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Thermophoresis microscala (MST) può essere ampiamente usato per la determinazione di affinità di legame senza purificazione della proteina bersaglio da lisati cellulari. Il protocollo prevede sovraespressione della proteina GFP-fusa, lisi cellulare in condizioni non denaturanti, e la rilevazione di segnale MST in presenza di concentrazioni variabili di ligando.
Caratterizzazione quantitativa delle interazioni della proteina è essenziale in praticamente ogni campo delle scienze della vita, in particolare di scoperta di nuovi farmaci. La maggior parte dei metodi attualmente disponibili di determinazione K D richiedono accesso purificata proteina di interesse, di generazione che può essere lunga e costosa. Abbiamo sviluppato un protocollo che consente di determinare l'affinità di legame per thermophoresis microscala (MST) senza purificazione della proteina bersaglio da lisati cellulari. Il metodo prevede sovraespressione della proteina GFP-fuso e lisi cellulare in condizioni non denaturanti. Applicazione del metodo di STAT3-GFP espresso transitoriamente in cellule HEK293 permesso di determinare per la prima volta l'affinità del fattore di trascrizione ben studiato per oligonucleotidi con sequenze differenti. Il protocollo è semplice e può avere una varietà di applicazione per studiare le interazioni delle proteine con piccole molecole, peptidi, DNA, RNA, e proteins.
Caratterizzazione quantitativa di affinità di interazioni intermolecolari è importante in molti settori della ricerca biomedica. Legame costante di dissociazione (K D) è essenziale non solo nella scoperta della droga, ma è anche un parametro importante caratterizzazione di ogni interazione binaria in qualsiasi sistema biologico. Metodi biochimici utilizzati per il rilevamento di interazioni proteina-proteina, come la immunoprecipitazione e lievito schermi a due ibridi, non ci informano su quanto stretto sono quelle interazioni, mentre affinità definisce se questo particolare complesso esiste in determinate condizioni in vivo. Nel processo di scoperta di nuovi farmaci, lo sviluppo del saggio di legame è uno dei più necessaria e spesso i passi più in termini di tempo. Metodi più utilizzati per la determinazione K D includono polarizzazione di fluorescenza, 1 tecnologia risonanza plasmonica di superficie (SPR), vincolante radioligando 2, 3 isotermica di titolazione calorimetria, 4 Equilibrium dialisi (ED), 5 ultrafiltrazione (UF), 5 e ultracentrifugazione (UC). 6 Tutte richiedono notevoli quantità di proteina purificata bersaglio. Thermophoresis microscala (MST) è un metodo rapido sviluppo che rileva la regia movimento delle molecole in un gradiente di temperatura microscopico. Eventuali modifiche del guscio di idratazione biomolecole comportano un cambiamento relativo di movimento lungo il gradiente di temperatura. 7 MST viene utilizzato per determinare affinità di legame ed è stato applicato per lo studio legame alle proteine fluorescente o ligandi fluorescenti ligando ad una proteina bersaglio. 8, 9 MST consente di misurare direttamente interazioni in soluzione, senza la necessità di immobilizzazione di una superficie (immobilizzazione tecnologia senza). Praticamente, qualsiasi associazione è accompagnato da un cambiamento nel segnale MST, anche se la dimensione del cambiamento differisce da sistema a sistema in modo significativo. Per la rilevazione di movimento molecola da MST, devono essere fluorescenzant. Questo importante limitazione del metodo può essere trasformato in un vantaggio. Se una proteina è espressa come una fusione GFP in qualsiasi sistema, sarà la sola molecola fluorescente e quindi può essere studiata senza separazione dal lisato cellulare o sistema di espressione acellulare. Generazione di lisati cellulari che permettono di condizioni vincolanti con manufatti minimali è la grande sfida. Qui si descrive un protocollo di cellule lisate e sperimentare MST che può essere utilizzato per molte proteine solubili e di membrana.
