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Biology

Ermittlung von Protein-Protein-Interaktionsstellen unter Verwendung von Peptid-Arrays

Published: November 18, 2014 doi: 10.3791/52097

Abstract

Protein-Protein-Wechselwirkungen vermitteln die meisten Prozesse in lebenden Zellen und die Kontrolle der Homöostase des Organismus. Impaired Protein-Interaktionen können in Krankheit führen, was Protein-Interaktionen wichtige Angriffspunkte für Arzneimittel. Es ist daher sehr wichtig, diese Interaktionen auf molekularer Ebene zu verstehen. Protein-Wechselwirkungen sind mit einer Vielzahl von Techniken, von der zellulären und biochemischen Tests, quantitative biophysikalische Assays untersucht, und diese können mit vollständigen Proteine ​​durchgeführt werden, entweder mit Proteindomänen oder mit Peptiden. Peptide dienen als ausgezeichnete Werkzeuge, um Protein-Wechselwirkungen zu studieren, da Peptide können leicht synthetisiert werden und ermöglichen die Konzentration auf bestimmte Interaktionsstellen. Peptidarrays ermöglichen die Identifizierung der Interaktionsstellen zwischen zwei Proteinen sowie Screening nach Peptiden, die das Zielprotein für therapeutische Zwecke binden. Sie erlauben auch einen hohen Durchsatz SAR-Studien. Zur Identifizierung der Bindungsstellen, eine typical Peptidanordnung enthält in der Regel teilweise überlappenden Peptiden 10-20 Resten der vollen Sequenzen von einem oder mehreren Partnerproteine ​​der gewünschten Zielprotein. Screenen des Arrays zur Bindung des Zielproteins zeigt die Bindungspeptide, die den Bindungsstellen in den Partnerproteine, in einer einfachen und schnellen Verfahren mit nur geringen Menge an Protein.

In diesem Artikel beschreiben wir ein Protokoll für das Screening von Peptidarrays für die Abbildung der Interaktionsstellen zwischen einem Zielprotein und seine Partner. Die Peptidanordnung ist auf der Basis der Sequenzen der Partnerproteine ​​unter Berücksichtigung ihrer Sekundärstruktur ausgebildet. Die in diesem Protokoll verwendeten Arrays waren Celluspots Arrays INTAVIS Bioanalytische Instrumente vorbereitet. Das Array wird blockiert, um unspezifische Bindung zu verhindern und anschließend mit dem untersuchten Protein inkubiert. Nachweis unter Verwendung eines Antikörpers offenbart die Bindungspeptide, die den spezifischen Wechselwirkungsstellen zwischen den Proteinen.

Introduction

Protein-Protein-Wechselwirkungen vermitteln die meisten Prozesse in der lebenden Zelle. Impaired Protein-Interaktionen können in Krankheit führen, was Protein-Interaktionen wichtige Angriffspunkte für Arzneimittel. Es ist daher sehr wichtig, diese Interaktionen auf molekularer Ebene zu verstehen. Protein-Wechselwirkungen sind mit einer Vielzahl von Techniken, von der zellulären und biochemischen Tests, quantitative biophysikalische Assays untersucht, und diese können mit vollständigen Proteine ​​durchgeführt werden, entweder mit Proteindomänen oder mit Peptiden. Peptide dienen als ausgezeichnete Werkzeuge, um Protein-Wechselwirkungen zu untersuchen. Dies ist, weil Peptide können leicht synthetisiert werden und ermöglichen die Fokussierung auf einen bestimmten Interaktionsstelle einerseits und auf mehreren Protein-Targets in einem Hochdurch Weise auf der anderen Seite 1,2. Peptidarray Screening ist eine schnelle, einfache Verfahren zur Gewinnung einer großen Menge von Daten über die Wechselwirkungen eines Zielproteins mit zahlreichen Partnern in einer kurzen Zeit durchzuführen 3. Im Gegensatz zu anderen biochemischen oder biophysikalischen Methoden zur Detektion und Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkungen, Peptid-Array-Screening erfordert eine sehr geringe Konzentration an Protein und sehr schwache Bindung zu detektieren. Peptid-Arrays können für viele Anwendungen in der Peptid-Protein-Wechselwirkungen, wie Mapping von Protein-Protein oder Rezeptor-Ligand-Interaktionsstellen 4, Homo- oder Hetero-Oligomerisierung Schnittstellen verwendet werden, kennzeichn Antikörper Epitope 5, studiert Enzymaktivitäten 6 und hohen Durchsatz struktur Aktivitäts-Beziehung (SAR) studiert 7. Für eine eingehende Bewertung Peptidarray Screening siehe Katz et al. 4

