Oligomerization of the ryanodine receptor, a homo-tetrameric ion channel mediating Ca2+ release from intracellular stores, is critical for skeletal and cardiac muscle contraction. Here, we present complementary in vivo and in vitro methods to detect protein self-association and determine homo-oligomer stoichiometry.
Oligomerization is often a structural requirement for proteins to accomplish their specific cellular function. For instance, tetramerization of the ryanodine receptor (RyR) is necessary for the formation of a functional Ca2+ release channel pore. Here, we describe detailed protocols for the assessment of protein self-association, including yeast two-hybrid (Y2H), co-immunoprecipitation (co-IP) and chemical cross-linking assays. In the Y2H system, protein self-interaction is detected by β-galactosidase assay in yeast co-expressing GAL4 bait and target fusions of the test protein. Protein self-interaction is further assessed by co-IP using HA- and cMyc-tagged fusions of the test protein co-expressed in mammalian HEK293 cells. The precise stoichiometry of the protein homo-oligomer is examined by cross-linking and SDS-PAGE analysis following expression in HEK293 cells. Using these different but complementary techniques, we have consistently observed the self-association of the RyR N-terminal domain and demonstrated its intrinsic ability to form tetramers. These methods can be applied to protein-protein interaction and homo-oligomerization studies of other mammalian integral membrane proteins.
骨格筋および心筋の収縮はのRyRにより媒介筋小胞体のCa 2+放出によって誘発されます。 4つの同一のサブユニットから成る機能チャネルと3の哺乳動物のRyRアイソフォームがあります。それぞれのRyRサブユニットは、大きな細胞質調節N末端 部分及び高コンダクタンスの Ca 2+の細孔を形成する膜貫通ドメインを含む小さなC末端部分から成ります。異常内およびサブユニット間相互作用は、のRyRチャネルの機能障害の根底にある神経筋や心臓障害1になります。 RyR構造に関与する特定のドメインの同定および特徴:機能の関係はのRyRの病態生理の理解のために、したがって重要です。
伝統的な生化学的タンパク質 – タンパク質相互作用の技術は、多くの場合、細菌中で産生され精製されたタンパク質の実質的な量を、必要とします。これはのRyR、非常に大きな膜pの場合には現実的ではありませんその組換えフラグメントが細菌発現および精製が容易に受け入れられないのに対し、〜5000個のアミノ酸からなるrotein。したがって、真核生物宿主細胞を含む代替的な発現系は、哺乳動物の内在性膜タンパク質のために必要とされます。我々は以前、まとめN末端 の四三の哺乳動物のRyRが2,3アイソフォーム間で保存されている構造的特徴であることを実証するためにY2H、共同IPおよび架橋アッセイを採用しています。重要なことは、我々は催不整脈性心疾患に関連した単一点変異は、N末端 の自己会合および機能不全のRyRチャネル4の結果を破壊することを見出しました。我々はまたのRyR細胞質のC末端尾部5と同様に、相同細胞内Ca 2+放出チャネル、イノシトール1,4,5-トリスリン酸受容体2のN末端 のオリゴマー化の研究にこれらの技術を適用しています。