Proteine STAT sono latenti fattori di trascrizione attivati da citoplasmatici fosforilazione della tirosina in risposta a segnali extracellulari e sono coinvolti in molti processi biologici tra immunità, ematopoiesi, infiammazione e sviluppo. 10 Nei mammiferi, la famiglia STAT costituito STAT 1, 2, 3, 4 , 5A, 5B e 6. All Stats attivati sono noti per legarsi alla stessa sequenza di DNA, così chiamato motivi GAS, IFN-gamma attivato sequenza. Tuttavia, la transcrieffetti facoltativo, di diverse statistiche sono molto diversi. 11 Nonostante il coinvolgimento in molti processi patologici e ampi studi che producono oltre 17.000 pubblicazioni, la K D di interazioni STAT con diverse sequenze di DNA non sono stati determinati. Solo affinità relativa delle diverse statistiche varianti del motivo GAS è stato caratterizzato. 11 Difficoltà di espressione e purificazione di proteine sono i principali ostacoli nella caratterizzazione di STAT 'DNA selettività vincolante. Anche se la maggior parte degli studi si sono concentrati sul ruolo delle stats "attivato", che divenne sinonimo di fattore di trascrizione Tyr-fosforilata, il ruolo del non-fosforilata Stats (U-stats) nella regolazione della trascrizione sta emergendo rapidamente. 12 Tuttavia, questi meccanismi sono poco conosciute, e non era chiaro se U-stats in realtà si legano al DNA o di agire attraverso le interazioni con altri fattori di trascrizione. Abbiamo recentemente dimostrato che l'U-STAT3 può legarsi al DNA sequenzialeCES diverso da motivi a gas con ancora maggiore affinità. 13 La scoperta ha implicazioni significative per la nostra comprensione delle funzioni biologiche di questa importante proteina. Abbiamo applicato thermophoresis microscala per determinare affinità relative di STAT3 a GAS e AT-ricco oligonucleotide S 100 (Figura 4). Protocollo pressoché identico è stato utilizzato per la determinazione K D per il legame di un ligando diverso STAT3, un inibitore lipopeptide. 14 N. vincolante per un fattore di trascrizione correlato, GFP-STAT1 che è stato utilizzato come controllo negativo si poteva individuare confermando selettività di interazione. 14
1. Preparazione del lisato
Questo protocollo è destinato cellule aderenti esprimono alcuna proteina GFP-fusa. Numero di cellule necessarie possono variare da un minimo di 10 6 di ben 20 x 10 6 cellule, a seconda del livello di espressione della proteina. Per esempio, lisato di cellule HEK overexpressing GFP-STAT3 è stato preparato trattando cellule coltivate in fiasche T75 10 vicino al 70% di confluenza con 1 ml di tampone di lisi. Tuttavia, questo lisato stati diluiti 150 volte per fornire il livello ottimale di fluorescenza per esperimento MST. Protocollo di lisi cellulare dipende fortemente dalle proprietà e la localizzazione intracellulare della proteina in esame. Se si utilizza un detersivo è indesiderabile a causa dell'instabilità proteica, sonicazione descritta di seguito, potrebbe essere la scelta migliore. Diversi additivi possono essere aggiunti al tampone di lisi per prevenire reazioni di modificazione proteica: EDTA impedisce fosforilazione, vanadato sodico inibisce proteine fosfatasi tirosina, cosìdium fluoruro è un inibitore di Ser / Thr fosfatasi.
2. MST Buffer selezione e preparazione
3. Determinazione ottimale lisato di diluizione
4. Determinazione del legante ottimale range di concentrazione
Fare riferimento alla Technologies strumento Finder Concentrazione NanoTemper per il ligando concentrazione gamma di stima.
5. Preparazione del lisato e diluizioni Ligand
6. Microscala Thermophoresis Studi di rilegatura
7. Microscala Thermophoresis Data Analysis
Frazione legata (frazione di molecole in un complesso) = (Therm (C)-non legato) / (bound-legato), dove Therm (C) è thermophoresis misurato per la concentrazione di C, non legato è thermophoresis per lo stato non legato (quando le molecole sono non in un complesso), e legato viene thermophoresis per lo stato completamente legato.
Misurando l'affinità di non fosforilata STAT3 legame proteico oligonucleotidi.
