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荧光共振能量转移动态检测蛋白质相互作用的研究进展

来源:钮旅网
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:/doi10.39699760.2012.01.020.issn.1000-j

,JJininMedUnivFebruar2012,Vol.35,No.1  gy  

·综述·

荧光共振能量转移动态检测蛋白质相互作用的研究进展

王 宏1 蔡 欣1 白 波2 陈 京2Δ

1泰山医学院基础医学院,2济宁医学院神经生物学研究所,()山东泰安2山东济宁271016;72067

技术是近1FRET)0年来出现的一种新的检测蛋白质-蛋白质相互作用的技  摘 要 荧光共振能量转移(

术。它的最大优势是能从“时间、空间、动态、连续”对活细胞中蛋白质之间的相互作用进行检测,该技术不但可以与其他技术结合来研究细胞膜上蛋白质之间的相互作用;而且还可用于分析细胞膜-细胞质-细胞核中所发生这对于疾病发病机的信号转导途径。资料显示,FRET技术所发挥作用是最近出现的几种技术所无法企及的,制的研究及新的药物靶点的发现具有深远意义。

关键词 荧光共振能量转移;蛋白质-蛋白质相互作用;信号转导

()中图分类号:Q274  文献标识码:A  文章编号:1000976020120206004---  机体细胞中种类繁多的蛋白质各具不同的生

从而使细胞对胞外信号做出不同的生物学理功能,

反应。蛋白质的功能作用经常受不同条件下与不同配体间相互作用的调节。蛋白质之间的相互作用能够整合来自不同信号通路的信号并协调细胞

1]

。因此,研究蛋白质之间相互作内部的调节机制[

技术的原理1 荧光共振能量转移(FRET)FRET理论描述的是两个荧光团之间的能量

)。在能量传输过程中,转移(图1其中的一个荧光,团作为能量供体(另一荧光团作为能量受体D)

(。以适当的激发光照射D,将会产生振荡偶极A)

子,如果D的基态和A的第一激发态的振动能量差相当,或者D的发射光谱与A的吸收光谱能有效重叠时,当D与A靠近时,或者说D与A的偶极子之间的距离足够近时即能产生共振,通过偶极-偶极耦合作用将能量从D向A转移,即发生非放射能量共振转移;A接受能量从而发射出特异性荧光。在此共振能量转移过程当中,D特异性荧光的衰减或者A特异性荧光的增强即可被检测

[]

从而实现F到,RET检测4。FRET中两个常用的荧光蛋白为青色荧光蛋

,白(和黄色荧光蛋canfluorescentroteinCFP)  yp,。F白(fluorescentYFP)RET具ellowrotein  yp

在蛋白质、有广泛的应用前景,DNA等复合物的研

[]

究方面发挥重要作用。Khan等5用FRET检测

用能够给这些研究提供新的见解。在过去的20年中,已经开发了很多用于探测蛋白质相互作用的技)术和方法,这些技术一般分为两部分,体外方法,1、例如免疫共沉淀、faresternblotGST融合蛋白-w )沉降技术等;体内方法,例如酵母双杂交系统,但2是这些方法都具有一定的局限性。一方面,基于机离心力高的或去垢剂的细胞裂解,上述方法械的、

都可能会改变蛋白质-蛋白质相互作用的自然状态;另一方面,上述技术无法提供活细胞内的特定蛋白间相互作用的时空信息

[2]

。近年来研究开发

的荧光共振能量转移(Fluorescenceresonanceen  -,却能克服以上缺点,可以在ertransferFRET)gy 

活细胞中实时动态观测蛋白质之间的相互作用。

[]

更重要的是,如FRET还可以与其他技术结合3,

、生物发光共振能量转移(蛋白互补技术BRET)()等,既能研究两个蛋白之间的相互作用,还PCAs

能用来研究3个或更多蛋白之间的相互作用,甚至是对信号网络的研究。本文就FRET、FRET与其他一些技术的结合及其应用做一简要综述。

基金项目]国家自然科学基金资助项目(30971081;30870932;*[

);山东省自然科学基金资助项目(81070961No.

