Nous fournissons un protocole étape par étape pour split-BioID, une analyse de fragments-complémentation protéique basée sur la technique de marquage proximité BioID. Activé sur l’interaction de deux protéines donnés, elle permet l’analyse protéomique de complexes protéiques contextuelle dans leur environnement cellulaire native. La méthode est simple, rentable et ne nécessite que le matériel de laboratoire standard.
Purification d’affinité existant (AP) en complément des approches pour l’identification des interactions protéine-protéine (PPI), enzymes ont été introduites qui permettent l’étiquetage de proximité dépendant des protéines en cellules vivantes. Une telle enzyme, BirA * (utilisés dans la méthode BioID), intervient dans la biotinylation des protéines dans un rayon d’environ 10 nm. Par conséquent, quand fusionné à une protéine d’intérêt et exprimés dans les cellules, il permet le marquage des protéines proximales dans leur milieu d’origine. Plutôt que de l’AP qui s’appuie sur la purification de complexes protéiques assemblé, BioID détecte les protéines qui ont été marqués dans les cellules, peu importe si elles sont toujours en interaction avec la protéine d’intérêt lorsqu’ils sont isolés. Car il biotinylates protéines proximale, un peut plus capitaliser sur l’affinité exceptionnelle de streptavidine pour la biotine pour les isoler très efficacement. Tandis que BioID exécute mieux que AP pour l’identification transitoire ou des interactions faibles, ces deux approches de spectrométrie de masse-AP et BioID donnent un aperçu de toutes les interactions possibles, qu’une protéine donnée peut avoir. Toutefois, ils ne fournissent pas d’informations sur le contexte de chaque PPI identifié. En effet, la plupart des protéines font généralement partie de plusieurs complexes, correspondant à des étapes distinctes de maturation ou de différentes unités fonctionnelles. Pour remédier à cette limitation commune de ces deux méthodes, nous avons conçu une analyse de complémentation de fragments protéiques basée sur l’enzyme BirA *. Dans cet essai, deux fragments inactifs de la BirA peuvent remonter dans une enzyme active lorsque présentée à proximité de deux protéines qui interagissent à laquelle ils sont fusionnés. Le test de split-BioID qui en résulte permet le marquage de protéines qui se réunir autour d’une paire de protéines qui interagissent. Condition que ces deux seulement interagir dans un contexte donné, split-BioID permet ensuite l’analyse des unités fonctionnelles spécifiques dépendant du contexte dans leur environnement cellulaire native. Ici, nous fournissons un protocole étape par étape afin de tester et d’appliquer des split-BioID à une paire de protéines qui interagissent.
Comme plus cellulaires sont assumées par les protéines qu’assemblent dynamiquement des complexes macromoléculaires, l’identification des interactions protéine-protéine (PPI) est un effort majeur dans la recherche biomédicale. En effet, les PPI sont souvent déréglés dans la maladie et représentent des cibles potentielles pour la thérapeutique1. Le plus largement utilisé la méthode pour l’identification des IPP est la démarche de purification (AP) d’affinité dans lequel, suite à la lyse des cellules, une protéine d’intérêt est plus particulièrement épurée sur une matrice et protéines associées sont par la suite identifiés par spectrométrie de masse (MS). AP-MS est une approche puissante, il généralement n’effectue pas bien sur les complexes de protéine peu solubles, des interactions très transitoires ou PPI qui nécessitent une structure subcellulaire intacte. En outre, l’interprétation des données peut être compliquée par la nature dynamique des réseaux de l’IPP, car une seule protéine fait souvent partie de plusieurs complexes de protéines distinctes.
Techniques de proximité-étiquetage comme BioID2 ou3,de APEX24 ont été récemment mis au point pour répondre à certaines des limitations des approches AP-MS. Dans BioID, l’enzyme BirA * (correspondant à une variante de G115R de l’enzyme d’e. coli de souche sauvage) catalyse la formation de labile biotinyl-AMP (bio-AMP) qui peut réagir avec des amines primaires. Plutôt que de l’enzyme de type sauvage, qui conserve bio-AMP en son centre actif, BirA * libère bio-AMP permettant sa diffusion à son environnement voisin. Par conséquent, quand fusionné à une protéine d’intérêt et exprimés dans les cellules, protéines proximales peuvent être biotinylé dans une fourchette estimée de 10 nm5. Ces marqués proximales protéines sont ensuite isolés par la Streptavidine pulldown et identifiés par SM. Par opposition à AP-MS, BioID nécessite l’expression d’une protéine de fusion. Il peut donc seulement être appliqué aux protéines dont la fonction n’est pas gênée par le marquage. En outre, la vitesse de marquage est lente, généralement 6 à 24 h2,6, rendant la détection des protéines éphémères difficiles. Pourtant, comparativement à AP-MS, BioID-MS offre plusieurs avantages principaux : tout d’abord, ses captures les interactions dans leur environnement natif cellulaire ; Deuxièmement, étiquetés protéines plutôt que complexes assemblés sont isolés après la lyse cellulaire ; en troisième lieu, streptavidine pulldowns permettent à l’aide de tampons de dénaturation et de conditions de lavage dure. Par conséquent, la méthode est plus sensible pour détecter les transitoires, les interactions faibles7 ou les interactions qui se produisent sur un spécifique et difficile d’isoler la structure subcellulaire8.
