RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
German
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ziel dieses Manuskripts ist es, einen Überblick über die umfassenden biochemischen und funktionellen Studien der RING-Typ E3 Ubiquitin Ligasen zu präsentieren. Diese mehrstufige Pipeline mit detaillierten Protokollen validiert eine enzymatische Aktivität des getesteten Proteins und zeigt, wie die Aktivität mit der Funktion verknüpft werden kann.
Die Ubiquitination als posttranslationale Modifikation von Proteinen spielt eine wichtige regulatorische Rolle bei der Homöostase eukaryotischer Zellen. Die kovalente Anhaftung von 76 Aminosäure-Ubiquitin-Modifikatoren an ein Zielprotein, abhängig von der Länge und Topologie der Polyubiquitin-Kette, kann zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, die von Proteinabbau bis hin zu Veränderungen in der Lokalisierung und/oder Aktivität modifizierter Proteine reichen. Drei Enzyme katalysieren den Ubiquitinationsprozess sequenziell: E1-Ubiquitin-aktivierendes Enzym, E2-Ubiquitin-konjuzierendes Enzym und E3-Ubiquitinligase. E3 Ubiquitin Ligase bestimmt die Substratspezifität und stellt daher ein sehr interessantes Studienfach dar. Hier stellen wir einen umfassenden Ansatz vor, um die Beziehung zwischen der enzymatischen Aktivität und Funktion des RING-Typs E3 ubiquitin ligase zu untersuchen. Dieses vierstufige Protokoll beschreibt 1) wie ein E3-Ligase-Mangel-Mutant durch standortgesteuerte Mutagenese erzeugt wird, die auf die konservierte RING-Domäne ausgerichtet ist; 2–3) wie die Ubiquitationsaktivität sowohl in vitro als auch in planta untersucht werden kann; 4) wie diese biochemischen Analysen mit der biologischen Signifikanz des getesteten Proteins verknüpft werden können. Die Erzeugung eines E3-Ligase-mangelhaften Mutanten, der immer noch mit seinem Substrat interagiert, es aber nicht mehr zum Abbau ubiquitiniert, erleichtert die Prüfung von Enzym-Substrat-Wechselwirkungen in vivo. Darüber hinaus verleiht die Mutation in der konservierten RING-Domäne oft einen dominanten negativen Phänotyp, der in funktionellen Knockout-Studien als alternativer Ansatz für einen RNA-Interferenzansatz genutzt werden kann. Unsere Methoden wurden optimiert, um die biologische Rolle des pflanzenparasiten Nematodeneffektors RHA1B zu untersuchen, der das Wirts-Ubiquitinationssystem in Pflanzenzellen entführt, um Denparasitismus zu fördern. Mit geringfügiger Modifikation des In-vivo-Expressionssystems kann dieses Protokoll unabhängig von seiner Herkunft auf die Analyse jeder RING-Typ E3-Ligase angewendet werden.
