We describe a method for generating localization and affinity purification (LAP)-tagged inducible stable cell lines for investigating protein function, spatiotemporal subcellular localization and protein-protein interaction networks.
Multi-protein complexes, rather than single proteins acting in isolation, often govern molecular pathways regulating cellular homeostasis. Based on this principle, the purification of critical proteins required for the functioning of these pathways along with their native interacting partners has not only allowed the mapping of the protein constituents of these pathways, but has also provided a deeper understanding of how these proteins coordinate to regulate these pathways. Within this context, understanding a protein’s spatiotemporal localization and its protein-protein interaction network can aid in defining its role within a pathway, as well as how its misregulation may lead to disease pathogenesis. To address this need, several approaches for protein purification such as tandem affinity purification (TAP) and localization and affinity purification (LAP) have been designed and used successfully. Nevertheless, in order to apply these approaches to pathway-scale proteomic analyses, these strategies must be supplemented with modern technological developments in cloning and mammalian stable cell line generation. Here, we describe a method for generating LAP-tagged human inducible stable cell lines for investigating protein subcellular localization and protein-protein interaction networks. This approach has been successfully applied to the dissection of multiple cellular pathways including cell division and is compatible with high-throughput proteomic analyses.
To investigate the cellular function of an uncharacterized protein it is important to determine its in vivo spatiotemporal subcellular localization and its interacting protein partners. Traditionally, single and tandem epitope tags fused to the N or C-terminus of a protein of interest have been used to facilitate protein localization and protein interaction studies. For example, the tandem affinity purification (TAP) technology has enabled the isolation of native protein complexes, even those that are in low abundance, in both yeast and mammalian cell lines1,2. The localization and affinity purification (LAP) technology, is a more recent development that modifies the TAP procedure to include a localization component through the introduction of the green fluorescent protein (GFP) as one of the epitope tags3. This approach has given researchers a deeper understanding of a protein’s subcellular localization in living cells while also retaining the ability to perform TAP complex purifications to map protein-protein interaction networks.
However, there are many issues associated with the use of TAP/LAP technologies that has hampered their widespread use in mammalian cells. For example, the length of time that is necessary to generate a stable cell line expressing a TAP/LAP tagged protein of interest; which typically relies on cloning the gene of interest into a viral vector and selecting single cell stable integrants with the desired expression level. Additionally, many cellular pathways are sensitive to constitutive protein overexpression (even at low levels) and can arrest cells or trigger cell death over time making the generation of a TAP/LAP stable cell line impossible. These and other constraints have impeded LAP/TAP methodologies from becoming high-throughput systems for protein localization and protein complex elucidation. Therefore, there has been considerable interest in the development of an inducible high-throughput LAP-tagging system for mammalian cells that takes advantage of current innovations in cloning and cell line technologies.
Here we present a protocol for generating stable cell lines with Doxycycline/Tetracycline (Dox/Tet) inducible LAP-tagged proteins of interest that applies advances in both cloning and mammalian cell line technologies. This approach streamlines the acquisition of data with regards to LAP-tagged protein subcellular localization, protein complex purification and identification of interacting proteins4. Although affinity proteomics utilizes a wide range of techniques for protein complex elucidation5, our approach is beneficial for expediting the identification of these complexes and their native interaction networks and is amenable to high-throughput protein tagging that is necessary to investigate complex biological pathways that contain a multitude of protein constituents. Key to this approach are advancements in cloning strategies that enable high fidelity and expedited cloning of target genes into an array of vectors for gene expression in vitro, in various organisms like bacteria and baculovirus, and in mammalian cells6,7. Additionally, the ORFeome collaboration has cloned thousands of sequence validated open reading frames in vectors that incorporate these advances in cloning, which are available to the scientific community8-11. In our system, the pGLAP1 LAP-tagging vector enables the simultaneous cloning of a large number of clones, which facilitates high-throughput LAP-tagging. This expedited cloning procedure is coupled to a streamlined approach for generating cell lines with LAP-tagged genes of interest inserted at a single pre-determined genomic locus. This makes use of cell lines that contain a single flippase recognition target (FRT) site within their genome, which is the site of integration for LAP-tagged genes. These cell lines also express the tetracycline repressor (TetR) that binds to Tet operators (TetO2) upstream of the LAP-tagged genes and silences their expression in the absence of Dox/Tet. This allows for Dox/Tet inducible expression of the LAP-tagged protein at any given time. Having the capability of inducible LAP-tagged protein expression is critical, since many cellular pathways are sensitive to the levels of critical proteins governing the pathway and can arrest cell growth or trigger cell death when these proteins are constitutively overexpressed, even at low levels, making the generation of non-inducible LAP-tagged stable cell lines impossible12.
