最近在骨过度生长(一种新型发育障碍)患者中发现了人类Spindlin Family Member 4(SPIN4)中的遗传变异。提出了一种方案和新结果,描述了在核小体背景下对改造组蛋白作为SPIN4结合底物的生化鉴定。
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最近在骨过度生长(一种新型发育障碍)患者中发现了人类Spindlin Family Member 4(SPIN4)中的遗传变异。提出了一种方案和新结果,描述了在核小体背景下对改造组蛋白作为SPIN4结合底物的生化鉴定。
人类斯宾德林家族成员4(SPIN4)刚刚作为一种新的骨骼生长调节因子出现。在表现出产前和产后过度生长综合征的患者中发现了SPIN4功能丧失变异,该综合征以X染色体显性方式遗传。SPIN4包含三个串联的都铎结构域重复,每个重复序列形成一个独立的芳香笼。这些都铎结构域被认为是基于序列同源性,用于组蛋白中甲基化精氨酸和赖氨酸残基的表观遗传读读域。然而,SPIN4的具体结合底物仍不明确。人类SPIN4,无论是野生型还是致病突变体,都通过昆虫细胞表达系统成功生成。通过组蛋白修饰肽阵列,确定了野生型与突变型SPIN4之间的结合亲和力差异。功能验证进一步证明SPIN4是组蛋白H3赖氨酸4甲基化(H3K4me)的真实读者,这一点通过生化拉低原生单核小体为证据。这种综合方法促进了表观遗传读读蛋白的快速结合靶点识别。
Spindlin家族成员4(SPIN4)是一名表观遗传学读者,最近被发现患有过度生长综合征,表现出一系列出生前和产后过度生长以及高个子的星座1,2。Spin4敲除(KO)小鼠重现了人类的精确表型,支持了因果关系。迄今为止,SPIN4是唯一被确认的独特表观遗传读读器,且能负向调控骨骼生长。然而,SPIN4作为生长关键表观遗传读读器,其生化特性尚未被鉴定,导致对这一新型发育障碍的基本致病机制的理解存在关键知识空白。SPIN4包含三个串联的都铎结构域重复序列,这些结构域通常被认为是甲基化的精氨酸或赖氨酸组蛋白读读蛋白结构域3。最近在一名产前产后骨过度生长综合征患者中发现了SPIN4D82H错义变异。该突变影响SPIN4的第一个都铎域;然而,这些都铎结构域的相关结合底物尚不明确,限制了对SPIN4依赖性染色质调控和基因表达的功能性剥离。
识别读者蛋白结构域中新的组蛋白结合底物并不依赖单一的标准化方法。组蛋白的翻译后修饰(PTMs)主要发生在从核心核小体颗粒向外突出的组蛋白尾部。读者蛋白结构域识别组蛋白尾部PTM的过程变化很大,通常需要多价静电相互作用,涉及核小体DNA、连接DNA及/或其他组蛋白结构域,以整体稳定读者与靶点的相互作用。目前,组蛋白尾肽的PTM已以微阵列形式构建并由多个厂商商业化。虽然基于组蛋白尾肽的PTM筛选读本蛋白结构域结合靶点具有高通量,但在缺核小体的情况下常常出现假阳性。此外,此类筛选的实验条件高度经验化,且不同蛋白间差异显著,技术上难以应对。基于核小体的合成PTM筛选或下拉能提供更为稳健的读数,但成本更高且通量低,因为重构携带多种PTM组合的核小体本身具有挑战性。
该方案描述了一种快速识别核小体中组蛋白PTM作为SPIN4结合靶点的方法。重组SPIN4被重构并与商业组蛋白PTM肽阵列进行筛选,以识别潜在结合靶点。随后,从活细胞中生成了含有多种内源组蛋白PTM的天然单核小体。单核小体的SPIN4拉近实现了初步筛选后基于抗体的组蛋白PTMs靶向验证。这一综合生化策略展示了一种原理验证方法,能够高效且高效地发现靶点,并可轻松应用于鉴定其他表观遗传读者蛋白的结合底物。
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所有涉及HEK293FT细胞的实验程序均遵循弗吉尼亚联邦大学机构生物安全委员会(IBC)指南。
1. 重组人类SPIN4的纯化
2. 组蛋白肽阵列
3. FLAG-SPIN4 在拉下分析中的大规模表达
4. FLAG-SPIN4和FLAG-SPIN4D82H的珠子与裂解液比的滴定
5. 大规模制备抗FLAG亲和力凝胶结合的FLAG-SPIN4作为诱饵
6. 从HEK293FT细胞制备单核小体
7. 修正性核小体拉低
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为研究人类SPIN4的结合底物,野生型SPIN4和一种与过度生长综合征相关的患者源性突变体,利用Sf9昆虫细胞表达系统重组。具体来说,这是一种天冬氨酸(D)与组氨酸(H)在残基82(D82H)处的错义突变,位于SPIN4的第一个都铎结构域内,暗示其在调控SPIN4底物结合中的作用。使用编码单一FLAG标记SPIN4的杆状病毒载体在Sf9细胞中表达蛋白,随后进行单步FLAG亲和力纯化和1×FLAG肽竞赛洗脱(见图1A)。随后,将纯化后的SPIN4蛋白的等摩尔浓度置于由384个独特组蛋白PTM组合组成的组蛋白肽阵列中培养。结合特定组蛋白PTM的SPIN4蛋白被FLAG抗体和HRP结合的二级抗体检测到(见图1B)。化学发光信号通过数字方式量化。SPIN4与H3K4me1/2/3肽结合,而这种结合亲和力会受到其他顺式PTMs(如H3R2me2a、H3R2me2s和H3K9me3)的负面影响(见图2A-C
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提出了一种既省时间又经济的方法,用于生化地定位特定组蛋白PTM作为该蛋白的靶点,并评估其疾病相关突变如何影响靶点的结合亲和力。该方法的优点是无需昂贵或耗时的合成核小体重组。该方法利用了商业化组蛋白PTM肽阵列的便利性,同时通过使用天然单核小体作为生理相关结合底物,确保SPIN4是真正的H3K4me读读器。该方法的关键步骤是成功重建感兴趣的蛋白质。它是一个实证性的,也可能具有挑战性。在某些情况下,候选蛋白的截断版本可以用来克服技术难题。该方法的一个局限是使用未被生化定义的天然核小体。然而,按照该方法,单核小体在拉下作用后,可以通过质谱进一步检查,从而获得结合特异性的全局视角,并解剖顺式组蛋白PTMs组合,从而克服这一限制8。
结果中一个有趣的观察是,H3R2瓜氨酸化(H3R2citr)似乎允许SPIN4与H3K4me1/2/3结合,而H3R2me2a/s则阻断这种相互作用。H3R2me2a/s已被充分记录,有助于抑制读片蛋白对H3K4me的识别,因为H...
