Las interacciones proteína-proteína y proteína-metabolito son cruciales para todas las funciones celulares. Adjunto, describimos un protocolo que permite el análisis paralelo de estas interacciones con una proteína de elección. Nuestro protocolo fue optimizado para cultivos de células vegetales y combina la purificación de la afinidad con la proteína basada en espectrometría de masa y detección de metabolitos.
Procesos celulares están regulados por interacciones entre moléculas biológicas como proteínas, metabolitos, ácidos nucleicos. Mientras que la investigación de las interacciones proteína-proteína (PPI) no es ninguna novedad, aproximaciones experimentales con el objetivo de caracterizar las interacciones proteína-metabolito endógeno (PMI) constituyen un desarrollo bastante reciente. Adjunto, presentamos un protocolo que permite la caracterización simultánea de los PPI y PMI de una proteína de elección, que se refiere como cebo. Nuestro protocolo fue optimizado para celulares de Arabidopsis culturas y combina la purificación de la afinidad (AP) con espectrometría de masas (MS)-basado en la detección de proteínas y metabolitos. En definitiva, líneas transgénicas de Arabidopsis, expresan la proteína cebo fusionada a una etiqueta de afinidad, primero son lisis para obtener un extracto celular nativo. Se utilizan anticuerpos contra etiquetas bajar asociados proteína y metabolito de la proteína cebo. Los complejos purificados por afinidad son extraídos utilizando un solo metil tert-butil éter (MTBE) / metanol/agua método. Mientras que los metabolitos se separan en la polar o la fase hidrofóbica, las proteínas pueden encontrarse en el sedimento. Metabolitos y proteínas son luego analizadas por ultra performance líquida cromatografía-espectrometría de masas (UPLC-MS o UPLC-MS/MS). Líneas de control de vacío-vector (EV) se utilizan para excluir falsos positivos. La gran ventaja de nuestro protocolo es que permite la identificación de proteínas y metabolitos asociados de una proteína diana en paralelo en condiciones fisiológicas cerca (lisado celular). El método presentado es sencillo, rápido y puede ser adaptado fácilmente a los sistemas biológicos que no sean de cultivos de células vegetales.
El método aquí había descrito tiene como objetivo la identificación de los socios de metabolitos y proteínas de una proteína de elección en condiciones de lisado celular cercain vivo . Se ha especulado que muchos metabolitos más que caracteriza hoy en día tienen una importante función reguladora1. Metabolitos pueden actuar como interruptores biológicos, cambiar la actividad, función o localización de su receptor proteínas2,3,4. En la última década varios métodos de avance, que permitan identificar de PMI en vivo o en condiciones de cercain vivo , han sido desarrollados5. Enfoques disponibles pueden dividirse en dos grupos. El primer grupo comprende técnicas que comienzan con un metabolito conocido cebo para atrapar a socios de la nueva proteína. Métodos incluyen cromatografía de afinidad6, drogas afinidad sensible objetivo estabilidad ensayo7, quimio-proteómica8y proteoma térmico perfilado9. El segundo grupo consiste en un método único que comienza con una proteína conocida con el fin de identificar ligandos moléculas pequeñas10,11.
AP juntada con anti-lípidos basada en MS se utilizó para analizar los complejos proteína-lípido en Saccharomyces cerevisiae12. Como punto de partida, los autores utilizaron levaduras expresando 21 enzimas implicadas en la biosíntesis de ergosterol y 103 quinasas fundieron a una purificación de la afinidad de tándem etiqueta (TAP). se encontraron 70% de las enzimas y el 20% de las quinasas para enlazar diferentes ligandos hidrofóbicos, arrojando luz a la red de interacción de complejos proteína-lípido.
Anteriormente, podríamos demostrar que, semejantemente a los lípidos, compuestos polares y los polares también permanecen enlazados a complejos de la proteína aislados de la de Lisados celulares13. Basado en estos resultados, decidimos optimizar la AP método anteriormente publicado de10,11 células de la planta y compuestos hidrófilos14. Para ello, utilizamos vectores de corriente descritos por Van Leene et al. 2010, utilizado con éxito en planta PPI estudios15. Para acortar el tiempo necesario para obtener líneas transgénicas, decidimos en cultivos celulares de Arabidopsis. Se empleó un solo metil tert-butil éter, (MTBE) / metanol/agua método de extracción, lo que permite la caracterización de las proteínas (pellet), lípidos (fase orgánica) y metabolitos hidrofílicos (fase acuosa)16 en un solo experimento de la purificación de la afinidad. Líneas de control de EV se introdujeron para excluir falsos positivos, por ejemplo proteínas vinculantes a la etiqueta solamente. Como prueba de concepto que etiqueta tres (de cinco) kinases del difosfato de nucleósido presentan en el genoma de Arabidopsis (NDPK1 NDPK3). Entre otros resultados, podríamos demostrar que NDPK1 interactúa con glutatión S-transferasa y el glutatión. Por lo tanto podríamos demostrar que NDPK1 está sometido a glutathionylation14.
