泛素化是一种翻译后修饰,在细胞过程中发挥重要作用,并受到去泛素化的严密调控。这两种反应的异常与人类疾病密切相关。我们提供了使用纯化组分在体外进行泛素化和去泛素化反应的实验方案。
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泛素化是一种翻译后修饰,在细胞过程中发挥重要作用,并受到去泛素化的严密调控。这两种反应的异常与人类疾病密切相关。我们提供了使用纯化组分在体外进行泛素化和去泛素化反应的实验方案。
泛素化是一种翻译后修饰,在多种信号通路中发挥重要作用,尤其参与染色质功能和DNA相关过程的调控。该修饰过程涉及一系列酶的级联反应,包括E1泛素激活酶、E2泛素结合酶和E3泛素连接酶,并由去泛素化酶(DUBs)催化其逆向反应。泛素化可导致蛋白质降解或功能改变,包括调节酶活性、蛋白质-蛋白质相互作用以及亚细胞定位。证明蛋白质发生泛素化或去泛素化的关键步骤是使用纯化的组分进行体外反应。有效的泛素化和去泛素化反应可能受到所用组分、酶辅因子、缓冲体系以及底物性质的显著影响。 本文提供了进行泛素化和去泛素化反应的逐步操作方案。我们以小鼠多梳抑制复合物1(PRC1)的最小组分BMI1和RING1B为例,其中RING1B是一种E3泛素连接酶,可在组蛋白H2A的第119位赖氨酸上催化单泛素化。核小体上H2A的去泛素化反应则采用由人源去泛素化酶BAP1及其辅助因子ASXL2的DEUBiquitinase ADaptor(DEUBAD)结构域组成的最小多梳抑制去泛素化酶复合物(PR-DUB)来完成。这些泛素化/去泛素化检测可在两种体系中进行:一种是利用细菌表达纯化的蛋白重构的重组核小体,另一种是从小鼠哺乳动物细胞中纯化的天然核小体。我们强调了可能对这些反应产生重大影响的技术细节,并指出这些方案中的通用原则可快速适用于其他E3泛素连接酶和去泛素化酶的研究。
泛素化是最保守的翻译后修饰之一,对包括酵母、植物和脊椎动物在内的多种生物体至关重要。泛素化是指将一种高度保守的76个氨基酸多肽——泛素,共价连接到靶蛋白上,该过程由三种酶依次催化完成,即E1激活酶、E2结合酶和E3连接酶1,2,3。这种翻译后修饰在广泛的生物学过程中发挥核心作用。事实上,提供反应特异性的E3连接酶构成了一大类酶的超家族,是泛素系统中最丰富的酶类4,5,6。蛋白质泛素化的下游效应取决于修饰的性质:单泛素化、多单泛素化,以及线性或分支的多聚泛素化。单泛素化通常不与蛋白酶体降解相关,而是参与调控多种信号转导事件。多聚泛素化涉及泛素分子自身的N端或赖氨酸残基,而多聚泛素化蛋白的命运取决于泛素链延伸所使用的残基。已知由泛素K48位点介导的多聚泛素化可诱导蛋白酶体降解;相反,通过泛素K63位点进行的多聚泛素化则常与蛋白质活化相关7,8,9。与其他重要的翻译后修饰类似,泛素化是可逆的,泛素从蛋白质上的移除由一类称为去泛素化酶(DUBs)的特异性蛋白酶完成,这些酶已被证实是细胞过程的重要调控因子2,10。重要的是,许多DUBs具有高度特异性,通过去泛素化作用调控特定底物,表明泛素化与去泛素化之间的精细平衡对蛋白质功能至关重要。E3连接酶和DUBs,连同蛋白酶体降解机制及相关辅助因子,共同构成了泛素-蛋白酶体系统(UPS,包含>1200个基因),该系统调控多个主要信号通路,其中许多通路与细胞生长和增殖、细胞命运决定、分化、细胞迁移以及细胞死亡相关。重要的是,涉及泛素化的多个信号级联反应的失调会促进肿瘤发生及神经退行性疾病5,11,12,13,14。
