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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
단백질-단백질 상호 작용과 같은 생체 분자의 상호 작용은 생물학적 기능의 분자 기초입니다. 특별히 관련 상호작용이 없는 상호작용 null/손상된 돌연변이를 분리할 수 있다면, 이 상호작용의 기능을 이해하는 데 크게 도움이 될 것입니다. 이 문서에서는 interaction-null/impaired mutant를 격리하는 효율적인 방법을 제시합니다.
단백질-단백질 상호 작용은 생물학적 현상의 기초가 되는 가장 기본적인 과정 중 하나입니다. 특정 단백질-단백질 상호 작용의 역할과 기능을 이해하는 가장 간단하고 좋은 방법 중 하나는 야생형(관련 단백질-단백질 상호 작용 포함)의 표현형과 관련 상호 작용이 없는 돌연변이의 표현형을 비교하는 것입니다. 따라서 이러한 돌연변이를 분리할 수 있다면 관련 생물학적 과정을 설명하는 데 도움이 될 것입니다. Y2H(yeast two-hybrid) 절차는 단백질-단백질 상호작용을 검출할 뿐만 아니라 상호작용-null/손상된 돌연변이를 분리하는 강력한 접근법입니다. 이 기사에서는 Y2H 기술을 사용하여 상호 작용 null/손상된 돌연변이를 격리하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 첫째, polymerase chain reaction과 효율적인 seamless cloning 기술을 결합하여 mutation library를 구성하며, 이는 library에서 빈 vector를 효율적으로 제외합니다. 둘째, interaction-null/impaired mutants는 Y2H assay에 의해 스크리닝됩니다. Y2H 벡터의 속임수로 인해 프레임시프트 및 넌센스 돌연변이와 같은 원치 않는 돌연변이가 스크리닝 프로세스에서 효율적으로 제거됩니다. 이 전략은 간단하, 그러므로, 그의 상호 작용이 2 잡종 체계에 의해 검출될 수 있는 단백질의 어떤 조합든지에 적용될 수 있다.
생체 분자 간의 상호 작용은 생물학적 현상의 가장 기본적인 부분입니다. 단백질-단백질 상호 작용은 이러한 상호 작용의 중요한 부분을 구성합니다. 따라서 관심 단백질의 상호 작용 파트너를 식별하는 것은 관심 단백질/유전자의 기능을 추가로 설명하는 데 중요합니다. Y2H(yeast two-hybrid) 분석법은 생체 내단백질-단백질 상호작용을 식별하는 데 널리 사용되는 기법입니다 1. 이 시스템에서는 상호 작용을 테스트해야 하는 두 개의 단백질(X 및 Y)이 각각 DNA 결합(DB) 도메인과 전사 활성화 도메인(AD)에 융합됩니다. DB-X 융합 단백질은 DB 도메인의 인식 서열에 결합합니다. 따라서 단백질 X와 Y가 상호 작용할 때 AD-Y 융합 단백질은 인식 시퀀스의 근접성으로 들어옵니다. 결과적으로, 인식 서열의 다운스트림에 있는 리포터 유전자의 전사가 활성화됩니다. 따라서, 리포터 유전자 활성의 존재 또는 부재는 단백질-단백질 상호작용의 존재 또는 부재를 결정하는 데 사용될 수있다 1.
관심 단백질의 특정 상호작용 파트너가 확인되면 상호작용의 생물학적 기능을 규명하기 위해 추가 분석을 수행해야 합니다. 이를 위해 특정 단백질-단백질 상호 작용을 손상시키거나 제거하는 단백질의 돌연변이를 분리할 수 있다면 강력한 도구가 될 것입니다. Y2H 시스템은 야생형 '상호작용 양성' 클론을 시작으로 '상호작용 음성' 클론을 스크리닝하여 이러한 돌연변이를 직접 분리하는 데 사용할 수 있습니다. 이 과정을 가속화하기 위해 '역' Y2H(rY2H) 시스템이 개발되었습니다 2,3. rY2H 시스템에서 숙주 효모 균주는 리포터 유전자로 역선택 가능한 마커 유전자를 보유하며, 이는 효모 세포가 AD-Y 및 DB-X 단백질이 상호 작용하지 않을 때만 성장한다는 것을 의미합니다.
