CN101982778B - 一种定量分析蛋白质间相互作用的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定量分析蛋白质间相互作用的方法及其应用。该方法是将Fluc和Rluc分别与要定量分析相互作用的目的蛋白X和预测蛋白Y融合表达，融合蛋白Fluc-X、Rluc-Y结合纯化后用DLR对相互作用蛋白的量进行精确定量，并对表达蛋白的总量进行精确定量，还可对相互作用蛋白之间的分子数量比例进行定量。利用本发明的定量分析蛋白质相互作用方法可快速、灵敏、简便、定量分析蛋白质间的相互作用，具有较高的实际应用价值，在生物学、医药、化学等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域中蛋白质间相互作用的定量分析方法，特别是涉及一种将双荧光素酶(萤火虫荧光素酶Firefly Luciferase，Fluc和海肾荧光素酶RennilaLuciferase，Rluc)用于定量分析蛋白质间相互作用的方法及其应用。
背景技术
蛋白质间相互作用是各种生理活动的基础，与细胞的各种生命活动紧密相关。由于很多疾病的发生与细胞内过强或过弱等不正常的蛋白质间的相互作用密切相关，很多药物也通过调节蛋白质间相互作用的强弱实现治疗作用，因此，研究蛋白质间的相互作用，能更好地理解各种疾病的发病机制、并发现新的药物作用靶标。
鉴定蛋白质相互作用的方法多种多样。经典的免疫共沉淀(Co-IP)、Pull down技术只能对蛋白质相互作用进行半定量分析。酵母双杂交、荧光共振能量转移(FRET)、生物发光共振能量转移(BRET)、表面等离子体共振(SPR)、串联亲和纯化技术(TAP)、蛋白质片段互补分析(PCA)和双分子荧光互补技术(BIFC)等方法，可用于鉴定体内外蛋白质之间的相互作用。基于化学发光定量检测蛋白质相互作用的方法有：PCA、LUMIER和LuMPIS等，PCA只能对两种蛋白发生相互作用的总量进行确定，无法对发生相互作用的其中任何一种蛋白进行定量；LUMIER和LuMPIS仅能对发生相互作用的其中一种蛋白进行定量。
尽管上述各种方法的综合应用已经鉴定了成千上万种蛋白质的相互作用，但很多蛋白质间的精确定量信息仍然未知，例如相互作用的各种蛋白质的量、它们之间的相对分子数、以及发生相互作用蛋白与细胞内所有同种蛋白的比例等。精确定量分析蛋白质间的相互作用的方法的缺乏，仍然制约着对包括致病机制在内的很多生物学过程的理解。因此，发展简单、灵敏、高效、定量分析蛋白质间的相互作用的新方法仍然亟待研究探索。
荧光素酶(Luc)是自然界中能够产生生物荧光的酶的统称。双荧光素酶报告基因(DLR)检测系统是Promega公司开发的，应用两种不同底物同时定量检测两种荧光素酶活性的生物发光分析系统，可对同一样品中的两个报告基因-Fluc和Rluc的表达水平同时进行定量测定。样品与底物混合后，能在20秒内完成DLR定量检测，灵敏度在pg级，是灵敏度为ng级的Western Blot的约103倍，因此该系统具有快速、灵敏、简便的优点。DLR通常用于研究启动子、增强子的活性和研究基因表达调控的机制。检测基因表达时通常将双报告基因(即带有实验报告基因的载体和带有不同的报告基因作为内对照的载体)共转染细胞，报告基因表达活性的改变反映启动子转录活性的改变，实验中作为内对照的第二个报告基因，能使实验报告基因的检测均一化，从而减少实验的变化因素，提高实验的准确性。
由于双荧光素酶检测系统(DLR assay system)能快速、简便、灵敏地对裂解细胞中两种荧光素酶的表达水平进行定量检测，因此用DLR assay取代蛋白质相互作用传统研究方法Pull down中的蛋白检测步骤，建立一种无需SDS-PAGE、无需Western Blot、无需杂交抗体，同时又能定量检测蛋白质之间相互作用的快速、灵敏、简便的新方法，在理论上存在可能性。
