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Cell Surface Signalling Laboratory, Wellcome Trust Sanger Institute
Kerr, J. S., Wright, G. J. Avidity-based Extracellular Interaction Screening (AVEXIS) for the Scalable Detection of Low-affinity Extracellular Receptor-Ligand Interactions. J. Vis. Exp. (61), e3881, doi:10.3791/3881 (2012).
ProteÃna extracelular: interações entre proteÃnas secretadas ou de membrana ancoradas proteÃnas são fundamentais para a coesão de iniciar a comunicação intercelular e garantir dentro de organismos multicelulares. ProteÃnas predito para formar interacções extracelulares são codificados por aproximadamente um quarto de genes humanos 1, mas apesar da sua importância e abundância, a maioria destas proteÃnas não têm documentado parceiro de ligação. Primeiramente, isto é, devido à sua intratabilidade bioquÃmica: proteÃnas de membrana-incorporados são difÃceis de solubilizar na sua conformação nativa e conter estruturalmente importantes modificações pós-tradução. Além disso, as afinidades de interação entre proteÃnas receptoras são geralmente caracterizadas por força de interação extremamente baixas (meia-vida <1 segundo) que impossibilitam sua detecção com muitos comumente utilizados métodos de alto débito 2.
Aqui, nós descrevemos um ensaio, AVEXIS (avidez de base EXtracellular Interação Tela) que supera estes desafios técnicos que permitam a detecção de interações protéicas muito fraco (t 1/2 ≤ 0,1 seg), com uma baixa taxa de falsos positivos 3. O ensaio é executado geralmente num formato de alta taxa de transferência, para permitir o rastreio sistemático de muitos milhares de interacções em um formato conveniente de microtitulação de placa (Fig. 1). Baseia-se na produção de bibliotecas solúveis de proteÃnas recombinantes que contêm os fragmentos ectodomÃnio de receptores de superfÃcie celular ou proteÃnas secretadas dentro do qual a tela para interacções, portanto, esta abordagem é adequada para o tipo I, tipo II, a GPI-linked receptores da superfÃcie celular e secretada proteÃnas, mas não para as proteÃnas de membrana multipass tais como canais de iões ou transportadores.
As bibliotecas de proteÃnas recombinantes são produzidos usando um sistema de expressão conveniente e de alto nÃvel de mamÃfero 4, para assegurar que as modificações pós-tradução importantes, tais como glycosylação e ligações dissulfeto são adicionados. Expressas proteÃnas recombinantes são secretados para o meio e produzida em duas formas: uma isca biotinilado, que pode ser capturado em uma fase de estreptavidina-revestido sólido adequado para o rastreio, e uma enzima pentamerised-etiquetados presa (β-lactamase). A isca e as proteÃnas são apresentados presas umas à s outras de uma forma binária para detectar interacções directas entre eles, semelhantes a um ELISA convencional (Fig. 1). O pentamerisation das proteÃnas no presa é conseguido através de uma sequência peptÃdica da proteÃna matriz da cartilagem oligomérico (COMP) e aumenta a concentração local de ectodomÃnios proporcionando assim ganhos de avidez significativas para permitir interacções mesmo muito transientes a ser detectado. Normalizando as actividades de ambos isca e presa a nÃveis predeterminados antes de rastreio, que mostraram que as interacções com monoméricos meias-vidas de 0,1 seg pode ser detectada com baixas taxas de falsos positivos 3.
1. Compilando uma biblioteca de Bait and Prey expressão plasmÃdeo Vetores
2. Prey e Expressão da proteÃna-Bait
Usamosum sistema de expressão de alto nÃvel conveniente usando cultura de suspensão da linha de células HEK293E 4 para produzir bibliotecas de nossa proteÃna, mas qualquer sistema de expressão de mamÃfero deve ser apropriada. Uma alternativa comercialmente disponÃvel é o sistema de Freestyle. As células são rotineiramente cultivadas em uma plataforma de agitação (125 rpm) a 37 ° C, 5% de CO2 a 70% de humidade relativa. ProteÃnas de controle positivos e negativos devem ser expressas. O rato Cd4d3 4 tag fragmento somente está disponÃvel como isca e presa e são adequados controles negativos. Da mesma forma, isca presa e vetores que codificam um controlo positivo estão disponÃveis (Addgene); que normalmente usam o rato Cd200-Cd200R interação 8.
[Dica: Bait e proteÃna presas deve ser armazenado diluÃdo a 4 ° C e como uma diretriz geral deve ser usado dentro de um ano. Adicionar bacteriostáticos, tais como 50 ug / mL polimixina B sulfato ou 10 mM de NaN3 para evitar a contaminação bacteriana dos sobrenadantes.]
