Beschreven is een proteomica-workflow voor het identificeren van eiwit interactie partners uit een nucleaire subcellulaire fractie met behulp van immunoaffinity verrijking van een gegeven proteïne van belang en label-vrije massaspectrometrie. De workflow omvat subcellulaire fractionering, immunoprecipitatie, filter aided monstervoorbereiding, offline opruimen, massaspectrometrie, en een downstream bioinformatica pijpleiding.
Immunoaffinity zuivering massaspectrometrie (IP-MS) is ontstaan als een robuuste kwantitatieve methode voor het identificeren van eiwit-eiwit interacties. Deze publicatie presenteert een volledige interactie proteomica workflow ontworpen voor het identificeren van lage overvloed eiwit-eiwit interacties van de Nucleus die ook kunnen worden toegepast op andere subcellulaire compartimenten. Deze workflow omvat subcellulaire fractionering, Immunoprecipitation, monstervoorbereiding, offline opruimen, single-shot label-vrije massaspectrometrie, en downstream computationele analyse en data visualisatie. Ons protocol is geoptimaliseerd voor het opsporen van gecompartimengd, lage abundantie interacties die moeilijk te herkennen zijn aan hele celllysaten (bijv. transcriptiefactor interacties in de Nucleus) door immunoprecipatie van endogene eiwitten uit gefractioneerde subcellulaire compartimenten. De voorbeeld voorbereiding pijpleiding hier beschreven biedt gedetailleerde instructies voor de bereiding van HeLa Cell nucleair extract, immunoaffinity zuivering van endogene Bait Protein, en kwantitatieve massaspectrometrie analyse. We bespreken ook methodologische overwegingen voor het uitvoeren van grootschalige immunoprecipitatie in massaspectrometrie gebaseerde interactie profilerings experimenten en bieden richtlijnen voor het evalueren van de kwaliteit van de gegevens om te onderscheiden van echte positieve eiwitten interacties van niet-specifieke interacties. Deze aanpak wordt hier gedemonstreerd door het onderzoeken van de nucleaire interactome van de CMGC kinase, DYRK1A, een laag abundantie proteïne kinase met slecht gedefinieerde interacties binnen de Nucleus.
Het menselijk proteoom vertoont enorme structurele en biochemische diversiteit door de vorming van stabiele multisubunit complexen en voorbijgaande eiwit-eiwit interacties. Daarom is de identificatie van interactie partners voor een eiwit van belang vaak nodig in onderzoeken om moleculaire mechanismen te ontrafelen. Recente vooruitgang in de affiniteits zuivering protocollen en de opkomst van hoge-resolutie Fast-Scanning massaspectrometrie instrumentatie hebben gezorgd voor eenvoudige mapping van eiwit interactie landschappen in een enkele onbevooroordeelde experiment.
Eiwit interactie protocollen gebruiken vaak ectopische expressie systemen met affiniteit-gelabelde fusie constructies om eiwit interacties te identificeren zonder hoogwaardige antilichamen die een eiwit van belang1,2herkennen. Echter, epitoop tag-gebaseerde methoden hebben verschillende nadelen. Fysieke interacties met de epitoop kunnen leiden tot de opsporing van niet-specifieke copurifying eiwitten3. Bovendien, fusie van deze epitoop Tags aan de N-of C-terminal van een eiwit kan inheemse eiwit-eiwit interacties blokkeren, of verstoren van eiwit vouwen ter bevordering van niet-fysiologische conformaties4. Bovendien worden in ectopische uitdrukkings systemen doorgaans het aas-eiwit in supraphysiologische concentraties overbelast, wat kan resulteren in de identificatie van artifeitelijke eiwit interacties, met name voor doserings gevoelige genen5. Om deze problemen te omzeilen, kan de endogene Bait proteïne worden immunoprecipitated samen met de bijbehorende interactie prooi eiwitten, uitgaande van de beschikbaarheid van een kwalitatief hoogwaardig antilichaam dat het inheemse eiwit herkent.
Hier is een interactie proteomica workflow voor het opsporen van de nucleaire interactome van een endogene eiwit met behulp van de cmgc proteïne kinase DYRK1A als voorbeeld. Verstoring van DYRK1A Kopieer nummer, activiteitsniveau of expressie kan ernstige verstandelijke handicap bij de mens veroorzaken, en embryonale letaliteit bij muizen6,7,8,9. DYRK1A vertoont dynamische spatiotemporele regulering10, en gecompartimengd eiwit interacties11,12, vereisen benaderingen die kunnen detecteren van lage abundantie interactie partners specifiek voor verschillende subcellulaire compartimenten.