Die überwiegende Mehrheit der E3-Ubiquitinligasen gehört zu RING (Really Interesting New Gene)-Typ Proteine. Die RING-Finger-Domain wurde ursprünglich von Freemont et al.identifiziert. 1 und funktionell als Domäne beschrieben, die Protein-Protein-Interaktionvermittelt 2. Der kanonische RING-Finger ist eine spezielle Art von Zink-Koordinierungsdomäne, definiert als Konsenssequenz von acht konservierten Cys (C) und His (H), die speziell durch andere Aminosäurerückstände (X), C-X2-C-X9-39-C-X1–3-H-X2–3-C/H-X2-C-X4–48-C-X2-C- und -C- Zwei Zn2+-Ionen werden durch Kern-C- und H-Rückstände durch einzigartige "Cross-Brace"-Topologie mit C1/C2 und C/H5/C6 stabilisiert, die das erste Zn2+ Ionen koordinieren, während C3/H4 und C7/C8 die zweite binden (Abbildung 1A)3,4. Je nach Vorhandensein von C oder H in der fünften Zn2+-Koordinationsstelle wurden zwei kanonische Unterklassen von RING-Fingerproteinen definiert: C3HC4 und C3H2C3 (RING-HC bzw. RING-H2). Da die RING-Domäne von E3-Ubiquitinligase die Wechselwirkung zwischen E2-konjugierenden Enzymen und Substraten vermittelt, hat sich gezeigt, dass die Mutation dieser essentiellen C- und H-Rückstände die Ligaseaktivität stört5. Weitere fünf weniger häufige Unterklassen von RING E3-Ligasen wurden beschrieben (RING-v, RING-C2, RING-D, RING-S/T und RING-G)6. Die RING-Typ E3 Ubiquitin Ligasen können weiter in einfache und komplexe E3-Enzyme unterteilt werden. Die einfache Einzeleinheit RING E3 Ligases enthält sowohl die Substraterkennungsstelle als auch die E2-bindende RING-Domäne. Im Gegensatz dazu ist der Multisubunit RING-Typ E3-Komplex entweder das Substrat des Renousesubstrats oder vermittelt die Bindung des E2-Ubiquitin-Zwischenprodukts an den E3-Komplex. Die RING-Domäne Lys-Residuen, die als primäre Ubiquitin-Anhang-Site(n) zur Selbstallgegenwärtigkeit dienen, könnte auch für die E3-Ligase-Aktivität wichtig sein.
Nicht alle RING-haltigen Proteine funktionieren als E3-Ligasen. Daher müssen die bioinformatische Vorhersage der RING-Finger-Domäne und die Fähigkeit zur E2-abhängigen Protein-Ubiquitination biochemisch validiert und mit der biologischen Rolle des getesteten Proteins verknüpft werden. Hier beschreiben wir ein Schritt-für-Schritt-Protokoll, in dem beschrieben wird, wie die enzymatische Aktivität von RING-Typ E3-Ubiquitinligasen sowohl in vitro als auch in planta durch einen standortgesteuerten Mutagenese-Ansatz erkannt und funktional charakterisiert werden kann. Die repräsentativen Ergebnisse dieser Pipeline werden für den RING-Typ E3 ligase RHA1B angezeigt. RHA1B ist ein Effektorprotein, das von der pflanzlichen parasitären Zystennematode Globodera pallida produziert wird, um die Pflanzenimmunität zu unterdrücken und die Morphologie von Pflanzenwurzelzellen zu manipulieren. Um sich vor einer Invasion von Erregern/Parasiten zu schützen, haben Pflanzen Nukleotid-bindende Domäne und Leucin-reiche Wiederholung (NB-LRR) Typ Immunrezeptoren entwickelt, die das Vorhandensein eines Erregers oder Parasiten erkennen und als Folge die überempfindliche Reaktion (HR) entwickeln, die eine Form des schnellen und lokalisierten Zellsterbens ist, das an der Infektionsstelle auftritt, um die Besiedlung von Krankheitserregern zu stoppen. Ein solcher Immunrezeptor ist das Kartoffel-Gpa2-Protein, das resistenzen gegen einige Isolate von G. pallida (Feldpopulationen D383 und D372)7verleiht.
Mit den vorgestellten Protokollen, Es wurde vor kurzem festgestellt, dass RHA1B mit pflanzenimmunsignalisierung in einer E3-abhängigen Weise durch die Ausrichtung auf die Pflanze Gpa2 Immunrezeptor für Ubiquitination und Abbau8stört.
1. Standortgesteuerte Mutagenese (Abbildung 1)
2. Rekombinante Proteinreinigung und In-vitro-Ubiquitinationstest
3. Agrobacterium-vermittelte transiente Proteinexpression in Nicotiana Benthamiana Blättern und in planta ubiquitination assay
4. Herstellung der Verbindung zwischen enzymatischer Aktivität und Funktion in Planta
HINWEIS: RHA1B fördert beispielsweise den Abbau des resistenten Proteins Gpa2, um den Tod von HR-Zellen zu unterdrücken. In diesem Schritt wird gezeigt, wie Sie überprüfen können, ob diese virulenten Aktivitäten von RHA1B E3-abhängig sind.
