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植物细胞间连接, 胞 (Pd), 在植物生理学和植物-病毒相互作用中扮演中心角色。对 pd 传输的关键是分拣信号, 直接蛋白质的 pd。然而, 我们对这些序列的了解还处于起步阶段。我们描述了一种在 pd 靶蛋白中识别 pd 定位信号的策略。
胞 (Pd) 是细胞连接, 它的作用是通过在植物细胞之间传输小分子和大分子的通路。而 Pd 运输的小分子, 如离子和水, 被推定为被动发生, 细胞运输的生物大分子, 这种蛋白质, 最有可能发生通过一个积极的机制, 涉及特定的靶向信号的运输分子。识别的胞 (Pd) 定位信号 (PLSs) 的稀缺性严重限制了对植物细胞大分子运输和通讯所涉及的蛋白质分选途径的理解。从大量的植物内源性和病毒蛋白已知的交通通过 Pd, 迄今只有三 PLSs 报告, 所有这些来自内源植物蛋白。因此, 重要的是要建立一个可靠的, 系统的实验策略, 以确定一个功能 PLS 序列, 这是必要的和足够的 Pd 靶向, 直接在活植物细胞。在这里, 我们描述一个这样的战略使用作为一个范例的细胞运动蛋白 (MP) 的烟草马赛克病毒(TMV)。这些实验, 确定和特点的第一植物病毒 pls, 可以适应发现 pls 序列在多数 Pd 靶向蛋白质。
胞 (Pd) 作为植物发育和形态发生的关键调控器的细胞间转运的导管, 从转录因子到 mRNA 和小 RNA 分子不等。此外, 大多数植物病毒利用 Pd 的大分子转运能力在感染过程中进行细胞间传播;通过 pd, 植物病毒进化出专门的蛋白质, 称为运动蛋白 (MPs), 专门针对 pd1,2,3,45,7. Pd 转运的分子通路最有可能是与特定的序列紧密相连的, 靶向转移的蛋白质进入这些通路。因此, 识别这些 pd 定位信号 (PLSs) 可能是对相应的 pd 转运通路的诊断。这是通过类比的 Pd 传输8, 例如, 不同的核进口通路, 可以具体为不同的核定位信号 (不规则) 序列9,10。从概念上讲, NLSs 和 PLSs 都表示 non-cleavable 的亚细胞靶序列是必要和足够的目标。但是, 与 NLSs11不同的是, 有关 PLSs 的序列信息受到严重限制。具体来说, 只有四蛋白序列涉及 Pd 靶向已经报告, 所有这些都来源于内源植物蛋白。第一个是由 KN112的同源域表示的, 这是一个转录因子, 从内部细胞层到植物叶的表皮,13 , 以及它的诺克斯同系物14。第二个也是从转录因子, 自由度, 其中包含一个假定 PLS 描述为细胞间贩运 (IT) 主题15。第三个序列是从 PDLP1 胞的1型膜蛋白, 它由跨膜域16表示。最后, 第四 Pd 靶序列最近报告了 glycosylphosphatidylinositol (GPI) 锚定蛋白, 它由 glycosylphosphatidylinositol (GPI) 修饰信号17表示。
有趣的是, 直到最近, 没有 PLSs 的病毒的 MPs 报告。先前的研究表明, 假设 pls 序列在植物病毒 MPs18,19, 但没有真正 pls,即, 一个极小的氨基酸序列必要和充足为 Pd 靶向不相关的货物分子 (e. g, CFP) 已在病毒 MP 中被识别。然而, 其中的一种蛋白质, 即烟草花叶病毒的 MP (TMV), 是 Pd 局部化和传输被证明的第一个20。