Y2H 및 rY2H 시스템 모두 상호 작용 음성 돌연변이의 분리를 허용하지만, 스크리닝을 통해 얻은 모든 후보 물질이 원하는 유형의 돌연변이(일반적으로 미센스 돌연변이)를 가지고 있지 않기 때문에 돌연변이를 분리하는 과정은 힘들다. 가장 심각한 문제는 후보 물질의 상당수가 프레임시프트 또는 말도 안 되는 돌연변이를 가지고 있다는 것이며, 원치 않는 클론을 배제하기 위해 웨스턴 블로팅을 수행해야 한다는 것입니다. 이 문제를 극복하기 위해 새로운 플라스미드 벡터가 개발되었다4. 이러한 벡터에서 약물 내성 마커인 KanMX는 DB 도메인 또는 AD의 프레임 밖 다운스트림에 위치합니다. marker gene은 관심 유전자가 삽입된 경우에만 DB domain 또는 AD와 함께 in-frame이 됩니다. 관심 유전자에 무작위 돌연변이가 도입되면 프레임 시프트 또는 넌센스 돌연변이와 같은 바람직하지 않은 돌연변이는 약물 내성 선별을 수행하여 쉽게 제거할 수 있으며, 바람직한 미센스 돌연변이를 가진 후보 물질은 Y2H 스크리닝4으로 쉽게 식별할 수 있습니다. 이 기사에서는 이 전략을 사용하여 관심 단백질의 interaction-null/impaired 돌연변이를 분리하는 프로토콜을 제시합니다.
1. 돌연변이 도서관의 구축
2. mutant library 및 replica plating을 이용한 효모의 형질전환
3. Y2H 색상 분석
4. 후보 클론의 회수 및 확인
최근에는 Pol2 단백질(Pol2-C)의 C-말단 절반이 MCM10과 상호 작용하는 것이 밝혀졌습니다. 두 단백질 모두 DNA 복제의 시작에 필수적이며, 따라서 신진 효모 Saccharomyces cerevisiae 13,14,15의 세포 성장에 필수적입니다. 이 상호 작용의 생물학적 중요성을 이해하는 데 도움이 되도록 MCM10과 상호 작용이 없거나 감소한 Pol2-C 돌연변이를 여기에 설명된 방법을 사용하여 분리했습니다.
돌연변이 라이브러리는 1단계에서 설명한 방법에 따라 구성되었습니다. Pol2-C DNA 단편을 GoTaq 중합효소로 증폭하고 In-Fusion 효소를 사용하여 Gal4AD(pST2525) 벡터로 클로닝했습니다. 라이브러리에 있는 독립적인 클론의 수는 5000개로 추정되었습니다.
단계 2에서 설명한 바와 같이, 라이브러리 플라스미드의 DNA를 Y2H 숙주 균주 TAT-7에 도입하고, 이는 LexA-MCM10 플라스미드로 사전 형질전환되었습니다. 세포를 SC-LW 플레이트에 펴고 다음 날 SC-LW 및 SC-LW+G418 플레이트에 복제했습니다. 반복실험은 단계 3에 설명된 대로 색상 분석을 실시했습니다. 색상 분석의 일부 결과는 그림 1C에 나와 있습니다.
색상 분석에서 백색이고 G418 내성인 47개의 콜로니는 약 8500개의 형질전환체로부터 첫 번째 후보로서 분리되었습니다. 그들은 색상 분석으로 다시 테스트되었고, 47개의 클론 중 25개가 흰색으로 확인되었습니다(그림 2A). 이 25개의 클론은 후보로 유지되었습니다. 후보 플라스미드 DNA는 단계 4에서 설명한 바와 같이 25개의 후보 물질 각각으로부터 회수하였다. 이들을 LexA-MCM10을 함유하고 있는 Y2H 효모 숙주 세포에 다시 도입하고 색상 분석으로 테스트한 결과, 색상이 없는 16개의 클론을 선택했습니다. 이들이 Pol2-C 미센스 돌연변이임을 추가로 확인하기 위해, Pol2-C 단백질의 발현을 웨스턴 블로팅(western blotting)으로 확인하였다. 12개의 후보 물질은 양성 대조군과 거의 동일한 위치에서 띠를 나타냈습니다(Gal4AD-HA-Pol2-C-KanMX 융합 단백질, m.w.로 계산: 158.8kDa)(그림 2B). 색상 분석 결과, 이들 12개의 클론은 MCM10과 상호작용하지 않는 것으로 나타났습니다(그림 2C). 이들 클론의 뉴클레오티드 서열을 결정한 후, 이들 모두가 미센스 돌연변이(missense mutation)를 가지고 있음이 확인되었다. 미센스 돌연변이의 수는 1개에서 5개까지 다양했다(데이터는 표시되지 않음). 평균적으로, 약 1000개의 염기에서 약 1개의 미센스 돌연변이가 발생했다.