泛素化在染色质生物学及依赖DNA的过程当中发挥着广泛作用15,16,17。例如,组蛋白H2A在赖氨酸119位点的单泛素化(下文简称H2A K119ub)是一种关键的翻译后修饰,参与转录抑制和DNA修复过程18,19,20,21,22。H2A K119ub由多梳抑制复合物1(Polycomb Repressive Complex 1, PRC1)催化生成,该复合物在维持表观遗传信息方面发挥关键作用,并且从果蝇到人类高度保守。经典的PRC1主要由RING1B和BMI1组成,二者构成核心E3泛素连接酶复合物,负责上述泛素化事件22,23。在Drosophila中,H2A单泛素化(H2A K118ub,对应于哺乳动物中的H2A K119ub)可被去泛素化酶Calypso逆转,Calypso与Additional Sex Comb(ASX)相互作用,形成多梳抑制性去泛素化酶复合物(Polycomb-repressive DUB, PR-DUB)24。calypso的哺乳动物同源基因BAP1是一种肿瘤抑制基因,在多种人类恶性肿瘤中常发生缺失或失活25,26,27,28,29,30,31,32,33。BAP1调控细胞核内依赖DNA的多种生物学过程,同时也参与内质网介导的钙信号通路相关的细胞凋亡33,34,35,36,37,38,39,40,41,42。BAP1可组装成包含多个亚基的蛋白质复合物,其中包含多个转录调控因子,特别是ASXL1、ASXL2和ASXL3(统称为ASXLs),这三者是ASX的同源蛋白38,43。ASXLs通过其去泛素化酶适配域(DEUBiquitinase ADaptor domain,简称DEUBAD域),也称为ASXM域,来增强BAP1的去泛素化酶(DUB)活性35,36,44。因此,ASXLs在协调BAP1在染色质上的去泛素化酶活性及其更广泛的肿瘤抑制功能中发挥重要作用。
研究泛素化与去泛素化过程存在多种方法。其中,利用从细菌中纯化的蛋白质进行生化实验,仍是验证特定底物是否发生直接泛素化或泛素被移除的强有力手段。此类实验可用于探究多种参数,例如确定最小复合物的必要性、反应动力学分析、定义结构与功能关系,以及理解致病性基因突变的影响。本文提供了使用纯化组分在染色质底物上进行泛素化与去泛素化反应的实验方案。以模式系统为例, 体外 展示了核小体H2A蛋白的泛素化与去泛素化。分别使用经细菌纯化并组装成最小复合物的RING1B/BMI1和BAP1/DEUBAD蛋白,对核小体H2A进行泛素化或去泛素化。
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1. GST-RING1B(1-159)-BMI1(1-109) E3 泛素连接酶复合物的 GSH-琼脂糖亲和纯化
2. BAP1/DEUBAD(ASXL2)去泛素化酶复合物的纯化
3. 从HEK293T细胞中纯化核小体
4. 使用 BMI1/RING1B E3 泛素连接酶复合物进行核小体泛素化检测
5. 使用 BAP1/DEUBAD 的体外核小体 H2A 去泛素化酶活性检测
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GST-BMI1 和 RING1B 蛋白在细菌中表达良好,可轻松从可溶性组分中提取。 图1A 展示了 GST-BMI1-RING1B 复合物典型纯化过程的考马斯亮蓝染色结果。GST-BMI1 和 RING1B 条带的迁移分子量分别为约 45 kDa 和约 13 kDa,符合预期。值得注意的是,该 E3 泛素连接酶复合物具有高度均一性,细菌蛋白污染物和/或降解产物含量极低。此外,纯化所得复合物的化学计量比理想,当摩尔比为 1:1 时,GST-RING1B 蛋白的条带强度预计为 BMI1 的两到三倍。类似地,His-BAP1/MBP-DEUBAD 复合物的纯化也获得了相对高度均一的产物,其条带分别位于约 90 kDa 和约 55 kDa(图1B)。通过镍-琼脂糖和直链淀粉-琼脂糖分别对 BAP1 和 DEUBAD 进行串联亲和纯化,可确保复合物具有适当的化学计量比,并去除纯化复合物中游离的 BAP1。另一方面,纯化的核小体组分主要由 147 bp 条带组成,...
