串联亲和纯化(TAP)方法已广泛用于从细胞提取物(主要是真核细胞)中分离天然复合物,以进行蛋白质组学研究。本文介绍了一种经过优化的TAP方法实验方案,适用于为结构研究纯化天然复合物。
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串联亲和纯化(TAP)方法已广泛用于从细胞提取物(主要是真核细胞)中分离天然复合物,以进行蛋白质组学研究。本文介绍了一种经过优化的TAP方法实验方案,适用于为结构研究纯化天然复合物。
亲和纯化方法已成功用于分离天然复合物以进行蛋白质组学表征。复合物的结构异质性和一定程度的组成异质性通常不会阻碍此类研究的进展。相比之下,用于结构表征的复合物应以组成和结构均一的状态进行纯化,且所需浓度高于蛋白质组学分析的要求。近年来,在利用电子显微镜解析大分子复合物结构方面取得了显著进展,这使得人们对纯化适用于电子显微镜结构解析的高质量和高产量天然复合物的方法产生了更高的兴趣。串联亲和纯化(TAP)方法已被优化,可用于从酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中提取和纯化一个由18个亚基组成、分子量约为0.8 MDa的核糖核蛋白复合物,该复合物适用于负染和冷冻电子显微镜分析。本文详细介绍了对TAP方法所做的改进、进行这些修改的依据,以及评估复合物在组成和结构上均一性的相关策略。
许多重要的细胞过程由大型蛋白质复合物及蛋白质-RNA复合物完成1进行此类复合物的生物物理和结构研究时,一个重要的瓶颈是难以获得质量合适的样品即,均一性)并达到适当浓度。从天然来源分离复合物具有诸多优势,包括保留亚基相关的转录后和/或翻译后修饰,以及确保复合物正确组装。然而,大型细胞复合物在细胞中通常拷贝数较低,因此纯化过程必须具有高效率,并在接近生理条件下进行,以维持复合物的完整性。从真核生物来源纯化复合物尤其具有挑战性,且可能带来高昂的成本。因此,高效并能获得均一复合物的策略或方法备受期待。
一种成功用于从真核细胞中纯化天然复合物以进行初步表征的策略是串联亲和纯化(Tandem Affinity Purification, TAP)方法2,3。TAP方法最初设计用于从芽殖酵母(S. cerevisiae)中纯化与相互作用因子形成复合物的天然蛋白质2。该方法利用两个标签,这两个标签以串联方式融合至同一蛋白编码基因序列。所选标签旨在平衡与亲和树脂紧密结合和选择性结合的需求,同时尽可能维持接近生理状态的溶液条件。这种平衡有助于在纯化后保持标记蛋白与其相互作用因子之间的稳定相互作用,以便进一步表征。基因组整合的TAP标签被置于蛋白编码基因的末端(C端),包含一段编码钙调蛋白结合肽(Calmodulin Binding Peptide, CBP)的序列,后接蛋白A(Protein A),使标记蛋白分子量增加略超过20 kDa。CBP较短,仅含26个氨基酸,在钙离子存在下可被约17 kDa的钙调蛋白(Calmodulin, CaM)识别,解离常数KD约为10-9 M4。蛋白A标签较大,由两个58个残基的重复序列组成,其间含有一段短连接肽。每个58氨基酸重复序列均可被免疫球蛋白G(IgG)识别,解离常数KD ~ 10-8 M5。在这两个标签之间插入了烟草蚀刻病毒(Tobacco Etch Virus)来源的内切蛋白酶TEV的识别位点6,7。如图1所示,在该方法的第一步亲和纯化中,TAP标记蛋白通过蛋白A部分与IgG树脂结合。随后加入TEV蛋白酶,在柱上特异性切割两个标签之间的位点,从而洗脱目标蛋白。此步骤至关重要,因为IgG与蛋白A之间的相互作用非常强,只能在变性溶液条件下才能有效破坏。去除蛋白A标签后,目标蛋白可在钙离子存在下与钙调蛋白(CaM)树脂结合,并通过加入金属离子螯合剂EGTA(乙二醇四乙酸)从树脂上洗脱(图1)。
TAP 方法一经推出,便被应用于一项大规模研究,以绘制出复杂相互作用的“图谱” S. cerevisiae8重要的是,由于此项工作的成果,已获得一个完整的酵母TAP标签开放阅读框(ORF)文库以及多个单独的TAP标签ORF9 可从商业来源获得。因此,可以获取任意含有标记蛋白的酵母菌株,用于研究任何酵母复合物。TAP方法还推动了TAP标签的多种改进或变体,包括:将其应用于从其他真核细胞以及细菌细胞中纯化复合物10,11;一种设计 "分裂标签",其中蛋白质A和CBP被置于不同的蛋白质上12;并且改变了标签,以满足研究者的需求,例如该复合物对 Ca 的敏感性2+ 或 EGTA13.