Verschiedene Arten von Peptidarrays existieren derzeit. Es gibt zwei Hauptstrategien für die Herstellung von synthetischen Peptidarrays: Synthese der Peptide vor der Befestigung an dem festen Träger oder der Synthese von Peptiden direkt an den festen Träger, vor allem mit Hilfe der SPOT-Technik 4,8. DiePeptide auf dem festen Träger in der Regel von 9-Fluorenylmethyloxycarbonyl (Fmoc) Chemie 8 synthetisiert. Unter den gemeinsamen Syntheseschemata sind Peptid Befestigung durch den N-Terminus (zB JPT Pepstar Arrays 9) und Peptid-Anlage durch den C-Terminus (zB PEPSCAN pepchip Arrays 10, JPT pepspot Arrays 9 und INTAVIS celluspot Arrays 11) 4. Der feste Träger kann variieren und damit auch die Chemie der Peptidkupplung zu. Cys-terminierten Peptide können über die Thiolgruppe 12 auf Glasobjektträgern befestigt werden. Der N-Terminus eines Peptids kovalent an eine Hydroxylgruppe an der Cellulose-Membran, durch Veresterung der Aminosäure gebunden befestigt 8.

Hier stellen wir ein detailliertes Protokoll für das Screening von Peptid-Arrays als ein Verfahren zur Untersuchung von Protein-Protein-Wechselwirkungen. Das Array verwendeten wir die Celluspots Array, das ein Mikroarray mit großen amo istunt von Flecken (Duplikate bis 384 Spots) auf einer kleinen Cellulosemembran durch einen Glasträger unterstützt. Dies ermöglicht das Arbeiten mit geringen Mengen an Protein und Antikörper und erhalten erhebliche Menge an Daten pro einzigen Experiment. Dieses Array enthält auch eine hohe Dichte, die Peptid-Detektion mit geringer Affinität bindenden ermöglicht. Das Array wurde zur Kartierung des STIL-CHFR Interaktion, die sehr wichtig für die normale Zellproliferation 13 Steuerung verwendet wird. Unkontrollierte Wechselwirkung zwischen den beiden Proteinen zur Entwicklung von Krebs. Durch die Abbildung dieser Wechselwirkung fanden wir die spezifische Bindungsstelle und Bindungsreste 14. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung rationeller Inhibitoren, die diese Protein-Protein-Wechselwirkung hemmen.

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Protocol

1. Entwerfen einer Peptidarray

  1. Teilen die Sequenz des Zielproteins in teilweise überlappenden Peptiden 10-20 Resten. Variieren Sie die Größe der Überlappung von der spezifischen Experiment und die Ressourcen der Durchführung Labor, aber im Prinzip, je länger die Überlappung, desto besser. Bei der Gestaltung der Peptide Berücksichtigung bekannter Sekundärstrukturelemente in das Protein, das für die Interaktion verantwortlich sein kann dauern.
  2. Bestellen Sie die entworfen Peptidarray durch kommerzielle Anbieter. Hierbei kann die Verwendung Peptide kovalent an die Anordnung durch den C-Terminus gebunden ist.

