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
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Die Wechselwirkungen von Biomolekülen, wie z. B. Protein-Protein-Wechselwirkungen, sind die molekulare Grundlage biologischer Funktionen. Wenn interaktions-null/beeinträchtigte Mutanten, denen die relevante Interaktion spezifisch fehlt, isoliert werden können, werden sie wesentlich dazu beitragen, die Funktion(en) dieser Interaktion zu verstehen. Dieser Artikel stellt eine effiziente Methode zur Isolierung von Interaktions-Null-/beeinträchtigten Mutanten vor.
Protein-Protein-Wechselwirkungen sind einer der grundlegendsten Prozesse, die biologischen Phänomenen zugrunde liegen. Eine der einfachsten und besten Möglichkeiten, die Rolle(n) und Funktion(en) einer spezifischen Protein-Protein-Interaktion zu verstehen, besteht darin, den Phänotyp des Wildtyps (mit der relevanten Protein-Protein-Interaktion) mit denen von Mutanten zu vergleichen, denen die relevante Interaktion fehlt. Wenn solche Mutanten isoliert werden können, helfen sie daher, die damit verbundenen biologischen Prozesse aufzuklären. Das Hefe-Zwei-Hybrid-Verfahren (Y2H) ist ein leistungsstarker Ansatz, um nicht nur Protein-Protein-Wechselwirkungen zu erkennen, sondern auch um Interaktions-Null-/beeinträchtigte Mutanten zu isolieren. In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Isolierung von Interaktions-Null-/beeinträchtigten Mutanten mit Hilfe der Y2H-Technologie vorgestellt. Zunächst wird eine Mutationsbibliothek erstellt, indem die Polymerase-Kettenreaktion und die effiziente nahtlose Klonierungstechnologie kombiniert werden, die den leeren Vektor effizient aus der Bibliothek ausschließt. Zweitens werden Interaktions-Null-/beeinträchtigte Mutanten mit dem Y2H-Assay gescreent. Aufgrund eines Tricks im Y2H-Vektor werden unerwünschte Mutanten, wie z. B. solche mit Frameshift- und Nonsense-Mutationen, effizient aus dem Screening-Prozess eliminiert. Diese Strategie ist einfach und kann daher auf jede Kombination von Proteinen angewendet werden, deren Interaktion durch das Zwei-Hybrid-System nachgewiesen werden kann.
Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen sind der grundlegendste Teil biologischer Phänomene. Protein-Protein-Wechselwirkungen machen einen wesentlichen Teil solcher Wechselwirkungen aus. Daher ist die Identifizierung des/der Interaktionspartners/-partners eines interessierenden Proteins von entscheidender Bedeutung, um die Funktion des interessierenden Proteins/Gens weiter aufzuklären. Die Hefe-Zwei-Hybrid-Methode (Y2H) ist eine beliebte Technik zur Identifizierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen in vivo1. In diesem System werden zwei Proteine (X und Y), deren Interaktion getestet werden soll, mit der DNA-bindenden (DB) Domäne bzw. der transkriptionellen Aktivierungsdomäne (AD) fusioniert. Das DB-X-Fusionsprotein bindet an eine Erkennungssequenz der DB-Domäne; Wenn also die Proteine X und Y interagieren, kommt das AD-Y-Fusionsprotein in die Nähe der Erkennungssequenz. Dadurch wird die Transkription des Reportergens stromabwärts der Erkennungssequenz aktiviert. Daher kann das Vorhandensein oder Fehlen von Reportergenaktivität verwendet werden, um das Vorhandensein oder Fehlen der Protein-Protein-Interaktionzu bestimmen 1.