In diesem Abschnitt werden repräsentative Ergebnisse für das Protokoll zur Verfügung gestellt, das für die Untersuchung einer einzelnen Untereinheit E3 Ubiquitin ligase RHA1B verwendet wird, die eine PROSITE-vorhergesagte RING-H2-Domäne (132–176 Aminosäuren)10hat. Wie in Abbildung 1dargestellt, muss mindestens eines der acht konservierten Cs oder Hs in der RING-Domäne(Abbildung 1A) mutagenisiert werden (Abbildung 1B). So wurden in einem ersten Schritt zwei mutierte Versionen von RHA1B, RHA1BC135S (eine Substitution von Cys durch Ser in der konservierten C3 der RING-Domäne) und RHA1BK146R (eine Substitution von Lys durch Arg in der einzigen lys in RHA1B) erzeugt. Obwohl einzelne Untereinheit E3-Ligisten den Ubiquitin-Transfer von Ubiquitin, das E2 beherbergt, auf das Substrat vermitteln, anstatt direkt mit Ubiquitin zu interagieren, könnte eine Selbst-Ubiquitination von E3 bei Lys für seine maximale enzymatische Aktivität erforderlich sein.
Die Western Blotting-Ergebnisse in Abbildung 2A zeigen ein typisches positives In-vitro-Ubiquitinations-Assay-Ergebnis, mit einem Multibanding-Abstrich, der beim Molekulargewicht des getesteten Proteins beginnt (z. B. MPB-fused RHA1B -100 kDa) und nach oben voranschreitet. Der Anti-HA-Antikörper erkannte HA-markierte Ub in die Poly-Ubiquitinationskette unterschiedlicher Längen integriert, wodurch dieser typische Ubiquitin-assoziierte Leiter-ähnliche Abstrich entsteht. Um die positiven Ergebnisse zu validieren, zeigt Abbildung 2A auch alle wichtigen Negativkontrollen, die einzelne Komponenten (E1, E2, Ub oder MBP-RHA1B) oder MBP als Steuerung und fehlendes verschmiertes Ubiquitinationssignal vermissen. Darüber hinaus zeigte die Coomassie-Blaufärbung der PVDF-Membran in allen Steuerungen die gleiche Belastung von MBP-RHA1B oder MBP.
Abbildung 2B zeigt, wie die Ergebnisse der In-vitro-Ubiquitination je nach spezifischer E2/E3-Kombination variierten. In diesem Beispiel wurden 11 verschiedene E2 getestet, die 10 verschiedene E2-Familien darstellen. Die nachgewiesene Ubiquitinationsaktivität reichte von keinem Signal (kein Abstrich) bis hin zu einem Multibanding-Abstrich, der bei unterschiedlichen Molekulargewichten begann, was auf unterschiedliche Ubiquitinationsmuster hindeutet.
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse des Ubiquitinationstests für RING- und K-mutante Versionen des getesteten Proteins. Der Mangel an enzymatischer Aktivität für RHA1BC135S wird durch seine Unfähigkeit unterstützt, entweder einen Multibanding-Abstrich in vitro zu erzeugen (Abbildung 3A) oder poly-Ubiquitinationssignal in Planta zu fördern (Abbildung 3B). Es ist bemerkenswert, dass die Überexpression von HA-markierten Ub in Planta allein gab Basalebene Ubiquitination in allen getesteten Proben, einschließlich der Vektorkontrolle, im Gegensatz zu der starken Ubiquitinationssignal durch die enzymatische Aktivität des wilden Typs RHA1B übertragen. Darüber hinaus legt die Analyse der RHA1BK146R-Mutation nahe, dass der K146-Rückstand auch für die E3-Aktivität von RHA1B von wesentlicher Bedeutung ist. Obwohl ein marginales Selbstallgegenwärtigationssignal in vitro nachgewiesen wurde (Abbildung 3A), stellte der in planta assay fest, dass die Mutante E3-mangelhaft ist(Abbildung 3B, nur Hintergrund-Ubiquitinationssignal erkannt).