Cellule HEK293 esprimenti STAT3-GFP sono stati utilizzati come fonte di fluorescente STAT3 per saggio di legame al DNA. I lisati cellulari sono stati preparati usando tampone RIPA (20x10 6 cellule / ml). Per studi di legame, i lisati sono stati diluiti con 150x MST tampone di legame al DNA per fornire il livello ottimale della proteina fluorescente nella reazione di legame (circa 20 nM). HEK293 cellule non transfettate sono state utilizzate per valutare fluorescenza di fondo, che si è rivelato essere non rilevabile anche nel lisato non diluito. Tuttavia, fluorescenza di fondo può essere più significativi in altri sistemi di espressione e deve quindi essere seguita. Titolazione serie composta da 11 miscele leganti e campione lisato senza il ligando è stato redatto. Ogni campione conteneva 15 microlitri di lisato cellulare diluito e 15 pl di oligonucleotidi soluzioni di varia concenioni. Composizione del buffer finale inclusa HEPES 25 mM, pH 7.2, 50 mM NaCl, 2,5 mM MgCl2, e 0,025% NP-40. I dati sono rilevati in capillari trattati serie su NT.115 strumento Monolith utilizzando il 50% di potenza IR-laser e sorgente di eccitazione a LED con λ = 470 nm a temperatura ambiente. Il legame di oligonucleotidi ad alta carica portato a cambiamenti significativi nel STAT3 mobilità nel gradiente di temperatura (Figura 2). Nella Figura 3, il segnale thermophoretic viene tracciata come funzione della concentrazione di oligonucleotidi. Ogni punto rappresenta la media di tre misurazioni. Software NanoTemper Analisi 1.2.20 è stato utilizzato per adattare i dati e per determinare i valori apparenti K D. Le apparenti costanti di dissociazione erano 37.9 ± 1.0 micron e 23,3 ± 0,6 micron per il gas e S 100, rispettivamente (Figura 4). Sostituzione di A-to-G comportato drammatica diminuzione di affinità S 100 mut # 1 (figura 4), mentre mutant S 100 mut # 2 non ha mostrato alcun rilevabile vincolante confermando così vincolante sequenza-selettivo di STAT3 a S 100. Sorprendentemente, S sequenze di 100 visualizzati leggermente più stretto legame di GAS in tre ripetizioni della misura.
Figura 1. Schema generale di questo esperimento. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 2. I dati non elaborati generati thermophoresis per l'interazione di GFP-STAT3 con AT-ricchi oligonucleotide. Diluito lisato containi ng 20 nM GFP-STAT3 è stato miscelato con quantità crescenti di oligonucleotide a doppio filamento (5'-AAAACAAAACGAAACAAACAAACTA) riportando le concentrazioni del ligando specificati. I dati sono stati raccolti a potenza laser 50% e il 100% a LED.
Figura 3. Curva vincolante generato dal software di analisi NanoTemper 1.2.231. Fluorescenza normalizzata (fluorescenza fluorescenza / iniziale caldo) è tracciata in funzione della concentrazione di oligonucleotidi. La proteina mostra un aumento della fluorescenza del bound rispetto allo stato non legato. I dati vengono montate con il metodo equazione Hill incorporato nel software di analisi NanoTemper.
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Figura 4. STAT3 vincolanti per gli oligonucleotidi con sequenze diverse. Microscala thermophoresis misure vincolanti di STAT3-GFP al gas (K D = 37.9 ± 1.0 mM), S 100 (K D = 23,3 ± 0,6 micron), S 100 mutante 1 (K D = 740 ± 21 micron), e S 100 mutante 2 (non vincolante). La concentrazione STAT3-GFP è stata mantenuta costante a circa 20 nM, e la concentrazione di oligonucleotidi varia 666-0,650 pM. La differenza di fluorescenza normalizzato [‰] viene tracciata come funzione della concentrazione oligonucleotide, e le curve vengono montate con il metodo Hill del software di analisi NanoTemper. Barre di errore rappresentano l'errore standard di tre misurazioni.
Espressione e purificazione di proteine è un passo laboriosa e costosa, che è, tuttavia, necessario per la determinazione delle interazioni 'K D dal metodo più usato. Applicazione del MST permette di evitare la purificazione di proteine così in modo significativo semplificare ed accelerare la caratterizzazione quantitativa delle interazioni. Esso presenta vantaggi particolarmente significativo nel caso di-to-esprimere difficili e purificare proteine, quali le proteine di membrana e fattori di trascrizione.
La maggiore limitazione e esigenza di MST è la capacità di esprimere una proteina come una fusione con la proteina fluorescente verde. Tuttavia, i costrutti di espressione di maggioranza delle proteine umane e di topo GFP-fuse sono disponibili in commercio. Proteine GFP-fusi sono anche ampiamente utilizzati per il traffico e studi di degradazione e, quindi, può servire "doveri matrimoniali" in combinazione con studi MST.
Oltre alla mancanza di necessità di proteina purification, uso molto economico di tutti i reagenti e insensibilità a lievi variazioni nella composizione del buffer, MST offre altri vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di K D determinazioni. A differenza di risonanza plasmonica di superficie, esperimenti MST-based in meno di 2 ore, consentono la determinazione di K D nella gamma più ampia e non soffrono di superficie artefatti immobilizzazione. Per esempio, non abbiamo potuto determinare K D per STAT3 vincolante per oligonucleotidi di SPR, anche se abbiamo investito notevole quantità di fondi per l'acquisto di purificata STAT3 proteine. K D dell'interazione era troppo alto, che è spesso il caso per fattori di trascrizione, e cadde fuori campo di concentramento di esperimento SPR.