3. A normalização do Isca e amostras rapina
Uma das caracterÃsticas essenciais do ensaio AVEXIS é que, porque as proteÃnas recombinantes são secretadas podem ser diluÃdo ou concentrado (normalizado) para dentro de actividades de limiar estabelecido antes de serem utilizados no ensaio. Verificou-se que os nÃveis em que as proteÃnas recombinantes são expressos abrangem uma grande variedade - até 4 ordens de magnitude - e assim o passo de normalização reduz significativamente o número de falsos positivos durante as telas.
3,1 normalização Bait
Nota: não conjugada D-biotina deve ser removido a partir do suporte (tipicamente por diálise) uma vez que irá competir com a bai biotiniladot proteÃna para a ligação a estreptavidina sÃtios de ligação.
[Tip: Nós descobrimos que a diálise suficiente é normalmente conseguido por 6 x 50 mL sobrenadantes de isca contra um volume de 4,5 L de PBS com 4 mudanças ao longo de um perÃodo de 24 horas. Diálise insuficiente pode ser observada por um inibição da ligação da proteÃna em diluições baixas durante o passo de normalização isca (Fig. 3A).
3,2 normalização Prey
4. AVEXIS Procedimento de Triagem
[Dica: para remover qualquer tampão de lavagem residual após as etapas de lavagem, a placa é aproveitado - energicamente - em toalhas de papel]
[Tip: interacções positivas são geralmente observadas no prazo de 2 horas à temperatura ambiente, embora as chapas devem ser colocadas a 4 ° C durante 16 horas para garantir que todos os potenciais interacções são detectados. Descobrimos também que nitrocefina precipitado e imperfeições no plástico da placa de microtitulação tais como riscos / impressões digitais podem ocasionalmente levar a artefatuais falsos positivos a 485 nm, apesar de não hidrólise nitrocefina evidente. Portanto, é aconselhável para tirar fotos das placas para registrar visualmente volume de negócios nitrocefin nos poços.]
5. Os resultados representativos
Um exemplo representativo de uma placa de rastreio AVEXIS é mostrado na Figura 4. Deve-se observar hidrólise (amarelo para vermelho) do substrato nitrocefina nocontrolo positivo poços (tanto o mediada por anticorpo de controlo de captura de presas e também a interacção de controlo positivo) dentro de cerca de 10 minutos. Algumas interações dentro da tela também são observados dentro dessa escala de tempo, mas outros podem demorar mais tempo (algumas horas) para aparecer. Tipicamente, uma taxa de sucesso de cerca de 0,4-0,6% (uma interacção positiva para cada 150-250 interacções a ser rastreados) é tÃpica, dependendo das bibliotecas de proteÃna a ser rastreados.

Figura 1. Identificação de interacções receptor-ligando que medeiam os processos de reconhecimento celular usando AVEXIS. O esquema mostra duas células interagindo (A e B) troca de informações através das interações realizadas entre as proteÃnas de membrana incorporadas receptores. AVEXIS é um ensaio de interacção proteÃna escalável especificamente concebidos para identificar novos pares receptor-ligando que são caracterizadas por forças de interacção muito fracas. Recombinante parabibliotecas de proteÃnas luble representando o ectodomÃnio totalidade do repertório de receptor na superfÃcie celular de ambas as células são compilados quer como pentamérica presas β-lactamase marcados (tipo de célula A) ou monoméricos iscos marcado com biotina (para B tipo de célula). O pentamerisation das presas aumenta a concentração local de ectodomÃnios para efectuar um ganho de avidez geral de modo que as interacções mesmo muito transientes podem ser detectadas. A biblioteca isca é vestida em estreptavidina placas revestidas e sistematicamente sondado para interacções com as proteÃnas presas. Depois de uma lavagem breve, quaisquer presas capturadas são detectados utilizando a actividade β-lactamase associado com a presa.

