同源J结构域蛋白与Hsp70分子伴侣协同作用,参与从蛋白质折叠到降解等多种生物学过程。本文介绍了一种原位邻近连接实验方法,可用于在细菌、酵母和人类细胞中监测这些短暂形成的分子伴侣复合物。
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同源J结构域蛋白与Hsp70分子伴侣协同作用,参与从蛋白质折叠到降解等多种生物学过程。本文介绍了一种原位邻近连接实验方法,可用于在细菌、酵母和人类细胞中监测这些短暂形成的分子伴侣复合物。
J结构域蛋白(JDP)是真核细胞中最大且最多样化的一类共伴侣蛋白家族。最近的研究发现,JDP家族中的特定成员可在真核生物中形成瞬时异源复合物,从而精细调控70 kDa热休克蛋白(Hsp70)伴侣介导的蛋白去聚集酶对底物的选择。这些JDP复合物可靶向急性或慢性应激诱导形成的蛋白聚集体,并可能通过招募多个Hsp70至蛋白聚集体表面,协助去聚集酶的组装。然而,这些物理相互作用的JDP所形成的蛋白质质量控制(PQC)网络在体内的范围仍 largely未被表征。本文中,我们描述了一种基于显微镜的原位蛋白质相互作用检测方法,称为邻近连接检测法(proximity ligation assay, PLA),该方法能够稳健地捕获在真核细胞不同亚细胞区域中瞬时形成的伴侣蛋白复合物。 我们的研究将PLA的应用范围从人类细胞拓展至酵母(Saccharomyces cerevisiae)和细菌(Escherichia coli),从而提供了一种重要的工具,用于监测原核和真核细胞中瞬时形成的蛋白质组装体的动态变化。
由于我们对细胞相互作用组的理解尚不完整,大量基因组信息仍无法解读。传统的蛋白质-蛋白质相互作用检测方法,如蛋白质共免疫沉淀(无论是否结合化学交联)以及蛋白质共定位,尽管被广泛使用,但仍存在一系列缺点。其中一些主要缺点包括对相互作用的定量能力较差,以及可能引入非天然的结合事件。 相比之下,新兴的基于邻近性的技术为捕获细胞内蛋白质相互作用提供了另一种强大而有效的途径。邻近连接实验(proximity ligation assay, PLA)1目前已作为专有试剂盒提供,其利用 抗体特异性地识别相互作用亚基之间空间邻近的蛋白质复合物。
PLA 由以下步骤启动: 由初级和次级抗体与小段DNA标签(PLA探针)在靶向蛋白质复合物表面形成的支架结构(图1,步骤1-3)。接下来,根据DNA标签的邻近性,通过与连接寡核苷酸杂交生成环状DNA分子(图1,步骤4)。环状DNA的形成通过DNA连接步骤完成。新形成的环状DNA片段可作为后续反应的模板 基于与抗体支架相连的共价结合寡核苷酸标签引物的滚环扩增(rolling circle amplification, RCA)聚合酶链式反应(PCR),生成一条通过抗体支架与蛋白质复合物相连的单链串联重复DNA分子图1,步骤6)。使用荧光标记的寡核苷酸对扩增DNA上分散的多个独特序列进行杂交,以可视化串联重复的DNA分子 (图1,步骤 7)2产生的PLA信号呈现为荧光点(图1,步骤7)对应于目标蛋白质复合物在细胞内的位置。因此,该检测方法能够以高空间精度检测蛋白质复合物。该技术不仅限于捕获蛋白质相互作用,还可用于高灵敏度地检测单个分子或蛋白质上的蛋白质修饰1,2.