Cependant, la plupart des protéines font généralement partie des plus grands complexes qui peuvent remodeler selon les signaux cellulaires ou à la fonction qui doit être effectuée. Par conséquent, une seule protéine appartient généralement plusieurs complexes, correspondant à des unités fonctionnelles distinctes, mettant en cause distinct et/ou chevauchement PPI. Les deux approches donnent un aperçu de toutes les associations, qu’une protéine donnée peut avoir, mais ils ne parviennent pas à traiter le cadre du PPI individuel. Pour augmenter la résolution de ce dernier, nous avons conçu une analyse de complémentation de fragments protéiques (APC) dans lequel deux fragments inactifs de BirA * (NBirA *, qui contient le domaine catalytique, et CBirA * qui peut être considéré comme du domaine de réactivation) peut montons dans une enzyme active lorsque présentée à proximité de deux protéines9en interaction. Le test de split-BioID qui en résulte concentre la biotinylation de proximité dépendant sur des protéines qui se réunir autour d’une paire de protéines qui interagissent et permet ainsi l’identification du contexte d’assemblys dépendants de protéine. Nous avons récemment démontré le pouvoir de résolution exceptionnelle de split-BioID en résolvant deux protéines distinctes complexes impliqués dans la médiation miRNA silençage génique voie9.
Au total, dans un essai unique et simple, split-BioID permet de découvrir et plus précisément en assignant PPI à des unités fonctionnelles définies dans laquelle une protéine donnée est impliqué, a fourni qu’une protéine additionnelle d’interaction de la protéine correspondante complexe est connue.
La procédure décrite décrit comment copier des gènes d’intérêt dans le split-BioID plasmides, comment tester biotinylation induite par l’interaction et la façon d’isoler les protéines biotinylées pour analyse par spectrométrie de masse. Nous décrivons une procédure basée sur la transfection transitoire. Alors que l’expression des protéines de fusion peut être réglée par la quantité de dox ajouté au milieu, transfection transitoire peut conduire à l’expression de la protéine non homogène avec certaines cellules qui surexpriment grossièrement les protéines de fusion par rapport à l’endogène homologues. Cela peut conduire à des distorsions de l’interactomes correspondante et à PPI qui ne reflètent pas fidèlement les interactions impliquant les protéines endogènes. Ainsi, il est généralement conseillé de construire des lignées cellulaires stables une fois split-BioID a été établie avec le système transitoire. Les plasmides sont compatibles avec le système de recombinaison induite par le Flp et placer les deux gènes d’intérêt en vertu du règlement d’un même élément tet-sensible. Si nécessaire et lorsqu’il est utilisé avec des cellules de mammifères compatibles, ils permettent la création facile de lignées cellulaires inductible stable. Par exemple, nous utilisons la ligne de HeLa-EM2-11 qui exprime l’activateur de transcription activés par tétracycline rtTA et un locus génomique targetable unique, d’où l’expression génétique induite par la tétracycline peut être étroitement réglementé12. À l’aide de cette lignée cellulaire et la recombinaison induite par le Flp, lignées cellulaires stables qui ne contiennent qu’une seule copie du transgène peuvent être obtenues dans les deux à trois semaines. On pourrait également utiliser, techniques d’édition actuel du génome d’introduire les fragments BirA * dans les natifs locus génomiques des gènes d’intérêt.