Dit protocol maakt gebruik van cellulaire fractionering van menselijke HeLa-cellen in cytosol-en nucleoplasm-fracties, immunoprecipitatie, monstervoorbereiding voor massaspectrometrie en een overzicht van een bioinformatische pijpleiding voor het evalueren van de gegevenskwaliteit en het visualiseren van resultaten, met R-scripts voor analyse en visualisatie (Figuur 1). Proteomics-softwarepakketten die in deze workflow worden gebruikt, zijn allemaal vrij beschikbaar om te downloaden of kunnen worden benaderd via een webinterface. Voor aanvullende informatie over software en computer methoden zijn diepgaande tutorials en instructies beschikbaar op de aangeboden links.
De hier geschetste proteomica-workflow biedt een effectieve methode voor het identificeren van eiwit-interactoren met een hoog betrouwbaarheids gehalte voor een belangrijk eiwit. Deze aanpak vermindert de complexiteit van het monster via subcellulaire Fractie en richt zich op het verhogen van de identificatie interactie partners door middel van robuuste monstervoorbereiding, offline monster opruimen en strenge kwaliteitscontrole van het LC-MS-systeem. De downstreamgegevens analyse die hier wordt beschreven, maakt een eenvoudige statistische evaluatie mogelijk van de eiwitten die zijn geïdentificeerd als copurifying met het aas. Echter, vanwege een groot aantal experimentele variabelen (schaal, cellijn, antilichaam keuze), elk experiment vereist verschillende afgeknipte en overwegingen met betrekking tot gegevensvisualisatie en verrijking.
De eerste ontwerpoverweging in een IP-MS-experiment is de selectie van antilichamen die zullen worden gebruikt voor de copurificatie van het eiwit dat van belang is, samen met zijn interactie partners. Hoewel de beschikbaarheid van commerciële antilichamen is toegenomen om grotere delen van het menselijke Proteoom gedurende de afgelopen decennia te bedekken, zijn er nog steeds veel eiwitten waarvoor de reagentia beperkt zijn. Bovendien kunnen antilichamen die zijn gevalideerd voor toepassingen zoals de detectie van Western Blot, niet in staat zijn om de doel proteïne selectief te verrijken in een immunoprecipitatie-experiment. Voorafgaand aan het uitvoeren van een grootschalige interactie proteomica experiment, wordt voorgesteld om een IP te voltooien van een 90% Confluent Health 10 cm schotel, of gelijkwaardige cel nummer, en sonde voor het doelwit eiwit van belang door Western blotting. Als er meer dan één antilichaam beschikbaar is voor immunoprecipitatie, wordt er bovendien voorgesteld om meerdere antilichamen te selecteren die epitopen in verschillende delen van het eiwit herkennen. De binding van een antilichaam aan een aas-eiwit kan de noodzakelijke binding-interface voor putatieve interactie partners occlude. Selectie van een secundaire epitoop voor het aas eiwit zal de dekking van het interactie profiel dat wordt geïdentificeerd door een op massaspectrometrie gebaseerd experiment te verhogen.
Een tweede belangrijke overweging ligt in de selectie van de juiste controle voor het onderscheiden van interacties met hoge betrouwbaarheid, van lage-betrouwbaarheid of niet-specifieke interacties van die welke als copurifying met het aas worden aangemerkt. De strengste controle voor een IP-MS-experiment is het voltooien van de immunoprecipitatie van een CRISPR KO-cellijn van het aas. Een dergelijke controle maakt identificatie en filtering van niet-specifieke eiwitten mogelijk die rechtstreeks aan het antilichaam binden in plaats van aan het aas-eiwit. In gevallen waar het genereren van een CRISPR KO cellijn van elk aas eiwit niet haalbaar is, kan een IgG-kraal controle van hetzelfde Isotype van het aas antilichaam worden gebruikt. In experimenten met een panel van antilichamen die meerdere soorten vertegenwoordigen, kan het gebruik van een kralen alleen controle geschikt zijn, maar zal het de snelheid van valse positieven die zijn geïdentificeerd als interactoren met hoge betrouwbaarheid verhogen.
Selectie van de cellijn die wordt gebruikt in een IP-MS-experiment is afhankelijk van verschillende belangrijke factoren. Eiwit expressie en lokalisatie zijn grotendeels afhankelijk van het celtype. Hoewel RNA-expressie schattingen voor de meeste genen in veel veelgebruikte cellijnen kunnen worden gevonden, is eiwit expressie slecht gecorreleerd met RNA-expressie en moet experimenteel worden bepaald25. Cellijnen waarin een aas-eiwit wordt uitgedrukt in een zeer laag kopie nummer moeten worden vermeden om problemen te omzeilen die gepaard gaan met drastische verhogingen van de celkweek schaal die nodig kunnen zijn. Opgemerkt moet worden, echter, dat monstervoorbereiding kan worden geoptimaliseerd voor de detectie van zeer lage overvloed eiwitten. De filter aided sample prep (FASP) methode, terwijl robuust, kan leiden tot een meer dan 50% verlies van peptide in een monster. De Eenpotvaste-fase-Enhanced monstervoorbereiding (SP3) is een efficiënte methode voor het genereren van monsters voor massaspectrometrie analyse die monsterverlies minimaliseert26. Het verhoogde herstel mogelijk gemaakt door de SP3-methode van monstervoorbereiding kan een nuttig alternatief in deze workflow voor de kwantificering van eiwitten die in de buurt van de aantoonbaarheidsgrens vallen.
