Hier stellen wir Protokolle für die Affinitätsreinigung von Proteinkomplexen und deren Trennung durch blaue native PAGE, gefolgt von Proteinkorrelationsprofilierungs freie quantitative Massenspektrometrie Label. Diese Methode ist nützlich Interaktom in verschiedene Proteinkomplexe zu lösen.
Most proteins act in association with others; hence, it is crucial to characterize these functional units in order to fully understand biological processes. Affinity purification coupled to mass spectrometry (AP-MS) has become the method of choice for identifying protein-protein interactions. However, conventional AP-MS studies provide information on protein interactions, but the organizational information is lost. To address this issue, we developed a strategy to unravel the distinct functional assemblies a protein might be involved in, by resolving affinity-purified protein complexes prior to their characterization by mass spectrometry. Protein complexes isolated through affinity purification of a bait protein using an epitope tag and competitive elution are separated through blue native electrophoresis. Comparison of protein migration profiles through correlation profiling using quantitative mass spectrometry allows assignment of interacting proteins to distinct molecular entities. This method is able to resolve protein complexes of close molecular weights that might not be resolved by traditional chromatographic techniques such as gel filtration. With little more work than conventional AP-geLC-MS/MS, we demonstrate this strategy may in many cases be adequate for obtaining protein complex topological information concomitantly to identifying protein interactions.
In Zellen, führen die meisten Proteine ihre Funktionen durch transitorische Protein-Protein-Wechselwirkungen oder durch stabile Proteinanordnungen bilden. Protein-Wechselwirkungen charakterisierenden ist für voll Verständnis zellulärer Prozesse von entscheidender Bedeutung. Affinitätsreinigung in Kombination mit der Massenspektrometrie (AP-MS) ist eine der am häufigsten angewandt Strategien native Protein-Wechselwirkungen zu identifizieren. Signifikante Verbesserungen in den Instrumenten Fähigkeiten in den letzten zehn Jahren erreicht haben, diesen Ansatz extrem leistungsfähig gemacht. Es ist wichtig zu beachten, dass die von AP-MS-Experimenten identifiziert Wechselwirkungen eine Mischung aus direkten und indirekten Verbindungen zwischen Köder und Beute sind. Darüber hinaus oft Proteine nehmen an mehreren verschiedenen Komplexen innerhalb des gleichen zellulären Kontext, die unterschiedliche biologische Rollen haben könnte, und daher sind die Interaktoren, die durch AP-MS identifiziert werden könnte eine Mischung von verschiedenen Protein-Baugruppen oder Funktionseinheiten darstellen. Es ist nicht möglich abzuleitensolche topologischen Informationen a priori aus den mono-dimensional Listen von Proteinen durch einfache AP-MS – Experimente erzeugt. Jedoch kann die Technik ausgenutzt werden, um die Architektur weiter von Proteinkomplexen zu definieren, indem sie mit einer oder mehreren Methoden, die Kombination dieser Baugruppen zu lösen.
Um haben die Topologie von Protein-Wechselwirkungen identifiziert durch AP-MS, verschiedene Strategien angewandt worden zu lösen. Ein Ansatz ist die iterativen AP-MS – Experimente durchzuführen , unter Verwendung des in einer früheren Runde von Experimenten identifiziert preys als Köder 1. Obwohl sehr informativ, ist dies eine Arbeit ganz Aufgabe intensiv experimentell und analytisch. Protein Vernetzung in Kombination mit der Massenspektrometrie wird zunehmend eingesetzt, um 2 auf den Proteinkomplexen topologische Informationen abzuleiten, 3, 4, 5. Allerdings computational Analyse von vernetzten Peptide bleibt nach wie vor eine schwierige Aufgabe, und daher ist der Engpass im Arbeitsablauf. Das Aufkommen von MS-spaltbare Vernetzungsreagenzien sollten Kartierung der Aminosäurereste erleichtern , die 6 Proteine in enger Nähe sind, 7 in zusammenwirkt. Eine weitere Alternative ist die Affinitätsreinigung des Standes der orthogonalen Trenntechniken zu kombinieren 8, 9. Chromatographische Fraktionierung durch Gelfiltration oder Ionenaustausch oder Saccharosegradienten – Fraktionierung wird kürzlich auch in Kombination mit quantitativer Massenspektrometrie verwendet Multiproteinkomplexe in einer systemweiten Ebene zu beschreiben, unter Umgehung des komplexen Isolierungsschrittes 10, 11, 12, 13. Blau nativen Polyacrylamid-Gelelektrophorese (BN-PAGE) wurde in großem Umfang angewendetuntersuchen native Protein – Wechselwirkungen, Protein typischerweise mitochondrialen Membrankomplexe solcher , die 14. Diese Trenntechnik wurde kürzlich auch in Kombination mit markierungsfreien Proteinquantifizierung und Korrelations Profilieren, nicht nur auf die mitochondriale Komplexe 15, 16, 17, sondern auch für andere entwirren Proteinkomplexe aus ganzen Zellen 18, 19 verwendet. Wir stellten die Hypothese, dass die Kombination von Affinitätsreinigung mit anschließenden nativen Fraktionierung Ansätzen und quantitativem MS sollte für die Lösung mehrerer Proteineinheiten eine nützliche Strategie bietet ein bestimmtes Protein enthalten.
