampão Tris com inibidor de protease e solução de transferência para um tubo de 15 ml.
   4. Adicionar 1 ml de tampão P2 e incubar em gelo durante 30 min.
   5. Recolhe esferoplastos por centrifugação a 3000 xg durante 30 minutos e descartar o sobrenadante cuidadosamente.
9. Incubar as pelotas de esferoplastos a noite a -20 ° C.

2. Purificação de Strep-tag Membrane Protein (Bait)

1. Coloque esferoplasto pellet no gelo.
2. Durante o tempo dos peletes de esferoplastos descongelar em gelo, 10 ml de preparar P3 tampão para cada preparação de esferoplastos. Suavemente dissolver 1 mg ADNasel em 10 ml de tampão Tris. Adicionar 0,1 ml de 1 M de PMSF imediatamente antes da utilização.
3. Ressuspender o sedimento em 6 ml P3 preparada de fresco. Sonicar a amostra quatro vezes durante 1 min de forma contínua em gelo com 1 min de pausa entre cada explosão, de forma a interromper os esferoplastos.
4. Centrifugar a amostra a 10.000 xg durante 10 minutos para colher os detritos celulares. Transferir o sobrenadante com uma pipeta para um tubo de ultracentrifugação.
5. Sedimentar a fracção de membrana a 100.000 xg durante 30 min. Lavar o sedimento cuidadosamente em Tris-tampão sem dissolver. Seque o tubo com um lenço de papel (por exemplo, lenços de papel). Evitar perturbar o sedimento, em qualquer momento.
6. Ressuspender o sedimento (= membranas) cuidadosamente em 1 ml de tampão Tris. Use uma alíquota de 20 ul para determinar a concentração de proteína pelo ensaio de BCA por exemplo. Neste passo, as membranas podem ser congelados em choque liquid azoto e armazenada a -80 ° C.

3. Purificação de Strep-tag Membrana Isca proteína e SDS-PAGE

1. Normalizar a concentração de proteína da fracção de membrana de 5 mg / ml com tampão Tris. Tome 2,5 ml da fracção de membrana (5 mg / ml) num tubo de ultracentrifugação e adicionar 0,25 ml de 20% Triton X-100 para se atingir uma concentração final de 2%, a fim de solubilizar as proteínas da membrana. Adicionar uma haste de micro-magnético e agita-se em gelo durante 1 hr.
   Nota: Apesar de, em geral, temos bons resultados com o Triton X-100 como detergente, pode ser útil para mudar o detergente para otimização. A este respeito, temos os melhores resultados com os detergentes utilizados para a purificação funcional da respectiva proteína isco membrana.
2. Embora a realização do passo 3.1, preparar 50 ml de tampão W e 5 ml de tampão E (Tabela 1). Encha-se 10 mL de 5x tampão W concentrado para 50 ml e adicionar 150 ul de 20% de Triton X-100.
   1. Encha-se 1 ml de 5x buffer E concentrado para 10 ml e adicionar 30 ul de 20% de Triton X-100. Equilibrar um Strep-Tactin coluna de fluxo de 1 ml superfluxo gravidade com 8 ml de tampão de W.
      Nota: É essencial para adicionar o detergente utilizado para a solubilização em uma concentração de 10 vezes acima da concentração micelar crítica (CMC) em qualquer solução durante o processo de purificação.
3. Retirar a vareta micro-magnético a partir da amostra de solubilização e de ultracentrifugação a 100000 xg durante 30 minutos, para sedimentar a fracção de membrana insolúvel. Retirar o sobrenadante utilizando uma pipeta para purificação adicional.
4. Carrega-se o sobrenadante para a coluna. Executar a coluna só com fluxo por gravidade. Lavar a coluna com 5 ml de tampão W. Repetir esta etapa de lavagem 5x.
5. Eluir as proteínas de membrana de isca com 1 ml de tampão E. Repita este passo de eluição de 4x.
6. Concentra-se as fracções de eluição 2, 3 e 4, até 300 ml, com uma unidade de filtração centrífuga.
7. Misturar 200 ul de cada amostra com 50 mL de 5x de SDS-PAGCorante de carga de E. Divida cada preparação em 125 mL alíquotas. Ferver uma alíquota de cada preparação durante 20 min a 95 ° C, para reverter ligações cruzadas de formaldeído. Deixe as amostras arrefecer para a temperatura ambiente durante pelo menos 10 min, em cima da bancada.
8. Carga de 30 ul de cada amostra para uma única pista de um gel de poliacrilamida-gel adequado para imunoblotting. Use um marcador prestained peso molecular para uma melhor orientação e executar SDS-PAGE ^10.