Nach der Erzeugung und biochemischen Validierung des E3-mangelhaften Mutanten können funktionelle Studien entwickelt werden, um die E3-assoziierte biologische Rolle der getesteten RING E3 Ubiquitin ligase zu bestimmen. Im Falle von RHA1B unterdrückt dieser Nematodeneffektor die pflanzenimmune Signalisierung, wie sie sich durch unterdrückung des Gpa2-ausgelösten HR-Zelltodes manifestiert. Wie in Abbildung 4Adargestellt, störte die RHA1BC135S Mutante ohne E3-Ligase-Aktivität im Gegensatz zum Wildtyp RHA1B den Tod der HR-Zellen nicht. Da das häufigste Ergebnis der Proteinubiquitination der proteasome-vermittelte Abbau ist, können Mutationen, die sich in der RING-Domäne befinden, auch verwendet werden, um eine E3-abhängige Fähigkeit zu überprüfen, den Abbau ihrer direkten und/oder indirekten Substrate auszulösen. Somit bestätigen signifikant die Ergebnisse der westlichen Blotting in Abbildung 4B, dass sich Gpa2 nicht in Gegenwart von wildem RHA1B ansammelte, aber RHA1BC135S keinen Einfluss auf die Gpa2-Proteinstabilität hatte.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Prinzips und der Schritte bei der standortgesteuerten Mutagenese. (A) RING-CH/H2-Domain mit konservierten Cys und Seinen Aminosäuren hervorgehoben. (B) Ein Beispiel für mutagene Primer Design. (C) Schritte der ortsgesteuerten Mutagenese. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Repräsentativer In-vitro-Ubiquitinationstest. (A) Top-Gel zeigt Ubiquitinationstest einschließlich aller Negativkontrollen, und das untere Gel zeigt die gleiche Belastung. (B) Der Bereich der erwarteten Ergebnisse abhängig von E2-Enzymen. Diese Zahl wurde von Kud et al8geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Ubiquitinationstest ergebnisse für RING- und K-Mutanten (RHA1BC135S und RHA1BK146R). (A) In-vitro-Ubiquitinationsergebnisse für RHA1BC135S und RHA1BK146R. (B) In planta ubiquitination assay Ergebnisse für RHA1BC135S und RHA1BK146R. Diese Zahl wurde von Kud et al8geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Repräsentative funktionelle Studie für E3-abhängige biologische Funktionen. Ein Beispiel für funktionelle Studien, die die E3-abhängige biologische Funktion zeigen. (A) E3-abhängige HR-Zelltodunterdrückung und (B) Abbau eines Pflanzenimmunrezeptors Gpa2. Diese Zahl wurde von Kud et al8geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| PCR-Einrichtung | |
| 1 L | Plasmid (ca. 100 ng) |
| 1,5 l | F mutagene Grundierung (10 m) |
| 1,5 l | R mutagene Grundierung (10 m) |
| 1 L | dNTPs (10 mM) |
| 5 l | Puffer (10x) |
| 1 L | Ultra-Pfu-Polymerase (2,5 U/l) |
| 39 l | ddH2O |
| 50 l | GESAMTVOLUMEN |
Tabelle 1: PcR-Reaktion eingerichtet
| thermocycler Programm | |||
| 1 | 95 °C | 30 s | |
| 2 | 95 °C | 30 s | |
| 3 | 60 °C | 30 s | |
| 4 | 72 °C | 5 Min. | 2-4 30-mal wiederholen |
| 5 | 72 °C | 5 Min. |
Tabelle 2: PCR-Thermocycler-Programm
| Ligationsreaktion für das RHA1B-Beispiel eingerichtet | |
| 1,5 l | pMAL-c2::MBP linearisierter Vektor durch Verdauung mit BamHI und SalI (60 ng) |
| 7 l | RHA1B/RHA1BC135S oder RHA1BK146R Einsatz mit BamHI und SalI (25 ng) verdaut |
| 1 L | T4 Ligase Puffer (10x) |
| 0,5 l | T4 Ligase (400 U/L) |
| 10 l | GESAMTVOLUMEN |
Tabelle 3: Ligationsreaktion für das RHA1B-Beispiel eingerichtet.
