Der Differential Radial Capillary Action of Ligand Assay (DRaCALA) kann verwendet werden, um kleine ligandenbindende Proteine eines Organismus unter Verwendung einer ORFeome-Bibliothek zu identifizieren.
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Methodenartikel
Der Differential Radial Capillary Action of Ligand Assay (DRaCALA) kann verwendet werden, um kleine ligandenbindende Proteine eines Organismus unter Verwendung einer ORFeome-Bibliothek zu identifizieren.
In den letzten zehn Jahren gab es enorme Fortschritte beim Verständnis kleiner Signalmoleküle in der bakteriellen Physiologie. Insbesondere die Zielproteine mehrerer nukleotid-abgeleiteter Sekundärbotenstoffe (NSMs) wurden systematisch identifiziert und in Modellorganismen untersucht. Diese Erfolge sind hauptsächlich auf die Entwicklung mehrerer neuer Techniken zurückzuführen, darunter die Capture-Compound-Technik und die differentielle radiale Kapillarwirkung des Ligandenassays (DRaCALA), mit denen Zielproteine dieser kleinen Moleküle systematisch identifiziert wurden. Dieser Artikel beschreibt die Verwendung der NSMs, Guanosinpenta- und Tetraphosphate (p)ppGpp, als Beispiel und Videodemonstration der DRaCALA-Technik. Unter Verwendung von DRaCALA wurden 9 von 20 bekannten und 12 neuen Zielproteinen von (p)ppGpp im Modellorganismus Escherichia coli K-12 identifiziert, was die Leistungsfähigkeit dieses Assays demonstriert. Prinzipiell könnte DRaCALA zur Untersuchung kleiner Liganden verwendet werden, die durch radioaktive Isotope oder Fluoreszenzfarbstoffe markiert werden können. Die kritischen Schritte, Vor- und Nachteile von DRaCALA werden hier für die weitere Anwendung dieser Technik diskutiert.
Bakterien verwenden mehrere kleine Signalmoleküle, um sich an sich ständig ändernde Umgebungen anzupassen1,2. Zum Beispiel vermitteln die Autoinduzierer, N-Acylhomoserinlactone und ihre modifizierten Oligopeptide, die interzelluläre Kommunikation zwischen Bakterien, um das Populationsverhalten zu koordinieren, ein Phänomen, das als Quorum Sensing bekanntist 2. Eine weitere Gruppe kleiner Signalmoleküle sind die NSMs, darunter das umfassend untersuchte zyklische Adenosinmonophosphat (cAMP), cyclisches Di-AMP, cyclisches Di-Guanosinmonophosphat (cyclisches Di-GMP) und Guanosin-Penta- und Tetraphosphate (p)ppGpp1. Bakterien produzieren diese NSMs als Reaktion auf eine Vielzahl von verschiedenen Stressbedingungen. Einmal produziert, binden diese Moleküle an ihre Zielproteine und regulieren mehrere verschiedene physiologische und metabolische Wege, um den angetroffenen Belastungen standzuhalten und das Überleben der Bakterien zu verbessern. Daher ist die Identifizierung der Zielproteine eine unumgängliche Voraussetzung, um die molekularen Funktionen dieser kleinen Moleküle zu entschlüsseln.
In den letzten zehn Jahren gab es einen Wissensboom über diese kleinen Signalmoleküle, hauptsächlich aufgrund mehrerer technischer Innovationen, die die Zielproteine dieser kleinen Moleküle enthüllten. Dazu gehören die Capture-Compound-Technik3,4,5und die differentielle radiale Kapillarwirkung des Ligandenassays (DRaCALA)6, die in diesem Artikel diskutiert werden soll.
DRaCALA wurde 2011 von Vincent Lee und Mitarbeitern6erfunden und nutzt die Fähigkeit einer Nitrocellulosemembran, freie und proteingebundene Liganden differentiell zu sequestriert. Moleküle wie Proteine können nicht auf einer Nitrocellulosemembran diffundieren, während kleine Liganden wie die NSMs dazu in der Lage sind. Durch Mischen des NSM (z. B., ppGpp) mit dem zu testenden Protein und Aufträgen auf der Membran sind zwei Szenarien zu erwarten (Abbildung 1): Wenn (p)ppGpp an das Protein bindet, wird das radioaktiv markierte (p)ppGpp vom Protein in der Mitte des Flecks zurückgehalten und diffundiert nicht nach außen, wodurch ein intensiver kleiner Punkt (d.h. B. starkes radioaktives Signal) unter einem Phosphorimager. Wenn (p)ppGpp jedoch nicht an das Protein bindet, diffundiert es frei nach außen, um einen großen Fleck mit gleichmäßigem radioaktivem Hintergrundsignal zu erzeugen.
