טיהור של מכלולי Native לחקר מבני בשיטת תג טנדם זיקה
Summary
The Tandem Affinity Purification (TAP) method has been used extensively to isolate native complexes from cellular extract, primarily eukaryotic, for proteomics. Here, we present a TAP method protocol optimized for purification of native complexes for structural studies.
Abstract
גישות טיהור זיקה הצליחו לבודד מתחמי יליד לאפיון proteomic. ההטרוגניות מבנית ומידה של ההטרוגניות הלחנה של קומפלקס בדרך כלל לא לעכב את ההתקדמות בביצוע מחקרים כאלה. לעומת זאת, קומפלקס המיועד אפיון מבניים צריך להיטהר בתוך מדינה שהיא גם בעלי הרכב הומוגני מבחינה מבנית כמו גם בריכוז גבוה מהנדרש עבור חקר החלבונים. לאחרונה, חלה התקדמות משמעותית ביישום של מיקרוסקופיה אלקטרונית לקביעת מבנה של קומפלקסי macromolecular גדולים. זה הגביר עניין גישות לטהר מתחמי יליד באיכות מספקת וכמות לקביעה מבנית על ידי מיקרוסקופי אלקטרונים. טיהור זיקה טנדם (TAP) השיטה בצורה מיטבית כדי לחלץ ולטהר 18-למקטע, ~ 0.8 הרכבה ribonucleoprotein מד"א שמרים ניצני (שמר האפייה) </em> מתאים כתם שלילי מיקרוסקופיה קריו אלקטרונים. במסמך זה מפורט את השינויים שבוצעו בשיטת TAP, רציונל ביצוע שינויים אלה, ואת הגישות שננקטו כדי assay קומפלקס בעלי רכב המבני הומוגנית.
Introduction
תהליכים תאיים גדולים רבים מבוצעים על ידי קומפלקסי חלבונים גדולים החלבון-RNA 1. צוואר בקבוק משמעותי לעריכת מחקרי biophysical והמבניים של קומפלקסים כאלה הוא מקבל אותם באיכות מתאימה (כלומר, הומוגניות) ותמורת ריכוז מתאים. בידוד קומפלקס ממקור ילידים יש יתרונות רבים, כולל שמירת שינויים שלאחר תעתיק ו / או translational רלוונטיים של יחידות משנה וביטוח הרכבה מורכבת ראויה. עם זאת, מתחמי הסלולר גדולים הם בדרך כלל נוכח בתא לעבר מספר נמוך עותק ואת הטיהור חייבת להיות יעילה להתרחש בתנאים פיסיולוגיים ליד מנת לשמור על שלמות מורכבת נשמרה. טיהור קומפלקס ממקור איקריוטיים מאתגרת במיוחד ולא יכול להיות כלכלי מונע. לכן, אסטרטגיות או שיטות שאינן יעילים להניב מורכבים הומוגנית הן מאוד רצויות.