Изложенная протокол описывает клонирование генов, представляющих интерес в вектор LAP-маркировать, поколение индуцируемых LAP-меченый стабильных клеточных линий, а также очистку LAP-меченый белковых комплексов для протеомных анализов. Что касается других подходов LAP / TAP-мечения, этот протокол был оптимизирован, чтобы быть совместимым с высокой пропускной способностью подходов к карте локализации белка и белок-белковых взаимодействий в пределах любого клеточного пути. Такой подход широко применяется к функциональной характеристике белков критических для прогрессии клеточного цикла, сборки веретена, шпинделя полюса гомеостаза и цилиогенеза назвать несколько и помог понять, как misregulation этих белков может привести к человеческим заболеваниям 15, 16,19,20. Например, наша группа недавно использовали эту систему для определения функции и регуляции STARD9 митотической кинезином (целевая рак кандидат) в сборке шпинделя 15,21, чтобы определитьНовая молекулярная связь между Tctex1d2 динеин легкой цепи и короткие ребра полидактилия синдромы (SRPS) 19, и определить новую молекулярную связь для понимания того, как мутация убиквитинлигазы MID2 может привести к Х-хромосомой ограниченными интеллектуальными возможностями 16. Другие лаборатории также успешно применили этот метод, в том числе тот , который определил , что Tctn1, регулятор мыши Hedgehog сигнализации, была частью цилиопатии ассоциированного белкового комплекса , которая регулировала цилиарного состава мембраны и цилиогенеза в ткани-зависимым способом 22,23. Таким образом, этот протокол может быть широко применен к рассечения любого клеточного пути.
Важным шагом в этом протоколе является выбор LAP-меченый стабильных клеточных линий, которые являются устойчивыми к гигромицину. Особое внимание следует уделять внимание тому, чтобы все клетки в контрольной пластине мертвы, прежде чем выбрать фокусы в экспериментальной пластины для усиления. Гигромицину также может быть ADDEd во время обычного клеточного культивирования LAP-меченый линии клеток стабильным для дальнейшего обеспечения того, чтобы все клетки поддерживать LAP-меченый интересующего гена на сайте FRT. Мы предупреждаем, что не все LAP-меченных белков будет функциональным и, что важно иметь анализы на месте, которые могут быть использованы для тестирования функции белка. Примеры анализов , используемых для тестирования функции белка включают спасение миРНК-индуцированной фенотипов и в анализах пробирке активности. Для устранения любых потенциальных проблем, с добавлением большого LAP-тега, ранее мы генерироваться векторы ТАР-тегов, совместимые с этой системой, которые содержат мелкие метки, как FLAG, которые, менее вероятно, чтобы ингибировать функцию и локализацию белка, представляющего интерес 4. Кроме того, LAP-маркировать векторы существуют для генерации C-концевой LAP-меченных белков или C-концевые TAP-меченных белков, которые совместимы с этой системой, которая может быть использована в тех случаях, когда LAP / TAP тег не переносится на N -terminus белка. Кроме того, гое соль и моющее средство концентрации буферов очистки (LAPX N) может быть изменен , чтобы увеличить или уменьшить Очистку строгость при соблюдении доли не имеет или слишком много взаимодействий. Аналогичным образом, процедура очистки сродством тандем является более жестким, чем одиночный процедуры очистки и слабые interactors могут быть потеряны, таким образом, одна схема очистки может быть использован, когда идентифицируются мало или совсем нет interactors.