Darüber hinaus kann DRaCALA die Wechselwirkung zwischen einem kleinen Molekül und einem ungereinigten Protein in einem ganzen Zelllysat nachweisen, wenn das Protein in ausreichender Menge vorhanden ist. Diese Einfachheit ermöglicht die Verwendung von DRaCALA bei der schnellen Identifizierung von Proteinzielen mithilfe einer ORFeome-Expressionsbibliothek. Tatsächlich wurden Zielproteine von cAMP7, cyclischem di-AMP8, cyclischem di-GMP9,10und (p)ppGpp11,12,13 systematisch unter Verwendung von DRaCALA identifiziert. Dieser Videoartikel verwendet (p)ppGpp als Beispiel, um die kritischen Schritte und Überlegungen bei der Durchführung eines erfolgreichen DRaCALA-Screenings zu demonstrieren und zu beschreiben. Es wird dringend empfohlen, eine ausführlichere Beschreibung von DRaCALA14 in Kombination mit diesem Artikel zu lesen, bevor Sie DRaCALA durchführen.

Abbildung 1: Das Prinzip von DRaCALA. (A) Schematische Darstellung des DRaCALA-Assays. Weitere Informationen finden Sie im Text. (B) Quantifizierung und Berechnung des Bindungsanteils. Weitere Informationen finden Sie im Text. Kurz gesagt, die DRaCALA-Flecken werden analysiert, indem zwei Kreise gezeichnet werden, die den gesamten Fleck und den inneren dunklen Punkt(dhdas zurückgehaltene (p) ppGpp aufgrund der Bindung des getesteten Proteins) umschreiben. Das spezifische Bindungssignal ist das radioaktive Signal des inneren Kreises (S1) nach Subtraktierung des unspezifischen Hintergrundsignals (berechnet durch A1 × ((S2 -S1)/(A2-A1))). Der Bindungsanteil ist das spezifische Bindungssignal dividiert durch das gesamte radioaktive Signal (S2). Abkürzungen: DRaCALA = Differential Radial Capillary Action of Ligand Assay; (p)ppGpp = Guanosinpenta- und Tetraphosphate; RT = Raumtemperatur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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1. Herstellung von Ganzzelllysaten
2. Reinigung von Relseq und GppA
HINWEIS: Die rekombinanten Proteine Relseq aus Streptococcus equisimilis und GppA aus E. coli K-12 werden verwendet, um die radioaktiv markierten ppGpp bzw. ppGpp zu synthetisieren.
3. Synthese von 32P-markierten pppGpp und ppGpp
| Volumen (μL) | ||
| Kleiner Maßstab | Großer Maßstab | |
| Reinstwasser | ||
| 10x Relseq Puffer* | 2 | 50 |
| ATP (8 mM finale) | ||
| Relseq (4 μM Finale) | ||
| 32 P-α-Guanosintriphosphat (GTP) (letzte 120 nM) (VORSICHT) | 0.2 | 5 |
| gesamt | 20 | 500 |
Tabelle 1: Assemblierungsinformationen für die klein- und großräumigen Synthesereaktionen von 32P-markierten pppGpp. *10x Relseq-Puffer enthält 250 mM Tris-HCl, pH 8,6; 1M NaCl; 80 mMMgCl2. Abkürzung: pppGpp = Guanosinpentaphosphat.
4. DRaCALA-Screening der Zielproteine von (p)ppGpp
5. Quantifizierung und Identifizierung potenzieller Zielproteine

Abbildung 2:Gesamtworkflow des DRaCALA-Screening-Prozesses. Die Proteinproduktion aus einer Escherichia coli ASKA-Sammlung wird induziert und die Zellen werden lysiert. Inzwischen werden die rekombinanten Proteine Relseq-Hisund GppA-His gereinigt und zur Synthese von 32P-markierten pppGpp und ppGpp aus 32P-α-GTP verwendet. Die radioaktiv markierten (p)ppGpp-Moleküle werden dann mit den Lysaten gemischt, und ein 96-Pin-Tool wird verwendet, um die Mischungen auf einer Nitrocellulosemembran zu erkennen, um sie anschließend einem Phosphorspeicherbildschirm, der Bildgebung und quantifizierung der radioaktiven Signale zu erweisen. Abkürzungen: DRaCALA = Differential Radial Capillary Action of Ligand Assay; (p)ppGpp = Guanosinpenta- und Tetraphosphate; RT = Raumtemperatur; IPTG = Isopropyl β-d-1-thiogalactopyranosid; GTP = Guanosin-5'-triphosphat; SDS-PAGE = Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese ; TLC = Dünnschichtchromatographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Das Befolgen des oben beschriebenen Protokolls führt in der Regel zu zwei Arten von Ergebnissen (Abbildung 3).
Abbildung 3A zeigt eine Platte mit relativ geringen Hintergrundbindungssignalen (Bindungsfraktionen < 0,025) aus der Mehrzahl der Vertiefungen. Das positive Bindungssignal der Bohrung H3 ergibt einen Bindungsanteil von ~0,35, der viel höher ist als der, der für die anderen Vertiefungen beobachtet wurde. Selbst ohne Quantif...