그림 1: interaction-null/impaired mutants를 스크리닝하기 위한 Y2H 기반 접근법의 개략도. (A) Y2H 시스템. (B) 상호작용 무효/손상된 돌연변이를 격리하기 위한 전략. 1: 새로 구성된 Y2H 벡터에는 Y2H 태그, DB 도메인 및 AD의 다운스트림에 있는 KanMX 유전자의 복사본이 포함되어 있습니다. 중요한 것은 이 KanMX 유전자에는 시작 코돈이 없고 Y2H 태그와 함께 프레임을 벗어난다는 것입니다. 따라서 KanMX 유전자는 이 벡터에서 발현되지 않을 것으로 예상됩니다. PCR 증폭 DNA 단편이 벡터에 삽입되면 KanMX 유전자는 Y2H 태그와 함께 프레임 내에 배치되어 발현됩니다. 결과적으로, 야생형 삽입체 또는 미센스 돌연변이가 있는 삽입체를 가진 플라스미드만이 KanMX 유전자를 발현할 수 있으며, 이는 G418에 대한 내성을 부여합니다. 넌센스(nonsense) 또는 프레임시프트(frameshift) 돌연변이가 있는 플라스미드는 KanMX 유전자를 발현할 수 없습니다. 2: 1단계에서 구축한 돌연변이 라이브러리가 Y2H 숙주 효모 세포에 도입됩니다. 트랜스포머트가 나타나면 복제본이 만들어집니다. 리포터 유전자의 발현과 G418에 대한 내성을 비교함으로써 interaction-null/impaired mutant의 후보를 선택할 수 있습니다. (C) 심사의 예. Gal4-AD 및 PCR-돌연변이 유발된 Pol2-C DNA 단편이 있는 플라스미드 라이브러리를 Y2H 숙주 균주 TAT-7에 도입하고, 이 균주는 LexA-MCM10 플라스미드로 사전 형질전환되었습니다. 색상 분석 전(왼쪽)과 후(가운데)의 세포와 SC-LW+G418 플레이트에서 성장한 세포(오른쪽)의 이미지가 표시됩니다. interaction-null/impaired mutants 및 false candidate의 후보의 예는 각각 흰색 및 검은색 화살촉으로 표시됩니다. (D) Y2H 벡터, AD(상단) 및 DB(하단) 벡터의 클로닝 부위 주변의 DNA 염기서열. Y2H 태그(빨간색)의 마지막 10개 아미노산(aa)에서 KanMX(녹색)의 처음 10개 aa에 해당하는 부분까지의 순서가 표시됩니다. SmaI 및 BamHI의 인식 사이트도 표시됩니다. PCR 프라이머의 위치는 BamHI site를 클로닝 site로 사용할 때 하단에 표시됩니다. 관심 유전자를 다른 플라스미드(pST2303/2523)에 클로닝하는 데에도 동일한 프라이머가 적용됩니다. 이 그림은 Tanaka et al.4에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: interaction-null/impaired mutants의 스크리닝 과정의 예. (A) 그림 1C에 나타난 바와 같이, 후보 클론으로서 분리된 47개의 콜로니를 G418을 함유하는 SC-LW 배지에서 다시 성장시키고 색상 분석을 실시하였다. +: 포지티브 컨트롤(Wt Pol2-C), -: 네거티브 컨트롤(벡터). 1 - 25 번호가 매겨진 후보 클론을 배양하여 플라스미드를 회수하였다. (B) (A)의 각 후보 클론에서 플라스미드를 회수하여 Y2H 숙주 세포에 도입하고 다시 색상 분석을 실시했습니다. 그 중 16개는 흰색(색깔 없음)이었습니다. 이들로부터 전세포 추출물을 제조하고, 항-HA 단클론 항체를 이용한 웨스턴 블로팅을 실시하였다. 패널의 숫자는 (A)의 숫자에 해당합니다. 분석은 #6을 제외한 각 후보물질에서 회수된 여러 독립적인 플라스미드 클론에 대해 수행하였다. (C) 최종 12개의 클론에 대한 색상 분석 결과. 숫자는 (A)의 숫자에 해당합니다. MCM10과의 상호작용을 유지한 #16은 색상 분석에서 양성 대조군으로 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 이름 | Y2H 도메인 | 마커 (효모) | 마커 (E. coli) | 말 | 참조 |
| pST2303 | DB (렉사) | TRP1 | 암피실린 | KanMX의 누출 없음 | 4 |
| pST2523 | DB (렉사) | TRP1 | 스트렙토마이신 | KanMX의 누출 없음 | 이 작품 |
| pST2302 | 주후 (갈라4) | 레우2 | 암피실린 | KanMX의 누출 | 4 |
| pST2525 | 주후 (갈라4) | 레우2 | 암피실린 | 다수의 loxP 함유 NotI 단편을 pST2302에서 제거한다. KanMX의 누출 | 이 작품 |
| pST2527 | 주후 (갈라4) | 레우2 | 스트렙토마이신 | KanMX의 누출 | 이 작품 |
표 1: Y2H 태그가 있는 KanMX out-of-frame을 포함하는 Y2H 벡터 목록.
