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推送来自《中国药科大学学报》2022年第53卷第1期药学前沿——基于生物素连接酶的邻近标记技术在蛋白质组学中的研究进展。
基于生物素连接酶的邻近标记技术在蛋白质组学中的研究进展 张雨欣 1丁明 2 ✉柳军 1 ✉ 1. 中国药科大学新药筛选中心,南京 210009; 2. 中国药科大学生命科学与技术学院,南京 210009 基于生物素酶的蛋白质邻近标记技术是利用融合在感兴趣蛋白上的生物素连接酶对邻近的蛋白质生物素化,通过生物素与链酶亲和素之间的亲和力进行分离,再结合质谱分析鉴定出生物素化蛋白。该技术能够用于检测弱而短暂的蛋白质相互作用,也给在无膜细胞器和其他不易分离或纯化的亚细胞结构的上的蛋白互作研究提供了新的选择,很好地补充了传统研究蛋白质互作方法的空白。本文对近几年出现的基于生物素酶的蛋白质邻近标记的技术发展及其应用进行了综述。 邻近标记技术; 生物素化; 蛋白质相互作用; BioID; BioID2; TurboID; 进展 蛋白质是生命体中真正发挥作用的物质,大多数蛋白质不能单独发挥作用,它们与其他蛋白质的相互作用决定了细胞的功能。因此,详细了解蛋白质间相互作用(PPI)是破译细胞网络和调控途径的关键。在用传统的亲和纯化方法分离纯化蛋白复合物时,会导致许多蛋白质间的相互作用被破坏。同时,传统方法会破坏细胞器的完整性,很难评估所得的纯化产物是否保持了其在体内的原始结构。近年来不断发展的蛋白质邻近标记技术极大地补充了寻找蛋白互作的方法。本文将介绍近期出现的基于生物素连接酶BirA开发的蛋白质邻近标记技术的研究进展。 邻近标记技术是通过在需要研究的“诱饵”蛋白上融合一个能够非特异性标记周围蛋白质的酶,被打上标记的蛋白质可以形象的称为“猎物”蛋白。目前基于邻近标记酶的蛋白质标记技术有了快速的发展,有依赖生物素连接酶(BirA)建立的生物素连接酶突变体的非序列依赖标记技术(proximity-dependent biotin identification,BioID),在存在生物素的条件下BirA可以将邻近蛋白质的赖氨酸残基上带上生物素标签;依赖工程化抗坏血酸过氧化物酶(APEX)建立的生物素标记,APEX在过氧化氢的存在下可在短时间内实现快速的生物素化,有利于研究空间和时间上的蛋白质相互作用网络。依赖于PUP连接酶PafA的邻近标记技术PUP-IT,通过元基因组数据定点突变BirA来制造的新邻近标记酶——AirID,研究RNA与蛋白相互作用的RaPID,以及将CRISPR和PUP-IT相结合的CRUIS蛋白质邻近标记技术等。这些方法所要求的pull-down条件没有传统方法所需的条件苛刻,在分析蛋白质复合物时也不需要其保持结合的状态,能够耐受更激烈的裂解条件,可以在正常生理状态下对细胞中蛋白进行标记,且不会在裂解和亲和纯化的步骤中将相互作用的蛋白错配,减少了假阳性的结果。自其报道以来已经在哺乳动物细胞、植物、寄生虫、黏菌、小鼠、酵母、斑马鱼、果蝇和蠕虫等中成功应用。 BioID是一种在真核细胞中近距离依赖标记的蛋白质的技术。该方法可以将物理空间上靠近诱饵蛋白附近的蛋白标记上生物素,以作为蛋白质相互作用的证据,生物素化蛋白可通过链酶亲和素俘获分离并通过质谱鉴定。该技术的核心功能组件是生物素连接酶,在大肠杆菌中,生物素连接酶BirA(231 AA)识别的底物具有特异性,仅能生物素化一段特定的氨基酸序列。如果将BirA的118位进行突变(R118G,表示为BirA*,也被称作BioID Split-BioID是一种基于BirA*酶的蛋白质片段互补分析方法,可以从空间和时间上分析蛋白质复合体。Split-BioID通过将BirA*分为两个片段,分别连接到两个相互作用的蛋白上,在两个相互作用的蛋白融合在一起时,BirA*可以重新组装恢复活性。在运用该方法时,可以通过实验选择合适的分裂位点,常用的方法有将分裂后的BirA*分别与FKBP12-rapamycin复合物的结合位点(FKBP12-rapamycin binding,FRB)和FK506结合蛋白(FKBP)融合,在加入雷帕霉素后,FRB可以和FKBP相互作用,使BirA*的两个片段重新连接,以此可以验证其生物素化活性的恢复情况。BioID在体内可以给10 nm范围内感兴趣的蛋白标记上生物素,无论其是否产生了相互作用。