Różnicowe promieniste działanie kapilarne testu ligandowego (DRaCALA) może być wykorzystane do identyfikacji małych białek wiążących ligand organizmu za pomocą biblioteki ORFeome.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Różnicowe promieniste działanie kapilarne testu ligandowego (DRaCALA) może być wykorzystane do identyfikacji małych białek wiążących ligand organizmu za pomocą biblioteki ORFeome.
Ostatnia dekada przyniosła ogromny postęp w zrozumieniu małych cząsteczek sygnałowych w fizjologii bakterii. W szczególności systematycznie identyfikowano i badano docelowe białka kilku wtórnych przekaźników pochodzących z nukleotydów (NSM) w organizmach modelowych. Osiągnięcia te wynikają głównie z opracowania kilku nowych technik, w tym techniki wychwytywania związków i różnicowego promienistego działania kapilarnego testu ligandowego (DRaCALA), które wykorzystano do systematycznej identyfikacji docelowych białek tych małych cząsteczek. W artykule opisano zastosowanie NSM, penta- i tetrafosforanów guanozyny (p)ppGpp, jako przykład i demonstrację wideo techniki DRaCALA. Za pomocą DRaCAL zidentyfikowano 9 z 20 znanych i 12 nowych białek docelowych (p)ppGpp w organizmie modelowym, Escherichia coli K-12, co dowodzi mocy tego testu. Zasadniczo, projekt DRaCALA może być wykorzystywany do badania małych ligandów, które mogą być znakowane izotopami promieniotwórczymi lub barwnikami fluorescencyjnymi. Najważniejsze kroki, zalety i wady DRaCALA są omówione tutaj w celu dalszego zastosowania tej techniki.
Bakterie wykorzystują szereg małych cząsteczek sygnałowych, aby przystosować się do nieustannie zmieniającego się środowiska1,2. Na przykład autoinduktory, N-acylohomoserynolaktony oraz ich zmodyfikowane oligopeptydy, pośredniczą w komunikacji międzykomórkowej bakterii w celu koordynacji zachowania populacji, co jest zjawiskiem znanym jako quorum sensing2. Inną grupą małych cząsteczek sygnałowych są NSM, w tym szeroko badany cykliczny adenozynomonofosforan (cAMP), cykliczny di-AMP, cykliczny diguanozynomonofosforan (cykliczny di-GMP) oraz guanozynopenta- i tetrafosforany (p)ppGpp1. Bakterie produkują te NSM w odpowiedzi na różnorodne warunki stresowe. Po wytworzeniu cząsteczki te wiążą się ze swoimi białkami docelowymi i regulują kilka różnych szlaków fizjologicznych i metabolicznych, aby poradzić sobie z napotkanym stresem i zwiększyć przeżywalność bakterii. Dlatego identyfikacja białek docelowych jest niezbędnym warunkiem do rozszyfrowania funkcji molekularnych tych małych cząsteczek.
Ostatnia dekada przyniosła gwałtowny wzrost wiedzy na temat tych małych cząsteczek sygnałowych, głównie dzięki kilku innowacjom technicznym, które ujawniły białka docelowe tych cząsteczek. Należą do nich technika związków wychwytujących3,4,5 oraz test różnicowego radialnego działania kapilarnego ligandów (DRaCALA)6, który zostanie omówiony w niniejszej pracy.
Metoda DRaCALA, opracowana przez Vincenta Lee i współpracowników w 2011 roku6, wykorzystuje zdolność membrany nitrocelulozowej do różnicowego sekwestrowania ligandów wolnych i związanych z białkami. Cząsteczki takie jak białka nie dyfundują na membranie nitrocelulozowej, natomiast małe ligandy, takie jak NSMs, są do tego zdolne. Poprzez zmieszanie NSM (np. ppGpp) z badanym białkiem i naniesienie ich na membranę, można spodziewać się dwóch scenariuszy (Rysunek 1): jeśli (p)ppGpp wiąże się z białkiem, znakowane radiologicznie (p)ppGpp zostanie zatrzymane w centrum plamki przez białko i nie będzie dyfundować na zewnątrz, co w obrazowaniu fosforowym (phosphorimager) da intensywną małą kropkę (tj. silny sygnał radiacyjny). Jednak jeśli (p)ppGpp nie wiąże się z białkiem, będzie swobodnie dyfundować na zewnątrz, tworząc dużą plamkę z jednolitym tłem sygnału radiacyjnego.
Ponadto DRaCALA pozwala wykryć oddziaływanie małej cząsteczki z nieoczyszczonym białkiem w lizacie całych komórek, pod warunkiem, że białko występuje w wystarczającej ilości. Taka prostota umożliwia zastosowanie DRaCALA do szybkiej identyfikacji białek docelowych z wykorzystaniem biblioteki ekspresyjnej ORFeome. Rzeczywiście, białka docelowe cAMP7, cyklicznego di-AMP8, cyklicznego di-GMP9,10 oraz (p)ppGpp11,12,13 zostały systematycznie zidentyfikowane przy użyciu DRaCALA. Niniejszy artykuł wideo wykorzystuje (p)ppGpp jako przykład, aby zaprezentować i opisać kluczowe kroki oraz kwestie istotne dla pomyślnego przeprowadzenia przesiewu DRaCALA. Należy zaznaczyć, że przed przystąpieniem do pracy z DRaCALA wysoce zaleca się zapoznanie z bardziej szczegółowym opisem tej metody14 jako uzupełnienie treści niniejszego artykułu.