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建立针对目标蛋白的稳定体外泛素化和去泛素化检测方法具有多项优势。这些检测方法可用于:(i)确立反应的最佳条件并定义其最低需求;(ii)测定酶促反应动力学参数和生物化学常数;(iii)明确影响这些反应的辅因子或抑制剂的作用;(iv)界定相互作用界面;(v)评估人工引入或疾病相关突变的影响;以及(vi)建立可用于进一步开发高通量化学筛选检测的实验条件。本文以核小体底物上BMI1/RING1B介导的H2A泛素化以及BAP1/ASXL介导的H2A去泛素化为例,详细说明这些检测方法的操作过程。
使用最少的组分即可在体外重现组蛋白H2A的泛素化,几乎可以观察到BMI1-RING1B复合物介导的H2A完全泛素化。需要注意的是,该反应是在重组核小体上进行的。重组核小体的优势在于不受哺乳动物细胞中其他组蛋白翻译后修饰的干扰。尽管如此,该泛素化反应也可在天然核小体上高效进行。如果泛素化反应较弱,可提高酶与底物的比例以获得最佳的泛素连接效果。需要注意的是,如果后续需进行去泛素化反应或相互作用检测,则可直接在磁珠结合的底物上进行泛素化反应。通过免疫沉淀回收泛素化的底物,并弃去含有泛素化反应组分的上清液。然...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
感谢Diana Adjaoud提供的技术协助。本工作获得了加拿大自然科学与工程研究理事会(2015-2020年)、魁北克基因组学中心(2016-2019年)和加拿大基因组学中心(2016-2019年)向E.B.A.提供的资助。E.B.A.是魁北克健康研究基金会(FRQ-S)的资深学者。L.M和N.S.K.获得了FRQ-S的博士奖学金。H.B获得了突尼斯高等教育与科学研究部以及Cole基金会的博士奖学金。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 直链淀粉琼脂糖珠 | New England Biolabs | #E8021 | |
| Amicon Ultra 0.5 mL 10K 离心滤器 | Sigma-Aldrich | #UFC501096 | |
| 抗-H2AK119ub(H2Aub)抗体 | Cell Signaling Technology | #8240 | |
| 抗-Flag 琼脂糖珠 | Sigma-Aldrich | #A4596 | |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | Sigma-Aldrich | #P8340 | |
| BL21 (DE3) CodonPlus-RIL 菌株 | Agilent technologies | #230240 | |
| DMEM 培养基 | Wisent | #319-005-CL | |
| 空层析柱 | Biorad | #731-1550 | |
| Flag 肽段 | Sigma-Aldrich | #F3290 | |
| GSH 琼脂糖珠 | Sigma-Aldrich | #G4510 | |
| HEK293T 细胞 | ATCC | #CRL-3216 | |
| 咪唑 | Sigma-Aldrich | #I5513 | |
| 微球菌核酸酶(MNase) | Sigma-Aldrich | #N3755 | |
| Ni-NTA 琼脂糖珠 | ThermoFisher Scientific | #88221 | |
| N-甲基马来酰亚胺(NEM) | Bioshop | #ETM222 | |
| 孔径 0.45 μm 注射器滤器 | Sarstedt | #83.1826 | |
| 聚乙烯亚胺(PEI) | Polysciences Inc | #23966-1 | |
| pGEX6p2rbs-GST-RING1B(1-159)-Bmi1(1-109) 质粒 | Addgene | #63139 | |
| 泛素激活酶(UBE1) | Boston Biochem | #E-305 | |
| UBCH5C(UBE2D3) | Boston Biochem | #E2-627 |
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