Sobald ein spezifischer Interaktionspartner des interessierenden Proteins identifiziert ist, sollten weitere Analysen durchgeführt werden, um die biologische Funktion der Interaktion aufzuklären. Zu diesem Zweck können Mutanten der Proteine, die die spezifische Protein-Protein-Interaktion beeinträchtigen oder entfernen, isoliert werden, als mächtige Werkzeuge dienen. Das Y2H-System kann direkt verwendet werden, um solche Mutanten zu isolieren, indem "interaktionsnegative" Klone gescreent werden, beginnend mit dem "interaktionspositiven" Wildtyp-Klon. Um diesen Prozess zu beschleunigen, wurden "umgekehrte" Y2H-Systeme (rY2H) entwickelt 2,3. In rY2H-Systemen beherbergen die Wirtshefestämme gegenselektierbare Markergene als Reportergene, was bedeutet, dass Hefezellen nur dann wachsen, wenn die Proteine AD-Y und DB-X nicht interagieren.
Obwohl sowohl das Y2H- als auch das rY2H-System die Isolierung von interaktionsnegativen Mutanten ermöglichen, ist der Prozess der Isolierung der Mutanten mühsam, da nicht alle durch das Screening erhaltenen Kandidaten die gewünschte Art von Mutationen (in der Regel Missense-Mutationen) tragen. Das schwerwiegendste Problem ist, dass ein erheblicher Teil der Kandidaten Frameshift- oder Nonsense-Mutationen aufweist und es notwendig ist, Western Blotting durchzuführen, um unerwünschte Klone auszuschließen. Um dieses Problem zu lösen, wurden neue Plasmidvektoren entwickelt4. In diesen Vektoren wird KanMX, ein Arzneimittelresistenzmarker, außerhalb des Rahmens stromabwärts der DB-Domäne oder AD positioniert. Das Markergen wird nur dann mit der DB-Domäne oder AD im Frame, wenn das interessierende Gen eingefügt wird. Wenn eine oder mehrere zufällige Mutationen in das interessierende Gen eingeführt werden, können unerwünschte Mutanten, wie z. B. solche mit Frameshift- oder Nonsense-Mutationen, durch eine Arzneimittelresistenzselektion leicht eliminiert werden, und Kandidaten, die erwünschte Missense-Mutationen tragen, können mit dem Y2H-Screening leicht identifiziert werden4. In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Isolierung von Interaktions-Null-/beeinträchtigten Mutanten eines Proteins von Interesse unter Verwendung dieser Strategie vorgestellt.
1. Aufbau der Mutantenbibliothek
2. Transformation der Hefe mit der Mutantenbibliothek und Replikationsplattierung
3. Y2H-Farbtest
4. Wiederfindung und Bestätigung von Klonkandidaten
Kürzlich wurde festgestellt, dass die C-terminale Hälfte des Pol2-Proteins (Pol2-C) mit Mcm10 interagiert. Beide Proteine sind essentiell für die Initiierung der DNA-Replikation und damit für das Zellwachstum in der knospenden Hefe Saccharomyces cerevisiae 13,14,15. Um die biologische Bedeutung dieser Interaktion besser zu verstehen, wurden Pol2-C-Mutanten, die keine/nur eine verminderte Wechselwirkung mit Mcm10 aufweisen, mit der hier beschriebenen Methode isoliert.
Eine Mutationsbibliothek wurde nach der in Schritt 1 beschriebenen Methode erstellt. Pol2-C-DNA-Fragmente wurden mit GoTaq-Polymerase amplifiziert und unter Verwendung des In-Fusion-Enzyms in den Gal4AD (pST2525)-Vektor kloniert. Die Anzahl der unabhängigen Klone in der Bibliothek wurde auf 5000 geschätzt.
Wie in Schritt 2 beschrieben, wurde die DNA des Bibliotheksplasmids in den Y2H-Wirtsstamm TAT-7 eingeführt, der mit dem LexA-Mcm10-Plasmid vortransformiert wurde. Die Zellen wurden auf eine SC-LW-Platte verteilt und am nächsten Tag auf SC-LW- und SC-LW+G418-Platten repliziert. Die Replikate wurden dem Farbassay unterzogen, wie in Schritt 3 beschrieben. Einige der Ergebnisse des Farbassays sind in Abbildung 1C dargestellt.