那么如何才能用DLR assay取代Pull down实验中的蛋白检测步骤？可通过将Fluc和Rluc分别与Pull down的目的蛋白X和预测蛋白Y分别融合表达，融合蛋白在细胞内或细胞外孵育后进行纯化，通过定量检测纯化得到的Fluc和Rluc活性则可确定蛋白X、Y之间发生相互作用的情况。如果预测蛋白Y与目的蛋白X之间存在相互作用，Y通过与X的结合而被检测到，用DLR assay可对与磁珠结合的Fluc-X和Rluc-Y融合蛋白的Fluc、Rluc活性进行高灵敏定量检测，相互作用越强，沉淀下来的Rluc相对于Fluc的比值就会越高。反之，如果预测蛋白Y与目的蛋白X之间不存在相互作用，沉淀下来只有Fluc-X融合蛋白，没有Rluc-Y融合蛋白，双荧光素酶系统就只能定量检测到Fluc活性，而不能检测到Rluc活性。
发明内容
本发明提供了一种简单、快速、灵敏的定量分析蛋白质间相互作用的方法。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：一种定量分析蛋白质间相互作用的方法，是将Fluc和Rluc分别与要定量分析相互作用的目的蛋白X和预测蛋白Y融合表达，融合蛋白Fluc-X、Rluc-Y结合纯化后用DLR对相互作用蛋白的量进行精确定量，并对表达蛋白的总量进行精确定量，还可对相互作用蛋白之间的分子数量比例进行定量。
所述定量分析相互作用的对象目的蛋白X与预测蛋白Y可以是任何蛋白、多肽或其它能与Fluc、Rluc藕联的化合物。
所述将Fluc和Rluc分别与目的蛋白X和预测蛋白Y融合表达的方法为：先构建Fluc-X融合蛋白表达载体和Rluc-Y融合蛋白表达载体，再使融合蛋白共表达或分别表达再进行体外共同孵育。
所述Fluc和Rluc与蛋白X和Y的融合方式可以通过N端和C端分别进行。
具体来讲，所述融合蛋白Fluc-X表达载体为生物素化融合蛋白表达载体，是将Fluc基因插入真核表达载体pHAVI形成的报告基因表达载体，X蛋白基因与Fluc基因融合后得到。
所述融合蛋白Rluc-Y表达载体是Rluc基因插入真核表达载体pCI-Flag形成的报告基因表达载体，Y蛋白基因与Rluc基因融合后得到。
所述生物素化融合蛋白Fluc-X表达载体和融合蛋白Rluc-Y的报告基因表达载体的表达可在细菌、体外细胞水平表达，或通过转基因的方式在动物体内细胞中表达，也可通过体外翻译系统进行合成表达。
所述融合蛋白Fluc-X或Rluc-Y的纯化，可以通过在融合蛋白上添加标签分子，如生物素、6xHis、MBP或Flag等其它所有可用的标签分子，通过标签分子与其配基或抗体的特异性结合进行纯化。或者不添加标签，直接用Fluc、Rluc抗体或针对融合蛋白的抗体进行纯化。
本发明的另一个目的是提供一种定量分析蛋白质间相互作用的试剂盒。
本发明所提供的试剂盒，包括生物素化Fluc融合表达载体pHAVI、Rluc融合表达载体pCIRl-Flag和链亲和素磁珠。
本发明提供一种将双荧光素酶(萤火虫荧光素酶Firefly Luciferase，Fluc和海肾荧光素酶Rennila Luciferase，Rluc)用于定量分析蛋白质间相互作用的方法。由于纯化得到的Fluc和Rluc融合蛋白与蛋白Y与X之间相互作用的强弱和加入样品总量相关，因此该方法能对蛋白质之间的相互作用进行精确定量测定。本发明建立的方法不仅能对发生相互作用的任何一种蛋白、两种蛋白总量进行定量，而且能对细胞中表达的待鉴定相互作用的两种蛋白分别进行定量，可用于对发生相互作用的其中一种蛋白与它在细胞中表达蛋白总量的比例进行精确定量。这种定量分析方面的优势是现有方法所不具备的，能够避免由于蛋白表达量的变化造成的假阴性和假阳性的出现。该方法能同时定量测定相互作用蛋白，即不同荧光素酶融合蛋白(目的蛋白Fluc-X和预测蛋白Rluc-Y)的绝对量，具体的，该应用是通过用DLR试剂盒定量测定纯化得到的Fluc-X融合蛋白和Rluc-Y融合蛋白的DLR活性，从而对蛋白Y与X之间相互作用的强弱进行定量评价，可用于确定蛋白质的功能等、研究与疾病相关的分子致病机制、发现鉴定新的药物作用靶标等。利用本发明提供的定量分析蛋白质相互作用方法，可快速、灵敏、简便、定量分析蛋白质间的相互作用，具有较高的实际应用价值，在生物学、医药、化学等领域具有广阔的应用前景。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明定量分析蛋白间相互作用的方法示意图