Hsp70 形成一个高度多功能的分子伴侣系统,在通过参与多种 日常维持和应激相关功能来维持细胞内蛋白质稳态方面具有根本性的重要作用。Hsp70 分子伴侣系统的日常功能包括 从头蛋白质折叠、蛋白质跨细胞膜转运、蛋白质复合物的组装与解离、蛋白质活性的调控,以及连接不同的蛋白质折叠/质量控制机制3。同一分子伴侣系统还能重新折叠错误折叠或未折叠的蛋白质,防止蛋白质聚集,促进蛋白质去聚集,并与细胞蛋白酶协同作用,降解终末错误折叠或受损的蛋白质,从而促进细胞在蛋白毒性应激后的修复4,5。为实现这种功能多样性,Hsp70 分子伴侣依赖于 JDP 家族的共伴侣蛋白和核苷酸交换因子(NEFs),这些因子可精细调节 Hsp70 依赖 ATP 的变构调控,从而控制底物的结合与释放3,6。此外,JDP 共伴侣蛋白在 选择 该多功能分子伴侣系统的 底物方面发挥着关键作用。 该家族成员根据其与原型 JDP(即 E. coli DnaJ)的结构同源性,分为三类(A、B 和 C)。A 类 JDP 包含一个 N 端 J 结构域(与 Hsp70 相互作用)、一个富含甘氨酸-苯丙氨酸的区域、一个由锌指样区域(ZFLR)和两个 β-桶状结构域组成的底物结合区,以及一个 C 端二聚化结构域。具有 N 端 J 结构域和富含甘氨酸-苯丙氨酸区域但缺乏 ZFLR 的 JDP 归为 B 类。通常,这两类成员均 参与分子伴侣功能。属于统括性 C 类的成员仅共享 J 结构域4,它们招募 Hsp70 执行多种非分子伴侣功能。JDP 作为 Hsp70 系统中可互换的底物识别“适配器”的重要作用体现在该家族成员在进化过程中的扩展。例如,人类拥有超过 42 个不同的 JDP 成员4。这些 JDP 以单体、同源二聚体和/或同源/异源寡聚体形式发挥作用4,5。最近有研究报道,A 类(如 H. sapiens DNAJA2;S. cerevisiae Ydj1)与 B 类(如 H. sapiens DNAJB1;S. cerevisiae Sis1)真核 JDP 之间可通过瞬时复合物的形成实现功能协作,从而在体外促进对无定形蛋白质聚集体的有效识别7,8。这些混合类别的 JDP 复合物可能在聚集蛋白表面组装,以促进基于 Hsp70 以及 Hsp70 与 Hsp100 联合的蛋白质去聚集酶的形成7,8,9,10。支持这些瞬时形成的混合类别 JDP 复合物在真核细胞中存在的关键证据来自 PLA 技术8。
邻位连接技术(PLA)正越来越多地用于评估后生动物(尤其是哺乳动物细胞)中的蛋白质相互作用。本文中,我们报告了该 技术成功拓展应用于监测真核和原核单细胞生物(如出芽酵母 S. cerevisiae 和大肠杆菌 E. coli)中瞬时形成的分子伴侣复合物。 尤为重要的是,这一拓展突显了PLA在检测和分析感染人类及动物细胞的微生物方面的潜在应用价值。
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1. HeLa 细胞准备
2. S. cerevisiae 细胞制备
3. E. coli 细胞制备
4. 邻近连接实验
5. 检测
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我们先前利用纯化蛋白进行的体外研究表明,一部分人类A类和B类JDP能够形成瞬时的混合型JDP复合物,从而高效靶向多种聚集蛋白,并可能促进基于Hsp70的蛋白去聚集酶的组装7。我们采用邻近连接实验(PLA)检测混合型(A+B)JDP复合物是否存在于人宫颈癌细胞(HeLa)中。针对人类JDP蛋白DNAJA2(A类)和DNAJB1(B类),使用了高度特异性的初级抗体及相应的PLA次级探针(图2A-C)。红色荧光点的出现表明,在HeLa细胞中存在DNAJA2与DNAJB1组成的混合型复合物(图2C),该结果验证了我们此前的生化研究发现7。每个荧光点代表HeLa细胞胞质/细胞核中发生的一次独立蛋白质相互作用事件。
先前通过荧光共振能量转移(FRET)获得的生化结果表明,由于FRET可通过检测连接于一种蛋白质的激发态供体荧光团向连接于第二种蛋白质的...