אסטרטגיה כי כברמוצלח לטיהור מתחמי יליד מתאי איקריוטיים לאפיון הראשוני שלהם הוא טיהור זיקת טנדם 2,3 השיטה (TAP). שיטת TAP בתחילה תוכננה כדי לטהר חלבון יליד מן שמרי ניצנים (cerevisiae ס) בקומפלקס עם אינטראקצית גורם (ים) 2. שיטת TAP מנוצלת שני תגים, כל תג התמזג במקביל לאותו רצף גן מקודדי חלבונים. התגים נבחרו כדי לאזן צורך חזק וסלקטיבי מחייב שרף זיקה עם רצון לשמור כולה במזג אוויר פתרון פיזיולוגי. איזון זה משמש כדי לשמר אינטראקציה יציבה (ים) של החלבון מתויג עם אינטראקצית גורם (ים) לאפיון שלאחר טיהור. תג TAP משולב genomically הוצב בסוף (C-terminal) של גן מקודדי חלבונים וכלל רצף קידוד calmodulin מחייב פפטיד (CBP) ואחריו חלבון – תוספת של קצת יותר מ -20 kDa אל מתויג חֶלְבּוֹן. CBP הוא קצר, 26 חומצות אמינו, ומוכר על ידי ~ 17 kDa חלבון calmodulin (CAM) בנוכחות של סידן עם K D בסדר גודל של 10 -9 M 4. תג החלבון גדול, מורכב משתי חזרות של 58 שאריות עם מקשר קצר בין החזרות. כל חוזרות חומצה 58 אמינו הוא מוכר על ידי אימונוגלובולין G (IgG) עם -8 M 5 10 K D ~. בין שני אלה תגים התאגד אתר הכרת פרוטאז TEV, גידול endopeptidase מנגיף הטבק Etch 6,7. כמו באיור 1, בשלב זיקה הראשון של שיטת TAP מתויג חלבון מאוגד שרף IgG דרך א חלבון החלבון מתויג הוא eluted ידי על מחשוף טור על תוספת של פרוטאז TEV, אתר ספציפי ביקוע בין את שני התגים. זהו צעד הכרחי כאינטראקציה של IgG ו- A החלבון הוא חזק מאוד והוא יכול להיות רק מוטרד כראוי בתנאי פתרון denaturing. בהעדר Protein תג, החלבון הוא כבול שרף CAM בנוכחות סידן eluted משרף זה עם תוספת של EGTA chelator מתכת יון (חומצה tetraacetic אתילן גליקול) (איור 1).
זמן קצר לאחר כניסתה של שיטת TAP, היא שימשה במחקר בקנה מידה גדול כדי ליצור "מפה" של יחסי הגומלין המורכבים ב ס cerevisiae 8. חשוב לציין, כתוצאה ממאמץ זה המסגרת כולו שמר-TAP Tagged להרחיב קריאה (ORF) ספרייה וכן TAP פרט מתויג ORFs 9 זמינים ממקור מסחרי. לכן, אפשר להשיג כל זן שמרים עם חלבון מתויג לכל מורכבות שמרים. השיטה TAP גם דירבן שינויים או וריאציות של תג TAP, כולל: השימוש בו לטיהור מתחמי מ איקריוטיים אחרים, כמו גם תאים חיידקיים 10,11; העיצוב של "תג לפצל", שבה החלבון ו CBP מונחים על חלבונים שונים 12; ואת taGS השתנה, כדי להתאים את הצורך של החוקר, כגון רגישות של המתחם כדי Ca 2 + או EGTA 13.
ההתקדמות שחלה באחרונה בשני המכשור ומתודולוגיה הובילו להתקדמות משמעותית ביישום של מיקרוסקופיה אלקטרונית (EM) לקביעת מבנה, שהובילו גבוהה, ליד תמונות ברזולוציה אטומית של מתחמי macromolecular 14. החלטת ההשגה של קומפלקס א"מ, לעומת זאת, נותרת מותנית באיכות של המתחם נחקר. מחקר זה נצל את גישת תג TAP לטהר מ ס cerevisiae מספר U1 snRNP, א-למקטע 18 (~ 0.8 מד"א) מורכב ribonucleoprotein נמוך עותק מספר כי הוא חלק 15,16 הספלייסוזום. מספר הצעדים ננקט כדי לטהר מורכב זה כזה שזה הומוגנית של ריכוז נאות. בעיות פוטנציאליות נתקלו בשלבים שונים של הטיהור מתוארות ואסטרטגיות נלקחו להתגבר challenges הדגיש. לפי הערכה ואופטימיזציה צעדים בזהירות הטיהור, U1 snRNP מטוהר הוא באיכות ובבית בכמות שנכנסה כתם שלילי אלקטרוני cryo מיקרוסקופיה (cryo-EM) מחקרים. פרוטוקול שיטת TAP אופטימיזציה עבור טיהור של מתחמי מקורית עבור מחקרים מבניים מתואר במסמך זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה TAP מנצל שני תגים לאזן צורך חזק וסלקטיבי מחייב שרף זיקה עם רצון לשמור כולה במזג אוויר פתרון פיזיולוגי. איזון זה משמש כדי לשמר אינטראקציה יציבה (ים) של החלבון מתויג עם אינטראקצית גורם (ים) לאפיון שלאחר טיהור. בנוסף, TAP הפרט מתויג ORFs זמין ממקור מסחרי, כך שאף אחד יכול ל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful for the support and advice of Nikolaus Grigorieff. We thank Anna Loveland, Axel Brilot, Chen Xu, and Mike Rigney for helpful discussions and EM guidance. This work was funded by the National Science Foundation, Award No. 1157892. The Brandeis EM facility is supported by National Institutes of Health grant P01 GM62580.
