Oligomerization of the ryanodine receptor, a homo-tetrameric ion channel mediating Ca2+ release from intracellular stores, is critical for skeletal and cardiac muscle contraction. Here, we present complementary in vivo and in vitro methods to detect protein self-association and determine homo-oligomer stoichiometry.
Oligomerization is often a structural requirement for proteins to accomplish their specific cellular function. For instance, tetramerization of the ryanodine receptor (RyR) is necessary for the formation of a functional Ca2+ release channel pore. Here, we describe detailed protocols for the assessment of protein self-association, including yeast two-hybrid (Y2H), co-immunoprecipitation (co-IP) and chemical cross-linking assays. In the Y2H system, protein self-interaction is detected by β-galactosidase assay in yeast co-expressing GAL4 bait and target fusions of the test protein. Protein self-interaction is further assessed by co-IP using HA- and cMyc-tagged fusions of the test protein co-expressed in mammalian HEK293 cells. The precise stoichiometry of the protein homo-oligomer is examined by cross-linking and SDS-PAGE analysis following expression in HEK293 cells. Using these different but complementary techniques, we have consistently observed the self-association of the RyR N-terminal domain and demonstrated its intrinsic ability to form tetramers. These methods can be applied to protein-protein interaction and homo-oligomerization studies of other mammalian integral membrane proteins.
骨骼肌和心肌的收缩是由碱受体介导的肌质网的 Ca 2+释放触发。有三种哺乳动物RyR的同种型具有四个相同的亚基构成的功能信道。每个RyR的亚基由一个大细胞质监管N-末端部分和包含形成高电导钙孔隙跨膜结构域的小C末端部分的。不正常的内部和亚基间的相互作用背后碱受体通道功能障碍,并导致神经肌肉和心脏疾病1。参与碱受体结构特定领域的识别和表征:功能关系,因此对于RyR的病理生理学的理解是至关重要的。
传统的生化蛋白质 – 蛋白质相互作用技术需要的纯化蛋白的显着量,在细菌中经常产生的。这不是在RyR的,非常大的膜p的情况下,可行的rotein由〜5000个氨基酸,而其重组片段不容易适合于细菌表达和纯化。因此,涉及到真核宿主细胞的替代表达系统都需要的哺乳动物整合膜蛋白。我们先前采用Y2H,共IP和交联测定法,以共同表明N末端 四聚是保守的横跨三个哺乳动物RyR的亚型2,3的结构特征。重要的是,我们已发现,致心律失常性心脏疾病相关的单点突变破坏N末端 自联合并以不正常的RyR的信道4的结果。我们还应用这些技术的RyR的细胞质C-末端尾部5以及同源细胞内Ca 2+释放通道的N末端 ,所述1,4,5-三磷酸肌醇受体2的低聚研究。