2. Blockieren nicht-spezifischer Bindung

  1. Einen 50 mM Tris oder Phosphat-Pufferlösung, enthaltend 0,05% Tween 20 (TBST / PBST) und Anpassung an den gewünschten pH-Wert mit einer abgemessenen Menge von HCl oder NaOH (um die exakte Ionenstärke weiß) und die gewünschte Ionenstärke mit NaCl . Hier verwenden einen pH-Wert von 7,5 und eine Ionenstärke von 150 mM.
  2. Machen Sie eine Blockierungslösung von2,5% (w / v) Magermilchpulver in TBST / PBST.
  3. Um unspezifische Bindung zu vermeiden, tauchen Sie das Array in 5 ml Blockierungslösung. Inkubieren des Arrays für 2-4 h bei Raumtemperatur oder über Nacht bei 4 ºC auf einem Schüttler.

3. Inkubation mit dem Protein

  1. Zuerst mit 5 ml Blockierungslösung für 30 Sekunden und dann zweimal mit 5 ml TBST / PBST für 5 min auf einem Schüttler bei Raumtemperatur Waschen des Arrays.
  2. Inkubieren der gewaschenen Array mit 5 ml His-tagged Protein-Lösung, die 2,5% (w / v) Magermilchpulver zu verhindern, nicht-spezifische Bindung. Hier verwenden 4,5 & mgr; M-Protein-Lösung (STIL 500-650) in der beschriebenen Blockierungslösung gelöst.
    HINWEIS: In der Regel 5-10 & mgr; M-Protein für das Screening verwendet werden, aber die Proteinkonzentration kann sogar so niedrig wie 2-3 & mgr; M, abhängig von der Bindungsaffinität und die lokalen Konzentrationen der Peptide, die auf dem Array gebunden (Effizienz der Synthese). Der Puffer, in dem das Proteinaufgelöst wird, kann variieren, ist aber üblich, die Protein verdünnt unter Verwendung des gleichen oben beschriebenen Blockierungslösung.
  3. Inkubieren der Anordnung in der Proteinlösung für 3-8 h bei Raumtemperatur oder über Nacht bei 4 ºC.

4. Inkubation mit dem Antikörper

  1. Dreimal mit 5 ml TBST / PBST waschen Array. Die erste Wäsche wird für 30 sec, gefolgt von zwei Wäschen 5 min am Schüttler bei Raumtemperatur.
  2. Inkubieren der gewaschenen Array mit 5 ml der verdünnten HRP-konjugiertem Antikörper (1: 1500) in einem Inkubationspuffer, der die gleichen Bestandteile enthält, in den gleichen Konzentrationen als Blockierungslösung für 1 Stunde auf einem Schüttler bei Raumtemperatur. Der Antikörper kann entweder das Zielprotein oder den Tag bindet.
  3. Kontrollexperimente durchzuführen Testen der Wechselwirkung des Antikörpers mit Peptiden, die auf der Anordnung, insbesondere dann, wenn das Array Peptide von dem Zielprotein (zB zur Oligomerisierung Studien) durch Wiederholung des gleichen Protokoll ohne step 3, Inkubation mit dem Protein.
  4. Dreimal mit 5 ml TBST / PBST waschen Array. Die erste Wäsche wird für 30 sec, gefolgt von zwei Wäschen 5 min am Schüttler bei Raumtemperatur.

5. Lesen Sie den Array

  1. Führen Sie Chemilumineszenz Entwicklung mit einer ECL-Western-Blot-Substrat-Kit.
  2. Führen Sie die Erkennung mit einem Leucht Bildanalysators.
  3. Analysieren Sie die Ergebnisse. Stellen Sie sicher, dass beide Duplikate auf dem Array zeigen die gleichen Signale, so dass die Ergebnisse zuverlässig sind. Wenn die Struktur der Proteinpartner bekannt ist, suchen auf der Struktur um die Bindungspeptide und nach den Bindungsstellen. Auch Peptide, die weit in der Sequenz sind nahe beieinander in der Tertiärstruktur und schaffen eine Bindungsstelle.