为了解决这一差距, 我们制定了一个实验策略, 以确定 TMV MP PLS。该策略基于三概念。(i) 我们定义 PLS 作为一个极小的氨基酸序列是必要和充足的蛋白质靶向 Pd21。(ii) 由于 TMV MP 首先瞄准 pd, 然后通过这些通道22translocates, 我们的目的是拆下这两种活动并确定真正的 PLS, 它只对 pd 目标起作用, 而不适用于随后的传输。(iii) 我们分析了在结构上或功能上对其 Pd 靶向活性有重要意义的氨基酸残留物。利用这种方法, 我们在 TMV MP 的氨基末端划定了一个 50-氨基氨基酸残留序列, 作为善意的 PLS。这是通过产生一系列的 TMV MP 片段, 饱和整个蛋白质的长度, 标记他们的羧基总站与 CFP 和瞬时表达他们在植物组织。每个测试片段的 pd 定位是通过 coexpressing 他们与 pd 标记蛋白, PDCB1 (pd 胼胝结合蛋白 1)23。最小的片段, 仍然本地化到 pd, 但没有遍历 pd, 被认为是代表 PLS。最后, PLS 是丙氨酸扫描, 以确定其结构和/或功能所需的关键氨基酸残留物。
在这里, 我们通过描述 TMV MP 的识别来说明这种方法, 它可能被用来发现 PLSs 在任何其他 Pd 靶蛋白, 无论是由植物病原体或植物本身编码;这是因为我们的方法没有利用病毒 MPs 的任何独特的特点, 关于他们的能力目标 Pd。
1. 植物材料
2. 表达载体结构
3. Agroinfiltration
4. 共焦显微镜
5. PLS 的识别
6. 使用丙氨酸扫描的关键 PLS 残留物的识别42
代表数据, 忠实地说明预期的结果从被描述的协议和辨认 TMV MP PLS, 适应从元et al.21.图 1A首先总结了表达全长 TMV mp (1-268) 的主要构造, TMV mp PLS (包括蛋白质的前50氨基酸残滓, 1-50) 和它的丙氨酸扫描 V4A 衍生物熔化了 CFP (生成作为在步骤2.2、5.2 和6中描述), 而图 1B对这些标记蛋白质的亚细胞定位进行了总结和量化。图 1C说明了为 TMV mp-CFP 和 TMV mp PLS CFP 以及 coexpressed pd 标记 PDCB1-DsRed2 (参见步骤 5.1) 观察到的特征性外周点 Pd 定位模式。图 2A说明了 TMV mp-CFP 和 TMV mp CFP 和 nucleocytoplasmic coexpressed 自由 DeRed2 分布的 Pd 目标 (参见步骤 5.1)。最后,图 2B说明了 TMV mp 和 TMV mp pls 与单丙氨酸替代 V4A 的 Pd 靶向损失, 表明该残留物对 pls 结构或功能很重要;在同一个细胞 coexpressed pd 标记 PDCB1 仍然本地化对 pd (参见步骤 6)。
这些数据表明, 这一概念和技术上简单的过程, 系统生产的蛋白质片段, 他们的融合到一个 autofluorescent 标记货物的蛋白质, 并测试的能力, 本地化到 Pd 可以确定一个最低蛋白质序列必要和足够的 Pd 目标,即, PLS。为了正确解释这些本地化数据, 必须使用已知的 pd 蛋白进行定位实验,例如、PDLP 或 PDCB 家族成员16、23或一种对 pd44 进行排序的植物病毒 MPs。.显然, 定位不必须是完整的, 因为并非所有的 P 定位蛋白可能是针对相同的 pd, 但有统计学意义的定位与至少一个 pd 标记蛋白是必要的定义 PLS 活动。
图 1: TMV MP 的标识请(A) 用于识别 TMV mp 的主要 CFP 融合结构的摘要 TMV mp 序列, 绿色方框;CFP, 蓝色盒子;P, 启动子;T, 终结者左边的数字表示每个 TMV MP 片段中所含的氨基酸残留。(B) 综述了 (A) 中所示的融合蛋白的亚细胞定位。根据相应的亚细胞标记、PDCB1-DsRed2 和自由 DsRed2 的定位, 分别确定局部放电定位或 nucleocytoplasmic 定位。在三独立的实验中, 每一个结构的100个表达单元显示出每个定位模式的细胞百分比。数据是指±标准错误 (SE)。(C) pd 靶向 TMV mp-CFP, TMV mp PLS CFP, 和 pd 标记 PDCB1-DsRed2。CFP 信号是蓝色的;DsRed2 信号呈紫色;质的自发荧光被过滤掉了。图像是单个共焦剖面。