Pełne zrozumienie procesów biologicznych komórek opiera się na znalezieniu sieci interakcji białek, które leżą u podstaw ich mechanizmów molekularnych. Jednym z podejść do identyfikacji interakcji białkowych jest test drożdży 2-hybrydowych (Y2H), który działa poprzez złożenie działającego chimerycznego czynnika transkrypcyjnego, gdy dwie interesujące nas domeny białkowe wiążą się ze sobą1. Typowe badanie przesiewowe Y2H przeprowadza się poprzez utworzenie populacji drożdży, w której znajduje się zarówno biblioteka plazmidów kodujących oddziałujące białka połączone z aktywatorem transkrypcji (np. białkiem fuzyjnym "ofiary"), jak i dany plazmid "przynęty" składający się z białka będącego przedmiotem zainteresowania połączonego z domeną wiążącą DNA (np. domena wiążąca DNA Gal4, która wiąże się z sekwencją aktywującą Gal4). Jedną z głównych zalet podejścia Y2H jest to, że jest ono stosunkowo łatwe i niedrogie do przeprowadzenia w typowym laboratorium wyposażonym do rutynowych prac z zakresu biologii molekularnej2. Jednak w tradycyjnym przypadku użytkownik pobiera próbki pojedynczych kolonii, które powstają po selekcji w celu uzyskania pozytywnej interakcji Y2H. To poważnie ogranicza liczbę bibliotecznych klonów "ofiar", które można badać. Problem ten nasila się, gdy liczebność danej ofiary oddziałującej jest bardzo wysoka w stosunku do innych, co zmniejsza szansę na wykrycie interakcji z plazmidami ofiar o niskiej liczebności.
Jednym z rozwiązań do wykorzystania zasady Y2H w kompleksowym pokryciu proteomu jest użycie podejścia sformatowanego matrycowo, w którym tablica zawierająca znane pojedyncze plazmidy ofiar może być cyfrowo przesłuchiwana. Takie podejście wymaga jednak infrastruktury, która nie jest łatwo dostępna ani opłacalna dla indywidualnych badaczy, którzy są zainteresowani zdefiniowaniem interaktomii niewielkiej liczby białek lub domen3. Ponadto bardzo złożone biblioteki ofiar, które mogą kodować wiele fragmentów oddziałujących ze sobą białek, zwiększyłyby rozmiar takich macierzy do niepraktycznych rozmiarów. Alternatywą jest przeprowadzanie testów ze złożonymi bibliotekami w partiach i ocena obecności oddziałujących klonów przy użyciu masowego równoległego sekwencjonowania o wysokiej przepustowości4. Można to zastosować do oznaczenia obecności plazmidów ofiar, które powstają w wielu koloniach, przy użyciu typowego podejścia sformatowanego Y2H, w którym komórki drożdży zawierające oddziałującą parę białek fuzyjnych mogą rosnąć na płytce5,6. Tę ogólną ideę można zaakcentować, aby zwiększyć liczbę zapytań zarówno o wiele składników przynęty, jak i ofiary w tym samym czasie7,8.
Mimo to, wiele badań wymaga łatwiejszego, ale bardziej skoncentrowanego wysiłku na zaledwie kilku 'przynętach' białkowych i może przynieść więcej korzyści dzięki wyczerpującemu i częściowo ilościowemu przeszukiwaniu pojedynczej złożonej biblioteki zdobyczy. Opracowaliśmy i zwalidowaliśmy podejście do przeprowadzania szeroko zakrojonych badań interakcji białek przy użyciu zasady Y2H w formacie wsadowym4. Wykorzystuje to szybkość ekspansji konkretnego plazmidu ofiary jako wskaźnik zastępczy dla względnej siły interakcji Y2H9. Głębokie sekwencjonowanie wszystkich plazmidów w populacji poddanej normalnym warunkom wzrostu lub selektywnemu wzrostowi daje kompletną mapę klonów, które dają silne i słabe interakcje Y2H. Repertuar interaktorów można uzyskać i bezpośrednio porównać w wielu plazmidach przynęty. Uzyskany w ten sposób proces roboczy nazwany DEEPN (Dynamic Enrichment for Evaluation of Protein Networks) może być zatem wykorzystany do identyfikacji interaktomów różnicowych z tych samych bibliotek ofiar w celu identyfikacji białek, co pozwoli na porównanie jednego białka z drugim.
