이 연구에서는 D. melanogaster 난소의 TurboID 기반 근접 표지(PL)에 대한 세부 프로토콜을 수립하여 비오틴 보충 및 난소 절제부터 이식유전자 발현 검증 및 질량 분석을 위한 비오틴화 펩타이드 농축에 이르는 단계를 다룹니다.
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이 연구에서는 D. melanogaster 난소의 TurboID 기반 근접 표지(PL)에 대한 세부 프로토콜을 수립하여 비오틴 보충 및 난소 절제부터 이식유전자 발현 검증 및 질량 분석을 위한 비오틴화 펩타이드 농축에 이르는 단계를 다룹니다.
근접 라벨링(PL)은 단백질-단백질 상호 작용 네트워크를 매핑하는 강력한 방법입니다. 효소 라벨링, 특히 TurboID의 발전으로 생물학적 시스템 전반에 걸쳐 그 용도가 확대되었습니다. TurboID는 견고성, 무독성 및 사용 편의성으로 인해 in vivo 응용 분야에 특히 유리합니다. 이 효소는 비오틴이 있는 상태에서 약 10nm 범위 내에서 단백질과 핵산을 포함한 근처의 생체 분자를 난잡하게 비오틴화합니다. 우리는 이 방법을 적용하여 Drosophila melanogaster 난소의 생식세포에서 외부 미토콘드리아 막(OMM)에서 piwi 상호 작용 RNA(piRNA) 생물 발생의 핵심 인자인 Zucchini(Zuc)의 상호 작용체를 조사했습니다. 생식 세포에서 Zuc-TurboID를 발현하고 비오틴을 보충함으로써 Zuc-proximal 단백질의 비오틴화를 유도했습니다. 비오틴화 펩타이드의 농축에 따른 질량 분석 분석은 piRNA 생물 발생에서 잘 알려진 상호 작용자를 포함하여 Zuc에 근접한 단백질을 식별했습니다. 흥미롭게도, 우리는 단백질 접힘, 막 조직 및 소포 이동에 관여하는 Zuc의 새로운 상호작용 인자를 발견했습니다.
친화성 정제-질량 분석법(AP-MS) 및 효모-2-하이브리드(Y2H) 시스템과 같은 기존의 단백질-단백질 상호 작용(PPI) 매핑 방법은 종종 저농도, 일시적 발현 또는 막 결합 단백질을 포착하지 못합니다. 이러한 한계는 살아있는 세포의 본래 생리학적 조건을 복제할 수 없기 때문에 발생합니다 1,2,3. 이러한 문제를 극복하기 위해 PL은 in vivo 하위 소기관 수준에서 고해상도 단백질체 매핑을 위한 강력한 기술로 부상했습니다. PL은 난잡한 효소와 미끼 단백질의 융합을 활용하여 효소가 수명이 짧은 반응성 분자1의 형성을 촉매할 수 있도록 합니다. 비오틴(biotin)과 같은 이러한 반응성 분자는 융합 단백질의 수 나노미터 이내에 있는 단백질을 공유 상태로 라벨링합니다4. 그 후, 비오틴화된 단백질을 분리하고 질량 분석법으로 분석하여 대규모 단백질 식별을 용이하게 합니다 5,6.
지난 몇 년 동안 PL 기술을 발전시키기 위해 다양한 난잡 효소가 개발되었습니다. 널리 사용되는 두 가지 효소는 대장균 유래 R118G 돌연변이 비오틴 리가제(BioID)와 완두콩 유래 아스코르브산 과산화효소 2(APEX2)입니다. BioID는 비오틴과 ATP를 비오티닐-5'-아데닐레이트(bioAMP)로 변환합니다1. 이 반응성 분자는 반경 10nm 이내의 인근 단백질의 라이신 잔기에 공유 결합±. BioID 기반 PL의 주요 장점은 비오틴을 사용한다는 것입니다. 이는 살아있는 유기체에서 자연적으로 발생하는 무독성 생체 분자로, 안전한 in vivo 표지를 가능하게 합니다6. 그러나 BioID는 느린 라벨링 역학(18-24시간) 및 최적의 촉매 활성을 위한 고온(37°C) 요구 사항4. 이러한 특성은 역동적인 생물학적 과정을 연구하는 데 적용하는 데 방해가 될 수 있습니다. 한편, APEX2는 비오틴-페놀과 과산화수소(H2O2)의 존재 하에서 비오틴-페녹실 라디칼의 형성을 촉매합니다7. 이러한 라디칼은 주로 티로신과 같은 전자가 풍부한 아미노산의 곁사슬과 반응하며 시스테인, 히스티딘 및 트립토판과도 결합할 수 있습니다8. 과산화효소(peroxidase enzyme)의 신속한 라벨링 기능(< 1분)은 동적 및 일시적 PPI를 포착하는 데 적합합니다9. 또한 비오틴 리가아제보다 검출 범위가 더 넓습니다(최대 20nm). 그러나 APEX2 기반 PL은 독성 산화제인H2O2에 대한 요구 사항과 비오틴-페놀의 낮은 투과성을 포함하여 생체 내 적용을 제한하는 단점이 있습니다 10.