);山东省泰山学者专ZR2011CM027;ZR2009DZ004

项基金

:通信作者]陈京,E-mailinchen@warwick.ac.uk△[jg

出溶血磷脂胆碱能够通过迅速磷酸化和内化来快/速激活G2A,G2A的活化能促使Gi1和G11α-αq/和GGi1和G11会使胞质内的γ的释放,α-αqβ

2+

浓度升高及GCa2A的激活促使GRK6和βar--而Grestin的循环利用;ck相γ能够与激活的Hβ

[]

互作用。KazutoshiYoshitake等6构建了一对融 它们是一种具有N端二聚化合的锌指结构蛋白,序列和C端GFP突变体的荧光传感蛋白。他们分别在锌指结构的末端标记GFP的突变体CFP和

将这一对锌指结构蛋白混合,并且加入特异YFP,

济宁医学院学报2012年2月第35卷第1期61

显的改变,这表明了特异性的双链DNA发生了二聚化作用。

性的双链D作者观察到了FNA,RET现象。随后没有观察到F加入非特异性的双链DNA,RET明

图1 FRET的基本原理

供体)和Y受体)的吸收和发射光谱。CCFP(FP(FP发射光谱区域与YFP吸收光谱区域重叠处引起有效的FRET信号;   A.

.FRET的原理示意图。   B

2 FRET技术与其他一些技术的结合及应用2.1 连续共振能量转移

FRET涉及不同发射光谱的两个荧光蛋白的能量转移,而BRET是非辐射的生物发光能量转移到一个荧光蛋白上。FRET、BRET已经广泛用于检测活细胞中结构蛋白和动态蛋白的相互作用,这两种技术的自由组合,即FRET-BRET、

统称BRET-BRET、FRET-FRET以及3FRET(-等所seuentialresonanceenertransfer,SRET)  qgy 

发挥的作用是最近出现的几种技术单独应用所无法企及的,这些测定法可以测定相互作用的蛋白在亚细胞定位中的作用、实时观测影响多个蛋白复合

[7]

这些方法可以被用来研究活细胞体的动态事件等,

中一系列蛋白质复合体的组装和功能。

2.1.1 高阶寡聚体 利用这两类技术的特性将这两种能量转移技术结合起来可以实时检测活细胞。目前,中多个蛋白质之间的相互作用(图2)已经用SRET技术实时检测到A2AR-D2R-CB1R寡聚

[]8]

和α体[1b肾上腺素寡聚体9。这些寡聚体的研

他们拥有独特的结构和信号通路究是非常重要的,

从而改变了原受体蛋白的功能,例如如果对α1b肾上腺素寡聚体进行突变可以发现细胞的迁移和功能有重大变化,另外,这些寡聚体的独特性为新型药物开发也开启了新的天地。

图2 3RET技术结合的作用原理-F

2.1.2 信号转导 G蛋白偶联受体(Grotein -p

,)的信号转导日益复杂couledrecetorsGPCRs pp化,这些事件的基础是G例PCRs和相关靶分子(

)如G蛋白偶联受体激酶和β之间存在着arrestin-蛋白质相互作用。应用BRET与FRET联合应用的方法能够检测这些蛋白质之间的相互作用从而有助于揭示G内化,运输,合成和再PCRs的脱敏,循环等整个信号转导过程。例如BRET-400FP-GFRETRETRETBRETGFPFP和B480FP-FGFPFP,400FP-Y-Y-Y-G

涉及腔肠素的氧化和能量转移到uvGFP(UVex--,citedFP)BRETreen  g480FP涉及腔肠素的氧化和-Y能量转移到e而uYFP,vGFP和eYFP又是FRET中的完美搭档,由此可见细胞中3个不同蛋白之间可能存在的相互作用也可以被实时动态检测,因此,如果将3者结合起来,即BRET-480FP-Y

BRETFRETGFP-YFP则可以检测同一个活细胞400FP--G

[0]

