结合质谱技术的标签蛋白亲和纯化(APMS)是一种强大的方法,可用于系统性绘制蛋白质相互作用网络,并研究生物过程的分子机制基础。本文中,我们描述了一种为大肠杆菌(Escherichia coli)优化的连续肽段亲和纯化(SPA)APMS流程,该方法可用于分离和表征稳定的多蛋白复合物,即使起始时每个细胞中目标蛋白拷贝数很低,也能实现接近均一的纯化。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
结合质谱技术的标签蛋白亲和纯化(APMS)是一种强大的方法,可用于系统性绘制蛋白质相互作用网络,并研究生物过程的分子机制基础。本文中,我们描述了一种为大肠杆菌(Escherichia coli)优化的连续肽段亲和纯化(SPA)APMS流程,该方法可用于分离和表征稳定的多蛋白复合物,即使起始时每个细胞中目标蛋白拷贝数很低,也能实现接近均一的纯化。
由于大多数细胞过程由大分子组装体介导,系统性鉴定蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)以及多蛋白复合物的亚基组成,有助于揭示基因功能并加深对生物系统的理解1, 2。通过在接近生理条件下,基于染色体标记蛋白的亲和纯化联合质谱技术(APMS),大规模分离和表征内源性蛋白复合物,可高置信度地绘制出物理相互作用图谱。该方法已成功应用于进化上多样化的生物体,包括酵母、果蝇、线虫、哺乳动物细胞和细菌1-6。特别是,我们建立了一种C端连续肽段亲和(SPA)双标签系统,用于从培养的革兰氏阴性大肠杆菌(Escherichia coli)中亲和纯化天然蛋白复合物,所用宿主实验室菌株具有良好的遗传可操作性,适用于对原核生物基本生物学特征及保守过程进行全基因组水平的研究1, 2, 7。我们的SPA标签系统类似于最初为酵母开发的串联亲和纯化方法8, 9,包含一个钙调蛋白结合肽(CBP),其后接高度特异性的烟草蚀刻病毒(tobacco etch virus,TEV)蛋白酶切割位点以及三个FLAG表位重复序列(3X FLAG),从而实现两轮连续的亲和富集。在扩增标签盒后,编码SPA标签和可筛选标记的序列特异性线性PCR产物被整合并在DY330背景菌株中以C端融合形式同框表达,该菌株可被诱导瞬时表达高效的异源噬菌体λ重组系统10。随后使用钙调蛋白和抗FLAG亲和微珠进行两步纯化,能够高效且高选择性地从大规模培养物中回收即使丰度极低的蛋白复合物。再通过串联质谱技术,以高灵敏度(检测限达纳克级)鉴定稳定共纯化的蛋白质。
本文描述了我们通常用于系统性蛋白质标记、纯化及基于质谱分析大肠杆菌(E. coli)可溶性蛋白复合物的详细分步实验流程,该方法可放大规模,并有望适用于其他细菌物种,包括某些可进行重组工程操作的机会性病原体。所获得的物理相互作用常能揭示出有趣的意外组分和连接关系,提示新的作用机制。将蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)数据与其它分子关联数据(如遗传学(基因-基因)相互作用和基因组上下文(GC)预测)整合,有助于阐明生物通路中多蛋白复合物的全局分子组织结构。针对大肠杆菌(E. coli)构建的相互作用网络可用于深入了解目前功能注释尚不完善的其他微生物中同源基因产物的功能架构。
1. 基因特异性SPA标签的构建 大肠杆菌 DY330菌株
2. 培养与超声处理
3. 亲和纯化
4. 银染
5. 蛋白质水解与质谱样品制备
6. 使用 LTQ Orbitrap Velos 质谱仪进行蛋白质鉴定
使用LTQ Orbitrap Velos杂合型串联质谱仪鉴定分离复合物的多肽组分。Orbitrap具有卓越的分辨能力(>60,000 全宽半高(FWHM)和质量精度<2 ppm),以最大限度减少在对照纯化中检测到的无关非特异性背景污染物的 MS/MS 采样,而高速 Velos 离子阱组件则可通过电子转移解离和碰撞诱导解离两种模式检测并碎裂低丰度肽段。对获得的 MS/MS 谱图进行高置信度匹配,并将其映射至参考序列 大肠杆菌 使用 SEQUEST 等数据库搜索算法对蛋白质序列进行检索,并通过 STATQUEST 等概率算法对每条匹配序列进行评估11总谱图数量、肽段序列唯一性以及在阴性对照中检测到的常见背景污染物即模拟)纯化被认为可实现较低的经验性假阳性发现率。进行以下步骤以鉴定蛋白质:
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
当在对数生长期培养物中以内源水平表达的标记诱饵蛋白经亲和纯化后,将样品在银染凝胶上电泳,以观察所分离的稳定复合物中的各个多肽组分。我们还取另一部分亲和纯化的蛋白样品进行无凝胶串联质谱分析(LCMS),以鉴定相应的多肽序列。本亲和纯化质谱(APMS)方法的有效性通过RNA聚合酶(RNAP)和SufBCD铁硫(Fe-S)蛋白复合物组分的代表性SDS-PAGE分析结果加以展示,这些复合物系从 E. coli (图 1C 和 D). 两种均带有SPA标签的RNAP σ70 (RpoD) 和 YacL(一种功能未知的蛋白质)与核心 RNA 聚合酶(RNAP)特异性共纯化 例如α(RpoA)、β(RpoB)和β'(RpoC)亚基,以及RNA聚合酶循环因子(HepA)。与标记的RpoD不同,YacL还额外结合了一种重要的转录终止/抗终止因子(NusG),提示其在转录过程中具有特殊功能。我们还通过LCMS检测到若干其他较小的共纯化蛋白,这些蛋白在凝胶上不明显,包括RNA聚合酶ω亚基RpoZ,以及转录终止/抗终止因子NusA和NusD,分别与标记的RpoD或Yac...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