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Ziel dieses Manuskripts ist es, einen Überblick über die umfassenden biochemischen und funktionellen Studien der RING-Typ E3 Ubiquitin Ligasen zu präsentieren. Diese mehrstufige Pipeline mit detaillierten Protokollen validiert eine enzymatische Aktivität des getesteten Proteins und zeigt, wie die Aktivität mit der Funktion verknüpft werden kann.
Unsere Arbeit wurde durch die finanzielle Unterstützung der Landwirtschafts- und Ernährungsforschungsinitiative (2017-67014-26197; 2017-67014-26591) des USDA National Institute of Food and Agriculture, USDA-NIFA Farm Bill, Northwest Potato ermöglicht. Konsortium und ISDA Specialty Crop.
| Essigsäure | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| Acetosyringon | Sigma-Aldrich | D134406 | |
| Amyloseharz | NEB | E8021S | |
| ATP | Sigma-Aldrich | A1852 | |
| Bakterieller Proteasehemmer | Sigma-Aldrich | P8465 | |
| Bromphenolblau | VWR | 97061-690 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C1016 | |
| Zentrifuge | Beckman Coulter | Modell: Avanti J-25 | |
| Commassie Blue | VWR | 97061-738 | |
| Kreatinphosphat | Sigma-Aldrich | P7936 | |
| Kreatinphosphokinase | Sigma-Aldrich | C3755 | |
| DNA Clean & Concentrator Kit | ZYMO FORSCHUNG | D4029 | |
| DpnI | NEB | R0176S | |
| DTT | Sigma-Aldrich | D0632 | |
| E. coli BL21 | Thermo Fisher Scientific | C600003 | |
| E. coli DH5&alpha kompetente Zellen | Thermo Fisher Scientific | 18265017 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | 324504 | |
| FeSO4 7H2O | Sigma-Aldrich | F7002 | |
| FLAG-Ub | BostonBiochem | U-120 | |
| Glukose | VWR | 188 | |
| Glycerin | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| HA-Ub | BostonBiochem | U-110 | |
| Heizblock | VWR | Modell: 10153-318 | |
| Inkubator | VWR | Modell: 1525 Digitaler Inkubator Inkubator | |
| Schüttler | Thermo Fisher Scientific | Modell: MaxQ 4000 | |
| IPTG | Roche | 10724815001 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| LB Bouillon | Sigma-Aldrich | L3022 | |
| Flüssigstickstoff | Universitätschemiker | ||
| Maltose | Sigma-Aldrich | 63418 | |
| MES | Sigma-Aldrich | M3671 | |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | 63138 | |
| MgSO4 7H2O | Sigma-Aldrich | 63138 | |
| Mikrozentrifuge | Eppendorf | Modell: 5424 | |
| Miniprep Plasmid-Aufreinigungskit | ZYMO RESEARCH | D4015 | |
| monoklonaler Anti-FLAG-Antikörper | Sigma-Aldrich | F3165 | |
| monoklonaler Anti-HA-Antikörper | Sigma-Aldrich | H9658 | |
| monoklonaler Anti-MYC-Antikörper | Sigma-Aldrich | WH0004609M2 | |
| Mörser | VWR | 89038-144 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S8282 | |
| NanoDrop | Thermo Fisher Scientific | Modell: 2000 Spektralphotometer | |
| Nadel | Thermo Fisher Scientific | 14-826-5C | |
| NH4Cl | Sigma-Aldrich | A9434 | |
| PCR-Maschine | Bio-Rad | Modell: C1000 | |
| Stößel | VWR | 89038-160 | |
| Pfu Ultra | Agilent Technologies | 600380 | |
| Pflanzlicher Proteaseinhibitor | Coctail Sigma-Aldrich | P9599 | |
| pMAL-c2 | NEB | N8076S | |
| PMSF | Sigma-Aldrich | P7626 | |
| Polyvinylpolypyrrolidon | Sigma-Aldrich | P6755 | |
| SDS | Sigma-Aldrich | 1614363 | |
| Sonicator | Qsonica Sonicators | Modell: Q125 | |
| Spritze | Thermo Fisher Scientific | 22-253-260 | |
| Tris | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| T4 Ligase | NEB | M0202S |