Materials
| S. cerevisiae TAP tagged strain | Open Biosystems | YSC1177 | This is the primary yeast strain used to develop the TAP protocol. Its background is S288C: ATCC 201388: MATa, his3Δ1, leu2Δ0, met15Δ0, ura3Δ0, SNU71::TAP::HIS3MX6 |
| Coffee grinder | Mr. Coffee | IDS77 | Used for cell lysis |
| Hemocytometer, Bright Line | Hausser Scientific | 3120 | Used to assess cell lysis |
| JA 9.100 centrifuge rotor | Beckman Coulter, Inc. | Used to harvest the yeast cells | |
| JA 20 fixed-angle centrifuge rotor | Beckman Coulter, Inc. | Used to clear the cell extract of non-soluble cellular material | |
| Ti 60 fixed-angle centrifuge rotor | Beckman Coulter, Inc. | Used to further clear the soluble cell extract | |
| Thermomixer | Eppendorf | R5355 | Temperature controlled shaker |
| Novex gel system | Thermo Fisher Scientific | ||
| IgG resin | GE Healthcare | 17-0969-01 | Sepharose 6 fast flow |
| Calmodulin resin | Agilent Technologies, Inc. | 214303 | Affinity resin |
| Protease inhibitor cocktail, mini tablets | Sigma Aldrich | 589297 | Mini cOmplete ultra EDTA-free tablets |
| Protease inhibitor cocktail, large tablets | Sigma Aldrich | 5892953 | cOmplete ultra EDTA-free tablets |
| Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Dissolved in isopropanol | ||
| 2 mL Bio-spin column | Bio-Rad Laboratories, Inc. | 7326008 | Used to pack and wash the Calmodulin resin |
| 10 mL poly-prep column | Bio-Rad Laboratories, Inc. | 7311550 | Used to pack and wash the IgG resin |
| Precast native PAGE Bis-Tris gels | Life Technologies | BN1002 | Novex NativePAGE Bis-Tris 4-16% precast polyacrylamide gels |
| NativeMark protein standard | Thermo Fisher Scientific | LC0725 | Unstained protein standard used for native PAGE. Load 7.5 μL for a silver stained gel and 5 μL for a SYPRO Ruby stained gel |
| Precast SDS PAGE Bis-Tris gels | Life Technologies | NP0321 | Novex Nu-PAGE Bis-Tris 4-12% precast polyacrylamide gels |
| PageRuler protein standard | Thermo Fisher Scientific | 26614 | Unstained protein standard used for Western blotting |
| SDS running buffer | Life Technologies | NP0001 | 1x NuPAGE MOPS SDS Buffer |
| TAP antibody | Thermo Fisher Scientific | CAB1001 | Primary antibody against CBP tag |
| Secondary antibody | Thermo Fisher Scientific | 31341 | Goat anti-rabbit alkaline phosphatase conjugated |
| BCIP/NBT | Thermo Fisher Scientific | 34042 | 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-phosphate/nitro blue tetrazolium |
| Dialaysis units | Thermo Fisher Scientific | 88401 | Slide-A-Lyzer mini dialysis units |
| Centrifugal filter units, 100kDa MWCO | EMD Millipore | UFC5100008 | Amicon Ultra-0.5 Centrifugal Filter Unit with Ultracel-100 membrane |
| Detergent absorbing beads | Bio-Rad Laboratories, Inc. | 1523920 | Bio-bead SM-2 absorbants |
| SYBR Green II | Thermo Fisher Scientific | S-7564 | Flourescent dye for nucleic acid staining, when detecting with SYPRO Ruby present, use excitation wavelength of 488 nm and emission wavelength of 532 nm |
| SYPRO Ruby | Molecular Probes | S-12000 | Flourescent dye for protein staining, when detecting with SYBR Green II present, use excitation wavelength of 457 nm and emission wavelength of 670 nm |
| Copper grids | Electron Microscopy Sciences | G400-CP |
References
- Gavin, A. C., et al. Functional organization of the yeast proteome by systematic analysis of protein complexes. Nature. 415 (6868), 141-147 (2002).
