Omawiana tutaj metoda opisuje drukowanie zbioru białek zewnątrzkomórkowych w formacie mikrotablicy, a następnie metodę przesiewową celu zainteresowania w stosunku do tej biblioteki. Zidentyfikowaliśmy multimeryzację białek jako kluczowy krok w wykrywaniu interakcji charakteryzujących się niskim powinowactwem do wiązania. Aby usprawnić wykrywanie tych interakcji, opisujemy protokół oparty na multimeryzacji interesującego nas białka zapytania za pomocą mikrogranulek.
Wydzielane i wyrażane na powierzchni komórki białka (zbiorczo określane jako białka zewnątrzkomórkowe) wraz z ich współdziałającymi partnerami są kluczowymi regulatorami komunikacji komórkowej, sygnalizacji i interakcji z mikrośrodowiskiem. Są zatem niezbędne w regulacji wielu procesów fizjologicznych i patologicznych. Około jedna czwarta ludzkiego genomu (≈5 000 białek) koduje białka zewnątrzkomórkowe, które, biorąc pod uwagę ich znaczenie i dostępność dla systematycznie dostarczanych leków, stanowią kluczowe cele dla rozwoju leków1. W związku z tym białka zewnątrzkomórkowe stanowią ponad 70% docelowych białek o znanym działaniu farmakologicznym dla leków dopuszczonych do obrotu, znanych jako "proteom lekowy". Pomimo ich znaczenia i obfitości, sieci zewnątrzkomórkowych interakcji białko-białko (ePPI) pozostają niezwykle niedostatecznie reprezentowane w dostępnych bazach danych. Wynika to zasadniczo ze złożonej biochemicznej natury białek zewnątrzkomórkowych, która uniemożliwia ich scharakteryzowanie przy użyciu większości dostępnych technologii2. Po pierwsze, białka błonowe są trudne do rozpuszczania, co często wiąże się z trudnymi warunkami prania i detergentami; Po drugie, białka zewnątrzkomórkowe często nie mają odpowiednich modyfikacji potranslacyjnych, takich jak glikozylacja, które są nieobecne, gdy białka te ulegają ekspresji w powszechnie stosowanych układach heterologicznych. Wreszcie, interakcje między receptorami, takie jak koreceptory ulegające ekspresji na komórkach odpornościowych, są często przejściowe i charakteryzują się bardzo niskim powinowactwem (KD w zakresie od ~1 μM do >100 μM). Ogólnie rzecz biorąc, charakter tych białek i ich partnerów wiążących sprawia, że większość powszechnie stosowanych technologii, takich jak oczyszczanie powinowactwa/spektrometria mas (AP/MS) lub drożdże dwuhybrydowe, nie nadaje się do wykrywania interakcji w przestrzeni zewnątrzkomórkowej2,3.
Aby przezwyciężyć te techniczne wyzwania i przyspieszyć odkrywanie nowych interakcji dla białek zewnątrzkomórkowych, opracowaliśmy mikromacierz białek zewnątrzkomórkowych o wysokim zasięgu4,5. Mikromacierze mają tę zaletę, że generują powierzchnie o dużej gęstości z niewielkimi ilościami próbki i są generalnie podatne na badania o wysokiej przepustowości. Badania oparte na mikromacierzach białkowych dostarczyły wcześniej istotnych informacji na temat interakcji białkowych dla kilku organizmów modelowych, choć głównie koncentrują się na interakcjach cytozolowych lub na określonych rodzinach białek6,7,8. W przeciwieństwie do tego, wykonano ograniczone prace w celu zbadania interakcji białek zewnątrzkomórkowych przy użyciu tej technologii. Opracowaliśmy metodę mikromacierzy białkowych, aby umożliwić badania ePPI, budując obszerną i wysoce zróżnicowaną bibliotekę oczyszczonych wydzielanych białek i pojedynczych receptorów transbłonowych (STM) wyrażonych jako rekombinowane domeny zewnątrzkomórkowe (ECD) połączone ze wspólnymi znacznikami w celu oczyszczania powinowactwa4. Sukces badań przesiewowych