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JoVE 방법 모음 하이라이트: 단백질-단백질 상호 작용

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DOI:

10.3791/59816

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2019년 6월 10일

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이 논문에서

사설

단백질-단백질 상호작용(PPI)은 생물학적 효과 생성의 기본입니다. 많은 것이 질병과 밀접하게 연관되어 있으며 약물 작용에 중요한 표적을 제공하는 것으로 점점 더 인식되고 있습니다1. 이러한 단백질 상호 작용을 연구하는 데 사용할 수 있는 수많은 기술이 있으며, 그 중 일부는 이 컬렉션 또는 다른 JoVE 기사에서 논의됩니다. 각 기술에는 고유한 장점과 한계가 있습니다2; 그러나 광범위한 친화력(피코몰에서 밀리몰)으로 다양한 세포 내 구획에서 발생하는 이러한 상호 작용의 엄청난 다양성으로 인해 모든 PPI에 대한 완벽한 기술은 없으며 본질적으로 일시적일 수 있습니다.

시험관 내 키나아제 분석은 키나아제가 인산염기를 ATP에서 기질로 전달하는 기능적 역할을 수행하는 방법을 분석하는 데 사용할 수 있는 PPI를 연구하기 위한 간접적인 접근 방식입니다. Cui et al.3 은 트립신 분해 및 질량 분석법과 함께 이 기술을 사용하여 인간 중심체 단백질 F(CENP-F)의 단편에서 사이클린 의존성 키나아제-1 특이적 인산화 부위를 식별합니다. 새로운 인산화 부위의 기능적 검증을 위해 저자는 인산모방 돌연변이를 포함하는 CENP-F와 핵 수송 수용체인 카리오페린 α를 결합한 결합 분석을 사용하여 교차 검증을 제공합니다.

공면역침전은 항체를 사용하여 특정 표적과 관련된 다른 단백질 분자를 포획하는 PPI를 연구하는 데 널리 사용되는 방법입니다. Zheng과 동료들4 는 이 기술을 적용하여 산소 조절 α 서브유닛과 ARNT3라고도 알려진 구성적으로 발현된 β 서브유닛으로 구성된 이종이량체로 기능하는 저산소증 유도 인자(HIF)를 연구합니다. 그들의 프로토콜에 대한 흥미로운 점은 세포가 저산소 조건에서 유도 및 수확되고 핵 분획의 내인성 단백질이 공동면역침전된다는 것입니다. 저자가 지적했듯이 이 방법의 한 가지 한계는 PPI가 직접적인지 간접적인지 확인할 수 없다는 것입니다.

Nolan et al.5 은 단백질 호모올리고머화를 검출하는 데 적용할 수 있는 형광 현미경 이미지 'Number and Brightness'(N&B)에서 분자 수와 밝기를 측정하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 기술은 시험관 내 및 생체 내 모두에서 사용할 수 있으며 이량체화 약물 첨가 전후의 mVenus 표지 FKBP12F36V의 올리고머 상태를 정확하게 정량화하는 데 적용되었습니다. 저자는 관련 기술과 관련된 기술의 장점에 대해 논의하고 표백 및 장기적인 강도 변동에 대한 보정의 중요성을 강조합니다. 디지털 검출기가 장착된 공초점 현미경은 정량화를 더 쉽게 만들지만 아날로그 검출기를 사용하면 N&B도 가능합니다.

다중 단백질 복합체의 친화성 정제는 그 성분의 식별과 함께 이러한 복합체 단백질의 기능을 이해하는 데 널리 사용되는 기술이었습니다. Luzarowski et al.6의 프로토콜에서 이 기술은 형질전환 애기장대 식물 세포에서 PPI와 단백질-대사산물 상호작용(PMI)을 동시에 특성화함으로써 한 단계 더 발전되었습니다. 태그가 지정된 뉴클레오시드 이인산 키나아제는 TAP(tandem-affinity purification) 태그 절차에 의해 친화성 정제되며, 포획된 단백질과 소분자는 이후에 질량 분석법으로 식별됩니다. 이 프로토콜의 고유성은 소수성 및 친수성 리간드를 모두 식별할 수 있다는 것입니다. PPI와 PMI를 모두 연구할 수 있고 세포 심기에 친화성 정제를 적용할 수 있는 3-in-1 추출 프로토콜입니다.

근접 결찰 분석은 세포와 조직의 내인성 단백질 간의 상호 작용을 검출하는 데 사용된다는 장점이 있습니다. Karchugina와 Chernoff7 은 이 기술을 사용하여 인간 슈반 세포(HSC) 및 인간 배아 신장 세포(HEK-293)에서 키나아제 MST1 및 MST2의 이종이량체의 존재를 보여줍니다. 그들의 기사에는 기술을 성공적으로 수행하는 방법에 대한 몇 가지 유용한 지침이 있습니다. 상호 작용하는 각 단백질에 대해 서로 다른 종에서 생성된 적절한 1차 항체가 필요하며, 항체의 특이성과 민감도가 핵심이므로 항체 농도를 미세하게 조정해야 합니다. 저자는 유리 챔버 슬라이드가 여러 세포주 및 항체 조합을 분석하는 데 편리하다는 것을 발견했지만 현미경 검사 중 공초점 거리의 차이를 피하기 위해 웰 사이의 모든 실리콘 인서트를 제거하는 것이 필수적이라고 지적했습니다. 또한 결과를 검증하기 위해 다양한 양성 및 음성 대조군이 사용됩니다.