보충 파일 1: PCR 혼합물, 프라이머 세부 정보 및 반응 조건의 예. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 이해 상충이 없다고 선언합니다.
단백질-단백질 상호 작용과 같은 생체 분자의 상호 작용은 생물학적 기능의 분자 기초입니다. 특별히 관련 상호작용이 없는 상호작용 null/손상된 돌연변이를 분리할 수 있다면, 이 상호작용의 기능을 이해하는 데 크게 도움이 될 것입니다. 이 문서에서는 interaction-null/impaired mutant를 격리하는 효율적인 방법을 제시합니다.
Y. Tanaka는 Y2H의 기술 개선을 수행했습니다. 이 작업은 JSPS KAKENHI 그랜트 넘버 JP22K06336와 오사카 발효 연구소의 지원을 받고 있습니다.
| 0.5 M EDTA (8.0) | Nacalai Tesque Inc. | 14347-21 | |
| 10% SDS 솔루션 | 후지필름 Wako Pure Chemical Corp. | 313-90275 | |
| 2-메르캅토에탄올 | 후지필름 Wako Pure Chemical Corp. | 135-07522 | |
| 2-프로판올 | 키시다 화학(주) | 110-64785 | |
| 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside (X-Gal) | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 021-07852 | |
| 한천 | Formedium | AGR60 | |
| 암피실린 나트륨 | 후지필름 Wako Pure Chemical Corp. | 68-52-3 | |
| Anti-HA-tag mAb-HRP-DirecT | 의료 & 생물학 실험실 Co. 주식 회사. | 연어 고환의M180-7 | |
| DNA | Merck KGaA. | D1626 | |
| 에탄올 | 머크 KGaA. | 9-0770-4-4L-J | |
| 콜로니 리프트용 여과지(50학년) | Whatman, Cytiva | 1450-090 | |
| 콜로니 리프트용 여과지(No.4A) | Advantec Toyo Kaisha, Ltd. | 01411090 | |
| 복제용 여과지 (No.1) | Advantec Toyo Kaisha, Ltd. | 00011150 | |
| G-418 황산염 | 후지 필름 Wako Pure Chemical Corp. | 075-05962 | |
| 염산 | 키시다 화학 주식회사 | 230-37585 | |
| KCl | 후지필름 와코 퓨어 케미컬 주식회사 | 163-03545 | |
| 리튬 아세테이트 이수화물 | Nacalai Tesque Inc. | 20604-22 | |
| MgSO4• 7H2O | 후지필름 Wako Pure Chemical Corp. | 131-00405 | |
| Na2HPO4&황소; 12H2O | 나칼라이 테스크 | 10039-32-4 | |
| NaCl | Nacalai 테스크 Inc. | 31319-45 | |
| NaH2PO4• 2H2O | 나칼라이 테스크 | 31717-25 | |
| 종이 타월 | AS ONE Corp. | 7-6200-02 | |
| 페놀 : 클로로포름 : 이소 아밀 알코올 25 : 24 : 1 | Nacalai Tesque Inc. | 25970-56 | |
| 플라스미드 DNA | : 국가 생물 자원 프로젝트 - 효모(https://yeast.nig.ac.jp/yeast/top.xhtml) | ||
| 플라스미드 분리 키트 | ,Nippon Genetics Co., Ltd. | FG-90502 | |
| 폴리에틸렌 글리콜 #4,000 | Nacalai Tesque Inc. | 11574-15 | |
| SC 더블 드롭아웃 믹스 -Leu -Trp | Formedium | DSCK172 | |
| Seamless 클로닝 키트(In-Fusion 어셈블리) | Takara Bio Inc. | #639648 | |
| 탈지 분유 | 후지필름 Wako Pure Chemical Corp. | 190-12865 | |
| 스트렙토마이신 설페이트 | 후지필름 Wako Pure Chemical Corp. | 3810-74-0 | |
| Taq 중합 효소 (GoTaq 그린 마스터 믹스) | Promega Corp. | M7122 | |
| TRIS의 (히드록시메틸) 아미노메탄 | Formedium | TRIS01 | |
| 트리톤 X-100 | 나칼라이 테스크 | 12967-45 | |
| 트립톤 | ThermoFisher scientific Inc. | ||
| 211705 트윈 20 | Nacalai Tesque Inc. | 35624-15 | |
| 효모 추출물 | ThermoFisher scientific Inc. | 212750 | |
| 효모 질소 염기 (YNB) | Formedium | CYN0210 | |
| Zymolyase 100T | Nacalai Tesque Inc. | 제07665-55 |