Y2Hアッセイでは、interacti二つのタンパク質(XとY)の間に機能的な転写因子(GAL4)およびレポーター遺伝子6-9の続く活性化を再構成することによって測定されます。 DNA結合ドメイン(DNA-BD)/タンパク質Xの融合(ベイト)と活性化ドメイン(AD)/タンパク質Y 2つの異なるクローニングベクターは、GAL4の2つの物理的に分離、独立したドメインを有する2つの試験タンパク質の融合体を生成するために使用されます融合(ターゲット)。 Y2Hタンパク質がGAL4 DNA-BDと同じタンパク質のAD融合物を生成することによって、それ自体と相互作用するかどうかをテストするために使用することができます。遺伝的に改変されたY2H株はGAL4とGAL80欠損(GAL80タンパク質がGAL4のリプレッサーである)、ならびにTRP1およびLEU2が欠損(それぞれ、ベイトおよびプレイプラスミドのための栄養選択を提供するために)です。酵母核に、組換えDNA-BDとADペプチドは唯一の彼らの融合 'Xを通じてハイブリッドGAL4転写因子を生成するために物理的に近接させられる:Y int型eraction。このアプローチは、レポーター遺伝子(β-ガラクトシダーゼ(β-Gal)のためのLacZ符号化)と発色性(ヒスチジン生合成に必要な酵素のHIS3エンコーディング )原栄養の並列転写活性化を介してタンパク質-タンパク質相互作用を検出するための迅速な遺伝子スクリーニングを可能にします。 Y2Hの主な利点は、それが弱いまたは一過性のタンパク質-タンパク質相互作用を検出するin vivoアッセイであることです。また、検出は、餌と対象タンパク質の精製または特定の抗体の生成を必要とせず、簡単な(メディアヒスチジンを欠く中で)増殖選択の使用または比色の(β-Galの)アッセイを伴います。また、Y2Hはまた、ライブラリーのタンパク質のcDNAへの直接アクセスを与えるベイトタンパク質の新規の結合パートナー、ランダム未知のクローン(GAL4 ADに融合したcDNAライブラリークローン)のコレクションをスクリーニングすることができます。
Y2H観測を拡張するために、INDEPENDENT生化学的技術を使用することができます。共IP及びイムノブロッティングと組み合わせた架橋アッセイは、複雑なサンプル混合物中のタンパク質の関連を検出するために用いられる方法、 例えば 、全細胞溶解物10です。それらの主な利点は、組換えタンパク質の使用を必要とする他の方法とは異なり、天然の組織からのタンパク質 – タンパク質相互作用について報告することです。組換えタンパク質は、典型的には、彼らが正しいコンホメーションおよび翻訳後修飾を有する可能性がある哺乳動物細胞株、ならびに細胞内局在性に発現し、また使用することができます。共IPと架橋がインビトロアッセイは、均質化細胞を利用しているので、2つのタンパク質パートナーは、無傷の細胞11に共局在しているかどうかを確認する必要があります。我々は日常的に一過性リン酸カルシウム沈殿法2を用いて、哺乳動物の内在性膜および細胞質タンパク質を発現する哺乳動物HEK293細胞のトランスフェクションを使用し-4,12-14は、詳細にここで説明しました。これは、効率的に細胞内にプラスミドDNAを送達するための安価な方法ですが、それは特定の使用の細胞株および細胞コンフルエンスと同様に、プラスミドDNA 11,15の純度に依存しています。
共IPアッセイは、推定上の相互作用パートナー10,16の同時精製を可能にする非変性条件下での細胞溶解物からの関心の天然または組換えタンパク質の単離を伴います。タンパク質は、2つの異なるエピトープを有する2つの異なる融合物を生成することによって、それ自体と相互作用するかどうかをテストするために使用することができる2つの独立した抗体の使用、タンパク質Xの単離のための免疫沈降用抗体、およびタンパク質パートナーYの検出のためのイムノブロッティング抗体を必要としますタグ( 例えば 、HAおよびCMYC)。免疫沈降抗体は、プロテインAには、そのFc領域を介して結合した(プロテインG、抗体が発生した動物種に応じてか)されていますアガロース(またはセファロース)樹脂に結合しています。タンパク質Xは、抗体により沈殿させる:タンパク質 – 樹脂細胞溶解物、均質化された細胞の、すなわち界面活性剤可溶性分画とのインキュベーション後。タンパク質の免疫複合体は、SDSを含む緩衝液で溶出させ、続いてタンパク質Y 17の存在を検出するために抗体を用いるSDS-PAGEおよびイムノブロッティングにより分析します。共IPは、過剰非特異的結合を回避するために、界面活性剤、水溶性タンパク質を用いて実施されるべきです。 Y対10,16,18:洗剤とその濃度の選択だけでなく、洗浄回数は、各X用に最適化されるべきです。
架橋は、オリゴマータンパク質複合体の化学量論を決定するために使用されます。これは、隣接する相互作用プロトマーの間に共有結合を生成する化学反応に基づいており、従って、それはSDS-PAGEの分離の際、タンパク質のオリゴマー状態の保存を可能にします。多数の架橋レアージュがありますタンパク質、典型的には、第一級アミン、カルボン酸またはチオール基に異なる反応基をターゲットに様々な長さと化学のNTS。ここでは、(OHC(CH 2)3 CHO)、リジン残基19,20中に存在する遊離アミノ基と反応するいずれかの端部に2つのアルデヒド基を有するホモ二官能性架橋剤がグルタルアルデヒドの使用を記載しています。架橋は、付加物形成をもたらす濃度 – または時間依存的な様式で行われます。グルタルアルデヒドの反応は、ヒドラジン(H 2 NNH 2)で停止し、タンパク質試料をSDS-PAGEによって分析し、それらのオリゴマー化状態を評価するために17を免疫ブロッティングしています。私たちは、架橋がオリゴマー化を誘導するが、単に既存のタンパク質複合体との間で安定したブリッジを作成していないことに注意してください。架橋実験を実施する重要な考慮事項は、架橋剤の選択は、その濃度と反応時間19,20を含みます。