4. Análise Imunoblot para confirmar parceiros de interação

1. Uma vez que o passo 3.8 for concluída, proteínas de transferência para uma membrana de nitrocelulose por exemplo semidry.
2. Bloquear a membrana para evitar a marcação não específica. Preparar o tampão de bloqueio por pesagem de albumina sérica bovina (BSA) para atingir o peso de 3% por volume em soro fisiológico tamponado com Tris suplementado com uma concentração final de 0,05% de Tween-20 (TBS-T). Utilizar um volume suficiente de tampão de bloqueio para cobrir a membrana. Bloquear a membrana durante 1 hora a RT.
3. Diluir umaª incubar o primeiro anticorpo específico da proteína presa como de costume. Usar um anticorpo ligado a HRP como o segundo anticorpo.
4. Desenvolver a imunotransferência utilizando um kit de detecção quimioluminescente com alta sensibilidade. Monitorar o sinal através de um procedimento de processamento de filmes clássicos ou equipamentos de imagem digital.

5. NanoLC-ESI-MS/MS de alta resolução Experimentos para identificar parceiros de interação

1. No caso em que nenhum anticorpo específico está disponível para a proteína presa ou parceiros de interacção desconhecidos devem ser identificadas, utilizar a espectrometria de massa (MS) para a identificação. A fim de evitar a contaminação da queratina, usar géis precasted para a separação de proteínas.
2. Prata manchar a SDS-PAGE utilizando um kit de coloração MS-compatível de acordo com o protocolo do fabricante. Execute todas as etapas de coloração e lavagem de tanques de vidro.
3. Especiais de Consumo respectivas bandas e analisar estes de alta resolução por LC / MS ^9.

Resultados

A análise da membrana COLUNA permite co-purificação de proteínas da membrana e transitoriamente interagindo parceiros proteicos. O co-purificação é conseguido usando o agente formaldeído cross-linking. Dois parâmetros são críticos para evitar inespecíficas ligações cruzadas: a concentração de formaldeído e o tempo de reticulação. A utilização suficientes, mas não excessivas de formaldeído pode ser facilmente controlada por imunotransferência. Complexos proteicos formaldeído reticulado pode ser s...

Discussão

Análise Membrane coluna vertebral é uma abordagem bioquímica que permite que se confirmar e identificar este ponto parceiros de interação desconhecidos de proteínas de membrana. Membrana COLUNA combina in vivo cross-linking por formaldeído com purificação de uma proteína de membrana isca Strep-marcado. A combinação com imunotransferência facilita a confirmação de parceiros de interacção previstas (Figura 2). Além disso, a combinação com análise MS permite a identificação ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
37% Formaldehyde	Roth	4979.1	Should not be older than one year
DNaseI	Sigma	DN25
BCA protein assay kit	Pierce	23225
Micromagnetic rod	Roth	0955.2	5 mm in length, 2 mm in diameter
Triton X-100	Roth	6683.1	standard detergent for solubilization
n-Dodecyl-β-maltoside	Glycon	D97002-C	the best detergent to solubilze CpxA
1 ml Strep-Tactin superflow gravity flow column	IBA	2-1207-050
Strep-tag protein purification buffer set	IBA	2-1002-001	Contains buffer W and buffer E
Amicon Ultra-4 centrifugal filter	Millipore	UFC803024
SuperSignal West Pico Chemiluminescent substrate	Pierce	34080
SilverQuest Silverstaining kit	Invitrogen	LC6070
FireSilver Staining Kit	Proteome Factory	P-S-2001
Ultracentrifuge