缩放条形图 = 10 µm, 差分干涉对比显微图像。这个数字是改编自元et al.21.请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: TMV mp、TMV mp 和他们的丙氨酸扫描突变体的 Pd 靶向性.(A) TMV mp-CFP、TMV mp CFP 和 nucleocytoplasmic 标记 DsRed2 的亚细胞定位。(B) TMV mp-CFP 和 TMV mp-CFP V4A 丙氨酸扫描突变体的 Pd 靶向能力损失。pd 标记的共 PDCB1-DsRed2。CFP 信号是蓝色的;DsRed2 信号呈紫色;质的自发荧光被过滤掉了。图像是单个共焦剖面。缩放条形图 = 10 µm, 差分干涉对比显微图像。这个数字是改编自元et al.21.请单击此处查看此图的较大版本.
该协议有四核心成分: 确定一个序列的概念是必要的和足够的目标, 以 Pd, 系统划分的利益蛋白的片段, 逐步减少长度, 融合测试片段的 autofluorescent 蛋白, 既作为标签和高分子货物, 和功能测试的 Pd 靶向活植物组织后, 瞬态表达的检测融合蛋白。请注意, 农杆菌介导的瞬态表达式在相对较短的时间内生成数据,即, 与在类似研究中经常使用的转基因植物生产所需的月份相比, 是数天,15。
共的蛋白质的兴趣与亚细胞定位标记,例如, PDCB1 或自由 DsRed2, 通常是从基因表达载体执行。但是, 如果将多个表达式磁带传输到单个向量中是技术上的问题, 则共也可以通过将每个磁带传输到单独的二进制结构中, 并将等效的液体培养量结果农杆菌菌株为 agroinfiltration。由于该协议利用瞬态表达式, 二进制向量不需要进行稳定变换的选择标记, 尽管它们的存在不利于表达效率。
该协议针对烟中的蛋白质表达和目标进行了优化;然而, 它可以用于其他植物物种, 包括拟南芥45,46, 适于遗传转化的农杆菌。对于其他植物物种, 或如果其他需要, 此协议可适用于利用枪法传递41直接从 pSAT-based 向量的瞬态表达式, 避免了将表达式磁带传输到二进制向量的需要。
该协议的关键点是植物材料的生理和发育条件的一致性。具体地说, 所有的植物在整个实验中都必须是健康的, 而且, 对于 agroinfiltration, N. 烟植物必须小于4周, 并且在4-8 叶级, 最大的叶子直径为4-6 厘米。如果植株太小, agroinfiltration 的影响会太严重, 干扰标记蛋白的表达和定位。另一方面, 较老的植物通常表现出 pd24,25的可变结构, 也会影响 pd 目标模式的一致性。
尽管如此, 由于整个植物的生理条件的不同, 特别是其转化的细胞, 每个实验中 Pd 靶向的效率可能有所不同。因此, 重要的是要分析一个相对较大数量的细胞 (> 100) 每个实验, 并执行至少三生物复制每一个实验。通常, 我们认为一个测试片段, 以包含 pd 的目标活动, 如果它在至少70% 的转化细胞展示 pd 定位。每个片段的 pd 靶向效率的差异,例如, 显示 pd 特异的点状堆积模式的转化细胞百分比, 应由学生的 t 检验和 p 值 < 0.05-0. 01 对应于统计概率大于95-99%。
另一个重要的问题是荧光标记/货物在聚变分子中的位置。一些 Pd 靶向蛋白质也与内质网 (ER), 这可能需要无障碍的氨基末端序列。在这些情况下, 氨基末端融合, 蛋白质片段的羧基终点被熔化到荧光标记的氨基末端,例如, CFP 或 DsRed2, 应该使用。在以下情况下, 可以更改标记的此默认位置。(i) 如果氨基终端融合不可用--即, 它们不表现出有意义的亚细胞定位模式, 表达不充分, 或不产生足够可靠检测的荧光信号--如果感兴趣的蛋白质不包含氨基终端信号序列或羧基终端融合, 其中的氨基终点的测试片段被融合到的羧基终点的标签, 他们应该尝试。(ii) 如果感兴趣的蛋白质在其羧基末端含有信号序列, 则也应使用羧基端融合。(iii) 如果感兴趣的蛋白质具有氨基酸和羧基终端信号, 如在 GPI 锚定蛋白中发现的蛋白, 或者它含有氨基终端信号肽, 但其氨基终端融合不可用, 则应在内部放置标签 (无论是下游的氨基终端信号或上游的羧基终端信号)。我们的早期出版物47,48中描述了一些用于蛋白质内部荧光标记的有用程序。