mikromacierzy białkowych zależy w dużej mierze od stworzenia wysokiej jakości biblioteki białek. Do ekspresji zarówno białka bibliotecznego, jak i białkowego zapytania, komórki ssaków lub komórek owadów zostały preferencyjnie wybrane jako heterologiczne systemy ekspresji, aby zapewnić prawidłowe dodanie modyfikacji potranslacyjnych, takich jak glikozylacja lub wiązania dwusiarczkowe. SDS-PAGE, chromatografia wykluczania wielkości i wielokątowe rozpraszanie światła laserowego są technikami powszechnie stosowanymi do oceny jakości białek rekombinowanych. Biblioteka białek jest następnie nanoszona na szkiełka epoksydosilowe i przechowywana w temperaturze -20 °C do długotrwałego użytkowania. Stężenia białka powyżej 0,4 mg/ml są zalecane dla protokołu opisanego poniżej. W związku z tym białka o niskiej ekspresji mogą wymagać etapu koncentracji przed drukowaniem i przechowywaniem próbki. Niemniej jednak główną zaletą tej techniki jest niewielka wymagana ilość białka (50 μg białka wystarcza do wykonania >2000 badań przesiewowych), przy minimalnym zużyciu białka zapytania (20-25 μg na badanie przesiewowe). Korzystając z opisanego tutaj protokołu i sprzętu oraz pod warunkiem, że dostępne są biblioteki, wyniki dla poszczególnych białek zapytania mogą być generowane w ciągu jednego dnia roboczego.
Głównym wyzwaniem w wykrywaniu interakcji białek w środowisku zewnątrzkomórkowym jest ich charakterystycznie słaby lub przejściowy charakter, który uniemożliwia identyfikację za pomocą najczęściej stosowanych metodologii. Zwiększenie awidności wiązania znacznie poprawia czułość wykrywania słabych oddziaływań białkowych9,10,11. Opierając się na tej zasadzie, opracowaliśmy metodę multimeryzacji białek zapytania (wyrażonej jako fuzja Fc) za pomocą kulek powlekanych białkiem A4,5. Aby uniknąć potencjalnej inaktywacji białka pytającego przez losowe znakowanie, zamiast tego oznaczamy nieistotną ludzką immunoglobulinę G za pomocą Cy5 i dodajemy ją wraz z białkiem pytającym do kulek białka A, eliminując w ten sposób wszelkie artefakty spowodowane bezpośrednim sprzężeniem barwnika z białkiem będącym przedmiotem zainteresowania. Biorąc pod uwagę powinowactwo mikromolowe kilku par koreceptorów, wielowartościowe kompleksy znacznie zwiększają stosunek sygnału do szumu w porównaniu z białkami zapytania o fuzję Fc przesiewanymi jako białka rozpuszczalne4.
Podsumowując, celem tego protokołu jest opisanie przygotowania preparatów mikromacierzy zawierających istniejącą wcześniej bibliotekę białek zewnątrzkomórkowych do identyfikacji interakcji receptor-ligand. Dokonujemy przeglądu kroków drukowania slajdów, a następnie protokołu badania przesiewowego białka będącego przedmiotem zainteresowania w stosunku do biblioteki białek zewnątrzkomórkowych. Ponadto opisano metodę wzmocnionego wykrywania ePPI w oparciu o mikrogranulki w celu uzyskania zwiększonej awidności badanego białka. Opisana tutaj technologia mikromacierzy białek zewnątrzkomórkowych stanowi szybkie, solidne i skuteczne podejście do badań przesiewowych i wykrywania nowych ePPI o niskim współczynniku wyników fałszywie dodatnich oraz przy wykorzystaniu wyłącznie mikrogramowych ilości badanego białka zapytania. Technologia ta przyczyniła się do wielu badań, które dostarczyły istotnych informacji na temat nieznanych wcześniej funkcji komórkowych i szlaków sygnałowych dla różnych receptorów12,13, w tym immunoregulatorów wirusa14, i może być wykorzystana do de-sierotylizacji dowolnego interesującego białka zewnątrzkomórkowego.