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Representative Results

STIL ist ein sehr wichtiger zentrosomalen Protein. Es steuert die normale Zellteilung und Zellproliferation 13,15 - 19. STIL interagiert mit mehreren Proteinen, 18,20,21, und die meisten Interaktionen durch seinen zentralen Teil, die ein intrinsisch ungeordneten Bereich (IDR) 14 auf. Wir haben eine Reihe von Peptiden aus dem STIL Bindungsprotein CHFR abgeleitet sind. CHFR ist ein Tumorsuppressor, der in Reaktion auf Stress induzierten mitotischen 22. Da die Struktur der Bindungsdomäne von STIL CHFR unbekannt war zu dem Zeitpunkt, teilten wir die Proteindomäne zu 15 Reste langen Peptiden mit Überlappung von 7 Resten, wie im Schritt 1.1 in dem Protokoll beschrieben. Wir führten eine Peptidarray Screening zur Identifizierung der CHFR-STIL Bindungsstellen, wie in dem obigen Protokoll beschrieben und in 1 dargestellt. Wir verwendeten eine INTAVIS Celluspot Array von 384 Peptiden in Duplikaten zusammengesetzt, die eine liefern kann riesige Informationsmenge, wie in Figur 2 gezeigt. Unter Verwendung dieser Peptidanordnung fanden wir die Bindungsstellen für STIL in seinem Bindungsprotein CHFR (Abbildung 3). Jeder schwarze Punkt im Array stellt eine CHFR abgeleitetes Peptid, das STIL gebunden. Beachten Sie, dass jedes Peptid erscheint zweimal, da es in zweifacher Ausfertigung, die die Zuverlässigkeit der Ergebnisse überprüft existiert. Die Wechselwirkung zwischen STIL und CHFR wurde zuvor auf der Proteinebene nachgewiesen 13,14. Die Peptidanordnung Screening ergab 7 CHFR abgeleitete Peptide, STIL IDR gebundenen Resten 500-650 (Abbildung 3, Amartely et al. 14). Diese Ergebnisse konnten wir die Bindungsstelle von STIL auf CHFR abzubilden. Trotz der Entfernung von diesen 7 Peptide auf CHFR Primärsequenz schaffen sie eine wohldefinierte Bindungsstelle für STIL in CHFR (Abbildung 4) 14.