近年来,仪器设备和实验方法的不断进步显著推动了电子显微镜(EM)在结构解析中的应用,使得大分子复合物的近原子分辨率成像成为可能14。然而,通过电子显微镜所能达到的分辨率仍取决于所研究复合物的质量。本研究采用TAP标签方法,从S. cerevisiae中纯化了U1 snRNP——一种由18个亚基组成(约0.8 MDa)、拷贝数较低、属于剪接体的核糖核蛋白复合物15,16。为获得均一且浓度足够的该复合物,已采取多个纯化步骤。文中描述了在纯化过程中各个阶段可能遇到的问题,并重点介绍了克服这些挑战的策略。通过对纯化各步骤进行细致评估与优化,最终获得的U1 snRNP在质量和数量上均适用于负染及冷冻电子显微镜(cryo-EM)研究。本文详细描述了一种用于结构研究中天然复合物纯化的优化TAP方法流程。
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注意:以下方案设计用于从 4 L 细胞培养物(约 40 g 湿重细胞)中纯化复合物。所有缓冲液配制完成后应于 4 °C 保存,并在配制后一个月内使用。还原剂和蛋白酶抑制剂仅在使用前加入缓冲液中。
1. 用于串联亲和纯化的全细胞提取物的制备
2. 柱纯化步骤 1:IgG 层析
3. 柱层析纯化步骤2:钙调蛋白亲和层析
4. 评估复合物质量的纯化后分析
5. 复合物储存
注意:某些应用中,去垢剂(如 NP-40)的存在及其浓度高于临界胶束浓度时,可能会阻碍或抑制实验进程。下文将讨论从方案中去除 NP-40 或以其他添加剂或共溶剂替代所带来的影响。若不希望使用 NP-40,可选择使用市售的去除产品,例如 Bio-beads。
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采用改进的TAP方法从小鼠酵母(S. cerevisiae)中纯化了U1 snRNP,这是一种由18个亚基组成的核糖核蛋白复合物。按照已发表的方案2,3 进行初始TAP纯化后,所得复合物表现出异质性,在银染的天然聚丙烯酰胺凝胶上呈现三条条带(图2A)。经过多轮TAP方法优化,最终获得的复合物在天然凝胶上主要以单一一条带迁移,表明其组装更为均一(图2A)。通过使用荧光染料分别对蛋白质和核酸进行染色,证实所纯化的复合物中同时存在这两类生物大分子(图2B)。
通过SDS-PAGE和TAP标签抗体的Western印迹分析纯化的复合物(图3A)。与天然凝胶结果一致,按照已发表方案纯化的复合物显示出TAP标签蛋白(Snu71)发生蛋白水解。然而,对TAP方法进行改进后,蛋白水解程度显著降低。...