在Y2H测定中,interacti两个在之间蛋白质(X和Y)是由功能性转录因子(GAL4)和报告基因6-9的随后活化的重组测定。两个不同的克隆载体被用于产生与GAL4的两个在物理上可分离的,独立的域两种试验蛋白的融合体:DNA结合结构域(DNA-BD)/ X蛋白融合(诱饵)与激活域(AD)/蛋白质ÿ融合(目标)。在Y2H可用于测试通过产生GAL4的DNA-BD和相同的蛋白的AD融合蛋白是否与自身相互作用。遗传修饰Y2H菌株GAL4和GAL80缺陷(在GAL80蛋白是GAL4的阻抑),以及TRP1和LEU2缺陷(为诱饵和猎物质粒,提供营养选择分别)。在酵母细胞核中,该重组DNA-BD和AD肽被带入物理非常接近,只有通过其融合物“X,以产生一个混合GAL4转录因子:Y INTeraction。这种方法能够快速遗传筛查通过原养型的平行转录激活(HIS3编码所必需的组氨酸生物合成的酶)(对于β半乳糖苷酶(β-GAL) 的LacZ编码)报告基因和显色以检测蛋白质-蛋白质相互作用。在Y2H的主要优点是,它是一种体内测定,其检测甚至弱或瞬态蛋白质-蛋白质相互作用。此外,检测涉及简单的使用增长的选择(在介质缺乏组氨酸)或比色的(β-GAL)测定,无需为诱饵和靶蛋白的纯化或特异性抗体的产生。此外,Y2H可用于筛选随机未知克隆(cDNA文库克隆融合至GAL4 AD)为一诱饵蛋白的新颖的结合配偶,也给人以库蛋白的cDNA的直接访问的集合。
为了延长Y2H观察,独立工作耳鼻喉科生化技术都可以使用。共IP和交联测定法用免疫印迹结合是用于检测在复杂样品混合物蛋白协会方法, 例如 ,全细胞裂解物10。它们的主要优点是它们对蛋白质 – 蛋白质相互作用报告从天然组织,不像需要使用重组蛋白质的其它方法。重组蛋白质也可使用,通常在哺乳动物细胞系,在那里它们可能有它们的正确构象和翻译后修饰,以及亚细胞定位表达。然而,由于共同的IP和交联是在体外测定利用匀浆细胞,有必要确认是否两个蛋白伙伴是在完整细胞11共定位。我们经常使用哺乳动物HEK293细胞转染使用磷酸钙沉淀法2瞬时表达哺乳动物完整的膜和胞质蛋白-4,12-14,在这里详细描述。这是为了有效地提供在细胞内的质粒DNA的一种廉价的方式,但它是依赖于所使用的特定细胞系和细胞融合,以及质粒DNA 11,15的纯度。
共同的IP测定涉及的非变性条件,使推定的相互作用配偶10,16的共同纯化下从细胞裂解物感兴趣的天然或重组蛋白的分离。它需要使用两个独立的抗体,对蛋白质的X隔离免疫沉淀抗体,以及用于检测蛋白伴侣Y的免疫印迹的抗体可用于与两个不同的表位,以测试通过产生两种不同的融合蛋白是否与自身进行交互标签( 如 ,HA和cMYC的)。在免疫沉淀抗体通过其Fc区结合的蛋白A(或蛋白G,取决于其中抗体引发的动物种类),其缀合到琼脂糖(或琼脂糖)树脂。在用细胞裂解产物,即均化细胞的洗涤剂可溶性级分温育蛋白A树脂:蛋白质X由抗体沉淀。蛋白免疫复合物洗脱含有SDS的缓冲液,随后通过SDS-PAGE分析和使用抗体来检测蛋白的存在ý17的免疫印迹。共IP应用洗涤剂可溶蛋白进行,以避免过多的非特异性结合。 y对10,16,18:用洗涤剂和它的浓度的选择,以及洗涤次数,应为每个X进行优化。
交联是用来确定所述寡聚蛋白复合物的化学计量。它是基于化学反应来创建相邻相互作用原聚体之间形成共价键,因此,它使SDS-PAGE分离时的蛋白的寡聚状态保存。有许多交联reage各种长度和化学上的蛋白质,通常伯胺,羧酸或硫醇基团靶向不同反应性基团的NTS。在这里,我们描述了使用戊二醛(OHC(CH 2)3 CHO),一个同型双功能交联剂与在任一端是与存在于赖氨酸残基19,20游离氨基反应两个醛基。交联之后是在产生加合物的形成以浓度或时间依赖性。戊二醛反应停止用肼(H 2 NNH 2)和蛋白质样品,然后通过SDS-PAGE分析和免疫印迹17,以评估其低聚状态。我们应该注意到,交联不诱导低聚而仅仅创建预先存在的蛋白质复合体之间的稳定桥。在进行交联实验时的重要考虑因素包括交联剂,其浓度和反应时间19,20的选择。
蛋白质同源低聚物的形成是一个基本的生物过程,调节转录因子,酶,离子通道和受体25,26的活性。重要的是,蛋白寡聚化也有病理的影响,包括神经功能障碍和心律失常的心脏疾病4,27。在这篇文章中所概述的方法用于识别域的域的相互作用介导蛋白自缔合和低聚。下面,我们指出在每个协议中的关键步骤,我们将讨论重要事项,限制和排除故障。
在Y2H系统可以采用先筛选,因为它的相对高通量筛选的潜在相互作用蛋白伙伴,易用性和高度可重复的结果。 Y2H过程中微生物实验室标准(板或振动筛),孵化器和室内封闭设施进行。采用FR的eshly制备的感受态细胞(步骤1.1.8)可以高效率酵母转化至关重要的,而对于在β-Gal的测定法最好的结果,新生长的酵母菌落(最多5天龄),应使用(步骤1.2.3)。基于不同于GAL4和/或附加的/替代报告基因等的转录因子的系统是可用的,并且因此诱饵和猎物质粒应当与适当的Y2H应变匹配。