Figura 2. Bait e design construção presa. (A) A proteÃna do receptor de rato Cd200 é fornecido como um exemplo de como os ectodomÃnios inteiras de proteÃnas de células de receptor de superfÃcie são determinados e os iniciadores são concebidos para tornar tanto iscae expressão construções presas. A sequência da proteÃna traduzida de cDNA e são mostrados a partir do péptido de sinal N-terminal para a membrana-medindo região transmembranar de rato Cd200. Um iniciador de sentido é concebido de modo a incluir um 5 'Notl sÃtio de enzima de restrição ea sequência de Kozak óptima seguido por 25 bases da sequência correspondência exacta para a sequência de cDNA Cd200. O iniciador anti-sentido contém um local de Asei e 25 bases da sequência correspondência exacta localizado imediatamente a montante do resÃduo seleccionado ectodomÃnio truncamento. Para manter o ectodomÃnio no quadro com o rato Cd4d3 4 tag, o local de Asei deve traduzir como Gly-Ala-Pro. (B) representações esquemáticas da isca e construções de expressão presas. Cada um contém ectodomÃnios receptores ladeado por Notl e sites de ascos e uma etiqueta de 4 Cd4d3. Os iscos conter uma sequência de peptÃdeo C-terminal que pode ser especificamente monobiotinylated por cotransfecção com um plasmÃdeo expressando um secretada enzima BirA. As presas são seguidos pela seqüência pentamerisationa partir da proteÃna da matriz da cartilagem oligomérico (COMP) ea enzima β-lactamase.

Figura 3. Normalização da isca e proteÃnas presas. (A) exemplos representativos de normalização isca. Uma série de diluições de quatro diferentes sobrenadantes de isco dialisados ​​foram detectados por ELISA utilizando um anticorpo anti-CD4 tag monoclonal. Os quatro iscas são expressos em diferentes nÃveis 1> 2> 3> 4. Iscos devem ser normalizados para um nÃvel de limiar que satura os locais de ligação de biotina em cada poço. Iscos altamente expressos podem ser diluÃdas para conservar a proteÃna (por exemplo, um isco pode ser diluÃdo ~ 1:100), e iscos mal-expressas concentrou-se. Leituras diminuÃram em diluições de baixo custo são, por vezes, observada em alguns iscos (por exemplo, a isca 2) que é atribuÃvel à presença de D-biotina não conjugada devido à diálise incompleta. (B) Os nÃveis em que atacam as proteÃnas são expressionado é quantificado utilizando a taxa de hidrólise de um substrato β-lactamase, nitrocefina. No exemplo mostrado, os três presas são expressos em nÃveis diferentes: 1 presa> 2> 3. Presas devem ser normalizados para uma actividade de ~ 2 nmol min -1, o que corresponde a completar a hidrólise de 14,5 nmol nitrocefina em ~ 7 minutos (por exemplo, presa 1). As presas outros neste exemplo deve ser concentrado antes da utilização na triagem.

Figura 4. Triagem representativas resultados AVEXIS. (A) Uma fotografia de uma placa representativa triagem AVEXIS. A proteÃna está presa sondado contra 41 iscas diferentes e uma interação positiva é detectada em E2 também. Controlos utilizados nas placas de rastreio incluem: um anticorpo anti-CD4 biotinilado para capturar toda a proteÃna a presa adicionado ao poço (G6), uma interacção de controlo: rato Cd200 (isco)-Cd200R (presas) com o Cd200R presas utilizadas na diluição limite (H3), 1:10 (H4) e 1:100 (H5). Controles negativos foram: a Cd4d3 4 isca sondado com a proteÃna presa sendo exibido (H1) ea presa Cd200R (H2). (B) Quantificação dos valores de absorvância de a mesma tela realizada em triplicado. Os pontos de dados são a média ± DP.
Quando células vivas são observados in vivo, suas membranas plasmáticas exibem comportamentos altamente dinâmicos: ampliação e processos de membrana de retracção como contatar e se comunicar com seus 2 vizinhos. As interacções fÃsicas entre as proteÃnas de membrana incorporados receptores que medeiam muitos destes contactos evoluÃram para ser extremamente fraca, de modo a permitir que este comportamento altamente móveis. Estimou-se que as forças de interacção monoméricas como fraco como 50 uM poderia ser suficiente para impulsionar as interacções espontâneas em densidades de receptores fisiológicos 9, o que torna a detecção de interacções novos extremamente desafiantes 2,10. O método AVEXIS aqui descrito fornece um método sensÃvel para a detecção de proteÃna extracelular transitória: interações protéicas que podem ser implementadas de uma forma escalável com uma baixa taxa de falsos positivos. Enquanto outros métodos escaláveis ​​têm sido desenvolvidos para detectar interacções extracelulares 11-15,Uma vantagem de AVEXIS é que os parâmetros experimentais, tais como a isca e actividades de presas foram quantificados para detectar mesmo os mais fracos das interacções (t 1/2 ≤ 0,1 s), mantendo uma baixa taxa de falsos positivos 3. Além disso, os procedimentos de preparação simplificados e robustos amostra permitiram este ensaio a ser implementado em uma escala muito maior do que outros ensaios e recentemente descrita uma tela de interação sistemática, totalizando mais de 16.500 potenciais interacções do ~ 16.
