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方法文章

利用配体差异径向毛细管作用分析法(DRaCALA)鉴定小分子配体的结合蛋白

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DOI:

10.3791/62331

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2021年3月19日

本文内容

摘要

利用ORFeome文库,差异径向毛细管配体结合分析法(DRaCALA)可用于鉴定生物体中的小分子配体结合蛋白。

摘要

过去十年中,人们对细菌生理学中小信号分子的理解取得了巨大进展。特别是,多种核苷酸衍生的第二信使(NSMs)的靶蛋白已在模式生物中被系统性地鉴定和研究。这些进展主要得益于若干新技术的发展,包括捕获化合物技术以及配体差异径向毛细管作用分析法(DRaCALA),这些技术被用于系统性鉴定这些小分子的靶蛋白。本文以核苷四磷酸和五磷酸鸟苷((p)ppGpp)这类NSMs为例,介绍并视频演示DRaCALA技术的应用。通过DRaCALA技术,在模式生物大肠杆菌(Escherichia coli)K-12中成功鉴定了20个已知靶蛋白中的9个以及12个新靶蛋白,展示了该分析方法的强大能力。原则上,DRaCALA可用于研究能够被放射性同位素或荧光染料标记的小分子配体。本文还讨论了DRaCALA技术的关键步骤、优势与局限性,以促进该技术的进一步应用。

引言

细菌利用多种小分子信号物质来适应持续变化的环境1,2。例如,自诱导物N-酰基高丝氨酸内酯及其修饰的寡肽可在细菌之间介导细胞间通讯,协调群体行为,这一现象被称为群体感应2。另一类小分子信号物质是NSMs,包括被广泛研究的环腺苷酸(cAMP)、环二腺苷酸(cyclic di-AMP)、环二鸟苷酸(cyclic di-GMP)以及鸟苷五磷酸和四磷酸(p)ppGpp1。细菌在应对多种不同应激条件时会生成这些NSMs。一旦生成,这些分子便会结合其靶蛋白,调控多种不同的生理和代谢通路,以应对所遭遇的应激环境并增强细菌的存活能力。因此,鉴定这些小分子的靶蛋白是解析其分子功能不可或缺的前提条件。

过去十年间,人们对这些小信号分子的认识迅速增长,这主要得益于几项技术革新,这些技术揭示了这些小分子的作用靶蛋白。这些技术包括捕获化合物技术3,4,5,以及本文将要讨论的配体差异径向毛细管作用分析法(DRaCALA)6

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方案

1. 全细胞裂解液的制备

  1. 接种 E. coli K-12 ASKA ORFeome文库菌株15 加入含有1.5 mL 赖氨酸肉汤(LB)的容器中 25 µg/mL 氯霉素置于96孔深孔板中。于37°C培养18小时过夜(O/N)。 30 °C 以160 rpm振荡培养。次日,向过夜培养物中加入异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)(终浓度0.5 mM),以诱导蛋白表达 30 °C 6 小时。
  2. 500 × 离心收集细胞 g 10分钟。将沉淀在-80 °C 直至使用。为裂解细胞,加入 150 µL 裂解缓冲液L1(40 mM Tris pH 7.5,100 mM NaCl,10 mM MgCl₂)2,加入2 mM苯基甲基磺酰氟(PMSF) 40 µg/mL DNase 1 和 0.5 mg/mL 溶菌酶)重悬沉淀。
  3. 将细胞在 -80 °C 30 分钟,然后在 37 °C 20分钟。重复此循环三次以裂解细胞。将裂解物储存在-80 °C 使用前

2. Relseq 和 GppA 的纯化

注意:使用来自马链球菌(Streptococcus equisimilis)的重组蛋白 Relseq 和来....

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结果

按照上述方案操作通常会产生两种类型的结果(图3)。

图3A 显示了一个背景结合信号相对较低的孔板(大多数孔的结合分数 < 0.025)。其中H3孔的阳性结合信号结合分数约为0.35,远高于其他孔的信号值。即使未经定量分析,H3孔的信号也十分显著,提示在H3孔中表达的靶蛋白可能与pppGpp、ppGpp或两者均发生结合。事实上,在H3孔中过表达的蛋白为次黄嘌呤磷酸核糖基转移酶Hpt,已知其能够结合(p)ppGpp12,16。

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讨论

进行DRaCALA筛选的关键步骤之一是获得高质量的全细胞裂解液。首先,目标蛋白应大量表达并以可溶形式存在。其次,细胞裂解必须彻底,且裂解液的黏度必须尽可能低。加入溶菌酶并进行三次冻融循环通常足以实现完全的细胞裂解。然而,染色体DNA的释放会使裂解液变得黏稠,并导致非特异性结合信号升高,从而产生假阳性结果,如图3B、C所示。为减轻这一问题,可使用DNase 1和/或粘质沙雷氏菌(S. marcescens)来源的内切核酸酶,并延长孵育时间以充分降解DNA。