图2A为DLR定量分析Fluc和Rluc之间相互作用结果-细胞裂解液中的Fluc和Rluc活性
图2B为DLR定量分析Fluc和Rluc之间相互作用结果-链亲和素磁珠结合的Fluc和Rluc活性
图3为DLR定量确定Rluc/Fluc活性比系数结果
图4为Western blot鉴定HAVI-Fluc，HAVI-Fluc-MAVS，Rluc，Rluc-TRAF3在293细胞中表达
图5A为DLR定量分析MAVS-TRAF3之间相互作用，表示Rluc-TRAF3能特异地结合HAVI-Fluc-MAVS
图5B为DLR定量分析MAVS-TRAF3之间相互作用，表示链亲和素磁珠结合的Rluc-TRAF3与HAVI-Fluc MAVS的活性比值
图6为Pull down确证MAVS-TRAF3之间存在相互作用
具体实施方式
本发明是基于发明人发现的Fluc和Rluc之间不存在相互作用的特性，构建了生物素化Fluc表达载体和Rluc表达载体，将要定量分析的蛋白X和Y分别插入上述载体，得到生物素化Fluc-X融合蛋白表达载体和Rluc-Y融合蛋白表达载体，两种融合蛋白共表达，或分别表达再进行体外共同孵育后，通过链亲和素包被的磁珠纯化生物素化Fluc-X，然后用DLR测定纯化得到的Fluc-X融合蛋白和Rluc-Y融合蛋白的DLR活性。由于纯化的Fluc和Rluc的活性与加入融合蛋白的量和蛋白X、Y之间相互作用的强弱密切相关，因此该方法可定量确定蛋白Y与X之间相互作用的强弱。
下面以具体实施例详细说明本发明的设计。应该理解，以下实施例不构成对本发明的限制，基于本发明的设计思想，实施中所述报告基因HAVI-Fluc-X和Rluc-Y融合蛋白指示载体的表达可在细菌中表达，也可在体外细胞水平表达，或通过转基因的方式在动物体内表达。所述报告基因HAVI-Fluc-X和Rluc-Y的融合方式也可为HAVI-X-Fluc和Y-Rluc。所述Fluc-X或Rluc-Y的纯化，可以通过在融合蛋白上添加标签分子，如生物素、6xHis、MBP、或Flag等其它所有可用的标签分子，通过标签分子与其配基、或抗体的特异性结合进行纯化。或者没有标签，直接用Fluc、Rluc抗体或针对融合蛋白的抗体进行纯化。
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。具体操作中，PCR扩增中所用的酶为Invitrogen公司产品，酶切、连接中所有限制性内切酶均为NEB公司产品，转化感受态菌为Transgen公司产品，序列分析由奥科进行测定。
实施例1、Fluc与Rluc之间相互作用的定量分析
如图1所示，本发明定量分析蛋白质间相互作用的方法包括以下步骤：
一、生物素化Fluc表达载体和Rluc表达载体的构建
pHAVI载体构建：将EMCV IRES序列和birA基因通过SacII酶切位点连接，插入pCIneo(Promega)的SmaI和NotI酶切位点之间，然后将6xHis、Avi表位的编码序列插入含EMCV IRES和birA的载体得到生物素化表达载体pHAVI。
以pGL3-Basic(Promega公司)为模板，在引物Fluc F和Fluc R的引导下PCR扩增得到Fluc基因序列，Fluc基因经SalI和XhoI双酶切，插入pHAVI载体的XhoI酶切位点，序列分析证明获得了插入方向及序列均正确的生物素化Fluc表达载体，命名为pHAVI-Fluc。
