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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
蛋白质-蛋白质相互作用对生物系统至关重要, 对结合动力学的研究为蛋白质复合物的动力学和功能提供了见解。我们描述了一种利用荧光共振能量转移和停止流动技术量化蛋白质复合物动力学参数的方法。
蛋白质是生物系统的主要操作人员, 它们通常与其他大分子或小分子相互作用, 以发挥其生物功能。这种相互作用可以是高度动态的, 这意味着相互作用的子单位以一定的速度不断地联系和分离。虽然使用定量下拉式等技术测量结合亲和力可以揭示相互作用的强度, 但研究结合动力学可以提供有关相互作用发生的速度以及每个复合物存在多长时间的见解。此外, 在存在蛋白质交换因子或药物等附加因素的情况下测量相互作用的动力学, 有助于揭示相互作用受另一个因素调节的机制, 为生物和医学研究的进步。在这里, 我们描述了一个协议, 用于测量具有高内在关联率并可由另一种蛋白质快速分离的蛋白质复合体的结合动力学。该方法利用荧光共振能量转移报告蛋白质复合物的体外形成, 并能实时监测停止流动的荧光仪上的蛋白质复合物的快速关联和离解。利用该方法, 对蛋白质复合物的关联和离解速率常数进行了定量。
生物活动最终是由蛋白质进行的, 其中大部分蛋白质与其他蛋白质相互作用, 以获得适当的生物功能。使用计算方法, 人类蛋白质相互作用的总量估计为约 650, 000,1, 而这些相互作用的中断往往导致疾病2。由于其在控制细胞和组织过程中的重要作用, 研究蛋白质-蛋白质相互作用的方法已被开发出来, 如酵母-双杂交, 双分子荧光互补, 分裂荧光酶互补, 联合免疫沉淀检测3。虽然这些方法善于发现和确认蛋白质-蛋白质相互作用, 但它们通常是非定量的, 因此提供的相互作用的蛋白质伙伴之间的亲和力有限。定量拉下可以用来测量结合亲和力 (例如, 离解常数kd), 但它不测量结合的动力学, 也不能在 k d 由于不足而非常低的情况下应用信噪比4。表面等离子体共振 (spr) 光谱量化了结合动力学, 但它需要一个特定的表面和在表面的一个反应物的固定, 这可能会改变反应物5的结合性能。此外, spr 很难测量快速关联和离解率5, 使用 spr 来表征蛋白质复合体中交换蛋白质亚基的事件是不合适的。在这里, 我们描述了一种方法, 允许测量在毫秒时间尺度上的蛋白质复杂组装和拆卸速率。该方法对于确定 c ullin-a ssociated-edd8-d 同体蛋白 1 (cand1) 作为 f- 盒蛋白交换因子6,7的作用至关重要.