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TAP 方法利用两种标签,在实现与亲和树脂紧密且特异性结合的同时,尽可能维持接近生理状态的溶液条件。这种平衡有助于在纯化后保持标签蛋白与其相互作用因子之间稳定结合,以便进行后续表征。此外,目前可从商业渠道获得单个 TAP 标签标记的开放阅读框(ORF),因此研究者可以获得任意含有标签蛋白的酵母菌株,用于研究任何酵母复合物。保持复合物完整性,以及能够利用资源测试复合物中不同亚基的标签蛋白在纯化中的应用,是采用 TAP 方法纯化天然复合物的两大优势。然而,原始的 TAP 方法实验流程并未设计用于确保所纯化的复合物在组成和结构上的均一性。因此,如上所述,TAP 方法已进行了相应的改进,以实现这一目标。
在TAP方法中,对多个步骤进行了评估,以确定纯化组成和结构均一复合物的最佳方法和条件。早期关键步骤之一是细胞裂解。该步骤需要在追求高产量(即最大程度裂解)与确保所获得复合物的高质量(即均一性)之间取得平衡。例如,探索了多种裂解酵母细胞的方法,包括使用珠磨仪、高剪切流体处理器和球磨机。使用成本较低的咖啡研磨机效率低于其他方法(裂解率为40 - 60%),但所分离和纯化的复合...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Nikolaus Grigorieff 提供的支持与建议。感谢 Anna Loveland、Axel Brilot、Chen Xu 和 Mike Rigney 在讨论及电镜技术方面给予的指导。本研究由美国国家科学基金会资助,项目编号 1157892。布兰迪斯大学电镜设施由美国国立卫生研究院资助项目 P01 GM62580 支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 酿酒酵母TAP标签菌株 | Open Biosystems | YSC1177 | 这是用于开发TAP实验方案的主要酵母菌株。其遗传背景为S288C: ATCC 201388: MATa, his3Δ1, leu2Δ0, met15Δ0, ura3Δ0, SNU71::TAP::HIS3MX6 |
| 咖啡研磨机 | Mr. Coffee | IDS77 | 用于细胞裂解 |
| 血细胞计数板,Bright Line | Hausser Scientific | 3120 | 用于评估细胞裂解程度 |
| JA 9.100离心转子 | Beckman Coulter, Inc. | 用于收集酵母细胞 | |
| JA 20固定角转子 | Beckman Coulter, Inc. | 用于去除细胞提取物中的不溶性细胞成分 | |
| Ti 60固定角转子 | Beckman Coulter, Inc. | 用于进一步澄清可溶性细胞提取物 | |
| 恒温混匀仪 | Eppendorf | R5355 | 温度可控的振荡器 |
| Novex凝胶电泳系统 | Thermo Fisher Scientific | ||
| IgG树脂 | GE Healthcare | 17-0969-01 | Sepharose 6 fast flow |
| 钙调蛋白树脂 | Agilent Technologies, Inc. | 214303 | 亲和树脂 |
| 蛋白酶抑制剂混合物,迷你片剂 | Sigma Aldrich | 589297 | mini cOmplete ultra EDTA-free片剂 |
| 蛋白酶抑制剂混合物,大号片剂 | Sigma Aldrich | 5892953 | cOmplete ultra EDTA-free片剂 |
| 苯甲基磺酰氟(PMSF) | 溶于异丙醇 | ||
| 2 ml Bio-spin层析柱 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | 7326008 | 用于填充和洗涤钙调蛋白树脂 |
| 10 ml poly-prep层析柱 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | 7311550 | 用于填充和洗涤IgG树脂 |
| 预制天然PAGE Bis-Tris凝胶 | Life Technologies | BN1002 | Novex NativePAGE Bis-Tris 4 - 16% 预制聚丙烯酰胺凝胶 |
| NativeMark蛋白标准品 | Thermo Fisher Scientific | LC0725 | 用于天然PAGE的未染色蛋白标准品。银染凝胶加样7.5 μl,SYPRO Ruby染色凝胶加样5 μl |
| 预制SDS-PAGE Bis-Tris凝胶 | Life Technologies | NP0321 | Novex Nu-PAGE Bis-Tris 4 - 12% 预制聚丙烯酰胺凝胶 |
| PageRuler蛋白标准品 | Thermo Fisher Scientific | 26614 | 用于Western blotting的未染色蛋白标准品 |
| SDS电泳缓冲液 | Life Technologies | NP0001 | 1x NuPAGE MOPS SDS缓冲液 |
| TAP抗体 | Thermo Fisher Scientific | CAB1001 | 针对CBP标签的一抗 |
| 二抗 | Thermo Fisher Scientific | 31341 | 碱性磷酸酶标记的山羊抗兔IgG |
| BCIP/NBT | Thermo Fisher Scientific | 34042 | 5-溴-4-氯-3-吲哚基磷酸盐/硝基蓝四氮唑 |
| 透析装置 | Thermo Fisher Scientific | 88401 | Slide-A-Lyzer迷你透析装置 |
| 离心滤过装置,100 kDa截留分子量 | EMD Millipore | UFC5100008 | Amicon Ultra-0.5 离心滤过装置,含Ultracel-100膜 |
| 去垢剂吸附珠 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | 1523920 | Bio-bead SM-2吸附剂 |
| SYBR Green II | Thermo Fisher Scientific | S-7564 | 核酸染色用荧光染料。当与SYPRO Ruby共存检测时,激发波长为488 nm,发射波长为532 nm |
| SYPRO Ruby | Molecular Probes | S-12000 | 蛋白染色用荧光染料。当与SYBR Green II共存检测时,激发波长为457 nm,发射波长为670 nm |
| 铜网 | Electron Microscopy Sciences | G400-CP |
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