Fluc F：TC GTCGAC ATGGAAGACGCCAAAAACATAAA
Fluc R：CG CTCGAG AGATCCAGAGCCCACGGCGATCTTTCCGCCCTT
将Flag表位编码序列插入pCIneo(Promega)的SalI和NotI酶切位点之间构建pCI-Flag表达载体。然后以pRL-TK(Promega公司)为模板，在引物Rluc F和RlucR的引导下PCR扩增得到Rluc基因序列，Rluc基因经NheI和XhoI双酶切，插入pCI-Flag载体的NheI和XhoI酶切位点之间，序列分析证明获得了插入方向及序列均正确的Rluc表达载体，命名为pCIRluc-Flag。
Rluc F：AG GCTAGC ATGACTTCGAAAGTTTATGAT
Rluc R：AG CTCGAG TTGTTCATTTTTGAGAACTCGCT
二、生物素化Fluc和Rluc在HEK293细胞中的表达
在24孔板中用真核表达载体CMV-Fluc(Biotechnol Lett，2009，31：1151-1157)和pCI-Rluc，pHAVI-Fluc和pCI-Rluc分别共转染HEK293细胞。培养基选用含有10％胎牛血清、25U/mL青霉素、25μg/mL链霉素的DMEM(GIBCO)。转染使用Lipofectamine2000(Invitrogen)，转染的步骤按照厂家说明书进行。转染24-48h后加入收集细胞，PBS洗2次后，加入30ul 1×PLB(Promega)裂解细胞，细胞裂解液中DLR用DLR试剂盒(Promega)在化学发光仪中进行测定。
三、Fluc与Rluc之间的相互作用确定
20ul链亲和素磁珠PBS洗2次后重悬于50ul PBS中，加入2ul共表达Fluc和Rluc，或pHAVI-Fluc和Rluc的细胞裂解液，室温孵育1h后，用含1％Nonidet P-40的PBS洗2次，PBS洗1次后，重悬于50ul PBS中用DLR试剂盒(Promega)在化学发光仪中进行测定。结果Fluc/Rluc活性的比值在500-2000倍之间，说明链亲和素磁珠能与细胞裂解液中的Fluc结合并被定量检测到，但与之共表达的Rluc没有结合(图2A表示细胞裂解液中的Fluc和Rluc活性，图2B表示链亲和素磁珠结合的Fluc和Rluc活性)，提示Fluc和Rluc之间不存在相互作用。该检测结果说明用DLR assay对发生相互作用的蛋白进行定量，不但在理论上存在可能性，而且在实践上可行，能操作，为应用DLR定量分析蛋白质相互作用新方法的建立提供了最关键的实验数据支持，同时优化了定量分析方法的实验步骤。
三、Rluc/Fluc的活性比率确定
将Fluc用XhoI和SmaI酶切，插入pCIRluc-Flag的XhoI和EcoRV位点之间得到pCIRluc-Fluc载体。将Rluc用XbaI和SmaI酶切，插入pHAVI-Fluc的XhoI和EcoRV位点之间得到pHAVI-Fluc-Rluc载体。
在24孔板中用真核表达载体pCIRluc-Fluc和pHAVI-Fluc-Rluc转染HEK293细胞，转染24-48h后收集细胞并用30ul PLB裂解。2ul细胞裂解液重悬于50ul PBS中，用DLR试剂盒(Promega)在化学发光仪中进行测定。结果细胞裂解液中Rluc与Fluc的活性比值在13左右(参见图3)。说明用DLR assay不但能对发生相互作用的蛋白进行定量，而且能精确确定相互作用蛋白的分子数量比例。
实施例2、定量分析MAVS-TRAF3之间的相互作用
本发明定量分析蛋白质间相互作用的方法包括以下步骤：
一、生物素化Fluc-MAVS表达载体和Rluc-TRAF3表达载体的构建
将MAVS基因序列经XhoI和MluI双酶切，插入表达载体pHAVI-Fluc的XhoI和MluI酶切位点之间，得到生物素化Fluc表达载体pHAVI-Fluc-MAVS。