Comme dans toute analyse qui s’appuie sur le marquage d’une protéine, il faut examiner si les protéines de fusion qui en résultent sont fonctionnels. Les données disponibles dans lequel les protéines d’intérêt ont été marqués (par exemple avec GFP pour les études d’imagerie) et fonctionnellement testés sont utiles pour déterminer si les fragments BirA * doivent être cloné en amont ou en aval des gènes d’intérêt. Si aucune donnée n’est disponible, on doit tester en position N-terminale ou le tag terminalement protéines dans un test fonctionnel. Par exemple, l’activité des protéines de fusion peut être testée dans une lignée cellulaire dans lequel la protéine endogène a été frappé-out et par rapport à la situation de type sauvage. Si les protéines d’intérêt tolèrent les deux balises N – et C-terminale, tous deux doivent être testés. En effet, dans les expériences de BioID, l’orientation de la protéine de fusion peut influencer l’efficacité de l’étiquetage22. En outre, nous avons observé que lorsque application split-BioID à une paire de protéines, qui des deux protéines est accolé à l’autre NBirA * ou CBirA * fragment aussi influence l’efficacité du marquage9. Dans les plasmides split-BioID, la 16 acides aminés longs glycine/sérine linkers riches de couplage des protéines d’intérêt aux fragments BirA * ont été pris d’un autre PCA23 et a travaillé pour nous pour toutes les protéines qui interagissent nous avons testé jusqu’à présent. Cependant, on devrait considérer que quelques paires de protéines pourraient mieux fonctionner avec les linkers plus ou moins longues. De la note finale, un autre test a été décrit par le groupe de Bollen24. Dans cet essai, BirA * est répartie sur un autre site (E140/Q141) que le nôtre (E256/G257). Nous avons testé les deux split-BioID saveurs-by-side et trouvé que E256/G257, décrites dans le présent protocole, conduit à la réactivation plus forte lorsqu’elle est associée à deux protéines qui interagissent9.
Un inconvénient général de cette méthode est la lenteur de l’étiquetage. En général, temps d’incubation de 6 à 24 h avec de la biotine est nécessaire pour obtenir biotinylation appréciable6, excluant l’utilisation de cette technique pour étudier la dynamique de remodelage de complexes protéiques. Bien que cet essai aborde partiellement cette mise en garde car il n’est activé que lorsque deux protéines interagissent, la lenteur de l’étiquetage empêche son utilisation pour étudier la réponse à des processus très dynamiques ou à analyser les protéines éphémères. La peroxydase machinée APEX2 est connu pour promouvoir un étiquetage efficace des protéines proximales dans 1 min3. Un APC basé sur APEX2 pourrait ainsi pallier les lacunes de la faible vitesse d’étiquetage de dosages BioID dérivés. Une étude de démonstration des principes décrits tel un split-APEX2 dosage25. Cependant, bien qu’une protéine de homodimerizing a été correctement biotinylé, si le dosage peut également servir d’étiqueter et d’identifier les protéines qui se réunir autour d’une paire de protéines qui interagissent reste à démontrer. Très récemment, évolution dirigée a été utilisée pour créer TurboID et miniTurbo, deux variantes de la BirA avec augmentation de l’activité qui permettent aux fenêtres de temps étiquetage beaucoup plus courts, jusqu’à 10 min26. Adaptation de split-BioID à ces nouvelles variantes s’étendra davantage l’utilisation de cette technique à un plus large champ d’applications.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été financé par le Conseil de la recherche allemande (DFG) par le biais de l’initiative d’excellence allemande (CellNetworks DFG-EXC 81) et un financement partiel par le centre de recherche en collaboration SFB638.
Acetic acid (glacial) | VWR | 20104.298 | To make TAE buffer |
Agarose | Sigma | A9539 | Take TAE-agarose gels for DNA analysis and extraction |
Ammonia solution 25% NH3 | Bernd Kraft | 6012 | To dissolve biotin |
Ampicillin | Sigma | A9518 | To select transformed bacteria |
Bioruptor plus sonification device | Diagenode | B01020001 | Other sonification devices are also ok |
Biotin | Sigma | B4639 | To be added to the growth medium to stimulate efficient biotinylation |
Bovine serum albumin fraction V | Carl Roth | 8076 | Used in Western blot buffers and a protein standard in Bradford assays |
Bradford Ultra reagent | Expedeon | BFU05L | Any other method/kit for protein determination is fine, this particular reagent is more tolerant to detergent than other Bradford reagents |