在进行大规模筛选之前,应使用阴性对照(空质粒载体)和阳性对照(已知靶蛋白)来优化全细胞裂解液制备及DRaCALA结合实验的条件。一旦确定了最佳条件,在后续每块板的实际筛选过程中便无需再加入对照。这是因为筛选流程非常短暂,且预计每块板中的大部分蛋白质不会与(p)ppGpp结合。因此,这些蛋白质在定量结合比例时可作为阴性对照(图3)。

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本工作由丹麦诺和诺德基金会项目资助(NNF19OC0058331)资助YEZ,以及欧盟“地平线2020”研究与创新计划下玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里资助协议(Nº 801199)资助MLS。

figure-acknowledgements-1

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
32P-α-GTPPerkinelmerBLU006X250UC
96 孔针工具V&P ScientificVP 40496 孔螺栓复制器,中心间距 9 mm,螺栓直径 4.2 mm,长度 24 mm
96 孔 V 型底微孔板SterilinMIC9004Sterilin 微孔板 V 型孔 611V96
琼脂OXOID - 赛默飞世尔科技LP0011琼脂 No. 1
ASKA 文库菌株NBRP, SHIGEN, 日本参考文献:DNA Research,第 12 卷,第 5 期,2005 年,第 291–299 页。https://doi.org/10.1093/dnares/dsi012
苯并核酸酶(Benzonase)SIGMAE1014-25KU来自粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)的基因工程核酸内切酶
Bradford 蛋白检测试剂伯乐(Bio-Rad)5000006试剂浓缩液
DMSOSIGMAD8418≥99.9%
DNase 1SIGMADN25-1G
凝胶过滤柱(10x300)GE Healthcare28990944含 20% 乙醇作为防腐剂
甘油PanReac AppliChem122329.1214分析纯 87% 甘油
HyperCassetteAmershamRPN 1164720 x 40 cm
咪唑SIGMA56750特级纯,≥ 99.5%(GC)
IP 储存式磷屏FUJIFILM28956474BAS-MS 2040 20 x 40 cm
异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷(IPTG)SIGMAI6758异丙基-β-D-硫代半乳糖苷
溶菌肉汤(LB)英韦特根 - 赛默飞世尔科技12795027Miller's LB 肉汤基础
溶菌酶SIGMAL4949来源于鸡蛋清;BioUltra,冻干粉末,≥98%
MgCl2(氯化镁)SIGMA208337
MilliQ 水超纯水
多通道移液器赛默飞世尔科技4661110F1 - Clip Tip;1-10 µl,8 通道
NaClVWR Chemicals27810AnalaR NORMAPUR,ACS,Reag. Ph. Eur.
Ni-NTA 琼脂糖Qiagen30230
硝酸纤维素印迹膜Amersham Protran10600003优质 0.45 µm 300 mm x 4 m
PBSOXOID - 赛默飞世尔科技BR0014G磷酸盐缓冲液(Dulbecco A),片剂
PEG3350(聚乙二醇 3350)SIGMA202444
苯甲基磺酰氟(PMSF)SIGMA93482苯甲基磺酰氟溶液 - 0.1 M 乙醇溶液(T)
磷屏成像仪GE Healthcare28955809Typhoon FLA-7000 磷屏成像仪
带滤芯移液器吸头赛默飞世尔科技94410040ClipTip 12.5 μl 非无菌
Poly-Prep 层析柱伯乐(Bio-Rad)7311550聚丙烯层析柱
蛋白酶抑制剂片(Mini)PierceA32955片剂,不含 EDTA
螺口离心管赛默飞世尔科技3488微量离心管,2.0 ml 带螺口盖,非无菌
SLS 96 孔深孔板Greiner780285MASTERBLOCK,2 ml,聚丙烯,V 型底,无色
离心柱MilliporeUFC500396Amicon Ultra -0.5 ml 离心过滤器
恒温混匀仪Eppendorf5382000015Thermomixer C
TLC 板(PEI-纤维素 F TLC 板)默克 Millipore105579DC PEI-纤维素 F(20 x 20 cm)
TrisSIGMABP152分子生物学级 Tris 碱
Tween 20SIGMAP1379粘稠非离子型去污剂
β-巯基乙醇SIGMAM314899%(GC/滴定)

参考文献

  1. Kalia, D., et al. Nucleotide, c-di-GMP, c-di-AMP, cGMP, cAMP, (p)ppGpp signaling in bacteria and implications in pathogenesis. Chemical Society Reviews. 42 (1), 305-341 (2013).
  2. Camilli, A., Bassler, B. L. Bacterial small-molecule signali....

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标签

DRaCALA 分析小分子配体结合靶蛋白鉴定细菌信号分子鸟苷五磷酸鸟苷四磷酸蛋白质纯化薄层色谱磷屏成像等温滴定 calorimetry