此处所述基于 SPA 的 APMS 方法的一个关键特点是,标记是在天然染色体环境中进行的,从而确保了正常的基因调控得以维持(i.e. 保留天然诱饵基因的启动子,因此表达水平不受干扰),并能够以接近内源性水平回收天然稳定结合的蛋白质复合物。通过在筛选标记中引入向外定向的启动子,还可避免操纵子极性问题。该 SPA 标记方法的效率足以将低丰度复合物的组分纯化至接近均一的程度,包括膜相关复合物,即使这些亚基在每个细菌细胞中的表达量仅有数个分子。总体而言,本方案可轻松扩展,用于在 E. coli 中大规模纯化大量标记的可溶性蛋白质,原则上也可适用于任何可通过重组工程实现标记的其他细菌物种,或具有天然高效转化能力的物种,例如近年来作为细菌遗传学新兴模式菌株的不动杆菌(Acinetobacter),该菌已被用于构建靶向基因敲除的菌株文库13。
大规模蛋白质组学方法存在一个主要问题,即会鉴定出大量非特异性的相互作用蛋白以及微量污染。尽管进行了两轮富集,我们常规的 SPA 纯化实验仍经常检测到常见的污染物,这些通常是高丰度的管家蛋白,例如核...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
未声明任何利益冲突。
本研究工作获得了加拿大创新基金会、基因组加拿大、安大略基因组研究所、安大略省创新部以及加拿大卫生研究院向 J.G. 和 A.E. 提供的资助。表达红色荧光的E. coli菌株DY330由唐纳德·L·库尔特(Donald L. Court,美国马里兰州弗雷德里克国家癌症研究所)惠赠。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 一、抗生素 | |||
| 卡那霉素 | Bioshop | #KAN201 | |
| 氨苄青霉素 | Bioshop | #AMP201 | |
| 2. 优质肉汤培养基 | |||
| 生物胰蛋白胨 | Bioshop | #TRP 402 | |
| 酵母提取物 | Bioshop | #YEX 555 | |
| 甘油 | Bioshop | #GLY 002 | |
| K2人类表型本体4 | Bioshop | #PPM 302 | |
| KH2PO4 | Bioshop | #PPM 303 | |
| 3. 细菌菌株与质粒 | |||
| DY330 | Yu 等人. (2000)10 | ||
| pJL148 | Zeghouf 等人. (2004)7 | ||
| 4. PCR与电泳试剂 | |||
| Taq DNA聚合酶 | 费马塔斯 | # EP0281 | |
| 10 X PCR缓冲液 | 费玛塔斯 | # EP0281 | |
| 10 mM dNTPs | 费马塔斯 | # EP0281 | |
| 25 mM MgCl2 | 费马塔斯 | # EP0281 | |
| 琼脂糖 | Bioshop | # AGA002 | |
| 上样缓冲液 | NEB | #B7021S | |
| 溴化乙锭 | Bioshop | # ETB444 | |
| 10X TBE缓冲液 | Thermo Scientific | #28355 | |
| Tris碱 | Bioshop | #TRS001 | |
| 硼酸 | Bioshop | #BOR001 | |
| 0.5 M EDTA(pH 8.0) | 西格玛 | # E6768 | |
| DNA 标准分子量标记 | NEB | #N3232L | |
| 5. 质粒提取与纯化试剂盒 | |||
| 质粒中量提取试剂盒 | Qiagen | #12143 | |
| QIAquick PCR 纯化试剂盒 | Qiagen | #28104 | |
| 6. PCR与转化实验设备 | |||
| 热循环仪 | BioRad | iCycler | |
| 琼脂糖凝胶电泳 | 伯乐(BioRad) | ||
| 电穿孔仪 | Bio-Rad | GenePulser II | |
| 0.2 cm 电穿孔比色皿 | Bio-Rad | ||
| 42 °C 水浴摇床 | Innova 3100 | ||
| Beckman Coulter TJ-25 离心机 | Beckman Coulter | TS-5.1-500 | |
| 32 °C Shaker | 美国新不伦瑞克科学公司 | ||
| 32 °C 大型 Shaker | 美国新不伦瑞克科学公司 | ||
| 32 °C板培养箱 | Fisher Scientific | ||
| 7. 电泳与蛋白质印迹 | |||
| 丙烯酰胺单体,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺 | Bio-Rad | #161-0125 | |
| 过硫酸铵 | Bioshop | # AMP001 | |
| 正丁醇 | 西格玛 | # B7906 | |
| TEMED | Bioshop | #TEM001 | |
| 沃特曼1号滤纸 | Fischer Scientific | #09-806A | |