Cell scrappers | TPP | 99002 | Any other model is also fine |
ClaI | New England Biolabs | R0197 | Restriction enzyme for cloning into the split-BioID plasmids (NBirA* fusion) |
DMEM medium | Sigma | D6046 | If using another cell line, use the corresponding optimal growth medium |
DNA miniprep kit | Sigma | PLN350 | Any other kit is also fine |
Doxycycline | Applichem | A2951 | Dox is light sensitive |
DTT | Applichem | A2948 | Make 1M stock solution, store at -20 °C and always use fresh |
DyLight 680-conjugated streptavidin | Thermo scientific | 21848 | to use with a LiCor Western blot scanning device |
Dynabeads MyOne Streptavidin C1 | Invitrogen | 65002 | The C1 beads are not BSA coated which is preferable for downstream MS applications (no leakthrough of BSA in the final elution) |
EDTA | Applichem | A5097 | Make a 500 mM stock, adjust pH to 8 while dissolving the EDTA powder |
Ethanol | Sigma | 32205 | Make a 70% stock solution in which Doxycycline can be dissolved at 10 mg.mL-1 |
Fastgene Gel/PCR DNA Extraction Kit | Nippon Genetics | FG-91302 | Any other kit is also fine |
HCl 37% | Merck | 1.00317.1000 | To adjust pH of biotin stock solution |
HEPES | Carl Roth | 6763 | Make a 500 mM stock solution, adjust the pH to 7.4 |
Immobilon-FL PVDF membrane, 0.45 µm | Millipore | IPFL00010 | This membrane shows minimal autofluorescence when used with a LiCor Western blot scanning device |
LiCl | Grüssing GmbH | 12083 | Make a 5M stock solution |
Odyssey CLx imaging system | LI-COR | N/A | To scan Western blot membrane decorated with fluorophore-labeled antibody |
Linear polyethylenimine (PEI) | Polysciences | 23966-2 | Any other transfection reagent is also fine |
Milk powder | Carl Roth | T145 | To block Western blot membranes |
MluI-HF | New England Biolabs | R3198 | Restriction enzyme for cloning into the split-BioID plasmids (NBirA* fusion) |
Na-deoxycholate | Sigma | 30970 | Make a 10% (w/v) stock solution |
NaCl | Sigma | 31434 | Make a 5M stock solution |
NP-40 (Nonidet P40 substitute) | Sigma | 74385 | Make a 20% (v/v) stock solution |
PacI | New England Biolabs | R0547 | Restriction enzyme for cloning into the split-BioID plasmids (CBirA* fusion) |
Phosphate buffer saline (PBS) | Sigma | 806552 | To wash cells before scrapping |
PmeI | New England Biolabs | R0560 | Restriction enzyme for cloning into the split-BioID plasmids (CBirA* fusion) |
Protease inhibitor cocktail | Roche | 4693132001 | Added to the lysis buffer to prevent protein degradation |
pSF3-Flag-CBir-FRB_Myc-NBir-FKBP | Addgene | 90003 | Split-BioID plasmid, mediates the co-expression of NBirA*-FKBP and CBirA*-FRB, FKBP and FRB can be replaced by two other ORFs |
pSF3-Flag-CBir-FRB_FKBP-Myc-Nbir | Addgene | 90004 | Split-BioID plasmid, mediates the co-expression of FKBP-NBirA* and CBirA*-FRB, FKBP and FRB can be replaced by two other ORFs |
pSF3-Flag-FRB-Cbir_Myc-NBir-FKBP | Addgene | 90008 | Split-BioID plasmid, mediates the co-expression of NBirA*-FKBP and FRB-CBirA*, FKBP and FRB can be replaced by two other ORFs |
pSF3-Flag-FRB-Cbir_FKBP-Myc-Nbir | Addgene | 90009 | Split-BioID plasmid, mediates the co-expression of FKBP-NBirA* and FRB-CBirA*, FKBP and FRB can be replaced by two other ORFs |
Q5 High-Fidelity PCR kit | New England Biolabs | E0555S | To amplify the ORF coding for the proteins to be tested. Any other thermostable DNA polymerase is fine. |
Quick ligation kit | New England Biolabs | M2200S | To ligate DNA fragments into the split-BioID plasmids, any other DNA ligation system is fine. |
RunBlue 4-20% SDS precast gels | Expedeon | BCG42012 | To use when running samples for MS analysis |
RunBlue LDS Sample Buffer | Expedeon | NXB31010 | Running buffer for the RunBlue precast gels |
SDS | Sigma | 5030 | Comes as a 20% stock solution |
tet-free serum | Biowest | S181T | we use tet-free serum to minimize basal expression of the fusion proteins |
Trans-Blot Turbo Transfer system | Bio-Rad | 1704150 | High speed Western blotting transfer system, any other transfer system is also fine |
Tris | Carl Roth | 4855 | Make 1M stock solutions with adequate pH (7.4 and 8) |
Triton X-100 | Applichem | A4975 | Make a 20% (v/v) stock solution |
Tween-20 | Carl Roth | 9127 | Used in Western blot buffers, Tween 20 leads to high background fluorescence and should be omitted in the blocking and last wash step |