2018년, Branon 등은 BirA( 대장균에서 발견되는 비오틴 리가제)의 35kD 돌연변이 버전인 TurboID라는 새로운 비오틴 리가제를 개발했습니다4. 이 효소는 R118 위치(R118S)에 BirA와 관련된 15개의 다른 돌연변이와 함께 돌연변이를 통합합니다. BioID보다 2배 더 높은 촉매 활성을 나타냅니다. TurboID에 의한 10분 내 비오틴화(biotinylation)는 BioID에 의한 라벨링 18시간에 필적하는 크기와 특이성을 가진 단백질체학 데이터를 생성합니다. 또한, 30 °C4에서 우수한 라벨링 활성을 보여줍니다. 따라서 TurboID는 일반적으로 각각 25°C 및 20°C에서 사육되는 초파리 또는 Caenorhabditis elegans와 같은 유기체에 적용하기에 더 적합합니다.
본 연구에서는 초파리 난소의 상호작용체 연구를 위해 TurboID 기반 PL을 활용하는 것을 목표로 합니다. 여기에 설명된 프로토콜은 생식세포 세포에서 Zuc의 상호작용체를 매핑하는 데 사용됩니다. Zuc은 외부 미토콘드리아 막(OMM)에 국한된 엔도뉴클레아제로, 게놈 무결성 유지에 중요한 작은 비암호화 RNA인 piRNA의 생물 발생을 매개합니다 11,12,13. Zuc-TurboID 분석에서 확인된 비오틴화 단백질을 두 가지 추가 대조군인 NES-TurboID 및 Tom20-TurboID의 단백질과 비교하여 뚜렷한 Zuc 상호 작용 후보 물질을 정의했습니다.
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1. PL 성인 플라이
2. 웨스턴 블롯 분석법에 의한 Transgene 발현 및 biotinylated 단백질 검출
참고: 웨스턴 블롯 분석의 경우 샘플당 약 5쌍의 난소를 수집합니다.
3. 면역형광 염색에 의한 Transgene 발현 및 국소화 검증
참고: 유전자 발현 및 국소화를 확인하려면 효모 페이스트를 먹인 생후 2일 된 암컷의 샘플당 약 5쌍의 난소를 해부합니다. 어린 난소는 주로 난실의 초기 단계를 포함하고 있으며, 이는 간호사 세포(생식세포 세포)가 풍부하고 상대적으로 투과성이 있는 막으로 인해 면역형광 염색에 이상적입니다17. 난자 챔버의 후기 단계는 9단계에서 시작되는 난자 껍질 복합체의 형성으로 인해 더 단단하고 침투하기 어렵습니다18. 단백질 비오틴화(biotinylation) 검사의 경우, 1.2단계에서 설명한 대로 비오틴을 먹인 생후 4일 된 암컷의 샘플당 약 5쌍의 난소를 해부합니다.
4. 질량 분석법을 위한 Biotinylated 펩타이드 농축
참고: 질량 분석 샘플에는 약 3mg의 단백질이 필요합니다. 따라서 약 100쌍의 난소를 절개하여 그 양을 얻어야 합니다.
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예시 출력은 그림 1, 그림 2, 그림 3, 그림 4에 나와 있으며, 이는 이전에 Nguyen et al.20에 의해 발표되었습니다. 그림 1은 초파리 난소에서 TurboID 기반 PL의 실험 절차를 보여줍니다. 먼저 Zuc와 TurboID를 결합한 구문(Zuc-V5-TurboID)이 생성되었습니다. 잘 알려져 있고 뚜렷한 하위 소기관 거주자, 즉 핵 수출 신호(NES) 및 트랜스로케이스 외부 미토콘드리아 막(Tom20)도 TurboID(NES-V5-TurboID 및 Tom20-V5-TurboID)와 융합되었습니다. NES-V5-TurboID는 세포...
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여기에서는 다양한 문제를 극복하기 위해 광범위한 문제 해결을 통해 개발된 초파리 난소의 TurboID 기반 근접 라벨링(PL)에 대한 포괄적인 절차를 제공합니다. 한 가지 주요 문제는 유전자 구조와 관련이 있었는데, 다양한 융합 레이아웃이 단백질 발현과 비오틴화(biotinylation) 효율에 큰 영향을 미쳤기 때문입니다. 예를 들어, NES-V5-TurboID는 다른 전이유전자에 비해 발현과 비오틴화가 약하여 다운스트림 분석의 해석을 복잡하게 만드는 경우가 있었습니다. 그러나 TurboID(V5-TurboID-NES)의 C-말단에 융합된 NES를 사용한 개정된 구조체는 상당히 더 강력한 발현과 비오틴화 효율을 보여주었습니다. 이러한 결과는 효과적인 세포 발현을 달성하기 위해 연구 프로세스 초기에 관심 유전자(GOI) 배열을 최적화하는 것이 중요하다는 점을 강조합니다. 사용 가능한 생물정보학 도구를 구현하여 표적 단백질과 TurboID 구조 호환성을 ...
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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
연구실 구성원들의 토론과 도움에 감사드립니다. 이 연구는 한국 정부(과기정통부)의 자금 지원을 받은 국립연구재단(NRF)의 지원을 받았습니다(RS-2024-00345327 to M.L.; RS-2023-00219563 to M.L.)로 변경합니다.
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