Deze proteomica workflow is toegepast in vele kern loten, waaronder kinases, E3 ubiquitine ligases en steigers leden van multi subunit complexen. Uitgaande van de juiste validatie van antilichaam reagentia, zal een succesvolle uitvoering van deze workflow resulteren in het opsporen van eiwit nucleaire interactie partners met hoge betrouwbaarheid voor een eiwit van belang.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door een Grand Challenge Grant to W.M.O. van het Linda Crnic Institute for Down Syndrome en door een samenwerkingsovereenkomst tussen DARPA 13-34-RTA-FP-007. We willen Jesse Kurland en Kira Cozzolino bedanken voor hun bijdragen in het lezen en becommentariëren van het manuscript.
0.25% Trypsin, 0.1% EDTA | Thermo Fisher Scientific | 25200056 | |
1.5 ml low-rention microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 02-681-320 | |
4-20% Mini PROTEAN TGX Precast Protein Gels | Bio-Rad | 4561096 | |
acetone (HPLC) | Thermo Fisher Scientific | A949SK-4 | |
Amicon Ultra 0.5 ml 30k filter column | Millipore Sigma | UFC503096 | |
Benzamidine | Sigma-Aldrich | 12072 | |
benzonase | Sigma-Aldrich | E1014 | |
Chloroacetamide | Sigma-Aldrich | C0267 | |
Dialysis tubing closure | Caroline Biological Supply Company | 684239 | |
DTT | Sigma-Aldrich | 10197777001 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | EDS | |
GAPDH antibody | Santa Cruz Biotechnology | Sc-47724 | |
Glycerol | Fisher Scientific | 887845 | |
Glycine | Sigma-Aldrich | G8898 | |
HeLa QC tryptic digest | Pierce | 88329 | |
HEPES | Fisher Scientific | AAJ1692630 | |
insulin | Thermo Fisher Scientific | 12585014 | |
iodoacetamide | Sigma-Aldrich | I1149 | |
KONTES Dounce homogenizer 7 ml | VWR | KT885300-0007 | |
Large Clearance pestle 7ml | VWR | KT885301-0007 | |
Lysyl endopeptidase C | VWR | 125-05061 | |
Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | 208337 | |
Microcystin | enzo life sciences | ALX-350-012-C100 | |
Nonidet P 40 Substitute solution | Sigma-Aldrich | 98379 | |
p84 antibody | GeneTex | GTX70220 | |
Phosphate Buffered Saline | |||
Pierce BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
Pierce BSA Protein Digest, MS grade | Thermo Fisher Scientific | 88341 | LCMS QC |
Pierce C18 spin columns | Thermo Fisher Scientific | PI-89873 | |
Pierce Trypsin Protease, MS Grade | Thermo Fisher Scientific | 90057 | For mass spectrometry sample prep |
PMSF | Sigma-Aldrich | P7626 | |
Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P9541 | |
Protein A Sepharose CL-4B | GE Healthcare Bio-Sciences | 17-0780-01 | |
Protein G Sepharose 4 Fast Flow | GE Healthcare Bio-Sciences | 17-0618-01 | |
SDS | Sigma-Aldrich | L3771 | |
Silica emitter tip | Pico TIP | FS360-20-10 | |
Small Clearance pestle 7ml | VWR | KT885302-0007 | |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | |
Sodium Fluoride | Sigma-Aldrich | 201154 | |
Sodium metabisulfite | Sigma-Aldrich | 31448 | |
Sodium orthovanadate | Sigma-Aldrich | S6508 | |
Spectra/ Por 8 kDa 24 mm dialysis tubing | Thomas Scientific | 3787K17 | |
TC Dish 150, Standard | Sarstedt | 83.3903 | Tissue culture dish for adherent cells |
TCA | Sigma-Aldrich | T9159 | |
TCEP | Thermo Scientific | PG82080 | |
TFA | Thermo Fisher Scientific | 28904 | |
Thermo Scientific Orbitrap Fusion MS | Thermo Fisher Scientific | ||
Trizma Base | Sigma-Aldrich | T6066 | |
Urea | Thermo Fisher Scientific | 29700 | |
Waters ACQUITY M-Class UPLC | Waters | ||
Waters ACQUITY UPLC M-Class Column Reversed-Phase 1.7µm Spherical Hybrid (1.7 µm, 75 µm x 250 mm) | Waters | 186007484 | nanoflow C18 column |