タンパク質のホモオリゴマーの形成は、転写因子、酵素、イオンチャンネルおよび受容体25,26の活性を調節する基本的な生物学的プロセスです。重要なことは、タンパク質のオリゴマー化はまた、神経変性および催不整脈心臓病4,27などの病理学的な意味を持ちます。この記事で概説した方法は、タンパク質の自己会合およびオリゴマー化を媒介するドメイン – ドメイン相互作用を同定するために使用されます。以下では、各プロトコル内の重要なステップでポイントして、我々は重要な考慮事項、制限事項およびトラブルシューティングについて説明します。
Y2H系は、その比較的高いスループットスクリーニング、使いやすさと再現性の高い結果の潜在的な相互作用タンパク質パートナーをスクリーニングするために最初に使用することができます。 Y2H手順は、標準的な(プレートまたはシェーカー)インキュベーター、ルーム封じ込め施設で微生物検査室で行われます。 FRの使用β-Galのアッセイで最高の結果を得るために、新たに(古い5日まで)酵母コロニーを増殖させ(ステップ1.2.3)を使用すべきであるのに対し、eshly調製したコンピテント細胞(ステップ1.1.8)は、高効率の酵母形質転換のために重要です。 GAL4以外の転写因子および/または代替/追加のレポーター遺伝子に基づいたシステムは、利用可能であるため、ベイトおよびプレイプラスミドは、適切なY2H株と一致する必要があります。
いくつかの株は、HIS3レポーター遺伝子7,8のいずれかの構成的発現をクエンチするために、3-アミノ-1,2,4-トリアゾール、HIS3タンパク質の競合的阻害剤の存在下で培養すべきです。餌とターゲット融合タンパク質の発現は、17を免疫ブロッティングによって確認する必要があります。場合餌に/餌の融合タンパク質は、酵母に対して毒性である、より低い許容タンパク質レベルはベイト/獲物発現が異なるプロモーターによって駆動される別のベクターにクローニングすることにより達成することができます。また、Tを確保するために不可欠です帽子餌/獲物の融合タンパク質は、自律的なレポーター遺伝子活性は表示されません。自律的なレポーター遺伝子の活性化は、2試験タンパク質のGAL4 DNA-BDとAD融合体を交換することにより、責任領域を除去するための構築物を修飾することによって救出することができます。それらが細胞内膜区画における融合タンパク質のミスフォールディングまたは誤局在を引き起こす可能性があるため、また、膜貫通ドメインは、より良好な餌/餌構築物から省略されています。実際、Y2H系の主な欠点は、餌とターゲットタンパク質は、偽陽性または偽陰性の相互作用6-9で、その結果、離れてそれらの生理学的細胞内位置から酵母核に局在し、潜在的に特定の翻訳後修飾を欠いているということです。
哺乳動物の異種発現系は、立体構造、翻訳後修飾および細胞内局在性の観点から、哺乳動物の内在性膜タンパク質の研究に適しています。最も広く使用される細胞のトランスフェクション法の一つは、主に最小限の設備および試薬11,15を必要とするリン酸カルシウム沈殿です。別の方法、すなわちエレクトロポレーション、リポソーム、カチオン性脂質およびポリマーは、使用される細胞株および構築物に依存して、より高いトランスフェクション効率をもたらすことができます。一般的に、トランスフェクション効率に影響を与える主な要因は、プラスミドDNAの質および細胞の健康/生存率です。最高純度の(260nmの/ 280nmの吸光度比〜1.8)と活発に分裂する細胞のプラスミドDNAを使用した場合に最良の結果が達成されます。外来DNAを取る能力が媒体11に曝露された細胞の表面領域に関連しているので、70%コンフルエンス(ステップ2.1.2) -細胞は、したがって、これ以上60以下でトランスフェクトされるべきです。さらに、トランスフェクション(ステップ2.1.3)中の培養培地中の抗生物質の含有が増加した細胞死の15のために推奨されません。
Fまたは特に、リン酸カルシウム沈殿、入念な準備及びpH調整(7.05まで正確に)2×HBS溶液を(ステップ2.1.1)、そして激しく混合(ステップ2.1.5)によりプラスミドDNA /カルシウム/リン酸複合体の適切な形成は、高効率トランスフェクションのための重要なステップ。一般的に、24内の一過性トランスフェクションピークによってタンパク質の発現 – 72時間。
細胞を回収したら、その後の手順は、プロテアーゼ活性を最小化するために4℃で実施しなければならない、およびプロテアーゼ阻害剤の添加が推奨されます。染色体DNAは、溶液粘度が増加し、非特異的結合を高めることができるので、細胞の均質化は、核を除去するための遠心分離工程が続くべきです。従って、等浸透圧緩衝液中で機械的手段により均質化は、通常、(0.3 M)のスクロースまたは(150 mM)のNaCl中で、好ましいです。一般に、スクロースベースの緩衝液は、タンパク質安定性を増強し、潜在的な非天然タンパク質凝集を減少させることが知られているが、Pのためにタンパク質表面上の基準の水和は、静電タンパク質間相互作用が好まれています。逆に、塩系緩衝剤は、より疎水性に基づく相互作用28に向かってバイアスを有する、タンパク質表面上の荷電したアミノ酸側鎖基の正味の電荷に影響を与えます。