O ensaio pode ser realizado em qualquer proteÃna para a qual é possÃvel expressar um fragmento de proteÃna recombinante solúvel. Este inclui, portanto, as proteÃnas que contêm um péptido de sinal N-terminal, tal como o tipo I, IGP-ligados e secretada proteÃnas. Recentemente, concebemos um conjunto de vetores que agora nos permitem expressar proteÃnas do tipo II como iscas 17. O ensaio não é geralmente adequado para proteÃnas de membrana, tais como multipass transportador de iõess ou bombas, uma vez que não são susceptÃveis de ser correctamente dobrada fora do contexto de uma membrana plasmática. Temos aplicado este a uma variedade de diferentes sistemas e com êxito expressaram proteÃnas extracelulares a partir de peixe-zebra 3,16,18, humano, rato e P. falciparum para telas de interação.
Em termos de os recursos necessários para configurar uma tela AVEXIS, nós descobrimos que um gargalo significativo é a selecção de construção, e sequenciação completa dos plasmÃdeos de expressão. Este aspecto do método pode levar até um ano para fazer ~ isca 100 e construções de presa, no entanto, com o custo decrescente de sÃntese de genes, que agora favorecer comercialmente terceirizando este aspecto do projecto. O sistema de expressão de mamÃfero em conjunto com uma grande agitação de cultura de tecidos incubadora (usamos um INFORS HT celular Multitron) permite um único pesquisador para expressar e normalizar até ~ 100 isca e proteÃnas de presas de um mês. Uma vez que as proteÃnas são produzidas e normalizados, screening para interacções é rápida, com até 12 placas de 96 poços a ser convenientemente transformados por dia. O equipamento apenas por medida que têm desenvolvido para facilitar a produção de um número tão grande de proteÃnas é um comprimido pistão de ar de propulsão, que é utilizada para passar até cinco sobrenadantes através de um filtro 0.22μm em paralelo.
A classe principal de interacções que podem ser perdidas, quando comparado com as interacções esperados a partir da literatura (falsos negativos) são interacções homofÃlico, embora alguns destes interacções podem ser detectados 3. Nos casos em que as interacções esperados não são detectados, acreditamos que isto é devido à formação de interacções homofÃlico pelas proteÃnas de presa (uma presa "mascaramento" efeito) que, em seguida, impede interacções adicionais com proteÃnas de isco imobilizadas. A frequência com que as interacções são detectados depende do conteúdo da biblioteca de proteÃna a ser rastreada. Como um guia para o leitor, uma tela de> 30, 000 interacções dentro da superfamÃlia das imunoglobulinas do peixe-zebra resultou em 188 positivos - uma frequência de 0,6% 3,16,18. Uma verificação muito rápida que pode ser realizada para verificar todos os acessos positivos é para determinar se a interacção pode ser detectada em ambas as orientações isca-presa, isto é, a mesma interacção pode ser detectada independentemente do facto de as proteÃnas de ligação estão presentes tanto como isco um ou uma presa. Sempre que têm observado este comportamento reciprocidade, a ligação foi subsequentemente demonstrado ser especÃfico, demonstrando ligação saturável directa de proteÃnas purificadas utilizando ressonância plasmon de superfÃcie. Ressalte-se que pelo fato de aumentar a avidez de ligação por artificialmente pentamerising as proteÃnas presas, nós não consideramos o teste apropriado para comparar quantitativamente força de interação. Para obter biofÃsicos parâmetros de ligação de interações que usamos proteÃnas monoméricas e ressonância plasmon de superfÃcie. Finalmente, uma vez uma interacção tenha sido identificada, o oinatureza rendimento gh do ensaio torna relativamente fácil de se adaptar o ensaio a tela para reagentes tais como anticorpos ou moléculas pequenas que bloqueiam a interacção.
Os autores não têm nada a revelar.
Este trabalho foi financiado pelo Wellcome número conceder confiança [077108] atribuÃdo ao GJW.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Freestyle media | Invitrogen | 12338018 | |
| Nitrocefin | Calbiochem | 484400 | |
| SA-coated microtitre plates | Nalge Nunc international | 734-1284 | |
| OX68 antibody | AbD Serotec | MCA1022R | |
| Dialysis tubing | Pierce, Thermo Scientific | PN68100 | |
| Polymyxin B | Sigma-Aldrich | P4932 | |
| D-biotin | Sigma-Aldrich | B4639-5G | |
| Substrate-104 | Sigma-Aldrich | 1040-506 | |
| Vivaspin-20 centrifugal concentrators | Sartorius AG | VS2002 | |
| 0.22 µm filters | Nalge Nunc international | 190-2520 |