Summary

利用体外荧光共振能量转移研究毫秒时间尺度蛋白质配合物的动力学

Published: March 14, 2019
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Summary

蛋白质-蛋白质相互作用对生物系统至关重要, 对结合动力学的研究为蛋白质复合物的动力学和功能提供了见解。我们描述了一种利用荧光共振能量转移和停止流动技术量化蛋白质复合物动力学参数的方法。

Abstract

蛋白质是生物系统的主要操作人员, 它们通常与其他大分子或小分子相互作用, 以发挥其生物功能。这种相互作用可以是高度动态的, 这意味着相互作用的子单位以一定的速度不断地联系和分离。虽然使用定量下拉式等技术测量结合亲和力可以揭示相互作用的强度, 但研究结合动力学可以提供有关相互作用发生的速度以及每个复合物存在多长时间的见解。此外, 在存在蛋白质交换因子或药物等附加因素的情况下测量相互作用的动力学, 有助于揭示相互作用受另一个因素调节的机制, 为生物和医学研究的进步。在这里, 我们描述了一个协议, 用于测量具有高内在关联率并可由另一种蛋白质快速分离的蛋白质复合体的结合动力学。该方法利用荧光共振能量转移报告蛋白质复合物的体外形成, 并能实时监测停止流动的荧光仪上的蛋白质复合物的快速关联和离解。利用该方法, 对蛋白质复合物的关联和离解速率常数进行了定量。

Introduction

生物活动最终是由蛋白质进行的, 其中大部分蛋白质与其他蛋白质相互作用, 以获得适当的生物功能。使用计算方法, 人类蛋白质相互作用的总量估计为约 650, 000,1, 而这些相互作用的中断往往导致疾病2。由于其在控制细胞和组织过程中的重要作用, 研究蛋白质-蛋白质相互作用的方法已被开发出来, 如酵母-双杂交, 双分子荧光互补, 分裂荧光酶互补, 联合免疫沉淀检测3。虽然这些方法善于发现和确认蛋白质-蛋白质相互作用, 但它们通常是非定量的, 因此提供的相互作用的蛋白质伙伴之间的亲和力有限。定量拉下可以用来测量结合亲和力 (例如, 离解常数kd), 但它不测量结合的动力学, 也不能在 k d 由于不足而非常低的情况下应用信噪比4。表面等离子体共振 (spr) 光谱量化了结合动力学, 但它需要一个特定的表面和在表面的一个反应物的固定, 这可能会改变反应物5的结合性能。此外, spr 很难测量快速关联和离解率5, 使用 spr 来表征蛋白质复合体中交换蛋白质亚基的事件是不合适的。在这里, 我们描述了一种方法, 允许测量在毫秒时间尺度上的蛋白质复杂组装和拆卸速率。该方法对于确定 c ullin-a ssociated-edd8-d 同体蛋白 1 (cand1) 作为 f- 盒蛋白交换因子6,7的作用至关重要.

cand1 调节 Skp1•Cul1•F 盒蛋白 (scf) e3 脂类的动态, e3 配体属于库林-岭泛素脂质的大家族。scfs 由结合 ing 域蛋白 rbx1 的 cullin cullin 和一种可互换的 f-箱蛋白组成, 后者通过适配器蛋白 skp18 招募基质并将 cullin 结合。作为 e3 连接酶, scf 催化泛素与底物的结合, 当底物被 f-盒蛋白吸收, 当 cul1 被泛素样蛋白 nedd89 修饰时, 它就会被激活。cand1 结合未经修饰的 cul1, 在结合时, 它破坏了 Skp1•F 盒蛋白与 cul1 的联系, 以及 ned8 与 cul1111213的结合。因此, cand1 似乎是体外 scf 活性的抑制剂, 但体内的 cand1 缺乏引起了缺陷, 表明 cand1 在调节体内 scf 活性方面发挥了积极作用 141516,17. 这一悖论最终通过一项定量研究得到了解释, 该研究揭示了 cul1、cand1 和 Skp1•F 盒蛋白之间的动态相互作用。利用荧光共振能量传递 (fret) 检测 scf 和 Cul1•Cand1 配合物的形成, 分别检测出关联和离解速率常数 (分别为 kon k)。单独测量。测量结果表明, cand1 和 Skp1•F 盒蛋白与 cul1 的复合体极其紧密, 但 scf 的k含量因 cand1 而急剧增加, Cul1•Cand1 的k含量大幅增加由 Skp1•F 盒蛋白6,7。这些结果为定义 cand1 作为蛋白质交换因子的作用提供了初步和关键的支持, 该因子通过从旧的 scf 复合物中回收 cul1 来催化新的 scf 复合物的形成。