핵자기공명(NMR) 분광법은 단백질 상호작용 및 단백질-리간드 상호작용에 대한 원자 수준의 분해능과 정량적 정보를 제공하는 데 사용할 수 있는 민감한 분석법입니다. Winkelaar와 동료들8은 이 기술을 사용하여 강렬한 기계적 응력을 경험하는 조직에서 일반적으로 발견되는 세포 간 접착에 관여하는 세포 구조인 데스모좀에서 발견되는 두 가지 단백질(비멘틴 및 엔보플라킨)의 상호 작용을 연구합니다. 저자는 15N-표지 비멘틴 도메인을 사용하고 이핵 단일 양자 상관 관계(HSQC)를 사용하여 2D 스펙트럼을 획득합니다. 엔보플라킨의 도메인이 있는 경우, 단백질 상호작용과 일치하여 광범위한 선 확장과 피크 소실이 관찰됩니다. 저자는 정량적 정보를 제공하기 위해 돌연변이 유발 및 마이크로스케일 열영동(MST)을 사용하여 상호 작용의 기초를 추가로 조사합니다.

소각 X선 산란(SAXS)은 용액 내 거대분자의 크기와 형태에 대한 정보를 제공하고 저해상도로 큰 다중 도메인 또는 단백질 복합체의 분자 외피를 생성하는 데 사용할 수 있는 기술입니다. Mrozowich et al.9의 프로토콜에서 이 기술은 복합체로 nidogen-1 및 laminin γ-1의 저해상도 구조를 생성하는 데 사용됩니다. 이 기술은 NMR 분광법에 비해 너무 크고 X선 결정학을 위해 결정화하기 어려운 여러 구형 도메인이 있는 대형 단백질의 PPI를 연구하는 연구자에게 흥미로울 수 있습니다.

인간 상호 작용10에는 약 650,000개의 상호 작용이 있는 것으로 추정되며, 이는 앞으로 한동안 현장 연구자들을 바쁘게 만들기에 충분합니다. 현미경, 질량 분석법 및 기계 학습의 발전으로 가능해진 최근의 발전은 미래에 이 분야에 대한 훌륭한 통찰력을 제공할 수 있는 공간 단백질체학입니다11. 이 PPI 방법 모음은 연구자들이 잠재적인 함정을 피하면서 이 중요한 문제를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.

공개 사항

저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

저자는 NSERC RGPIN-2018-04994, 캠퍼스 앨버타 혁신 프로그램(RCP-12-002C) 및 M.O.에 수여된 Alberta Prion Research Institute/Alberta Innovates Bio Solutions(201600018) 보조금을 인정합니다.

참고문헌

  1. Jin, L., Wang, W., Fang, G. Targeting protein-protein interaction by small molecules. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 54, 435-456 (2014).
  2. Titeca, K., Lemmens, I., Tavernier, J., Eyckerman, S. Discovering cellular protein-protein interactions: Technological strategies and opportunities. Mass Spectrometry Reviews. 38 (1), 79-111 (2019).
  3. Cui, H., Loftus, K. M., Noell, C. R., Solmaz, S. R. Identification of Cyclin-dependent Kinase 1 Specific Phosphorylation Sites by an In Vitro Kinase Assay. Journal of Visualized Experiments. (138), e57836(2018).
  4. Zheng, X., et al. Co-immunoprecipitation Assay Using Endogenous Nuclear Proteins from Cells Cultured Under Hypoxic Conditions. Journal of Visualized Experiments. (138), e57836(2018).
  5. Nolan, R., et al. Calibration-free Vitro of Protein Homo-oligomerization Using Commercial Instrumentation and Free, Open Source Brightness Analysis Software. Journal of Visualized Experiments. (137), e58157(2018).
  6. Luzarowski, M., Wojciechowska, I., Skirycz, A. 2 in 1: One-step Affinity Purification for the Parallel Analysis of Protein-Protein and Protein-Metabolite Complexes. Journal of Visualized Experiments. (138), e57720(2018).
  7. Karchugina, S., Chernoff, J. Detection of Heterodimerization of Protein Isoforms Using an Situ Ligation Assay. Journal of Visualized Experiments. (140), e57755(2018).
  8. Winkelaar, G., Trieber, C., Kumar, J., Overduin, M. Measuring Interactions of Globular and Filamentous Proteins by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) and Microscale Thermophoresis (MST). Journal of Visualized Experiments. (141), e58537(2018).
  9. Mrozowich, T., McLennan, S., Overduin, M., Patel, T. R. Structural Studies of Macromolecules in Solution using Small Angle X-Ray Scattering. Journal of Visualized Experiments. (141), e58538(2018).
  10. Stumpf, M. P., et al. Estimating the size of the human interactome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (19), 6959-6964 (2008).
  11. Lundberg, E., Borner, G. H. H. Spatial proteomics: a powerful discovery tool for cell biology. Nature Reviews Molecular Cell Biology. , (2019).

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