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作者声明不存在利益冲突。
作者感谢Yu和Jee实验室所有过去和现任成员的技术支持。J.-R.Y. 得到了 NIH NIGMS 最大化研究者研究奖(MIRA)R35GM160046的支持。嗯。J得到了儿童国家医院和儿童研究所的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL微离心管 | 萨斯泰特 | 72.690.001 | 一般实验 |
| 15厘米组织培养皿 | 萨斯泰特 | 83.3903.300 | 一般实验 |
| 15 mL 锥形离心管 | 萨斯泰特 | 62.554.101 | 一般实验 |
| 50毫升锥形离心管 | 萨斯泰特 | 62.548.004 | 一般实验 |
| 500毫升埃伦迈耶瓶 | 恒星科学 | CT229809 | Sf9细胞培养 |
| 阿默舍姆ImageQuant 800 CCD成像仪 | 西提瓦 | IMQ800 | CCD成像系统 |
| Anti-FLAG M2亲和力凝胶 | 西格玛-奥尔德里奇 | A2220 | 生化拉下 |
| 抗FLAG M2抗体 | 西格玛-奥尔德里奇 | F1804 | 西部污点 |
| 阿普罗肽 | 医疗化学快递 | HY-P0017 | 蛋白酶抑制剂 |
| 数组分析软件 | 主动主题 | https://www.activemotif.com/documents/Array_Analyze_Software_v16.1.zip | MOD化肽阵列数据分析 |
| ASI 琼脂糖法学部 | 碱科学 | A7700 | DNA凝胶 |
| Bac-Bac 杆状病毒表达系统 | 热力科学 | 10359016 | 基囊病毒表达 |
| 盐酸苯并胺 | 医疗化学快递 | 哈W018781 | 蛋白酶抑制剂 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | 西格玛-奥尔德里奇 | A9647 | 蛋白质定量标准 |
| 溴酚蓝 | 热力科学 | A18469.08 | 拉梅利缓冲器 |
| 库马西明亮蓝R-250 | 热力科学 | 20278 | 蛋白凝胶染色 |
| 二硫代特醇(DTT) | 西格玛-奥尔德里奇 | D5545 | 裂解缓冲液 |
| EDTA | RPI研究产品 | E58100 | 裂解缓冲液 |
| 增强化学发光(ECL)底物 | 西提瓦 | RPN2232 | 西部污点 |
| ESF 921 昆虫细胞培养基 | 表达系统 | 96-001 | Sf9细胞培养 |
| 乙醇(200 proof) | 光谱化学 | ET107 | DNA沉淀 |
| EVOS M5000成像系统 | Invitrogen | M5000 | 一般成像 |
| FLAG肽 | 医疗化学快递 | HY-P7006 | 下拉洗脱 |
| 甘油 | 西格玛-奥尔德里奇 | G77893 | 存储缓冲区 |
| H3K4me1抗体 | 主动主题 | 39300 | 西部污点 |
| H3K4me2抗体 | 细胞信号传导 | 9725T | 西部污点 |
| H3K4me3抗体 | 细胞信号传导 | 9751T | 西部污点 |
| HEK293FT细胞 | 热力科学 | R70007 | 人类胚胎肾纤维母细胞系 |
| 天哪 | 西格玛-奥尔德里奇 | H3375 | 裂解缓冲液 |
| 图片J | 美国国立卫生研究院 | https://imagej.net/ij/download.html | 基于Java的图像处理程序 |
| Leupeptin半硫酸盐 | 医疗化学快递 | HY-18234A | 蛋白酶抑制剂 |
| 微球菌核酸酶(MNase) | NEB | M0247S | 染色质消化中的内切核酸酶 |
| 120型声波驱散器 | 费舍尔科学 | FB120110 | 超声处理 |
| 改组组蛋白肽阵列 | 主动主题 | 13005 | 蛋白质结合测定 |
| 肽A型 | 医疗化学快递 | HY-P0018 | 蛋白酶抑制剂 |
| 过氧化物酶IgG分数单克隆山羊抗小鼠IgG,轻链特异性 | 杰克逊免疫研究 | 115-035-174 | 西部污点 |
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| 锥虫蓝溶液(0.4%) | 热力科学 | 15250061 | 核染色 |
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