本文介绍了利用 fret 法研究 Cul1•Cand1 复合物7动力学的方法, 并将同样的原理应用于各种生物分子的动力学研究。当供体被适当的波长激发, 而具有激发谱重叠供体发射光谱的受体存在于10-100 的距离内时, 就会发生 fret。激发态转移到受体, 从而降低供体强度, 增加受体强度18。fret (e) 的效率取决于 förster 半径 (r0) 和供体与受体荧光 (r) 之间的距离, 定义为: e = r0 6/(r0 )6 + r6)。förster 半径 (r0) 取决于几个因素, 包括偶极子角方向、供体受体对的光谱重叠和使用的解 19.为了将 fret 检测应用于停止流式荧光仪上, 该方法实时监测供体排放的变化, 并能够测量快速k,有必要建立高效的 fret, 以实现从而显著减少了捐助方的排放。因此, 通过选择合适的对荧光染料和在目标蛋白上的位点来连接染料来设计高效的 fret 是非常重要的, 将在本方案中进行讨论。

Protocol

1. 设计 fret 检测。 从蛋白质数据库 (文件 1u6g) 下载 Cul1•Cand1 复合体的结构文件。 查看 pymol 中 Cul1•Cand1 复合体的结构。 使用 pymol 向导菜单下的测量功能来估计 cand1 的第一个氨基酸和 cul1 的最后一个氨基酸之间的距离 (图 1)。 加载在线光谱查看器 (见材料表), 同时查看 7-氨基-4-甲基香豆素 (amc) 和 flash 的?…

Representative Results

为了测试 cul1amc 和 flashcand1 之间的 fret, 我们首先分别确定了 70 nm cul1 amc (供体) 和 70 nm flashcand1 (受体) 的排放强度 (图 3a-c, 蓝线)。在每次分析中, 只存在一个发射峰值,而 flashcand1 (受体) 的排放量较低。当每个 cul1amc 和 flashcand1 混合 70 nm 生成 fret 时, 发射光谱中存在两个发射峰, cul1…

Discussion

fret 是一种物理现象, 对研究和理解生物系统非常感兴趣。在这里, 我们提出了一个测试和使用 fret 研究两种相互作用的蛋白质的结合动力学的方案。在设计 fret 时, 我们考虑了三个主要因素: 供体发射和受体激励之间的光谱重叠、两个荧光体之间的距离以及荧光的偶极子方向 28.为了选择 fret 的荧光体, 我们对荧光的激发和发射光谱进行了叠加, 并寻找了其发射峰?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢加州理工学院 (shu-ou shan) 就 fret 检测的发展进行了富有见地的讨论。硕士、y. z. 和 x. l. 由普渡大学向 y. z. 提供的创业资金资助 X.L.This 工作部分由普渡大学植物生物学中心的种子赠款提供。

Materials

Anion exchange chromatography column GE Healthcare 17505301 HiTrap Q FF anion exchange chromatography column
Benchtop refrigerated centrifuge Eppendorf 2231000511
BL21 (DE3) Competent Cells ThermoFisher Scientific C600003
Calcium Chloride Fisher Scientific C78-500
Cation exchange chromatography column GE Healthcare 17505401 HiTrap SP Sepharose FF
Desalting Column GE Healthcare 17085101
Floor model centrifuge (high speed) Beckman Coulter J2-MC
Floor model centrifuge (low speed) Beckman Coulter J6-MI
Fluorescence SpectraViewer ThermoFisher Scientific https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/cell-analysis/labeling-chemistry/fluorescence-spectraviewer.html
FluoroMax fluorimeter HORIBA FluoroMax-3
FPLC GE Healthcare 29018224
GGGGAMC peptide New England Peptide custom synthesis
Glutathione beads GE Healthcare 17075605
Glycerol Fisher Scientific G33-500
HEPES Fisher Scientific BP310-100
Isopropyl-β-D-thiogalactoside (IPTG) Fisher Scientific 15-529-019
LB Broth Fisher Scientific BP1426-500
Ni-NTA agarose Qiagen 30210
Ovalbumin MilliporeSigma A2512
pGEX-4T-2 vector GE Healthcare 28954550
Protease inhibitor cocktail MilliporeSigma 4693132001
Reduced glutathione Fisher Scientific BP25211
Refrigerated shaker Eppendorf M1282-0004
Rosetta Competent Cells MilliporeSigma 70953-3
Size exclusion chromatography column GE Healthcare 28990944 Superdex 200 10/300 GL column
Sodium Chloride (NaCl) Fisher Scientific S271-500
Stopped-flow fluorimeter Hi-Tech Scientific SF-61 DX2
TCEP·HCl Fisher Scientific PI20490
Thrombin MilliporeSigma T4648
Tris Base Fisher Scientific BP152-500
Ultrafiltration membrane MilliporeSigma UFC903008 Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units, Ultra-15, 30,000 NMWL

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Citer Cet Article
Garsamo, M., Zhou, Y., Liu, X. Using In Vitro Fluorescence Resonance Energy Transfer to Study the Dynamics Of Protein Complexes at a Millisecond Time Scale. J. Vis. Exp. (145), e59038, doi:10.3791/59038 (2019).

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