- Rigaut, G., Shevchenko, A., Rutz, B., Wilm, M., Mann, M., Seraphin, B. A generic protein purification method for protein complex characterization and proteome exploration. Nature Biotechnology. 17 (10), 1030-1032 (1999).
- Puig, O., et al. The tandem affinity purification (TAP) method: A general procedure of protein complex purification. Methods. 24 (3), 218-229 (2001).
- Vaillancourt, P., Zheng, C. F., Hoang, D. Q., Breister, L. Affinity purification of recombinant proteins fused to calmodulin or to calmodulin-binding peptides. Methods Enzymol. 326, 340-362 (2000).
- Braisted, A. C., Wells, J. A. Minimizing a binding domain from protein A. Proc Natl Acad Sci U S A. 93 (12), 5688-5692 (1996).
- Kapust, R. B., et al. Tobacco etch virus protease: mechanism of autolysis and rational design of stable mutants with wild-type catalytic proficiency. Protein Eng. 14 (12), 993-1000 (2001).
- Nallamsetty, S., et al. Efficient site-specific processing of fusion proteins by tobacco vein mottling virus protease in vivo and in vitro. Protein Expr Purif. 38 (1), 108-115 (2004).
- Ghaemmaghami, S., et al. Global analysis of protein expression in yeast. Nature. 425 (6959), 737-741 (2003).
- Howson, R., et al. Construction, verification and experimental use of two epitope-tagged collections of budding yeast strains. Comp Funct Genomics. 6 (1-2), 2-16 (2005).
- Cox, D. M., Du, M., Guo, X., Siu, K. W., McDermott, J. C. Tandem affinity purification of protein complexes from mammalian cells. Biotechniques. 33 (2), 267-268 (2002).
- Gully, D., Moinier, D., Loiseau, L., Bouveret, E. New partners of acyl carrier protein detected in Escherichia coli by tandem affinity purification. FEBS Lett. 548 (1-3), 90-96 (2003).
- Tharun, S. Purification and analysis of the decapping activator Lsm1p-7p-Pat1p complex from yeast. Methods Enzymol. 448, 41-55 (2008).
- Xu, X., Song, Y., Li, Y., Chang, J., Zhang, H., An, L. The tandem affinity purification method: an efficient system for protein complex purification and protein interaction identification. Protein Expr Purif. 72 (2), 149-156 (2010).
- Cheng, Y., Grigorieff, N., Penczek, P. A., Walz, T. A Primer to Single-Particle Cryo-Electron Microscopy. Cell. 161 (3), 438-449 (2015).
- Gottschalk, A., et al. A comprehensive biochemical and genetic analysis of the yeast U1 snRNP reveals five novel proteins. RNA. 4 (4), 374-393 (1998).
- Neubauer, G., Gottschalk, A., Fabrizio, P., Seraphin, B., Luhrmann, R., Mann, M. Identification of the proteins of the yeast U1 small nuclear ribonucleoprotein complex by mass spectrometry. Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (2), 385-390 (1997).
- Lucast, L. J., Batey, R. T., Doudna, J. A. Large-scale purification of a stable form of recombinant tobacco etch virus protease. Biotechniques. 30 (3), 544-546 (2001).
