Традиционные методы картирования белок-белковых взаимодействий (ИПП), такие как аффинная очистка-масс-спектрометрия (AP-MS) и системы дрожжей-2-гибридов (Y2H), часто не могут охватить низкораспространенные, временно экспрессируемые или связанные с мембраной белки. Это ограничение возникает из-за их неспособности воспроизводить естественные физиологические условия живой клетки 1,2,3. Для преодоления этих проблем PL стала мощным методом картирования протеома с высоким разрешением на суборганелльном уровне in vivo. PL использует слияние неразборчивого фермента с белком-приманкой, что позволяет ферменту катализировать образование короткоживущих реактивных молекул1. Эти реактивные молекулы, такие как биотин, ковалентно помечают белки в пределах нескольких нанометров от гибридного белка4. Впоследствии биотинилированные белки выделяют и анализируют с помощью масс-спектрометрии, чтобы облегчить крупномасштабную идентификацию белков 5,6.
За последние годы были разработаны различные ферменты, вызывающие неразборчивые половые связи, для совершенствования методов PL. Двумя широко используемыми ферментами являются мутантная биотинлигазаза R118G (BioID) на основе Escherichia coli и фермент 2 аскорбатпероксидаза 2 на основе гороха (APEX2). BioID преобразует биотин и АТФ в биотинил-5'-аденилат (bioAMP)1. Эта реакционноспособная молекула ковалентно связывается с остатками лизина близлежащих белков в радиусе ± 10 нм. Ключевым преимуществом PL на основе BioID является использование биотина. Это встречающаяся в природе и нетоксичная биомолекула в живых организмах, что позволяет безопасно мечить in vivo 6. Однако BioID имеет ограничения, в том числе медленную кинетику мечения (18-24 ч) и требование высокой температуры (37 °C) для оптимальной каталитическойактивности. Эти черты могут препятствовать его применению в изучении динамических биологических процессов. Между тем, APEX2 катализирует образование биотин-феноксильных радикалов в присутствии биотин-фенола и перекиси водорода (H2O2)7. Эти радикалы в основном реагируют с боковой цепью богатых электронами аминокислот, таких как тирозин, а также могут связывать цистеин, гистидин и триптофан8. Способность фермента пероксидазы к быстрому мечению (< 1 мин) подходит для захвата динамических и переходных ИПП9. Более того, он имеет более широкую дальность обнаружения (до 20 нм), чем биотинлигаза. Однако PL на основе APEX2 имеет свои недостатки, в том числе потребность в токсичном окислителе H2O2 и низкую проницаемость биотин-фенола, что ограничивает применимость in vivo10.
В 2018 году Branon et al. разработали новую биотин-лигазу под названием TurboID, мутантную версию BirA (биотин-лигазы, обнаруженной в E. coli) с массой 35 кДа. Этот фермент включает мутацию в положении R118 (R118S) вместе с 15 другими мутациями относительно BirA. Он проявляет в два раза более высокую каталитическую активность, чем BioID. Биотинилирование, индуцированное TurboID, за 10 мин дает протеомные данные с размером и специфичностью, сравнимыми с 18 ч мечения с помощью BioID. Кроме того, он демонстрирует отличную маркировочную активность при 30 °C4. Таким образом, TurboID больше подходит для применения у таких организмов, как дрозофила или Caenorhabditis elegans, которые обычно выращиваются при температуре 25 °C и 20 °C соответственно.
В этом исследовании мы стремимся использовать PL на основе TurboID для интерактомного исследования яичников дрозофилы. Описанные здесь протоколы используются для картирования интерактатома Zuc в клетках зародышевой линии. Zuc представляет собой эндонуклеазу, локализованную на внешней митохондриальной мембране (ОММ), которая опосредует биогенез пиРНК, малых некодирующих РНК, критически важных для поддержания целостности генома 11,12,13. Сравнивая биотинилированные белки, идентифицированные в результате анализа Zuc-TurboID, с белками из двух дополнительных контрольных белков, NES-TurboID и Tom20-TurboID, мы определили отдельных кандидатов, взаимодействующих с Zuc.