TRAF3基因序列经XhoI和MluI双酶切，插入表达载体pCIRluc-Flag的XhoI和MluI酶切位点之间，得到表达载体pCIRluc-TRAF3。
二、生物素化Fluc-MAVS和Rluc-TRAF3在HEK293细胞中的表达鉴定
用生物素化Fluc-MAVS表达载体和Rluc-TRAF3表达载体在24孔板中共转染HEK293细胞。转染使用Lipofectamine2000(Invitrogen)，转染的步骤按照厂家说明书进行。转染48-72h后加入收集细胞，PBS洗2次后，加入15ul 1×PLB(Promega)裂解细胞，细胞裂解液中进行SDS-PAGE电泳，Western Blot用HRP标记的链亲和素和抗Flag抗体(Abmart)进行检测。结果表明生物素化Fluc-MAVS和Rluc-TRAF3均正确表达(参见图4)。
三、定量分析MAVS-TRAF3之间的相互作用
在24孔板中将pHAVI-Fluc和pCIRluc，pHAVI-Fluc-MAVS和pCIRluc，pHAVI-Fluc和pCIRluc-TRAF3-Flag，pHAVI-Fluc-MAVS和pCIRluc-TRAF3-Flag表达载体分别共转染HEK293细胞。转染使用Lipofectamine2000(Invitrogen)，转染的步骤按照厂家说明书进行。转染24-48h后加入收集细胞，PBS洗2次后，加入30ul 1×PLB(Promega)裂解细胞，细胞裂解液中DLR用DLR试剂盒(Promega)在化学发光仪中进行测定。然后，20ul链亲和素磁珠(Promega)PBS洗2次后重悬于50ul PBS中，加入2ul细胞裂解液，室温孵育1h后，用含1％Nonidet P-40的PBS洗2次，PBS洗1次后，重悬于50ul PBS中用DLR试剂盒(Promega)在化学发光仪中进行测定。结果显示Rluc-TRAF3能特异地结合HAVI-Fluc-MAVS，DLR定量分析结果显示Rluc-TRAF3与结合的HAVI-Fluc-MAVS之间的比值为228％，与HAVI-Fluc-MAVS结合的Rluc-TRAF3占细胞中全部Rluc-TRAF3蛋白的1.8％(图5A表示Rluc-TRAF3能特异地结合HAVI-Fluc-MAVS，与HAVI-Fluc-MAVS结合的Rluc-TRAF3占细胞中全部Rluc-TRAF3蛋白的1.8％，图5B表示链亲和素磁珠结合的Rluc-TRAF3与HAVI-Fluc-MAVS的活性比值为228％)。
四、Pull down验证MAVS-TRAF3之间的相互作用
在6孔板上用pHAVI和Flag-MAVS，HAVI-TRAF3和pCI-Flag，HAVI-TRAF3和Flag-MAVS表达载体分别共转染HEK293细胞。转染使用Lipofectamine2000(Invitrogen)，转染的步骤按照厂家说明书进行。转染48-72h后加入收集细胞，PBS洗2次后，加入60ul 1×PLB(Promega)裂解细胞。45ul细胞裂解液与200ul链亲和素磁珠(Promega)在室温孵育1h后，用含RIPA缓冲液、RIPA高盐缓冲液、RIPA缓冲液(RIPA缓冲液：150mM NaCl，50mM Tris，2mM EDTA，1％Nonidet P-40，0.1％SDS，pH 8.0；RIPA高盐缓冲液：500mM NaCl，50mM Tris，2mM EDTA，1％Nonidet P-40，0.1％SDS，pH 8.0)洗3次后，重悬于10ul RIPA中。样品进行6％或8％的SDS-PAGE电泳，Western Blot用HRP标记的链亲和素和抗Flag抗体进行检测。结果显示HAVI-TRAF3能特异地结合Flag-MAVS，说明MAVS-TRAF3之间存在相互作用(图6，PD：SA表示用链亲和素磁珠Pull down，WCL表示细胞裂解液)，从而进一步证明本发明的方法能用于定量分析蛋白质间的相互作用。