En definitiva, el protocolo presentado es una herramienta importante para la caracterización de proteínas y redes de interacción de la molécula de proteína pequeña y constituye un gran avance sobre los métodos existentes.
El protocolo presentado permite paralelo identificación de complejos PP y PM de una proteína diana. De la clonación a resultados finales, el experimento puede realizarse en tan sólo 8-12 semanas. AP completa toma aproximadamente 4-6 horas para un grupo de 12 a 24 muestras, haciendo nuestro protocolo de análisis de rendimiento medio.
El protocolo, a pesar de ser sencillo en general, tiene una serie de pasos críticos. (i) suficiente cantidad de cuentas de afinidad y entrada de la proteína es crucial para alcanzar un rango dinámico de detección de metabolitos. Lisis celular eficiente por lo tanto es un paso crucial en el procedimiento. Rendimientos pobres de proteína pueden ser una consecuencia de pulverización insuficiente del material o del cociente de tampón de lisis/material subóptima. (ii) debe tener cuidado que los reactivos utilizados son MS respetuoso. Detergentes fuertes, glicerol o cantidades excesivas de sal se deben evitar que interfieran con la detección de MS. (iii) perlas de agarosa no deben ser secados demasiado durante el lavado los pasos, y cuando se usa un colector de vacío es importante aplicar una tasa de flujo lento para no destruir los granos o afectan la estabilidad compleja.
Hay algunas posibles modificaciones importantes en el protocolo presentado: (i) utilizamos el promotor CaMV35S constitutivo para maximizar la cantidad de proteína cebo. Sobreexpresión, aunque muy útil, puede tener efectos graves sobre la homeostasis de la célula28 y llevar a la formación de interacciones fisiológicamente irrelevantes. Expresión de proteínas etiquetadas usando promotores nativos y donde sea posible en un fondo de pérdida de función se considera superior para recuperar los interactianos biológicos verdadero. Las proteínas que normalmente no se expresa en cultivos de células de la planta, un fondo de planta puede resultar necesario identificar relevantes interactianos. (ii) cuando se trabaja con proteínas de la membrana, el tampón de lisis debe complementarse con un detergente compatible con MS. (iii) la introducción de un segundo paso de purificación de la afinidad podría mejorar la proporción de verdaderos positivos falsos positivos y eliminar la necesidad de controles de EV29. Una etiqueta de novela tandem con dos sitios independientes proteasa-escote presenta una alternativa atractiva a la cromatografía por exclusión de tamaño paso Añadida por Maeda et al 201411, que es laborioso y consume tiempo.
El inconveniente más grave de la AP es la alta tasa de falsos positivos. Las razones son numerosas. Ya se ha mencionado la sobre-expresión constitutiva. Otra fuente de interacciones fisiológicamente irrelevantes, a menos que se ocupan de los organelos aislados, es preparación de lisados de células completas que contienen mezclas de proteínas y metabolitos de diferentes compartimentos subcelulares. Localización subcelular puede usarse para filtrar ciertos interactianos. Sin embargo, la mayoría de los falsos positivos resultado de uniones inespecíficas entre proteínas y resinas de agarosa. Introducción de un segundo paso de purificación, como se describe anteriormente, ofrece la mejor solución al problema, sin embargo viene a costa de tiempo y rendimiento. Por otra parte, la interacción más débil puede perder como alarga el protocolo. Otra advertencia de AP es que a pesar de la amplia información que ofrece sobre el interactoma de una proteína objetivo, distinguiendo entre objetivos directos e indirectos de la proteína con cebo es imposible. Enfoques bimoleculares específicos son necesarios para confirmar las interacciones.
AP juntada con metabolómica basada en MS se utilizó para el estudio de complejos de la proteína en S. cerevisiae12. Este trabajo, junto con nuestra anterior observación13 que, de manera similar a los lípidos, compuestos polares y los polares siendo enlazados a complejos de la proteína aislados de Lisados celulares, proporciona bases conceptuales para el protocolo presentado. Nuestro protocolo se caracteriza por tres únicos puntos: () en contraste a la levadura trabajar12, demuestra que el AP es conveniente para recuperar no sólo ligandos de la proteína hidrofóbica, pero también hidrofílicas. (ii) mediante la introducción de un protocolo de extracción de tres-en-uno, un solo AP puede utilizarse para estudiar proteínas y metabolitos interactianos de la proteína cebo. (iii) adaptar el protocolo para las células de la planta.