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基于免疫共沉淀和共定位的方法长期以来被用于表征蛋白质复合物。然而,利用这些传统方法检测瞬时形成的特异性分子伴侣复合物仍面临重大挑战,因此以往的研究结果在很大程度上局限于定性分析。 解释。基于细胞裂解的免疫共沉淀技术通常需要交联以稳定蛋白质-蛋白质相互作用。 细胞裂解会增加破坏瞬时形成的分子伴侣复合物的风险,而交联可能引入非天然的相互作用,尤其是由于大多数分子伴侣本身具有“黏性”所致。在利用共免疫沉淀分析Hsp70分子伴侣系统时,可能出现的假象包括 源于(a)分子伴侣的高表达水平和(b) 溶解度 与膜或蛋白质聚集体相关的问题 结合的分子伴侣复合物。此外,基于免疫共沉淀的技术无法提供被捕获蛋白质复合物的细胞定位信息,而这些信息对于阐明其相关功能可能至关重要。使用免疫共沉淀技术的缺点在基于共定位的方法中有所减少,后者能够保持 蛋白质定位信息。然而,两种或多种蛋白质的共定位可能表明蛋白质之间存在直接相互作用,也可能仅反映这些蛋白质被分配到细胞中的同一微区。因此,共定位分析在预测蛋白质相互作用方面最多仅具有推测性,且无法提供任何接近程度的量化信息。由于该技术对靶标蛋白质的检测...
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作者无任何利益冲突需要披露。
NBN 得到了维多利亚州政府和澳大利亚政府资助的莫纳什大学医学、护理与健康科学学院特别招聘基金的支持。我们感谢 Bernd Bukau(德国海德堡大学 ZMBH)和 Harm H. Kampinga(细胞生物医学科学系) & 系统,荷兰格罗宁根大学)提供的宝贵支持与试剂共享,感谢Holger Lorenz(德国海德堡大学ZMBH成像中心)在共聚焦显微镜与图像处理方面的支持,感谢Claire Hirst(澳大利亚莫纳什大学再生医学研究所)对稿件的审阅。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 37% 甲醛 | Merck | 103999 | |
| 丙酮 | Sigma-Aldrich | 32201 | |
| 抗 DNAJA2 抗体 | Abcam | ab157216 | |
| 抗 DNAJB1 抗体 | Enzo Life Sciences | ADI-SPA-450 | |
| 抗 DnaK 抗体 | 本实验室制备 | ||
| 抗 mCherry 抗体 | Abcam | ab125096 | |
| 抗 Sis1 抗体 | Cosmo Bio Corp | COP-080051 | |
| 抗 Ydj1 抗体 | StressMarq Biosciences | SMC-150, | |
| 抗 YFP 抗体 | 本实验室制备 | ||
| Coplin 染色缸 | Sigma-Aldrich | S5516 | |
| 诊断用载玻片 | Marienfeld | 1216530 | |
| DMEM 培养基 | Thermo-Fischer | 31966021 | |
| DuoLink 原位检测试剂(橙色) | Sigma-Aldrich | DUO92007 | |
| DuoLink 原位封片介质 + DAPI | Sigma-Aldrich | DUO82040 | |
| DuoLink 原位 PLA 探针 抗小鼠 MINUS | Sigma-Aldrich | DUO92004 | |
| DuoLink 原位 PLA 探针 抗兔 PLUS | Sigma-Aldrich | DUO92002 | |
| DuoLink 原位洗涤缓冲液(荧光用) | Sigma-Aldrich | DUO82049 | |
| 胎牛血清 | Thermo-Fischer | 10082147 | |
| 溶菌酶 | Sigma-Aldrich | 62971 | |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 32213 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | P6148 | |
| 青霉素/链霉素 | Thermo-Fischer | 15070063 | |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P47-07 | |
| 山梨醇 | Sigma-Aldrich | S7547 | |
| 吐温-X100 | Merck | 108643 | |
| 胰蛋白酶 | Thermo-Fischer | 25300096 | |
| 吐温-20 | Sigma-Aldrich | P1379 | |
| Zymolase 100T / / 溶壁酶 | United States Biological | Z1004 |
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