Hier beschreiben wir ein Verfahren, das generische Epitop-basierte Affinitätsreinigung mit blauem nativer Polyacrylamidgelelektrophorese der isolierten Komplexe, gefolgt von quantitativen Massen sp vereintectrometry und Proteinkorrelationsprofilerstellung, die mehrere Baugruppen ein Protein lösen könnten beteiligt werden. Wir embryonalen Stammzellen der Maus verwenden, wo ein Protein von Interesse an ein Epitop-Tag fusioniert ist, von dem endogenen Locus exprimiert physiologischen Fülle der Nähe zu erreichen und effizient nativen gewährleisten Komplex Isolation. Dieser Ansatz entwirrt die mehrere Wechselwirkungen ein Protein eingreift, so dass sie in verschiedene Baugruppen auf ihre Korrelationsprofile basierend Lösung, während erfordern keine Arbeit mehr als herkömmliche GELC-MS 20.
Hier beschreiben wir die Verwendung von Affinitätsreinigung gefolgt von blau native Gelelektrophorese in Kombination mit quantitativen Massenspektrometrie Proteinkomplexe aufzulösen. Dieser Ansatz bietet eine Methode eindimensional Protein-Wechselwirkung Listen in funktionelle Proteinkomplexe zu entwirren.
Wir zeigen das Verfahren basiert auf der Verwendung von Epitop-markierten Proteinen. Wenn jedoch eine Zelllinie ein markiertes Protein exprimieren, nicht verfügbar ist, könnte eine Alternative sein, Antikörper gegen das Protein von Interesse zu verwenden, sofern ein Peptid zur Verfügung nativen kompetitive Elution zu erreichen. Die Menge des Ausgangsmaterials und der Menge der Perlen kann in Abhängigkeit von dem Expressionsspiegel des Zielproteins werden müssen modifiziert. Wir führen in der Regel dieses Protokoll mit 2-5 x 10 8 Zellen – Ausgangsmaterial, und dies ist ausreichend , um auch die für Proteine mit niedrigem Expressionsniveau. Die Lysepuffer Zusammensetzung sollte empirisch gewählt werden, um zu erreichen,in der Nähe von vollständiger Auflösung des Köders. Dies kann für einige Arten von Proteinen, insbesondere Chromatin-Bindung oder Membranproteine schwierig sein. Alternative Optionen gehören die Erhöhung die Menge an Salz, vorausgesetzt , daß der Proteinkomplex in Untersuchung in hohem Salz stabil ist, oder unter Verwendung von Ultraschall – Behandlung und / oder Nuklease – Behandlung für Chromatin – Bindungsproteine 20, 29. Im Falle von Membranproteinen, können Waschmittel DDM oder Digitonin Schalt 30 sinnvoll sein. Im Fall von DNA – Bindungsproteinen, ist es sinnvoll , eine Nuklease Benzonase wie während der Reinigungsstufe 20 umfasst. Die vollständige Entfernung von Nukleinsäuren gewährleistet, dass die detektierten Wechselwirkungen zwischen Proteinen auftreten und nicht durch DNA vermittelt.
Ein kritisches Element zu berücksichtigen, wenn mit diesem Ansatz die Stabilität des Komplexes untersucht wird. Das Verfahren ist lang und preservin beinhalten kanng der Proteinkomplex über Nacht. Wir haben gute Erfolge mit zwei Chromatin-Remodeling-Komplexe (D. Bode und M. Pardo, Daten nicht gezeigt) erreicht, aber dies ausgewertet werden soll. Der Affinitätsreinigungsschritt kann bei Bedarf gekürzt werden.