实施例3、定量分析蛋白质间相互作用的试剂盒
将生物素化Fluc融合表达载体pHAVI、Rluc融合表达载体pCIRl-Flag和链亲和素磁珠共同包装，得到本发明定量分析蛋白质间相互作用的试剂盒。
Claims (7)
1.一种定量分析蛋白质间相互作用的方法，是将Fluc和Rluc分别与要定量分析相互作用的目的蛋白X和预测蛋白Y融合表达，融合蛋白Fluc-X、Rluc-Y结合纯化后用双荧光素酶报告基因DLR对相互作用蛋白的量进行精确定量，并对表达蛋白的总量进行精确定量，对相互作用蛋白之间的分子数量比例进行定量；
将Fluc和Rluc分别与目的蛋白X和预测蛋白Y融合表达的方法为：先构建Fluc-X融合蛋白表达载体和Rluc-Y融合蛋白表达载体，再使融合蛋白共表达或分别表达再进行体外共同孵育。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述Fluc和Rluc与蛋白X和Y的融合方式通过N端和C端分别进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述融合蛋白Fluc-X表达载体为生物素化融合蛋白表达载体，是将Fluc基因插入真核表达载体pHAVI形成的报告基因表达载体，X蛋白基因与Fluc基因融合后得到；所述真核表达载体pHAVI载体，是将EMCV IRES序列和birA基因通过SacII酶切位点连接，插入Promega的pCIneo的SmaI和NotI酶切位点之间，然后将6xHis、Avi表位的编码序列插入含EMCV IRES和birA的载体得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述融合蛋白Rluc-Y表达载体是Rluc基因插入真核表达载体pCI-Flag形成的报告基因表达载体，Y蛋白基因与Rluc基因融合后得到；所述真核表达载体pCI-Flag，是将Flag表位编码序列插入Promega的pCIneo的SalI和NotI酶切位点之间得到。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生物素化融合蛋白Fluc-X表达载体和融合蛋白Rluc-Y的报告基因表达载体的表达在体外细胞水平表达，或通过转基因的方式在动物体内细胞中表达，或通过体外翻译系统进行合成表达。
6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于：所述融合蛋白Fluc-X或Rluc-Y的纯化，通过在融合蛋白上添加包括生物素、6xHis、MBP或Flag在内的标签分子，通过标签分子与其配基或抗体的特异性结合进行纯化；或者不添加标签，直接用Fluc、Rluc抗体或针对融合蛋白的抗体进行纯化。
7.一种定量分析蛋白质间相互作用的试剂盒，包括生物素化融合蛋白表达载体pHAVI-Fluc、Rluc融合表达载体pCIRluc-Flag和链亲和素磁珠；pHAVI-Fluc是将Fluc基因插入真核表达载体pHAVI形成的报告基因表达载体，所述真核表达载体pHAVI，是将EMCV IRES序列和birA基因通过SacII酶切位点连接，插入Promega的pCIneo的SmaI和NotI酶切位点之间，然后将6xHis、Avi表位的编码序列插入含EMCV IRES和 birA的载体得到；pClRluc-Flag是Rluc基因插入真核表达载体pCI-Flag形成的报告基因表达载体，所述真核表达载体pCI-Flag，是将Flag表位编码序列插入Promega的pCIneo的SalI和NotI酶切位点之间得到。
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