Rysunek 1: Zasada DRaCALA. (A) Schemat testu DRaCALA. Szczegóły znajdują się w tekście. (B) Kwantyfikacja i obliczanie frakcji wiązania. Szczegóły znajdują się w tekście. W skrócie, plamki DRaCALA będą analizowane poprzez wyrysowanie dwóch okręgów, które obejmują całą plamkę oraz wewnętrzną ciemną kropkę (t.j. zatrzymane (p)ppGpp w wyniku wiązania badanego białka). Sygnał wiązania swoistego to sygnał radiacyjny wewnętrznego okręgu (S1) po odjęciu nieswoistego sygnału tła (obliczonego jako A1 × ((S2-S1)/(A2-A1))). Frakcja wiązania to sygnał wiązania swoistego podzielony przez całkowity sygnał radiacyjny (S2). Skróty: DRaCALA = Differential Radial Capillary Action of Ligand Assay; (p)ppGpp = guanozynopenta- i tetrafosforany; RT = temperatura pokojowa. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie lizatów całych komórek
2. Oczyszczanie Relseq i GppA
UWAGA: Rekombinowane białka Relseq z Streptococcus equisimilis oraz GppA z E. coli K-12 są wykorzystywane odpowiednio do syntezy znakowanego promieniotwórczo pppGpp i ppGpp.
3. Synteza pppGpp i ppGpp znakowanych 32P
| Objętość (μL) | ||
| Mała skala | Duża skala | |
| Woda ultrapure | ||
| Bufor Relseq 10x* | 2 | 50 |
| ATP (stężenie końcowe 8 mM) | ||
| Relseq (stężenie końcowe 4 μM) | ||
| 32P-α-guanozynotrifosforan (GTP) (stężenie końcowe 120 nM) (OSTROŻNIE) | 0.2 | 5 |
| łącznie | 20 | 500 |
Tabela 1: Informacje dotyczące montażu reakcji syntezy w małej i dużej skali dla 32P-znakowanego pppGpp. *10x bufor Relseq zawiera 250 mM Tris-HCl, pH 8,6; 1M NaCl; 80 mM MgCl2. Skrót: pppGpp = guanozynopentafosforan.
4. Przesiewanie DRaCALA w celu identyfikacji białek docelowych (p)ppGpp
5. Ilościowe oznaczenie i identyfikacja potencjalnych białek docelowych

Rycina 2: Ogólny schemat procesu przesiewowego DRaCALA. Indukowana jest produkcja białek z kolekcji ASKA Escherichia coli, a następnie komórki są lizowane. W tym samym czasie oczyszczane są rekombinowane białka Relseq-His i GppA-His, które służą do syntezy pppGpp i ppGpp znakowanych 32P z 32P-α-GTP. Radioaktywnie znakowane cząsteczki (p)ppGpp są następnie mieszane z lizatami, a za pomocą narzędzia 96-pinowego mieszaniny nanosi się na membranę nitrocelulozową w celu późniejszej ekspozycji na ekran do przechowywania fosforu, obrazowania i kwantyfikacji sygnałów radioaktywnych. Skróty: DRaCALA = Differential Radial Capillary Action of Ligand Assay; (p)ppGpp = guanozyno-penta- i tetrafosforany; RT = temperatura pokojowa; IPTG = izopropyl-β-D-1-tiogalaktopiranozyd; GTP = guanozyno-5'-trifosforan; SDS-PAGE = elektroforeza w żelu poliakrylamidowym z dodecylosiarczanem sodu; TLC = cienkowarstwowa chromatografia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Postępowanie zgodnie z powyższym protokołem zazwyczaj pozwala na uzyskanie dwóch typów wyników (Rysunek 3).
Rysunek 3A przedstawia płytkę z relatywnie niskimi sygnałami wiązania w tle (frakcje wiązania < 0,025) w większości studzienek. Pozytywny sygnał wiązania ze studzienki H3 daje frakcję wiązania na poziomie ~0,35, co jest znacznie wyższą wartością niż ta zaobserwowana w pozostałych studzienkach. Nawet bez kwantyfikacji studzien...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Jednym z kluczowych etapów przeprowadzania badań przesiewowych DRaCALA jest uzyskanie dobrych lizatów całych komórek. Po pierwsze, badane białka powinny być produkowane w dużych ilościach i w formach rozpuszczalnych. Po drugie, liza komórek powinna być całkowita, a lepkość lizatu musi być minimalna. Włączenie lizozymu i zastosowanie trzech cykli zamrażania i rozmrażania często wystarcza do całkowitej lizy komórek. Jednak uwolnione chromosomalne DNA sprawia, że lizat jest lepki i generuje wysoki sygnał wiązania tła, co sk...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają do ujawnienia konfliktu interesów.