Tutaj demonstrujemy DEEPN i wprowadzamy ulepszenia w metodach laboratoryjnych, które ułatwiają jego użycie, które są opisane na rysunku 1. Do istotnych ulepszeń należą:
Generacja populacji drożdży drapieżnych. Jednym z kluczowych wymagań projektu DEEPN jest generowanie populacji drożdży z różnymi plazmidami przynęty, które mają taki sam rozkład bibliotek ofiar plazmidów. Równoważne populacje wyjściowe biblioteki plazmidów ofiar są niezbędne do dokonywania dokładnych porównań między interaktomami różnych przynęt. Najlepiej osiągnąć to, gdy plazmid biblioteczny jest już umieszczony w haploidalnej populacji drożdży, a przeniesienie danego plazmidu przynęty do tej populacji uzyskuje się poprzez krzyżowanie w celu wytworzenia diploidu. W tym miejscu przedstawiamy jasny przewodnik, jak tworzyć takie populacje za pomocą komercyjnych bibliotek mieszczących się w haploidalnych drożdżach. Chociaż znaleźliśmy metody, które generują dużą liczbę diploidów, ogólna skuteczność kojarzenia tych komercyjnych szczepów drożdży zawierających bibliotekę była niska. Dlatego skonstruowaliśmy nowy szczep, który może pomieścić biblioteki ofiar, które dają znacznie więcej diploidów na reakcję godową.
Nowy zestaw plazmidów przynęty. Wiele obecnych plazmidów, które wyrażają białka fuzyjne "przynęty" składające się z białka będącego przedmiotem zainteresowania i domeny wiążącej DNA, jest opartych na 2μ, co pozwala im na amplifikację liczby kopii. Ta liczba kopii może być dość zmienna w populacji i prowadzić do zmienności odpowiedzi transkrypcyjnej Y2H. To z kolei może zniekształcić zdolność do oceny siły danej interakcji białkowej na podstawie odpowiedzi wzrostu komórek poddanych selekcji. Można temu częściowo zaradzić, używając plazmidu o niskiej kopii, z których niektóre zostały już wcześniej opisane, takie jak dostępny na rynku pDEST3210. Skonstruowaliśmy nowy plazmid przynęty (pTEF-GBD), który wytwarza białka fuzyjne domeny wiążącej Gal4-DNA w plazmidzie o niskiej kopii na bazie centromeru TRP1 z genem oporności na Kanr, który umożliwia również klonowanie fragmentów przynęty zarówno przed, jak i za domeną wiążącą DNA Gal4
.
Nowa biblioteka fragmentów Y2H o wysokiej gęstości. Skonstruowaliśmy nowy plazmid do przechowywania bibliotek ofiar Y2H i wykorzystaliśmy go do zbudowania wysoce złożonej biblioteki Y2H wykonanej z losowo ściętych fragmentów genomowego DNA z Saccharomyces cerevisiae. Analiza sekwencji wykazała, że ta biblioteka zawierała ponad 1 milion różnych elementów, znacznie bardziej złożonych niż wcześniej opisane biblioteki plazmidów genomowych Y2H drożdży11. Dzięki tej nowej bibliotece byliśmy w stanie pokazać, że przepływ pracy DEEPN jest wystarczająco solidny, aby pomieścić złożone biblioteki z wieloma różnymi plazmidami w sposób, który jest niezawodny i powtarzalny.