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Abbildung 1: Ein Schema der Peptidarray Screening A- Entwerfen einer Peptid-Array, das von teilweise überlappenden Peptiden aus einer oder mehreren Partner Proteinen abgeleitet besteht, unter Berücksichtigung ihrer Sekundärstrukturen;. B- Inkubation mit dem Zielprotein; C- Inkubation mit einem Antikörper für den Nachweis; D- Erkennung (durch Chemilumineszenz, Fluoreszenz, usw. durchgeführt werden); E- Analyse der Ergebnisse der Proteinbindungsstellen zu offenbaren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2:. Ein Beispiel Peptidarray Screening Erkennung anhand Chemilumineszenz erreicht Die Folie enthält zwei identische Arrays als Duplikate..es / ftp_upload / 52.097 / 52097fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3: Screening einer Peptidarray für die Bindung von STIL IDR zu CHFR Protein: 4,5 um His-STIL 500-650 wurde für die Bindung des Array gescreent. Jeder schwarze Punkt weist auf die Bindung zwischen dem STIL-Fragment und dem CHFR abgeleitetes Peptid 14. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 4
Abbildung 4: Die STIL-Bindungsstelle in CHFR über die Struktur des CHFR Cys reiche Domäne gezeigt (Reste 424-661, PDB ID: 2XPO) Die sieben.Peptide, STIL in der Peptidarray Screening gebunden werden können, um drei Bereiche farbig rosa, orange und rot, die ferne in der Primärsequenz sind, aber nahe beieinander in der 3D-Struktur schaffen eine Bindungsstelle eingeteilt werden. Das Full-Region bildet eine Bindungstasche für STIL im Dimer CHFR 14. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Peptidarray-Screening ist ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Identifizierung der Bindungsstellen eines Zielproteins in seine Partner. Dieser Test ist schnell und einfach durchzuführen und die Ergebnisse können in einem oder zwei Tagen erhalten werden. Peptidarray Screening ist vielseitig und kann für viele Zwecke verwendet werden. Es kann für die Charakterisierung von Übersetzungs- Modifikationen wie Phosphorylierung und Identifizieren Substrate von Kinasen eingesetzt werden. Zum Beispiel: der FLT3-Kinase, die verwandt ist mit myeloischer Leukämie akut, phosphoryliert Tyr haltigen Substrat Peptide durch ein Peptidarray Screening 6 gefunden. Die hemmenden Eigenschaften der Tyrosinkinase-Inhibitoren und pazopanib Lapatinib wurde mit Peptidanordnung 23 Screening getestet. Peptide Array kann verwendet werden, um die Websites, die Protein-Protein-Wechselwirkungen vermitteln zu identifizieren. Beispiele für solche Proteine ​​untersucht in unserem Labor unter Verwendung dieses Verfahrens sind: die Wechselwirkung zwischen dem HIV-1-Vif-Protein und Zell A3G Protein wurde uns gekennzeichneting ein Peptidarray 24; Peptidarray Screening wurde verwendet, um die Wechselwirkungen des anti-apoptotischen BCL-2-Familie mit der pro-apoptotischen Proteins ASPP2 25 zu prüfen und zu untersuchen, die Bindung von TBID, einem Mitglied der BCL-2-Familie, mit der mitochondrialen Protein MTCH2 26; die intramolekulare Wechselwirkung zwischen Myosin IIC Domänen wurde mit Peptidarray Screening 27 analysiert. Hier präsentieren wir ein Beispiel, wie wir früher Peptidarray Screening zur Identifizierung der Websites, die den STIL-CHFR Interaktion, ein Protein-Protein-Wechselwirkung bei der Proliferation und Krebs 14 wichtig zu vermitteln. Enthüllung des genauen Bindungsstelle kann als Grundlage für das rationale Design von Inhibitoren der studierte Interaktion dienen.

Die Peptidanordnung Screening keine quantitativen Assay. Es ist semi-quantitative da die Menge des Peptids in jeder Spot auf der Anordnung variiert aufgrund des Unterschieds in der Synthese-Ausbeute und Reinheit des Peptids. Dies wiederum hängt von der Peptide-Sequenz, Länge usw. die Variation in Ausbeute und Reinheit kann auch manchmal zu falsch negativen oder falsch positiven Ergebnissen führen. Vergleich der Intensitäten innerhalb desselben Arrays können hergestellt werden, was in semi-quantitativen Ranking. Aber solche Vergleich zwischen verschiedenen Arrays oder verschiedene Experimente mit der gleichen Anordnung ist nicht zuverlässig. Um die Bindung zu quantifizieren, sind die Peptide in der Peptidarray Screening gefunden synthetisiert und zur Bindung des Zielproteins mit biophysikalischen Methoden wie Fluoreszenz-Anisotropie, isotherme Titrationskalorimetrie (ITC), Oberflächenplasmonresonanz (SPR), etc. Solche Assays getestet werden, nicht immer empfindlich gegen schwache Bindung da sie eine hohe Konzentration des Proteins zu detektieren solchen Bindung. Die Peptidanordnung Screening andererseits sehr empfindlich auf eine schwache Bindung. Somit könnten einige der in dem Array-Screening beobachteten Wechselwirkungen beobachtet oder quantifiziert werden unter Verwendung von Verfahren wie Fluoreszenz anisot ropy 14. Die Tatsache, dass Peptid-Array-Screening erfordert sehr geringe Konzentrationen von Protein in Kombination mit der hohen Empfindlichkeit des Assays machen die Peptidanordnung eine nützliche Methode für das Screening von Protein-Peptid-Wechselwirkungen in einem breiten Bereich von Affinitäten.