cand1 调节 Skp1•Cul1•F 盒蛋白 (scf) e3 脂类的动态, e3 配体属于库林-岭泛素脂质的大家族。scfs 由结合 ing 域蛋白 rbx1 的 cullin cullin 和一种可互换的 f-箱蛋白组成, 后者通过适配器蛋白 skp18 招募基质并将 cullin 结合。作为 e3 连接酶, scf 催化泛素与底物的结合, 当底物被 f-盒蛋白吸收, 当 cul1 被泛素样蛋白 nedd89 修饰时, 它就会被激活。cand1 结合未经修饰的 cul1, 在结合时, 它破坏了 Skp1•F 盒蛋白与 cul1 的联系, 以及 ned8 与 cul1、11、12、13的结合。因此, cand1 似乎是体外 scf 活性的抑制剂, 但体内的 cand1 缺乏引起了缺陷, 表明 cand1 在调节体内 scf 活性方面发挥了积极作用 14、15、16,17. 这一悖论最终通过一项定量研究得到了解释, 该研究揭示了 cul1、cand1 和 Skp1•F 盒蛋白之间的动态相互作用。利用荧光共振能量传递 (fret) 检测 scf 和 Cul1•Cand1 配合物的形成, 分别检测出关联和离解速率常数 (分别为 kon 和k)。单独测量。测量结果表明, cand1 和 Skp1•F 盒蛋白与 cul1 的复合体极其紧密, 但 scf 的k含量因 cand1 而急剧增加, Cul1•Cand1 的k含量大幅增加由 Skp1•F 盒蛋白6,7。这些结果为定义 cand1 作为蛋白质交换因子的作用提供了初步和关键的支持, 该因子通过从旧的 scf 复合物中回收 cul1 来催化新的 scf 复合物的形成。
本文介绍了利用 fret 法研究 Cul1•Cand1 复合物7动力学的方法, 并将同样的原理应用于各种生物分子的动力学研究。当供体被适当的波长激发, 而具有激发谱重叠供体发射光谱的受体存在于10-100 的距离内时, 就会发生 fret。激发态转移到受体, 从而降低供体强度, 增加受体强度18。fret (e) 的效率取决于 förster 半径 (r0) 和供体与受体荧光 (r) 之间的距离, 定义为: e = r0 6/(r0 )6 + r6)。förster 半径 (r0) 取决于几个因素, 包括偶极子角方向、供体受体对的光谱重叠和使用的解 19.为了将 fret 检测应用于停止流式荧光仪上, 该方法实时监测供体排放的变化, 并能够测量快速k开和关,有必要建立高效的 fret, 以实现从而显著减少了捐助方的排放。因此, 通过选择合适的对荧光染料和在目标蛋白上的位点来连接染料来设计高效的 fret 是非常重要的, 将在本方案中进行讨论。
1. 设计 fret 检测。

图 1: Cul1•Cand1 的晶体结构和测量潜在标记位点之间的距离.晶体结构文件是从蛋白质数据库 (文件 1u6g) 下载的, 并在 pymol 中查看。选定原子之间的测量是用 pymol 进行的。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2: fret 用荧光染料的激发和发射光谱.显示了 amc (7-氨基-4-甲基香豆素) 和 flash 的光谱。虚线表示激发谱, 实线表示发射光谱。该图像最初是由荧光光谱查看器生成的, 并进行了修改以提高清晰度。请点击这里查看此图的较大版本.
2. camc·rbx1 培养细胞的制备, fret 供体蛋白
3. flashcand1 的制备, fret 受体蛋白
注: 此部分中的大多数步骤与步骤2相同。下面将详细介绍不同的条件。
4. 蜡烛1的制备, fret 追逐蛋白
注: 蛋白质制备协议类似于步骤 3, 但有以下修改。
5. 测试并确认 fret 检测
6. 测量 Cul1•Cand1 的关联速率常数 (k打开)
注: 操作停止流式荧光灯的详细信息已在上一份报告26中说明。
7. 在存在 Skp1•F 盒蛋白的情况下测量 Cul1•Cand1 的离解率常数 (k关)。
注: 此步骤类似于步骤 6, 但进行了以下修改。