而Split-BioID只有在两种蛋白质相互作用时,才会在天然细胞环境中被激活,能够在单一和简单的分析中无偏见地检测一对相互作用的蛋白质形成的复合物,因此该方法在PPI分析方法中是独一无二的。De Munter 等运用该方法将BirA*分为两个无活性的部分,分别融合到蛋白质磷酸酶PP1的催化和调节亚基上,用于筛选PP1全酶的底物和其他蛋白相互作用物。 Contact-ID也是split-BioID的一种,将BirA*分为N-G78(B1)和G79-C(B2)两个片段,并将这两个片段分别与位于ER膜(ERM)的SEC61B氮端(B1-SEC61B)和位于线粒体膜的外膜(OMM)的TOM20碳端(TOM20-B2)融 BioID2(231 AA)是来源于A.aeolicus的生物素连接酶R40G突变体,自然缺乏DNA结合结构域的生物素连接酶,比BioID小约三分之一,体积的减小增强了与其融合的蛋白的靶向性和定位性。与BioID相比,BioID2诱导生物素化所需要的生物素浓度更低,所需要的时间更短,这一特性有利于其在难以补充生物素的体系中运用,且BioID2的最适反应温度约50 ℃(BioID最适温度约37 ℃),适用于嗜热菌的标记,当目标蛋白质显著大于BioID2的标记半径或当融合蛋白是较大的蛋白质复合物时,可以通过增加柔性连接链扩大其标记范围。目前也有将BioID2运用在体内的研究,Feng等通过CRISPR-Cas9将BioID2敲入小鼠连接蛋白-2(JPH2)用于识别体内心脏二联体蛋白质组,发现了JPH2的多个突变与人类心肌病的相关性。 所有的标记蛋白与靶蛋白融合都需要考虑一个问题,即融合蛋白是否会影响靶蛋白的功能与定位。BioID1的大小为35 kD,有研究表明BioID1的存在可能会限制内核膜(INM)蛋白通过核孔复合物(NPC),从而干扰它们的正确靶向,在INM蛋白的核质结构域延伸超过60 ~ 70 kD时,它们进入细胞核的过程就会受到阻碍。即使是天然缺失DNA结合结构域的BioID2的大小也达到了26.6 kD,对于许多INM蛋白来说,BioID2仍然会影响其在内核膜的分选和定位。 为了解决这个问题,Chojnowski等开发了新的方法——双组分BioID(2C-BioID),该方法将生物素连接酶与靶蛋白分别表达,但在生物素连接酶上融合了FKBP,在靶蛋白上融合了FRB,在加入无生物活性的雷帕霉素模拟物AP21967后,AP21967可以利用FKBP-FRB二聚系统将FKBP:FRB低聚化,以达到将生物素连接酶与内核膜蛋白连接且不影响其定位的效果。以INM蛋白层相关多肽2β(LAP2β)为例,LAP2β的核质结构域的大小约46 kD,由于大小的限制,将BioID1或BioID2连接到LAP2βN末端可能会限制融合蛋白进入INM。将FKBP与BioID2融合,将FRB与LAP2b的N端融合,FRB结构域为11.2 kD,因此,FRB结构不会影响LAP2β在INM上的定位。2C-BioID的设计确保了生物素连接酶与感兴趣蛋白的结合只发生在加入AP21967之后,加入AP21967之前的体系可以作为对照,排除非特异性结合。因此,与传统的BioID相比2C-BioID改善了融合蛋白的靶向问题,并减小了假阳性的可能,增强了生物素连接酶标记的特异性。 TurboID和miniTurbo是由Branon等以R118S突变的BirA通过出错率高的PCR产生并通过将其表达在酵母表面而筛选出来的,它们的催化效率比BirA的更高,在添加生物素10 min内即可起到邻近标记的作用。TurboID的大小也为35 kD,相较于野生型的BirA具有15个突变;miniTurbo的大小为28 kD,缺少N末端结构,相较于野生型BirA有13个突变。虽然miniTurbo的生物素化活性比TurboID低,但在添加外源生物素之前,其标记较少,背景干净,在需要精确控制标记时间的实验中miniTurbo是一个更好的选择。在HEK 293T细胞的细胞核、线粒体基质、内质网内腔和内质网膜这4个细胞结构中,TurboID的邻近标记效果均优于miniTurbo,且稳定性更强,另外TurboID也可用于果蝇和蠕虫的体内邻近标记。 Split-TurboID与split-BioID相似,通过将TurboID分成有较高重组能力的两个非活性片段并将其分别与FRB-FKBP连接,再将其分别与不同亚细胞区室表达的蛋白融合,建立了生物素和雷帕霉素依赖性的表达体系,研究了内质网-线粒体接触位点的蛋白质组成。