Praca jest wspierana przez grant projektu NNF (NNF19OC0058331) dla YEZ oraz program Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji w ramach umowy o grant Marie Skłodowska-Curie (nr 801199) dla MLS.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 32P-α-GTP | Perkinelmer | BLU006X250UC | |
| 96 x narzędzie do szpilek | V& P Scientific | VP 404 | 96 Replikator, w centrach 9 mm, średnica 4,2 mm, długość 24 mm |
| 96-dołkowa płytka do mikromiareczkowania w kształcie litery V | Sterilin | MIC9004 | Mikropłytka Sterilin V Studzienka 611V96 |
| Agar | OXOID - Thermo Fisher | LP0011 | Agar nr 1 |
| Szczep kolekcjonerski ASKA | NBRP, SHIGEN, JAPONIA | Patrz: Badania DNA, tom 12, wydanie 5, 2005, strony 291–299. https://doi.org/10.1093/dnares/dsi012 | |
| Benzonaza | SIGMA | E1014-25KU | genetycznie modyfikowana endonukleaza z Serratia marcescens |
| Bradford Protein Assay Dye | Bio-Rad | 5000006 | Koncentrat odczynnika |
| DMSO | SIGMA | D8418 | ≥ 99,9% |
| DNaza 1 | SIGMA | DN25-1G | |
| filtracja żelowa 10x300 kolumna | GE Healthcare | 28990944 | zawiera 20% etanolu jako konserwantu |
| Glicerol | PanReac AppliChem | 122329.1214 | Glicerol 87% do analizy |
| Hiperkaseta | Amersham | RPN 11647 | 20 x 40 cm |
| Imidazol | SIGMA | 56750 | puriss. p.a., ≥ 99,5% (GC) |
| IP Storage Ekran fosforowy | FUJIFILM | 28956474 | BAS-MS 2040 20x 40 cm |
| Izopropyl β-d-1-tiogalaktopiranozyd (IPTG) | SIGMA | I6758 | Izopropylo-β-D-tiogalaktozyd |
| Bulion lizogeniczny (LB) | Invitrogen - Thermo Fisher | 12795027 | Miller's LB Rosół na bazie |
| lizozymu | SIGMA | L4949 | z białka jaja kurzego; BioUltra, liofilizowany proszek, ≥ 98% |
| MgCl2 (chlorek magnezu) | Pipeta | 208337 | |
| MilliQ do wody | ultraczystej | ||
| Thermo Scientific | 4661110 | F1 - Końcówka zaciskowa; 1-10 ul, 8 x kanały | |
| NaCl | VWR Chemicals | 27810 | AnalaR NORMAPUR, ACS, Reag. Ph. Eur. |
| Ni-NTA Agaroza | Qiagen | 30230 | |
| Nitroceluloza Błona Bibułowa | Amersham Protran | 10600003 | Premium 0,45 um 300 mm x 4 m |
| PBS | OXOID - Thermo Fisher | BR0014G | Sól fizjologiczna buforowana fosforanem (Dulbecco A), Tabletki |
| PEG3350 (Glikol polietylenowy 3350) | SIGMA | 202444 | |
| fluorek fenylometylosulfonylu (PMSF) | SIGMA | 93482 | Roztwór fluorku fenylometanosulfonylu - 0,1 M w etanolu (T) |
| Luminoforownik | GE Healthcare | 28955809 | Typhoon FLA-7000 Końcówki do pipet z luminopatem |
| , filtrowane | Thermo Scientific | 94410040 | ClipTip 12,5 μ l niesterylna |
| kolumna chromatograficzna Poly-Prep Kolumna chromatograficzna | Bio-Rad | 7311550 | polipropylenowa |
| Inhibitor proteazy Mini | Pierce | A32955 | Tabletki, |
| rurka z nakrętką | Termo Scientific | 3488 | Probówki mikrocentyfugowe, 2,0 ml z nakrętką, niesterylne |
| SLS 96-głębokie płytki dołkowe | Greiner | 780285 | MASTERBLOCK, 2 ML, PP, V-Bottom, naturalna |
| kolumna wirowa | Millipore | UFC500396 | Amicon Ultra -0,5 ml Filtry odśrodkowe |
| Thermomixer | Eppendorf | 5382000015 | Thermomixer C |
| Płytka TLC (płytki PEI-celuloza F TLC) | Merck Millipore | 105579 | DC PEI-celuloza F (20 x 20 cm) |
| Tris | SIGMA | BP152 | Tris Baza do biologii molekularnej |
| Tween 20 | SIGMA | P1379 | lepki niejonowy detergent |
| i beta;-merkaptoetanol | SIGMA | M3148 | 99% (GC/miareczkowanie) |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.