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Einer der kritischen Schritte bei der Durchführung eines DRaCALA-Screenings besteht darin, gute Lysate ganzer Zellen zu erhalten. Zunächst sollten die getesteten Proteine in großen Mengen und in löslichen Formen hergestellt werden. Zweitens sollte die Lyse der Zellen vollständig sein und die Viskosität des Lysats muss minimal sein. Die Einbeziehung von Lysozym und die Verwendung von drei Gefrier-Tau-Zyklen reichen oft aus, um Zellen vollständig zu lysieren. Die freigesetzte chromosomale DNA macht das Lysat jedoch viskos ...
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Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt offenzulegen.
Die Arbeit wird durch einen NNF-Projektzuschuss (NNF19OC0058331) für YEZ und das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung (Nr. 801199) an MLS unterstützt.

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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 32P-α-GTP | Perkinelmer | BLU006X250UC | |
| 96 x Stiftwerkzeug | V& P Scientific | VP 404 | 96 Bolzenreplikator, auf 9 mm Zentren, 4,2 mm Bolzendurchmesser, 24 mm lange |
| 96-Well-Mikrotiterplatte mit V-Boden | Sterilin | MIC9004 | Sterilin Microplate V Well 611V96 |
| Agar | OXOID - Thermo Fisher | LP0011 | Agar Nr. 1 |
| ASKA Sammelstamm | NBRP, SHIGEN, JAPAN | Ref: DNA Research, Band 12, Ausgabe 5, 2005, Seiten 291–299. https://doi.org/10.1093/dnares/dsi012 | |
| Benzonase | SIGMA | E1014-25KU | gentechnisch veränderte Endonuklease aus Serratia marcescens |
| Bradford Protein Assay Farbstoff | Bio-Rad | 5000006 | Reagenzkonzentrat |
| DMSO | SIGMA | D8418 | ≥ 99,9% |
| DNase 1 | SIGMA | DN25-1G | |
| Gelfiltration 10x300 Säule | GE Healthcare | 28990944 | enthält 20% Ethanol als Konservierungsmittel |
| Glycerin | PanReac AppliChem | 122329.1214 | Glycerin 87% für die Analyse |
| Hyperkassette | Amersham | RPN 11647 | 20 x 40 cm |
| Imidazol | SIGMA | 56750 | puriss. ≥ 99,5% (GC) |
| IP Speicher Phosphor Sieb | FUJIFILM | 28956474 | BAS-MS 2040 20x 40 |
| cm Isopropyl β-d-1-thiogalactopyranosid (IPTG) | SIGMA | I6758 | Isopropyl β-D-Thiogalactosid |
| Lysogene Bouillon (LB) | Invitrogen - Thermo Fisher | 12795027 | Miller's LB Bouillon Base |
| Lysozym | SIGMA | L4949 | aus Hühnereiweiß; BioUltra, lyophilisiertes Pulver, ≥ 98% |
| MgCl2 (Magnesiumchlorid) | SIGMA | 208337 | |
| MilliQ Wasser | Reinstwasser | ||
| Mehrkanalpipette | Thermo Scientific | 4661110 | F1 - Clip Tip; 1-10 ul, 8 x Kanäle |
| NaCl | VWR Chemicals | 27810 | AnalaR NORMAPUR, ACS, Reag. Ph. Eur. |
| Ni-NTA Agarose | Qiagen | 30230 | |
| Nitrocellulose Blotting Membran | Amersham Protran | 10600003 | Premium 0,45 um 300 mm x 4 m |
| PBS | OXOID - Thermo Fisher | BR0014G | Phosphat gepufferte Kochsalzlösung (Dulbecco A), Tabletten |
| PEG3350 (Polyethylenglykol 3350) | SIGMA | 202444 | |
| Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) | SIGMA | 93482 | Phenylmethansulfonylfluoridlösung - 0,1 M in Ethanol (T) |
| Phosphor-Imager | GE Healthcare | 28955809 | Typhoon FLA-7000 Phosphor-Imager |
| Pipettenspitzen, gefiltert | Thermo Scientific | 94410040 | ClipTip 12,5 μ l unsterile |
| Poly-Prep Chromatographie-Säule | Bio-Rad | 7311550 | Polypropylen-Chromatographie-Säule |
| Protease-Inhibitor Mini | Pierce | A32955 | Tabletten, EDTA-freies |
| Schraubverschluss-Röhrchen | Thermo Scientific | 3488 | Mikrozentifugenröhrchen, 2,0 ml mit Schraubverschluss, unsterile |
| SLS 96-Deep Well Platten | Greiner | 780285 | MASTERBLOCK, 2 ML, PP, V-Boden, |
| natürliche Spin-Säule | Millipore | UFC500396 | Amicon Ultra -0,5 ml Zentrifugalfilter |
| Thermomixer Eppendorf | 5382000015 | Thermomixer C | |
| DC-Platte (PEI-Zellulose F DC-Platten) | Merck Millipore | 105579 | DC PEI-Zellulose F (20 x 20 cm) |
| Tris | SIGMA | BP152 | Tris Base für Molekularbiologie |
| Tween 20 | SIGMA | P1379 | viskoses nichtionisches Waschmittel |
| β-Mercaptoethanol | SIGMA | M3148 | 99% (GC/Titration) |
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