当蛋白-蛋白相互作用时或膜-膜接触时,TurboID的两个组分重组被激活,达到邻近标记的作用。 May等建立了稳定表达BioID和TurboID融合蛋白的细胞系,并通过免疫印迹、免疫荧光和基于生物素亲和纯化的蛋白质组学对两者进行了对比。发现TurboID存在蛋白质不稳定的迹象,在没有外源生物素的情况下也可以进行持续的生物素化,实际标记半径也有所增加。不过,在内质网腔中TurboID的生物素化较BioID作用更强。 AirID在2020年被首次报道,是Kido等从自己建立的文库(由Blastp Web服务器和自定义Python脚本建立的一个和E.coli BirA有30%同源性的文库)中筛选得到,是在原始BirA的基础上设计的新型生物素标记酶。BirA*的近端生物素化活性明显低于TurboID和AirID,AirID标记时较TurboID需要的生物素量低(TurboID需要50 μmol/L生物素,而AirID在5 μmol/L生物素甚至不含生物素的体系中也能达到邻近标记的目的),且AirID的生物素化发生在邻近的赖氨酸残基上,并且没有特殊的序列优先性,生物素化准确性高还可用于检测药物对PPI的抑制作用。 亚细胞结构的蛋白质组和转录组传统上是通过免疫共沉淀(Co-immunoprecipitation,Co-IP)和生化分离分析的。然而,这两种方法都需要先裂解细胞,这容易失去低亲和与短暂的蛋白质相互作用,同时co-IP也受到可用抗体的限制,生化分离往往做不到纯化完 病毒进入宿主细胞后,病毒-宿主蛋白相互作用是病毒生命周期进行调控的主要方式。V′Kovski等对BioID,APEX等的小分子邻近标记技术在冠状病毒中的应用做了总结,通过将BioID、TurboID和APEX2与冠状病毒的nsp2蛋白融合,能够识别冠状病毒复制酶/转录酶复合物微环境中包含的关键宿主因子。可能有助于揭示被严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)改变或劫持的细胞过程,提供有希望的药物治疗靶点。邻近依赖生物素化还可以用于研究与病毒相关的肿瘤进展过程或病毒的靶向细胞器等。 Rudolph RAS是一个药物难以干预的癌基因,Kovalsk Wu 邻近依赖的生物素化方法,除BioID外还有APEX,邻近生物素化标记克服了经典方法纯化的局限性,近年来在各个方面得到了广泛的应用。将过氧化物酶用于生物素化,可以在1 min内完成邻近蛋白质的标 近年来,基于生物素酶的蛋白质邻近标记技术逐渐被研究人员应用在各个研究领域。邻近标记酶不仅可以单独运用,还可以与其他方法结合,如将BioID与AP-MS融合产生的MAC-tag能够更加全面地映射蛋白质的结构与功能的相互作用。邻近标记技术不仅可以用于研究蛋白质-蛋白质的相互作用,Ramanathan等基于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)设计了一种新的BirA*突变体,称为BASU,它的动力学速度较BirA*提高了1 000倍以上,可以在短至1 min的时间内直接研究活细胞中RNA-蛋白质的相互作用。虽然邻近标记酶具有捕获微弱和/或瞬时蛋白质相互作用的能力,但识别的相互作用不仅限于直接结合物,还可以包括空间上接近的蛋白质,这是它们共同的缺陷。除此之外,由于链酶亲和素与生物素的亲和力极高,导致鉴定出的大部分是非生物素化的肽。研究者针对亲和力过强的问题提出了一些解决方法,BioID标记蛋白的能力取决于这些蛋白质中伯胺的数量和可用性,因此,生物素化蛋白的丰度不可用来表示相互作用的强度或丰度。也因为这样,BioID介导的生物素化不能用于验证实际的蛋白质相互作用,只能用作筛选手段。活细胞中的邻近标记已经成为研究蛋白质行为、亚细胞结构和蛋白质结构组成的一种强有力的方法。蛋白质邻近标记技术的蓬勃发展与其应用范围的拓展,不仅为蛋白质组学研究者提供了新的思路,也为药物靶点的发现提供了新的选择。 张雨欣,丁明,柳军.基于生物素连接酶的邻近标记技术在蛋白质组学中的研究进展[J].中国药科大学学报,2022,53(1):18-24. 美编 | 谢鹏 审核 | 陈玲 顾凯 邹栩
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