Falsch negative Ergebnisse können auch aufgrund der Tatsache, daß lineare Peptide können nicht richtig repräsentieren die 3D-Struktur der Bindungsstelle im Protein sein. Dies ist jedoch nicht ein Problem mit intrinsisch ungeordneten Proteinen, die auch von Peptiden vertreten sind. Falsch positive Ergebnisse können auch durch Bindung des Antikörpers an die Anordnung verursacht werden. Dies kann durch Durchführen einer Kontrollexperiment wie im Protokoll Abschnitt 4.3 beschrieben, nachgewiesen werden. Falsch negative Ergebnisse können auch erhalten werden, wenn das Protein-Epitop, das durch den Antikörper erkannt wird, werden unbelichtete bei Bindung an den Peptidarray. Dieses Problem ist nicht üblich, kann aber durch Verwendung eines polyklonalen Antikörpers gegen das Protein, gelöst werden.

jove_content "> Die Peptidanordnung Screening kann auch zur Verbesserung der Führung Peptide, einschließlich Alanin-Scan und SAR-Studien 7 verwendet werden. Sobald die Bindungsstelle des Ziels bekannt ist, kann eine Anordnung auf der Grundlage seiner Sequenz mit mehreren Modifikationen einschließlich Austausch der jeweils ausgebildet werden Rest durch Alanin (Ala-Scan), um die wichtigen Reste für die Interaktion zu identifizieren. In einer ähnlichen Weise kann SAR-Studien durch Änderung verschiedener Eigenschaften der Bindungspeptide durchgeführt werden. Diese umfassen Variieren der Länge des Peptids ersetzt Reste durch das entsprechende D -Aminosäuren und andere Modifikationen, wie Methylierung, Glykosylierung und Ersatz von nicht-natürlichen Aminosäuren. Solche modifizierten Peptide, die alle auf einer Zielsequenz kann auf einem Array synthetisiert und zur Bindung des Zielproteins in einem schnellen und einfachen Versuch gescreent werden, , die eine Fülle von Informationen für das Verbessern eines potentiellen Inhibitors, und das Verständnis des molekularen Mechanismus der Wechselwirkung.

4 verwendet werden. Die hier beschriebene Peptidarray ist nur zum einmaligen Gebrauch und können nicht wiederverwendet werden.

Die hier vorgestellte Protokoll zeigt die breite Verwendbarkeit der Peptidarrays. Mit einem richtig ausgelegt Array können Bindungsstellen zwischen zwei Proteinen im Detail identifiziert werden. Sobald die Bindungsstelle wird auch dadurch kann es als Medikament zur Hemmung der Zielstelle für das relevante Protein-Protein-Wechselwirkung verwendet werden. Auf der Grundlage der bindenden Peptide im Array-Screening gefunden wird, kann hemmende kleine Moleküle entworfen und als Drogen Leitungen abgeschirmt werden.

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Acknowledgments

AF wurde durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrates des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Gemeinschaft unterstützt (FP7 / 2007-2013) / ERC Finanzhilfevereinbarung Nr 203.413 und von der Minerva-Zentrum für Bio-Hybridkomplex systems.HA und AI werden unterstützt durch das Dalia und Dan Maydan Fellowship für fortgeschrittene Studierende an der Hebräischen Universität von Jerusalem.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Peptide array INTAVIS Bioanalytical Instruments
His-probe Antibody (H-3) HRP Santa Cruz Biotechnology sc-8036 HRP
EZ-ECL Kit Biological industries 20-500-120
Skim Milk Becton, Dickinson and Company 232100
LAS-3000 camera  FUJI film

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References

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Amartely, H., Iosub-Amir, A., Friedler, A. Identifying Protein-protein Interaction Sites Using Peptide Arrays. J. Vis. Exp. (93), e52097, doi:10.3791/52097 (2014).

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