| Mini Protean 3 电泳槽 | 伯乐(Bio-Rad) | #165-3301 | |
| iBlot凝胶转印装置 | Invitrogen | #IB1001 | |
| 硝酸纤维素膜 | Bio-Rad | #162-0115 | |
| 单克隆抗Flag M2抗体 | 西格玛 | #F3165 | |
| 辣根过氧化物酶 | Amersham | #NA931V | |
| 预染蛋白质分子量标准 | Bio-Rad | #161-0363 | |
| 化学发光试剂 | PIERCE | #1856136 | |
| 放射自显影胶片 | Clonex Corp | #CLEC810 | |
| 快速转印印迹纸 | 西格玛 | #P7796 | |
| C2 平台摇床 | 美国新不伦瑞克科学公司 | ||
| 8. 超声破碎设备与试剂 | |||
| 超声波破碎仪 | Branson Ultrasonic | #23395 | |
| NaCl | Bioshop | #SOD001 | |
| 蛋白酶抑制剂 | 罗氏 | #800-363-5887 | |
| 0.5 mM TCEP-HCl | Thermo Scientific | #20490 | |
| 9. 亲和纯化试剂与设备 | |||
| 0.8 x 4 cm Bio-Rad 聚丙烯柱 | Bio-Rad | #732-6008 | |
| Benzonase核酸酶 | Novagen | #70746 | |
| Anti-FLAG M2 琼脂糖珠 | Sigma | #A2220 | |
| 钙调蛋白-Sepharose珠 | GE Healthcare | #17-0529-01 | |
| TEV 蛋白酶 | Invitrogen | #12575-015 | |
| Triton X-100 | 西格玛 | #T9284 | |
| CaCl2 | Sigma | #C2661 | |
| EGTA | Sigma | #E3889 | |
| LabQuake 摇床 | Thermolyne | #59558 | |
| 10. 银染试剂 | |||
| 甲醇 | Bioshop | #MET302 | |
| 乙酸 | Bioshop | t#ACE222 | |
| 硫代硫酸钠 | 西格玛 | #S-7143 | |
| 硝酸银 | Fischer Scientific | #S181-100 | |
| 甲醛 | Bioshop | #FOR201 | |
| 碳酸钠 | Bioshop | #SOC512 | |
| 11. 蛋白质鉴定的试剂与设备 | |||
| 胰蛋白酶金,质谱级 | 普洛麦格 | # V5280 | |
| 50 mM NH₄HCO₃4HCO3 | Bioshop | #AMC555 | |
| 1 mM CaCl₂2 | Bioshop | #CCL302 | |
| 乙腈 | Sigma | #A998-4 | |
| 甲酸 | 西格玛 | #F0507 | |
| HPLC级水 | 西格玛 | #95304 | |
| 碘乙酰胺 | 西格玛 | #16125 | |
| Millipore Zip-Tip | 默克密理博 | # ZTC18M960 | |
| 约10厘米的3 μm Luna-C18 树脂 | Phenomenex | ||
| Proxeon nano HPLC 泵 | Thermo Fisher Scientific | ||
| LTQ Orbitrap Velos 质谱仪 | 赛默飞世尔科技 | ||
| 12. 实验器材 | |||
| 4升锥形瓶 | VWR | #89000-372 | |
| 50 ml 聚丙烯圆底离心管 | 任何供应商 | ||
| 1.5 ml 微型离心管 | 任何供应商 | ||
| 250 ml 锥形瓶 | VWR | #29140-045 | |
| 15 ml 无菌培养管 | Thermo Scientific | #366052 | |
| 冷冻管 | VWR | #479-3221 | |
| -80 °C 冷冻柜 | Fisher Scientific | #13-990-14 | |
| 真空浓缩系统 | Thermo Scientific | ||
| 缓冲液与溶液 1. 1 升超丰富肉汤(Terrific Broth,TB)培养基 11 g 生物胰蛋白胨 2. 钾盐储备液 1.5 M K2人类表型本体4 3. 超声缓冲液 20 mM Tris-HCl (pH 7.9) 4. AFC 缓冲液 30 mM Tris-HCl(pH 7.9) 5. TEV 裂解缓冲液 30 mM Tris-HCl(pH 7.9) 6. 钙调蛋白结合缓冲液 30 mM Tris-HCl (pH 7.9) 7. 钙调蛋白洗涤缓冲液 30 mM Tris-HCl pH 7.9 8. 钙调蛋白洗脱缓冲液 30 mM Tris-HCl (pH 7.9) 9. 显影液(1 L) 37% 甲醛 10. 消化缓冲液 50 mM NH₄HCO₃4HCO3 11. 润洗与平衡溶液 含0.1%甲酸的70%乙腈(ACN) 12. 洗涤液 100% H2O 在 0.1% 甲酸中 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。