Siebenundvierzig Kolonien, die im Farbassay weiß und G418-resistent waren, wurden als erste Kandidaten aus etwa 8500 Transformanten isoliert. Sie wurden erneut mit dem Farbassay getestet, und es wurde bestätigt, dass 25 der 47 Klone weiß waren (Abbildung 2A). Diese 25 Klone wurden als Kandidaten beibehalten. Von jedem der 25 Kandidaten wurden Plasmid-DNAs gewonnen, wie in Schritt 4 beschrieben. Sie wurden wieder in Y2H-Hefe-Wirtszellen eingeführt, die LexA-Mcm10 beherbergen, und mit dem Farbassay getestet, und es wurden 16 Klone ausgewählt, denen es an Farbe mangelte. Um weiter zu bestätigen, dass es sich um Pol2-C-Missense-Mutanten handelte, wurde die Expression des Pol2-C-Proteins durch Western Blot bestätigt. Zwölf Kandidaten wiesen eine Bande an einer Position auf, die fast der der Positivkontrolle entsprach (Gal4AD-HA-Pol2-C-KanMX Fusionsprotein, berechnet m.w.: 158,8 kDa) (Abbildung 2B). Der Farbassay zeigte, dass diese 12 Klone nicht mit Mcm10 interagierten (Abbildung 2C). Nach der Bestimmung der Nukleotidsequenzen dieser Klone wurde bestätigt, dass alle von ihnen eine oder mehrere Missense-Mutationen aufwiesen. Die Anzahl der Missense-Mutationen variierte zwischen einer und fünf (Daten nicht gezeigt). Im Durchschnitt trat etwa eine Missense-Mutation pro 1000 Basen auf.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Y2H-basierten Ansatzes zum Screening von Interaktions-Null/beeinträchtigten Mutanten. (A) Das Y2H-System. (B) Strategie zur Isolierung von Interaktions-Null-/beeinträchtigten Mutanten. 1: Der neu konstruierte Y2H-Vektor enthält eine Kopie des KanMX-Gens stromabwärts des Y2H-Tags, der DB-Domäne und der AD. Wichtig ist, dass diesem KanMX-Gen ein Startcodon fehlt und es mit dem Y2H-Tag nicht im Rahmen ist. Daher ist nicht zu erwarten, dass das KanMX-Gen aus diesem Vektor exprimiert wird. Wenn das PCR-amplifizierte DNA-Fragment in den Vektor eingefügt wird, wird das KanMX-Gen mit dem Y2H-Tag im Rahmen des Y2H-Tags exprimiert. Folglich können nur Plasmide, die das Wildtyp-Insert oder ein Insert mit einer oder mehreren Missense-Mutationen beherbergen, das KanMX-Gen exprimieren, was eine Resistenz gegen G418 verleiht. Plasmide mit einer oder mehreren Nonsense- oder Frameshift-Mutationen können das KanMX-Gen nicht exprimieren. 2: Die in Schritt 1 konstruierte Mutantenbibliothek wird in die Y2H-Wirtshefezellen eingeführt. Wenn Transformanten auftauchen, werden Repliken hergestellt. Durch den Vergleich der Expression eines oder mehrerer Reportergene und der Resistenz gegen G418 können Kandidaten für interaktionsnull/beeinträchtigte Mutanten ausgewählt werden. (C) Ein Beispiel für Screening. Die Plasmidbibliothek, die Gal4-AD und ein PCR-mutagenisiertes Pol2-C-DNA-Fragment enthielt, wurde in den Y2H-Wirtsstamm TAT-7 eingeführt, der mit dem LexA-Mcm10-Plasmid vortransformiert wurde. Es werden Bilder von Zellen vor (links) und nach (Mitte) dem Farbassay sowie von Zellen, die auf einer SC-LW+G418-Platte (rechts) gezüchtet wurden, gezeigt. Beispiele für Kandidaten für interaktions-null/beeinträchtigte Mutanten und falsche Kandidaten sind durch weiße bzw. schwarze Pfeilspitzen gekennzeichnet. (D) DNA-Sequenz um die Klonierungsstelle von Y2H-Vektoren, AD- (oben) und DB-Vektoren (unten). Die Sequenz von den letzten zehn Aminosäuren (aa) des Y2H-Tags (rot) bis zu dem Teil, der den ersten zehn aa von KanMX (grün) entspricht, wird angezeigt. Auch Erkennungsstellen von SmaI und BamHI sind dargestellt. Die Positionen der PCR-Primer werden unten angezeigt, wenn die BamHI-Stelle als Klonierungsstelle verwendet wird. Die gleichen Primer gelten für die Klonierung des interessierenden Gens in die anderen Plasmide (pST2303/2523). Diese Abbildung wurde von Tanaka et al.4 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Ein Beispiel für den Screening-Prozess von Interaktions-Null-/beeinträchtigten Mutanten. (A) Die 47 Kolonien, die als Klonkandidaten isoliert wurden, wie in Abbildung 1C gezeigt, wurden erneut auf SC-LW-Medium gezüchtet, das G418 enthielt, und dem Farbassay unterzogen. +: Positivkontrolle (Wt Pol2-C), -: Negativkontrolle (Vektor). Klonkandidaten mit den Nummern 1-25 wurden kultiviert, um Plasmide zu gewinnen. (B) Plasmide wurden von jedem Klonkandidaten in (A) gewonnen, in Y2H-Wirtszellen eingeführt und erneut dem Farbassay unterzogen. Sechzehn von ihnen waren weiß (ohne Farbe). Aus ihnen wurden Ganzzellextrakte hergestellt, und es wurde ein Western Blot mit einem monoklonalen Anti-HA-Antikörper durchgeführt. Die Zahl auf dem Bedienfeld entspricht der Zahl in (A). Es wurden mehrere unabhängige Plasmidklone analysiert, die von jedem Kandidaten mit Ausnahme von #6 gewonnen wurden. (C) Ergebnisse des Farbassays für die letzten 12 Klone. Die Zahlen entsprechen denen in Buchstabe A. #16, das die Wechselwirkung mit Mcm10 beibehielt, wurde als Positivkontrolle im Farbassay verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Name | Y2H-Domäne | Marker (Hefe) | Marker (E. coli) | Bemerkung | Referenz |
| Nr. pST2303 | DB (LexA) | TRP1 | Ampicillin | Kein Auslaufen von KanMX | 4 |
| Nr. pST2523 | DB (LexA) | TRP1 | Streptomycin | Kein Auslaufen von KanMX | Diese Arbeit |
| Nr. pST2302 | n. Chr. (Gal4) | LEU2 | Ampicillin | Leckage von KanMX | 4 |
| Nr. pST2525 | n. Chr. (Gal4) | LEU2 | Ampicillin | Mehrere loxP-haltige NotI-Fragmente werden aus pST2302 entfernt. Leckage von KanMX | Diese Arbeit |
| Nr. pST2527 | n. Chr. (Gal4) | LEU2 | Streptomycin | Leckage von KanMX | Diese Arbeit |
Tabelle 1: Liste der Y2H-Vektoren, die KanMX out-of-frame mit dem Y2H-Tag enthalten.
Ergänzende Datei 1: Ein Beispiel für die PCR-Gemische, die Primer-Details und die Reaktionsbedingungen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Die Autoren erklären, dass sie keinen Interessenkonflikt haben.