共IPは、特に天然の組織からのタンパク質 – タンパク質相互作用を評価するための最も一般的に用いられる生化学アッセイです。その主な欠点は、IPおよびイムノ10,16,18で使用するために検証され、高度に特異的な抗体のための必要条件です。従って、組換えタンパク質は、多くの場合、 例えば 、ペプチドエピトープでタグ付けされている。、インフルエンザ赤血球凝集素(YPYDVPDYA)またはヒトCMYC(EQKLISEEDL)、高親和性特異的な抗体が市販されています。必要であれば、免疫沈降抗体は、化学的共沈PRを明瞭に免疫ブロッティング段階でその溶出および検出を回避するために、プロテインA樹脂に結合させることができます16 otein;これを達成するために、我々が正常に化学架橋剤3,3'-ジチオビス(sulfosuccinimidylpropionate)24を使用しています。適切な界面活性剤は、IP緩衝液中に含まれ、均質化細胞の不溶性物質は、非特異的結合(ステップ3.1.3)を最小化するために遠心分離によって除去されることが不可欠です。洗剤の選択と集中が重要な考慮事項です:強力な洗剤および/またはより高い濃度は、実質的に非特定の結合を減少させるだけでなく、X廃止することがあります。より低濃度またはより穏やかな洗剤は弱い相互作用が観察されることを可能にする一方で、Yのタンパク質相互作用をするがよいです過剰な非特異的結合をもたらします。中間強度の界面活性剤は、 例えば 、好ましい、トリトンX-100を0.5に- 1%の濃度です。さらに、非特異的結合を減少させるために、中性タンパク質(100μg/ mlの、例えば、ウシ血清アルブミン)をIP緩衝液中に含めることができ、および/ または細胞溶解物は、事前cleareすることができ単独のプロテインA樹脂とのインキュベーションの前でD。洗浄回数はX用に最適化されるべきである:Yのペアは、試験された、一般的にIPバッファ(ステップ3.1.9)で3 10分間の洗浄。いずれの場合も、免疫沈降抗体として、非免疫IgGと共IPサンプルは常に陰性対照(ステップ3.1.6)を提供するために並列に処理されるべきです。
化学的架橋の主な利点は、それがタンパク質のホモオリゴマーの化学量論組成に知らせることです。それは特殊な装置を必要とせず、それが相互作用するタンパク質19,20の間に熱的および化学的に安定な架橋を生成するので、グルタルアルデヒドは、一般的に使用される架橋剤です。これらは、化学反応を停止しますので、遊離アミノ基を有する化合物は、アッセイバッファ(ステップ3.2.1)から除外されるべきです。グルタルアルデヒド濃度と反応時間(ステップ3.2.4)は、関心のオリゴマータンパク質複合体のために最適化されるべきです。この技術の主な欠点、especi全細胞調製物に対して行わ味方場合、生物学的意義を欠く人工タンパク質凝集体を得ることができ、化学反応の非特異性です。
代替インビボで ( 例えば 、蛍光共鳴エネルギー転移、二分子蛍光又はルミネセンス相補性)およびインビトロ技術( 例えば 、サイズ排除クロマトグラフィー、分析的超遠心分離、等温滴定熱量測定)タンパク質の自己会合及び評価の特徴付けのために利用可能ですオリゴマーの化学量論29,30の。それぞれの方法は、独自の長所と短所があり、それは、タンパク質精製/安定性及び装置/試薬の利用可能性に応じて、特定のタンパク質の研究のために、より適切であり得ます。ここで詳細に説明した3つの相補的な方法、すなわちY2H、共IP及び架橋は、RyR2のホモoligomeための説得力のある証拠を提供するために組み合わせて使用されています分離および生体細胞内のrを形成。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、SZ(FS / 08/063とFS / 15/31494分の30)に英国心臓財団のフェローシップによってサポートされていました。
1. PART 1 yeast two-hybrid | |||
Plate incubator | Hereaus | B6120 | Used at 30°C |
Orbital shaker incubator | New Brunswick Scientific | INNOVA 4300 | Used at 30°C with shaking at 230-250 rpm |
Spectrophotometer | Perkin Elmer | Lambda Bio+ | To measure OD600 of yeast culture; to measure Absorbance at 420 nm in liquid b-Gal assay |
Matchmaker Two-Hybrid System 2 Kit | Takara Clontech | K1604-1 | Contains bait vector pGBKT7, prey vector pACT2 and yeast strain Y190 |
Yeast Nitrogen Base | Sigma-Aldrich | Y0626 | To prepare minimal SD growh medium |
Dropout supplement lacking leucine and tryptophan | Sigma-Aldrich | Y0750 | To prepare minimal SD growh medium |
