Herkömmliche Methoden zur Kartierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen (PPI), wie z. B. die Affinitätsreinigungs-Massenspektrometrie (AP-MS) und Hefe-2-Hybrid-Systeme (Y2H), können häufig nicht in der Lage sein, transient exprimierte oder membrangebundene Proteine mit geringer Abundanz zu erfassen. Diese Einschränkung ergibt sich aus ihrer Unfähigkeit, die nativen physiologischen Bedingungen einer lebenden Zelle zu replizieren 1,2,3. Um diese Herausforderungen zu meistern, hat sich PL als leistungsfähige Technik für die hochauflösende Proteom-Kartierung auf Suborganellenebene in vivo herausgestellt. PL nutzt die Fusion eines promiskuitiven Enzyms mit einem Köderprotein, wodurch das Enzym die Bildung kurzlebiger reaktiver Moleküle katalysierenkann 1. Diese reaktiven Moleküle, wie z. B. Biotin, markieren kovalent Proteine innerhalb weniger Nanometer um das Fusionsprotein4. Anschließend werden biotinylierte Proteine isoliert und massenspektrometrisch analysiert, um die Proteinidentifizierung in großem Maßstab zu erleichtern 5,6.
In den letzten Jahren wurden verschiedene promiskuitive Enzyme entwickelt, um PL-Techniken voranzutreiben. Zwei weit verbreitete Enzyme sind die von Escherichia coli abgeleitete R118G-mutierte Biotin-Ligase (BioID) und das aus Erbsen gewonnene Ascorbatperoxidase-Enzym 2 (APEX2). BioID wandelt Biotin und ATP in Biotinyl-5'-adenylat (bioAMP)1 um. Dieses reaktive Molekül bindet kovalent an Lysinreste benachbarter Proteine in ± Radius von 10 nm. Ein wesentlicher Vorteil von BioID-basiertem PL ist die Verwendung von Biotin. Es ist ein natürlich vorkommendes und ungiftiges Biomolekül in lebenden Organismen, das eine sichere In-vivo-Markierung ermöglicht6. BioID weist jedoch Einschränkungen auf, darunter eine langsame Markierungskinetik (18-24 h) und die Anforderung einer hohen Temperatur (37 °C) für eine optimale katalytische Aktivität4. Diese Eigenschaften können seine Anwendung bei der Untersuchung dynamischer biologischer Prozesse behindern. Währenddessen katalysiert APEX2 die Bildung von Biotin-Phenoxyl-Radikalen in Gegenwart von Biotin-Phenol und Wasserstoffperoxid (H2O2)7. Diese Radikale reagieren hauptsächlich mit der Seitenkette von elektronenreichen Aminosäuren wie Tyrosin und können auch Cystein, Histidin und Tryptophanbinden 8. Die schnelle Markierungsfähigkeit des Peroxidase-Enzyms (< 1 min) eignet sich für die Erfassung dynamischer und transienter PPIs9. Darüber hinaus hat es einen größeren Nachweisbereich (bis zu 20 nm) als Biotin-Ligase. APEX2-basiertes PL hat jedoch seine Nachteile, einschließlich der Anforderung eines giftigen Oxidationsmittels, H2O2, und der geringen Permeabilität von Biotin-Phenol, die die Anwendbarkeit in vivoeinschränken 10.
Im Jahr 2018 entwickelten Branon et al. eine neue Biotin-Ligase namens TurboID, eine 35 kD-mutierte Version von BirA (der Biotin-Ligase, die in E. coli vorkommt)4. Dieses Enzym enthält eine Mutation an der R118-Position (R118S) zusammen mit 15 anderen Mutationen relativ zu BirA. Es weist eine doppelt so hohe katalytische Aktivität auf wie BioID. Die TurboID-induzierte Biotinylierung in 10 Minuten liefert proteomische Daten mit einer Größe und Spezifität, die mit einer 18-stündigen Markierung durch BioID vergleichbar sind. Darüber hinaus weist es eine hervorragende Markierungsaktivität bei 30 °Cauf 4. Daher eignet sich TurboID besser für den Einsatz bei Organismen wie Drosophila oder Caenorhabditis elegans, die üblicherweise bei 25 °C bzw. 20 °C aufgezogen werden.
In dieser Studie wollen wir TurboID-basiertes PL für Interaktomstudien im Drosophila-Eierstock nutzen. Die hier beschriebenen Protokolle werden verwendet, um das Interaktom von Zuc in Keimbahnzellen abzubilden. Zuc ist eine Endonuklease, die auf der äußeren Mitochondrienmembran (OMM) lokalisiert ist und die Biogenese von piRNAs vermittelt, kleinen nicht-kodierenden RNAs, die für die Aufrechterhaltung der Genomintegrität entscheidend sind 11,12,13. Durch den Vergleich von biotinylierten Proteinen, die in der Zuc-TurboID-Analyse identifiziert wurden, mit denen von zwei zusätzlichen Kontrollen, NES-TurboID und Tom20-TurboID, definierten wir unterschiedliche Zuc-interagierende Kandidaten.