Esfuerzos futuros se centrarán en crear un tag nuevo tándem con dos sitios independientes proteasa-escote. También le gustaría explorar la idoneidad del Protocolo de baja abundancia de pequeñas moléculas como hormonas vegetales.
The authors have nothing to disclose.
Nos gustaría reconocer amablemente Prof. Dr. Lothar Willmitzer por su participación en el proyecto, discusiones productivas y gran control. Estamos agradecidos con el Dr. Daniel Veyel para ayudar con las mediciones de MS proteómica. Agradecemos a la Sra. Änne Michaelis que nos proporcionó una inestimable ayuda técnica LC-MS medidas. Además, nos gustaría agradecer al Dr. Monika Kosmacz y Dr. Ewelina Sokołowska por su ayuda y participación en el trabajo en el manuscrito original y a Weronika Jasińska soporte técnico.
Murashige and Skoog Basal Salts with minimal organics | Sigma-Aldrich | M6899 | |
1-Naphthylacetic acid | Sigma-Aldrich | N1641 | |
Kinetin solution | Sigma-Aldrich | K3253 | |
Tris base | Sigma-Aldrich | 10708976001 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
MgCl2 | Carl Roth | 2189.1 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | 3609 | |
NaF | Sigma-Aldrich | S6776 | |
DTT | Sigma-Aldrich | D0632 | |
PMSF | Sigma-Aldrich | P7626 | |
E-64 protease inhibitor | Sigma-Aldrich | E3132 | |
Protease Inhibitor Cocktail | Sigma-Aldrich | P9599 | |
Na3VO4 | Sigma-Aldrich | S6508 | |
AcTEV Protease | Thermo Fischer Scientific | 12575015 | |
Rotiphorese Gel 30 (37,5:1) | Carl Roth | 3029.2 | |
TEMED | Carl Roth | 2367.3 | |
PageRuler Prestained Protein Ladder | Thermo Fischer Scientific | 26616 | |
SBP Tag Antibody (SB19-C4) | Santa Cruz Biotechnology | sc-101595 | |
Goat anti-mouse IgG-HRP | Santa Cruz Biotechnology | sc-2005 | |
Bradford Reagent | Sigma-Aldrich | B6916 | |
Trypsin/Lys-C Mix, Mass Spec Grade | Promega | V5071 | |
Urea | Sigma-Aldrich | U5128 | |
Thiourea | Sigma-Aldrich | T8656 | |
Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 9830 | |
Iodoacetamide | Sigma-Aldrich | I1149 | |
MTBE | Biosolve | 138906 | |
Methanol | Biosolve | 136806 | |
Water | Biosolve | 232106 | |
Acetonitrile | Biosolve | 12006 | |
Trifluoroacetic acid | Biosolve | 202341 | |
Formic acid | Biosolve | 69141 | |
Unimax 2010 Platform Shaker | Heidolph | 5421002000 | |
Nylon Mesh (Wire diameter 34 µM, thickness 55 µM, open area 14%) | Prosepa | Custom order | |
Glass Funnel, 47 mm, 300 ml | Restek | KT953751-0000 | |
Filter Bottle Top 500 mL 0,2 µM Pes St | VWR International GmbH | 514-0340 | |
Mixer Mill MM 400 | Retsch GmbH | 207450001 | |
IgG Sepharose 6 Fast Flow | GE Healthcare Life Sciences | 17-0969-02 | |
Mobicol ""Classic"" with 2 different screw caps without filters | MoBiTec GmbH | M1002 | |
Filter (small) 35 µM pore size, for Mobicol M 1002, M1003, M1050 & M1053 | MoBiTec GmbH | M513515 | |
Variable Speed Tube Rotator SB 3 | Carl Roth | Y550.1 | |
Rotary dishes for rotators SB 3 | Carl Roth | Y555.1 | |
Resprep 24-Port SPE Manifolds | Restek | 26080 | |
Finisterre C18/17% SPE Columns 100mg / 1ml | Teknokroma | TR-F034000 | |
Autosampler Vials | Klaus Trott Chromatographie-Zubehör | 40 11 01 740 | |
Acclaim PepMap 100 C18 LC Column | Thermo Fischer Scientific | 164534 | |
EASY-nLC 1000 Liquid Chromatograph | Thermo Fischer Scientific | LC120 | |
Q Exactive Plus Hybrid Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer | Thermo Fischer Scientific | IQLAAEGAAPFALGMBDK | |
Acquity UPLC system | Waters | Custom order | |
ACQUITY UPLC HSS C18 Column, 100A, 1.8 µM, 2.1 mM X 100 mM, 1/pkg | Waters | 186003533 | |
High-power ultrasonic cleaning baths for aqueous cleaning solutions | Bandelin | RK 31 | |
Genedata Expressionist | Genedata | NaN | |
Xcalibur Software | Thermo Fischer Scientific | NaN | |
MaxQuant | NaN | NaN |