Dropout supplement lacking leucine, tryptophan, histidine | Sigma-Aldrich | Y2001 | To prepare minimal SD growh medium |
Herring testes carrier DNA | Takara Clontech | 630440 | For yeast transformation |
Whatman filter paper Grade 5 | Sigma-Aldrich | WHA1005070 | for use in colony-lift filter paper b-Gal assay |
X-Gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside) | Sigma-Aldrich | B4252 | for use in colony-lift filter paper b-Gal assay |
ONPG (o-nitrophenyl-β-D-galactopyranoside) | Sigma-Aldrich | N1127 | for use in liquid b-Gal assay |
PART 2. Protein expression in a mammalian cell line | |||
HEK293 cell line | ATCC | ATCC® CRL-1573™ | |
Humidified incubator (5% CO2, 37 °C) | SANYO | MCO-18AIC | To culture mammalian cells |
DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's medium) | Invitrogen (ThermoFisher) | 41966 | To prepare growth medium for mammalian cells |
Fetal Bovine Serum | Invitrogen (ThermoFisher) | 10500 | To prepare growth medium for mammalian cells |
Glass beads | Sigma-Aldrich | G8772 | To homogenise cells |
Needle 23G (0.6 x 30mm) | BD Microlance | 300700 | To homogenise cells |
Protease inhibitor cocktail (Complete) | Roche | 11873508001 | To prevent proteolysis |
PART 3. In vitro biochemical methods | |||
Mini-PROTEAN Tetra Cell (SDS-PAGE system) | Bio-Rad | 1658000EDU | For polyacrylamide gel electrophoresis |
Trans-Blot SD (Semi-dry transfer system) | Bio-Rad | 1703940 | For electrophoretic transfer |
Compact X-ray film processor | Xograph | X4 | For use in immunoblotting |
Glutaraldehyde | Sigma-Aldrich | G5882 | For use in chemical cross-linking |
Protein-A sepharose beads | GE Healthcare Life Sciences | 17-5280-01 | For use in co-IP assay |
Anti-HA (Y-11 rabbit polyclonal IgG) | Santa Cruz Biotechnology | sc-805 | For use in co-IP assay |
Non-immune rabbit IgG | Santa Cruz Biotechnology | sc-2027 | For use in co-IP assay |
Anti-cMyc (9E10 mouse monoclonal IgG) | Santa Cruz Biotechnology | sc-40 | For use in immunoblotting |
Anti-HA (16B12 mouse monoclonal IgG) | Covance | MMS-101P | For use in immunoblotting |
Anti-mouse IgG-HRP | Santa Cruz Biotechnology | sc-2005 | For use in immunoblotting |
Hyperfilm ECL | GE Healthcare Life Sciences | 28906836 | For use in immunoblotting |
ECL Western Blotting Substrate | Pierce (ThermoFisher) | 32106 | For use in immunoblotting |