Titolazione calorimetria funziona solo per le interazioni che sono accompagnati da cambiamenti di entalpia. Questa limitazione esclude molti casi. Nel frattempo, i cambiamenti nella mobilità thermophoretic, anche se differiscono molto in valori disistemi fferent, si verificano per la stragrande maggioranza delle interazioni. Uno dei maggiori vantaggi di MST è che funziona in una varietà di buffer e tollera la presenza di detergenti, micelle e bicelle nel sistema. Questa proprietà consente di applicarlo a proteine di membrana che sono praticamente impossibili da studiare con altri mezzi. Tuttavia, l'attenzione deve essere usata per evitare le variazioni di detersivo e contenuti micelle e la composizione durante la titolazione con il ligando.
Va tenuto inoltre conto quando si utilizzano estratti cellulari che la proteina sotto studio può esistere nella sua forma nativa, che è spesso complessi con altre proteine, acidi nucleici, e cofattori. Così, affinità di legame può essere differente da quello per una proteina isolata non coinvolto in formazioni complesse. Sovraespressione permette frequentemente titolando i partner di interazione lasciando la maggior parte delle molecole della proteina studiata in stato non legato. Questo è un altro motivo per cercare di ragve molto elevati livelli di espressione della proteina GFP-fusa sulle cellule trasfezione. L'altro parametro di difficile controllo è modificazioni post-traduzionali che può anche aggiungere una significativa eterogeneità al sistema. Limitazione aggiuntiva sta studiando legame alle proteine e piccole molecole che sono presenti nei lisati cellulari in grandi quantità o molecole con un'ampia specificità e la bassa affinità che possono interagire con più proteine presenti nel lisato. Wienken, CJ, et al. hanno trovato che K D determinata da MST in E. Estratto coli era più di un ordine di grandezza superiore in un buffer per l'interazione di interferone gamma con anticorpi 9. L'effetto può essere stato in parte dovuto alla proteolisi poiché l'estratto aveva inibitori della proteasi. Legame con l'albumina sierica piccola molecola è stata trovata anche a cambiare K D in studi di interazione con MST 9.
L'efficacia di estrazione può differire anche per differeproteine nt seconda localizzazione intracellulare e proprietà fisico-chimiche. Così, è utile provare diversi lisi cellulare e condizioni di estrazione della proteina. Per le proteine citoplasmatiche, senza usare detergenti, solo ultrasuoni per rottura delle cellule produce spesso ottimi rendimenti e dati. Nel frattempo, le proteine di membrana richiedono più approfondita delle condizioni di estrazione, con concentrazioni variabili e la natura dei detersivi, micelle lipidiche, o bicelle. Contenuti detergente deve essere tenuto al minimo per evitare di influenzare affinità di legame.
Nonostante le limitazioni elencate, abbiamo trovato studi MST di non-proteine purificate GFP-fusi per essere molto comoda per la quantificazione delle affinità di legame per molte proteine e tipi di ligando. Non vi è dubbio che l'estensione del metodo in molti laboratori consentirà di ampliare ulteriormente le applicazioni di MST-based studi di legame proteico.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione. Il contenuto di questa pubblicazione non riflettono necessariamente le opinioni o le politiche del Dipartimento di Salute e Servizi Umani, né menzione di nomi commerciali, prodotti commerciali, o organizzazioni implica l'approvazione da parte del Governo degli Stati Uniti.
Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal programma di ricerca intramurale del NIH, National Cancer Institute, Centro per la Ricerca sul Cancro; accordo di collaborazione di ricerca tra NSC e Calidris Therapeutics, American Cancer Society concessione IRG 97-152-17 di OT, e fondi federali dal National Cancer Institute, NIH, sotto HHSN26120080001E contratto.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
RIPA buffer | Millipore | 20-188 | Other manufacturer's buffers work as well |
Protease inhibitors cocktail | Sigma-Aldrich | P2714 | |
Monolith NT.115 | NanoTemper Technologies GmbH | G008 | |
Monolith NT.115 Capillary Tray | NanoTemper Technologies GmbH | T001 | |
Monolith NT.115 Standard Treated Capillaries | NanoTemper Technologies GmbH | K002 | |
NT Control software | NanoTemper Technologies GmbH | 2.0.2.29 | |
NT Analysis software | NanoTemper Technologies GmbH | 1.4.27 | |
Table-top refrigerated centrifuge | Eppendorf | 5417R | Other microtube refrigerated centrifuges providing |
Protein LoBind Tube 0.5 ml | Eppendorf | 22431064 |
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