一些菌株应该在3-氨基-1,2,4-三唑时,HIS3蛋白的竞争性抑制剂的存在下培养,以猝灭HIS3报道基因7,8-任何组成型表达。诱饵和靶融合蛋白质的表达应被免疫印迹17进行验证。万一诱饵/猎物融合蛋白是有毒的酵母,低级耐受的蛋白质水平可通过在诱饵/猎物表达是由不同的启动子驱动的不同载体克隆来实现。此外,重要的是要确保吨帽子诱饵/猎物融合蛋白不显示自主报告基因的活性。自主报告基因活化可以通过修改该构建以除去负责区域获救,或者通过交换与GAL4的DNA-BD和AD融合两个测试蛋白质。此外,跨膜结构域更好从诱饵/猎物构建省略,因为它们可引起细胞内的膜隔室错误折叠或融合蛋白的错误定位。的确,Y2H系统的主要缺点是,在诱饵和目标蛋白质在酵母核局部化从它们的生理亚细胞位置远的和潜在缺乏特定的翻译后修饰,从而产生假阳性或假阴性的相互作用6-9 。
哺乳动物的异源表达系统更适合于哺乳动物整合膜蛋白在构象,翻译后修饰和亚细胞定位方面的研究。其中最广泛使用的细胞的转染方法是磷酸钙沉淀,主要是因为最低设备的和试剂所需11,15。替代方法,即电穿孔,脂质体,阳离子脂质和聚合物,可以得到依赖于细胞系更高的转染效率和构造使用。在一般情况下,影响的转染效率的主要因素是质粒DNA的质量和细胞的健康/生存力。当使用纯度最高(的260nm处/ 280nm的吸光度比〜1.8),并积极分裂的细胞的质粒DNA的最佳的结果实现的。细胞因此应该在不超过60被转染- 70%汇合(步骤2.1.2),因为占用外源DNA的能力有关,暴露于介质11中的细胞的表面积。此外,转染(步骤2.1.3)中的培养基中的抗生素夹杂不会由于增加的细胞死亡15宜。
F或磷酸钙沉淀在2X HBS溶液(步2.1.1)的特别精心准备,调整pH(7.05精确),和质粒DNA /钙/剧烈混合(步骤2.1.5),磷酸盐复合物形成正确的高效率转染的关键步骤。通常情况下,通过在24瞬时转染峰表达 – 72小时。
一旦收获细胞,随后的程序必须在4℃下进行以最小化蛋白酶的活性,并且推荐添加蛋白酶抑制剂。细胞均化之后应离心步骤以除去细胞核,因为染色体DNA可以增加溶液的粘度和提高的非特异性结合。因此,同质化通过在等渗缓冲机械手段是首选,一般在(0.3米),蔗糖或(150毫米)的NaCl。在一般情况下,基于蔗糖的缓冲液是已知的,以提高蛋白质稳定性,并减少潜在的非天然蛋白质聚集,但由于为p蛋白质表面上的参照水化,静电蛋白质 – 蛋白质相互作用是有利的。相反地,基于盐缓冲剂影响蛋白质表面上的净电荷电荷的氨基酸侧基,从而具有向更基于疏水相互作用28的偏置。
共IP是最常用的生化测定来评估特别是从天然组织蛋白质 – 蛋白质相互作用。它的主要缺点是为验证为在使用IP和免疫印迹10,16,18高度特异性抗体的要求。因此,重组蛋白质通常具有标记的肽的表位, 例如 ,流感血凝素(YPYDVPDYA)或人cMYC的(EQKLISEEDL),其高亲和力特异性抗体是市售的。如果需要,免疫沉淀抗体可以化学缀合到蛋白A树脂,以避免其在免疫印迹阶段洗脱并检测可能混淆的共沉淀的公关otein 16;实现这一目标,我们已经成功地使用了化学交联剂3,3'-二硫代双(sulfosuccinimidylpropionate)24。至关重要的是,一个合适的洗涤剂包括在IP缓冲液和匀化细胞的不溶性物质通过离心除去非特异性结合(步骤3.1.3)最小化。选择和洗涤剂的浓度是重要的考虑因素:更强洗涤剂和/或更高的浓度将大大降低非特异性结合,但是也可以废除X:Y蛋白质相互作用,而较低的浓度或较温和的清洁剂可允许观察到弱相互作用,但可能导致过度非特异性结合。中间强度洗涤剂是优选的, 例如 ,曲通X-100 0.5 – 1%的浓度。为了进一步减少非特异性结合,中性蛋白质( 例如,在100微克/毫升牛血清白蛋白),可以包括在IP缓冲液和/或细胞裂解物可以预先cleareð单独用蛋白A树脂前孵化。洗涤的数量应为X进行优化:Y对测试,通常3个10分钟洗涤用的IP缓冲液(步骤3.1.9)。在任何情况下,与非免疫的IgG共IP样品作为免疫沉淀抗体应始终并行处理作为阴性对照(步骤3.1.6)。
化学交联的主要优点是,它通知在蛋白质同源低聚物的化学计量组成。戊二醛是一种常用的交联剂,因为它不需要特殊的设备和它产生相互作用蛋白19,20之间的热和化学稳定的交联。与游离氨基化合物应当从分析缓冲(步骤3.2.1)被省略,因为它们将淬灭的化学反应。戊二醛浓度和反应时间(步骤3.2.4)应为感兴趣的寡聚蛋白复合物进行优化。这种技术,especi的主要缺点对全细胞制剂进行联合时,是化学反应,可以得到缺乏生物学意义人工蛋白聚集体的非特异性。
替代体内 ( 例如 ,荧光共振能量转移,双分子荧光或发光互补)和体外技术( 例如 ,大小排阻层析,分析超速离心,等温滴定量热法)可用于蛋白质自联合和评估的特征齐聚化学计量29,30。每种方法都有自己的优点和缺点,它可能更适合取决于蛋白质纯化/稳定性和设备/试剂可用特定蛋白质的研究。详细地说,即Y2H,共IP和交联这里描述的三个互补的方法,已在组合被用于对RyR2的同源oligome提供了令人信服的证据- [R形成隔离和活细胞内。
The authors have nothing to disclose.