目前, 还没有已知的协商一致的顺序。正如我们建议的那样 (在步骤5.2 中), 最初将蛋白质细分为连续的~100-200 残滓-长片段。这些可以根据观察到的 Pd 靶向活动或缺乏的情况逐步缩短。人们应该注意到在蛋白质中存在的其他潜在的靶向信号 (例如, 无源性, 信号肽,等)。然而, 由于这些序列与 PLS 序列的潜在重叠是未知的, 这些蛋白质区域应该包括在这个突变分析。
到目前为止, 这个协议被用来识别一个单 PLS 在蛋白质分子21。然而, 一个蛋白质可能包含不止一个信号序列;事实上, 许多核蛋白中已经描述了多个 NLSs, 包括 GATA 转录因子49。因此, 在分析被测蛋白质的不同片段用于 Pd 靶点时, 可能会发现不止一个这样的片段, 表明存在多个 PLSs, 它们可以独立或协同作用。
该协议的主要限制是, 在 agroinfiltration 后, 在表皮细胞和相对狭窄的生长阶段, 对瞬时表达的蛋白质的亚单位定位的可视化效果最好。在必要的时候, 可以通过生产转基因植物, 在大多数组织和细胞类型中稳定地表达每个被测试的蛋白质来克服这种限制。此外, 这项协议将不会有用的研究病毒 MPs 或其他 Pd 靶向蛋白质的功能只在植物物种, 不适合瞬态遗传转化。
虽然我们开发了这一技术, 以识别 TMV MP, 它可以用于发现 PLSs 在任何其他植物病毒 MPs 或植物内源性蛋白, 本地化为 Pd, 瞬时或永久性的。此外, 如果结合适当的亚细胞定位标记47, 此协议适用于在植物的感兴趣的蛋白质内的许多其他靶向信号的识别。
未声明任何利益冲突。
由于篇幅不足, 我们主要引用了评论文章, 我们向我们的同事道歉, 他们的原创作品没有被引用。共实验室的工作得到 nih、NSF、美国农业部/NIFA、巴德和 BSF 共的资助, S.G.L. 实验室由国立卫生研究院和植物病理学和植物微生物生物学部门资助, S.G.L。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Confocal laser scanning microscope (CLSM) | Zeiss | LSM5 | Any CLSM with similar capabilities is appropriate |
Zen software for confocal microscope imaging | Zeiss | 2009 version | The software should be compatible with the CLSM used |
Quickchange II site-directed mutagenesis kit | Agilent | 200523 | |
Acetosyringone | Sigma-Aldrich | D134406 | |
MES | Sigma-Aldrich | 69892 | |
Syringes without needles | BD | 309659 | |
MgCl2 | FisherScientific | M33-500 | |
Spectinomycin | Sigma-Aldrich | S4014 | |
Rifampicin | Sigma-Aldrich | R3501 | |
Ampicillin | Sigma-Aldrich | A0166 |
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