Alternative Techniken, die native Fraktionierung ermöglichen, wie Grßenausschlußchromatographie, sind seit mehr als 50 Jahren zu charakterisieren Proteinkomplexe weit verbreitet. Wir und andere haben gezeigt , dass die Auflösung der blauen native PAGE auf , dass 20, 31, 32, 33 unter Verwendung von Grßenausschlußchromatographie erreicht überlegen ist. Ein weiterer Vorteil der blauen native PAGE ist, dass es nicht Chromatographie-Systeme erfordert, die teuer sind, sondern nutzt Protein elektrophoretische Geräte, die in Laboratorien weit verbreitet ist. In Bezug auf die Hands-on-Zeit, diese Methode beinhaltet nicht mehr Arbeit als die traditionelle GELC-MS / MS einNSATZ oder offline chromatographische Fraktionierung. Da jedoch die meisten Fraktionierungsverfahren tun, hat es eine Grenze für ihre Auflösung. Komplexe, die sehr homogen oder in der Nähe in Masse und Form sind, können über die Auflösung von blau native PAGE angeboten werden, und somit das Protokoll wie hier berichtete nicht sein könnte allgemein erfolgreich bei der Lösung verschiedene Komplexe mit gemeinsamen Untereinheiten. Erfreulicherweise haben wir bei der Trennung von zwei sehr ähnliche tetramere Komplexe teilen drei Untereinheiten (M. Pardo, Manuskript in Vorbereitung) erfolgreich.
Da Massenspektrometrie zunehmend empfindlich geworden ist, auch kleinste Mengen an unspezifischer Interaktoren und Verunreinigungen können in AP-MS Proben nachgewiesen werden. Der hier vorgestellte Ansatz könnte bei der Unterscheidung von echten Interaktionspartner von Hintergrundbelastung in der Affinitätsreinigung helfen, indem die Aufmerksamkeit auf Proteine mit Migrationsspitzen zu konzentrieren, die als bei höheren Molekulargewicht mit Ködern Migration Spitzen zusammenfallen, dass diedie monomeren Proteine.
Mehrere Gruppen haben Fraktionierungstechniken durch Protein – Korrelationsprofilierungs gefolgt verwendet , um Protein – Komplexe auf Zell Maßstab ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Isolierung 10, 11, 12, 34 abzugrenzen. Dies kann jedoch dazu führen, substöchiometrischen Wechselwirkungen zu erkennen. Der Einbau eines Anreicherungsschritt durch Affinitätsreinigung kann helfen, diese zu überwinden. Der hier beschriebene Ansatz sollte für die Erkundung der Topologie von Proteinkomplexen und Entschlüsselung der mehrere Komplexe ein bestimmtes Protein an innerhalb der gleichen zellulären Kontext dauert in der Regel nützlich sein. Die Strategie ist einfach und zugänglich für Laboratorien, die nicht teuer chromatographische Fraktionierung Ausrüstung können Proteinkomplexe zu lösen.
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the Wellcome Trust (WT098051).
Protein G Dynabeads | Life Technologies | 10003D | |
FLAG antibody M2 | Sigma-Aldrich | F1804 | |
Tween-20, protein grade, 10% solution | Millipore | 655206 | |
Dimethyl pimelimidate | Sigma-Aldrich | 80490 | |
0.2 M Triethanolamine buffer, pH 8.2 | Sigma-Aldrich | T0449 | |
3x FLAG peptide | Sigma-Aldrich | F4799 | |
Vivaspin 5K NMWCO, PES | Sartorius | VS0112 | |
NativePAGE 3-12% Bis-Tris gel | Life Technologies | BN1001 | |
20x NativePAGE Running Buffer | Life Technologies | BN2001 | |
20x NativePAGE Cathode Additive | Life Technologies | BN2002 | |
4x NativePAGE sample loading buffer | Life Technologies | BN2003 | |
NativeMARK | Life Technologies | LC0725 | |
NativePAGE 5% G-250 sample additive | Life Technologies | BN2004 | |
Nunc conical bottom 96-well plate, polypropylene | Thermo | 249944 | |
Multiscreen HTS 96-well filtration system | Thermo | MSDVN6550 | |
Nunc 96-well cap natural | Thermo | 276002 | |
TCEP (Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride) | Sigma-Aldrich | 646547 | |
Iodoacetamide | Sigma-Aldrich | I1149 | |
Acetonitrile, HPLC grade | Fisher Scientific | A/0627/17 | |
Trypsin, sequencing grade | Roche | 11418475001 | |
Software | |||
MaxQuant (software) | N.A. | N.A. | http://www.biochem.mpg.de/5111795/maxquant |
Perseus (software) | N.A. | N.A. | http://www.biochem.mpg.de/5111810/perseus |