为了测试 cul1amc 和 flashcand1 之间的 fret, 我们首先分别确定了 70 nm cul1 amc (供体) 和 70 nm flashcand1 (受体) 的排放强度 (图 3a-c, 蓝线)。在每次分析中, 只存在一个发射峰值,而 flashcand1 (受体) 的排放量较低。当每个 cul1amc 和 flashcand1 混合 70 nm 生成 fret 时, 发射光谱中存在两个发射峰, cul1 amc 峰变低, flash cand1峰升高 ( 图 3 a) -c, 红线)。当使用全长 cand1 用于 fret 时, 供体峰值的强度降低了 10% (图 3 a, 红线), 当使用第一螺旋截断的 cand1 时, 供体峰值强度的降低增加到 30% (图 3A)-d, 红线), 建议更高的 fret 效率。为了确认信号的变化是由 cul1amc 和 flashcand1 之间的 fret 引起的, 70 nm cul1amc (供体) 与 700 nm 未标记的 cand1 (追逐) 和 70 nm flash cand1 (受体) 混合在一起. 结果, 供体峰完全恢复, 受体峰减少 (图 3c, 绿线), 这证实观察到的 fret取决于cul1 amc·ffash cand1 复合物的形成.在 70 nm cul1 amc·ffashcand1中添加 700 nm Skp1•Skp2 也完全恢复了供体峰值 (图 3d, 绿线), 这表明 Cul1•Cand1 复合体完全被 Skp1•Skp2 平衡所破坏。

图 3: Cul1•Cand1 复杂地层的代表性 fret 分析.fret 缓冲液 (30 mm Tris-HCl, 100 mm 氯化碳, 0.5 mm dtt, 1 mgml 卵白蛋白, ph 7.6) 中的样品在350纳米激发, 并从 400 nm 到 650 nm 扫描排放。(a) 70 nm cul1 amc、70 nm flashcand1 (全) 的发射光谱, 以及两者的混合物 (fret)。cand1 (完整) 代表全长 cand1。(b) 70 nm cul1 amc、70 nm flashcand1 的发射光谱和两者的混合物 (fret)。cand1 与它的第一个螺旋被删除在这个实验中使用, 然后。(c) 70 nmcul1 amc、70 nm flashcand1 的发射光谱, 两者的混合物 (fret), 以及 fret (chase) 的追逐控制。追逐样本中含有 70 nm cul1amc、700 nm cand1 和 70 nm flashcand1。(d) 70 nm cul1amc 的发射光谱, 由 70 nm cul1 amc 和 70 nm flash cand1(fret) 的混合物和 700 nm Skp1•Skp2 添加到 70 nm cul1 amc·ffash cand1 复合体中.在每个图中, 发射信号被归化为 450 nm 的 70 nmcul1 amc的发射。请点击这里查看此图的较大版本.
为了利用建立的 fret 检测方法, 通过监测停止流荧光仪上供体信号随时间的减少情况, 首先测试并确定了所使用的蛋白质浓度。当每个c法1 amc 和 flashcand1 的 5 nm 被使用时, 观察到的信号变化很小 (图 4a), 而当每个蛋白质的浓度增加到 50 nm 时, 信号随时间的推移会被观察到减少 (如果添加了没有flashcand1 的缓冲区, 则废除了此更改 (图 4B)。因此, 采用 50 nmcul1 amc 进行进一步分析, 并通过将 50 nm cul1 amc 与不断增加的 flashcand1浓度混合, 测量了一系列观测到的关联速率常数 (kobs)。通过将点拟合到单个指数曲线来计算每个实验的k形 , 并对从相同flashcand1 浓度获得的k形于进行了平均计算。通过绘制具有 cand1 浓度的平均kbos 并执行线性回归 (图 4d),确定了 k上的 7, 27。

图 4: 关联速率常数的代表性度量。(a)在加入 5 nm flash cand1后, 用停止流荧光仪对 5 nm cul1 amc 的荧光进行了一段时间的监测。(b)在添加 50 nm flash cand1后, 用停止流荧光仪对 50 nm cul1 amc 的荧光进行了一段时间的监测。(c)加入 fret 缓冲液后, 用停止流荧光仪对 50 nmcul1 amc的荧光进行了一段时间的监测。(d) 对 c培养1的蜡烛1进行绑定。绘制不同浓度的cand1 的 Cul1•Cand1. 线性斜率给出 k为 1.8 x 10 7m-1.误差条表示± sem; 错误条表示± sem。n = 4。所有样品均在 fret 缓冲液中制备, 并在350纳米处激发。采用带通滤波器从 amc 收集信号, 并排除来自 flash 的信号。未对数据进行规范化。请点击这里查看此图的较大版本.