这项工作是由英国心脏基金会的奖学金,以SZ(FS / 08/063和FS / 15 /三万一千四百九十四分之三十○)的支持。
1. PART 1 yeast two-hybrid | |||
Plate incubator | Hereaus | B6120 | Used at 30°C |
Orbital shaker incubator | New Brunswick Scientific | INNOVA 4300 | Used at 30°C with shaking at 230-250 rpm |
Spectrophotometer | Perkin Elmer | Lambda Bio+ | To measure OD600 of yeast culture; to measure Absorbance at 420 nm in liquid b-Gal assay |
Matchmaker Two-Hybrid System 2 Kit | Takara Clontech | K1604-1 | Contains bait vector pGBKT7, prey vector pACT2 and yeast strain Y190 |
Yeast Nitrogen Base | Sigma-Aldrich | Y0626 | To prepare minimal SD growh medium |
Dropout supplement lacking leucine and tryptophan | Sigma-Aldrich | Y0750 | To prepare minimal SD growh medium |
Dropout supplement lacking leucine, tryptophan, histidine | Sigma-Aldrich | Y2001 | To prepare minimal SD growh medium |
Herring testes carrier DNA | Takara Clontech | 630440 | For yeast transformation |
Whatman filter paper Grade 5 | Sigma-Aldrich | WHA1005070 | for use in colony-lift filter paper b-Gal assay |
X-Gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside) | Sigma-Aldrich | B4252 | for use in colony-lift filter paper b-Gal assay |
ONPG (o-nitrophenyl-β-D-galactopyranoside) | Sigma-Aldrich | N1127 | for use in liquid b-Gal assay |
PART 2. Protein expression in a mammalian cell line | |||
HEK293 cell line | ATCC | ATCC® CRL-1573™ | |
Humidified incubator (5% CO2, 37 °C) | SANYO | MCO-18AIC | To culture mammalian cells |
DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's medium) | Invitrogen (ThermoFisher) | 41966 | To prepare growth medium for mammalian cells |
Fetal Bovine Serum | Invitrogen (ThermoFisher) | 10500 | To prepare growth medium for mammalian cells |
Glass beads | Sigma-Aldrich | G8772 | To homogenise cells |
Needle 23G (0.6 x 30mm) | BD Microlance | 300700 | To homogenise cells |
Protease inhibitor cocktail (Complete) | Roche | 11873508001 | To prevent proteolysis |
PART 3. In vitro biochemical methods | |||
Mini-PROTEAN Tetra Cell (SDS-PAGE system) | Bio-Rad | 1658000EDU | For polyacrylamide gel electrophoresis |
Trans-Blot SD (Semi-dry transfer system) | Bio-Rad | 1703940 | For electrophoretic transfer |
Compact X-ray film processor | Xograph | X4 | For use in immunoblotting |
Glutaraldehyde | Sigma-Aldrich | G5882 | For use in chemical cross-linking |
Protein-A sepharose beads | GE Healthcare Life Sciences | 17-5280-01 | For use in co-IP assay |
Anti-HA (Y-11 rabbit polyclonal IgG) | Santa Cruz Biotechnology | sc-805 | For use in co-IP assay |
Non-immune rabbit IgG | Santa Cruz Biotechnology | sc-2027 | For use in co-IP assay |
Anti-cMyc (9E10 mouse monoclonal IgG) | Santa Cruz Biotechnology | sc-40 | For use in immunoblotting |
Anti-HA (16B12 mouse monoclonal IgG) | Covance | MMS-101P | For use in immunoblotting |
Anti-mouse IgG-HRP | Santa Cruz Biotechnology | sc-2005 | For use in immunoblotting |
Hyperfilm ECL | GE Healthcare Life Sciences | 28906836 | For use in immunoblotting |
ECL Western Blotting Substrate | Pierce (ThermoFisher) | 32106 | For use in immunoblotting |