Die Wechselwirkungen von Biomolekülen, wie z. B. Protein-Protein-Wechselwirkungen, sind die molekulare Grundlage biologischer Funktionen. Wenn interaktions-null/beeinträchtigte Mutanten, denen die relevante Interaktion spezifisch fehlt, isoliert werden können, werden sie wesentlich dazu beitragen, die Funktion(en) dieser Interaktion zu verstehen. Dieser Artikel stellt eine effiziente Methode zur Isolierung von Interaktions-Null-/beeinträchtigten Mutanten vor.
Y. Tanaka führte die technische Verbesserung von Y2H durch. Diese Arbeit wird unterstützt durch JSPS KAKENHI Grant Number JP22K06336 und das Institute for Fermentation, Osaka.
| 0,5 M EDTA (8,0) | Nacalai Tesque Inc. | 14347-21 | |
| 10%ige SDS-Lösung | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 313-90275 | |
| 2-Mercaptoethanol | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 135-07522 | |
| 2-Propanol | Kishida Chemical Co., Ltd. | 110-64785 | |
| 5-Brom-4-chlor-3-indolyl-β-D-Galactopyranosid (X-Gal) | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 021-07852 | |
| Agar | Formedium | AGR60 | |
| Ampicillin-Natrium | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 68-52-3 | |
| Anti-HA-Tag mAb-HRP-DirecT | Medizin & Medizin Biologische Laboratorien Co. Ltd. | M180-7 | |
| DNA aus Lachshoden | Merck KGaA. | D1626 | |
| Ethanol | Merck KGaA. | 9-0770-4-4L-J | |
| Filterpapier für Kolonieauftrieb (Güteklasse 50) | Whatman, Cytiva | 1450-090 | |
| Filterpapier für Kolonieauftrieb (Nr.4A) | Advantec Toyo Kaisha, Ltd. | 01411090 | |
| Filterpapier zum Replizieren (Nr.1) | Advantec Toyo Kaisha, Ltd. | 00011150 | |
| G-418 Sulfat | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 075-05962 | |
| Salzsäure | Kishida Chemical Co., Ltd. | 230-37585 | |
| KCl | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 163-03545 | |
| Lithium-Acetat-Dihydrat | Nacalai Tesque Inc. | 20604-22 | |
| MgSO4• 7H2O | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 131-00405 | |
| Na2HPO4• 12H2O | Nacalai Tesque Inc. | 10039-32-4 | |
| NaCl | Nacalai Tesque Inc. | 31319-45 | |
| NaH2PO4• 2H2O | Nacalai Tesque Inc. | 31717-25 | |
| Papiertuch | AS ONE Corp. | 7-6200-02 | |
| Phenol:Chloroform:Isoamylalkohol 25:24:1 | Nacalai Tesque Inc. | 25970-56 | |
| Plasmid-DNAs | : das National BioResource Project - Hefe (https://yeast.nig.ac.jp/yeast/top.xhtml) | ||
| Plasmid-Isolationskit | ,Nippon Genetics Co., Ltd. | FG-90502 | |
| Polyethylenglykol #4.000 | Nacalai Tesque Inc. | 11574-15 | |
| SC Doppel-Drop-out-Mix -Leu -Trp | Formedium | DSCK172 | |
| Nahtloses Klonierungskit (In-Fusion-Montage) | Takara Bio Inc. | #639648 | |
| Magermilchpulver | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 190-12865 | |
| Streptomycinsulfat | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 3810-74-0 | |
| Taq-Polymerase (GoTaq Green Master Mixes) | Promega Corp. | M7122 | |
| TRIS (Hydroxymethyl) aminomethan | Formedium | TRIS01 | |
| Triton X-100 | Nacalai Tesque Inc. | 12967-45 | |
| Trypton | ThermoFisher scientific Inc. | 211705 | |
| Tween 20 | Nacalai Tesque Inc. | 35624-15 | |
| Hefeextrakt | ThermoFisher scientific Inc. | 212750 | |
| Hefe-Stickstoff-Base (YNB) | Formedium | CYN0210 | |
| Zymolyase 100T | Nacalai Tesque Inc. | Tel.: 07665-55 |