与kon的测量类似, 我们通过监测停止流荧光仪上的供体信号随时间的增加 (恢复) 来测量 Cul1•Cand1 的观测离解率常数。首先将 cul1amc和flashcand1 混合, 然后在停止流动的荧光仪上加入 Skp1•Skp2.捐献者的信号迅速增加, 它揭示了一个 0.4秒-1的k b s ( 图 5)。相反, 当缓冲添加到预装的 camc·ffashcand1 中时, 没有观察到信号增加, 这表明 Skp1•Skp2 引发了 Cul1•Cand1 的快速离解.

图 5: 离解率常数的代表性测量.在将 150 nm Skp1•Skp2 或 fret 缓冲液添加到 50 nm cul1amc·ffash cand1 复合物后, 测量了供体荧光随时间的变化。信号变化适合于单个指数曲线, 并给出观察到的离解速率常数为 0.4s-1。实验条件与图 4中描述的条件相似。请点击这里查看此图的较大版本.
作者没有什么可透露的。
蛋白质-蛋白质相互作用对生物系统至关重要, 对结合动力学的研究为蛋白质复合物的动力学和功能提供了见解。我们描述了一种利用荧光共振能量转移和停止流动技术量化蛋白质复合物动力学参数的方法。
我们感谢加州理工学院 (shu-ou shan) 就 fret 检测的发展进行了富有见地的讨论。硕士、y. z. 和 x. l. 由普渡大学向 y. z. 提供的创业资金资助 X.L.This 工作部分由普渡大学植物生物学中心的种子赠款提供。
| 阴离子交换色谱柱 | GE Healthcare | 17505301 | HiTrap Q FF 阴离子交换色谱柱 |
| 台式冷冻离心机 | Eppendorf | 2231000511 | |
| BL21 (DE3) 感受态细胞 | ThermoFisher Scientific | C600003 | |
| 氯化钙 | Fisher Scientific | C78-500 | |
| 阳离子交换色谱柱 | GE Healthcare | 17505401 | HiTrap SP Sepharose FF |
| 脱盐柱 | GE Healthcare | 17085101 | |
| 落地式离心机(高速) | 贝克曼库尔特 | J2-MC | |
| 落地式离心机(低速) | 贝克曼库尔特 | J6-MI | |
| 荧光光谱仪 | ThermoFisher Scientific | https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/cell-analysis/labeling-chemistry/fluorescence-spectraviewer.html | |
| FluoroMax 荧光计 | HORIBA | FluoroMax-3 | |
| FPLC | GE Healthcare | 29018224 | |
| GGGGAMC 肽 | New England Peptide | 定制合成 | |
| 谷胱甘肽珠 | GE Healthcare | 17075605 | |
| 甘油 | Fisher Scientific | G33-500 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-100 | |
| 异丙基-β;-D-硫代半乳糖苷 (IPTG) | Fisher Scientific | 15-529-019 | |
| LB 肉汤 | Fisher Scientific | BP1426-500 | |
| Ni-NTA 琼脂糖 | Qiagen | 30210 | |
| 卵清蛋白 | MilliporeSigma | A2512 | |
| pGEX-4T-2 载体 | GE Healthcare | 28954550 | |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | MilliporeSigma | 4693132001 | |
| 还原型谷胱甘肽 | Fisher Scientific | BP25211 | |
| 冷冻摇床 | Eppendorf | M1282-0004 | |
| Rosetta 感受态细胞 | MilliporeSigma | 70953-3 | |
| 体积排阻色谱柱 | GE Healthcare | 28990944 | Superdex 200 10/300 GL 色谱柱 |
| 氯化钠 (NaCl) | Fisher Scientific | S271-500 | |
| 停流荧光计 | Hi-Tech Scientific | SF-61 DX2 | |
| TCEP·HCl | Fisher Scientific | PI20490 | |
| 凝血酶 | MilliporeSigma | T4648 | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| 超滤膜 | MilliporeSigma | UFC903008 | Amicon Ultra-15 离心过滤装置,Ultra-15,30,000 NMWL |