Важно отметить , что существуют и другие подходы к GFP эпитоп мечения , которые позволяют крупномасштабного белка GFP тегах для локализации белка и очистки исследований 24,25. К ним относятся подход BAC TransgenOmics , который использует бактериальные искусственные хромосомы , чтобы выразить GFP-меченый интерес генов из их родной среды , которая содержит все регуляторные элементы, имитирующем экспрессии 24 эндогенный ген. Совсем недавно, cas9 / Одноэлементная наведением РНК (sgRNA) рибонуклеопротеидные комплексы (РНП), были использованы для завершенияogenously метить гены , представляющие интерес с системой сплит-GFP , который позволяет экспрессию GFP-меченый генов от их эндогенных локусов генома 25. Хотя оба эти подхода позволяют экспрессию меченных белков при эндогенных условиях, по сравнению с протоколом LAP-мечения, описанного здесь, они не позволяют индуцибельной и перестраиваемой экспрессии меченых интерес генов. Кроме того, они еще должны применяться к тандемной эпитопа мечения для TAP. Важно также отметить, что другие системы мечения также могут быть модифицированы, чтобы стать совместимым с системой, описанной здесь для генерации индуцируемые эпитоп-меченый стабильных клеточных линий. Например, близость-зависимой идентификации биотин (BioID) привлекло значительное внимание в связи с его способностью определять пространственные и временные соотношения между взаимодействующих белков 26. Этот метод использует белковые слитые в беспорядочном штамма кишечной палочки биотин лигазы Бира, который biotinylates любой белок в пределах ~ 10 нм радиусом фермента. Биотинилированные белки затем очищали с использованием аффинной захвата биотин-аффинной и анализировали на состав, с помощью масс-спектрометрии. Bira будет biotinylate любой белок в непосредственной близости, даже скоротечно, что делает его особенно хорошо подходит для обнаружения слабых взаимодействующих партнеров в сложном 27. Кроме того, схема очистки не требует, что эндогенные белок-белковых взаимодействий остаются нетронутыми и могут быть выполнены в денатурирующих условиях, тем самым снижая уровень ложных срабатываний. В рамках нашего текущего протокола, замена вектора pGLAP1 на вектор Бира-мечения может превратить эту систему от идентификации белок-белковых взаимодействий на основе сродства к их обнаружения на основе близости. Такая система была бы весьма выгодным для обнаружения переходных взаимодействий белков как это происходит между многими взаимодействий фермент-субстрат и для картирования пространственно-временной белок-белок Interactions в рамках определенных структур , как было проведено для центросоме и ресничек 26,28.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a National Science Foundation Grant NSF-MCB1243645 (JZT), any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.
Flp-In T-REx Core Kit | Invitrogen | K6500-01 | Kit for generating cell lines that contain an FRT site and TrtR expression |
PETG, 5X | Nunc, Inc. | 73520-734 | Roller bottle for growing cells |
PETG, 2.5X | Nunc, Inc. | 73520-420 | Roller bottle for growing cells |
Cell stackers | Corning CellSTACK | 3271 | Cell stacker for growing cells |
500 mL conical centrifuge tubes | Corning | 431123 | Tubes for harvesting cells |
Anti-GFP antibody | Invitrogen | A11122 | Rabbit anti GFP antibody |
Affiprep Protein A beads | Biorad | 156-0006 | Used as a matrix for conjugating anti-GFP antibodies |
Dimethylpimelimidate (DMP) | ThermoFisher Scientific | 21667 | Used for conjugating anti-GFP antibodies to Protein A beads |
TLA100.3 tubes | Beckman | 349622 | Tubes for centrifuging protein lysates during the clearing step |
TEV protease | Invitrogen | 12575-015 | Used for cleaving the GFP tag off of N-terminal LAP-tagged proteins |
Precession Protease | GE Healthcare | 27-0843-01 | Used for cleaving the GFP tag off of C-terminal LAP-tagged proteins |
S-protein agarose | Novagen | 69704 | Used as a second affinity matrix during the purification of LAP-tagged protein complexes |
QIAquick DNA gel extraction kit | Qiagen | 28704/28706 | For use in purifying PCR products from an agarose gel |
BP clonase II | Invitrogen | 11789020 | Used for cloning ORF PCR products into the pDONR221 shuttle vector |
LR clonase II | Invitrogen | 11791020 | Used for cloning the ORF of the gene of interest into the pGLAP1 LAP-tagging vector |
ccdB Survival 2 T1R E. coli | Invitrogen | A10460 | Used for propgating shuttle vectors and pGLAP empty vectors |
Fugene 6 | Promega | E2691 | Transfection reagent for transfecting vectors into human cells |
Tetracycline | Invitrogen | Q100-19 | Drug for inducing Dox/Tet inducible protein expression |
Doxycycline | Clontech | 631311 | Drug for inducing Dox/Tet inducible protein expression |
Hygromycin B | Invitrogen | 10687010 | Drug for selecting stable LAP-tagged integrants |
Kanamycin | Corning | 61-176-RG | Drug for selecting Kanamycin resistant bacterial colonies |
Ampicillin | Fisher | BP1760-5 | Drug for selecting Ampicillin resistant bacterial colonies |
4-20% Tris Glycine SDS-PAGE gels | Biorad | 4561094 | Used for separating protein samples and final LAP-tag purification eluates |
Silver Stain Plus Kit | Biorad | 1610449 | Used for silver staining the eluates of LAP-tagged pufications and samples collected throughout the purification process |
Coomassie Blue stain | Invitrogen | LC6060 | Used for staining SDS-PAGE gels to visulize LAP-tagged purifications and cutting out protein bands, mass spectrometry compatible |
Shuttle vector pDONR221 | Invitrogen | 12536017 | Shuttle vector for cloning the ORFs of genes of interest |
Flippase expressing vector pOG44 | Invitrogen | V600520 | Vector that expresses the Flippase recombinase for integrating LAP-tagged genes into the genome of FRT site containing cell lines |
Platinum Taq DNA Polymerase | ThermoFisher Scientific | 10966018 | Used for PCR amplification of the ORFs of genes of interest |
4X Laemmli sample buffer | Biorad | 1610747 | Sample buffer for eluting purified LAP-tagged protein complexes from the bead matrix |
Luria broth (LB) media | Fisher | BP9723-2 | Used for growing DH5α bacteria |
DNA miniprep kit | Promega | A1222 | Used for making DNA plasmid minipreps |
DMEM/F12 media | Hyclone | SH30023.01 | For growing Hek293 human cells |
FBS lacking Tet | Altanta Biologicals | S10350 | Used for making -Tet DMEM/F12 media for generating and growing inducible LAP-tagged stable cell lines |
Trypsin | Hyclone | SH30042.01 | For lifting Hek293 cell foci from plates |
Protease inhibitor tablets | Roche | 11836170001 | Used for making protocol buffers, EDTA-free |
10% nonyl phenoxypolyethoxylethanol | Roche | 11332473001 | Used for making protocol buffers |
PBS | Corning | 21-040-CM | Used for making protocol buffers |
Tween-20 | Fisher | BP337-500 | Used for making protocol buffers |
Sodium Borate | Fisher | S249-500 | Used for making protocol buffers |
Boric Acid | Fisher | A78-500 | Used for making protocol buffers |
Ethanolamine | Calbiochem | 34115 | Used for making protocol buffers |
NaCl | Fisher | P217-3 | Used for making protocol buffers |
KCl | Fisher | BP358-10 | Used for making protocol buffers |
Dithiothreitol (DTT) | Fisher | BP172-25 | Used for making protocol buffers |
MgCl2 | Fisher | M33-500 | Used for making protocol buffers |
Tris base | Fisher | BP152-5 | Used for making protocol buffers |