人用中多个蛋白之间的相互作用。Breton等1

BRETBRETFRETGFP-YFP证实出刺激480FP-400FP--Y-G

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而该受体仍R会使GRK2聚集于该受体上,α2AA

然能与G/iαγα112偶联。激酶能同时与G11、qβ

并能与受体相互作用,这一现象还可Gγ12偶联,β

能量以用于解释GRK2的非磷酸化作用。因此,转移结合技术能够揭示出GPCR信号转导中不可预期的动力学过程并且该技术适用于多个生物系这有助于揭示相关疾病发生的分子机理,探寻统,

相关疾病治疗的新突破点及开发新药。2.2 PCAsFRET-、这种结合技术主要PCAsFRET两类技术的自由组合,如BIFCFRET-BIFC、BIFCFRET--[11]

,JJininMedUnivFebruar2012,Vol.35,No.1  gy  

2.2.2 信号转导网络蛋白复合体 许多蛋白质能这些相互作用整合起够与不同的靶分子相互作用,

来形成了一个复杂的联系网络,这个网络中相互作用的蛋白的信号能够通过这个网络传递下去。FRET-PCAs的联合应用能够可视化这个体系中每个蛋白质之间的相互作用,从而有利于了解特定的蛋白质间的相互作用与调节其定位和信号效率之间的关系。这种联合技术已经被实时检测了多包括胞质中可扩散的成分种蛋白质之间相互作用,

以及膜受体,通过对细胞质和细胞核转导成分之间相互作用的研究来追踪不同细胞器间进行的信号转导。用BiFCBRET已检测到β2AR、G蛋白的-2亚基以及腺苷酸环化酶能形成一个信号复合γ

14]

。除此之外,体[还可以采用BiFC与FRET或BRET联合技术来研究其他GPCRs的信号转导信号蛋白的空间定位和体系网络的时空动态、

。资料显示,的机制(图4)GPCRs不仅能以单体的形式存在,还可以以二聚体甚至是高阶寡聚体的形式存在,这些寡聚体有不同于单体的特异功能特征,包括配体识别、脱敏、内化、再循环、合成及运输

15],本实验室将用该结合技术来研究A等[PJOR-Κ

等,主要的原理是把荧光蛋白和发光蛋白的N端

并且让这些受体表达或C端融合到目标受体上,

在同一个细胞上,如果这些受体能相互作用,这会产生能量转移,即发生RET。BIFCFRET-BIFC-运用BIFC中荧光蛋白的重新组合可以分别作为)。图3FRET中的受体和供体(

2.2.1 高阶寡聚体和蛋白质复合体的亚细胞定位RET-PCAs的结合应用能够同时识别多个 F

有资料显示,GPCRs形成的寡聚体,FRET-BiFC实验表明出AP1FkaaB蛋白复合体的存--N-pp

12]

,在[腺苷BRET-BiFC也证实出多巴胺D2受体、A2A受体以及亲代谢型谷氨酸受体能形成三聚体。众所周知,蛋白质在内质网上进行生物合成,经高尔基体修饰并运输至质膜上表达,因为FRET可所以F以成像,RET-BiFC在实时观测复合体形成如的同时还可以对蛋白质复合体进行亚细胞定位(

[13]

,细胞膜、内质网、高尔基体等)从而有助于我们

异源二聚体与细胞内G蛋白、GRKs和βarrestin-16]

,之间的相互作用[这些相互作用有助于探寻相关疾病治疗的新突破点及新药开发。

研究蛋白质,甚至是高阶寡聚体的生物合成过程。

图4 G蛋白偶联受体的脱敏、内化和再循环的过程

)激动剂与受体结合;2)GRKs介导GPCR发生磷  1

图3 BIFCRETIFC技术结合的作用原理-F-B

这4个  两个荧光蛋白被分成2个非荧光片段片段,

片段分别依次标记与4个不同的蛋白质上,如果第1个蛋白与第2个蛋白有相互作用,那么2个非荧光片段结合形成1个发光复合体,即发生B如果第3个蛋白与iFC;第4个蛋白有相互作用,那么两个非荧光片段结合形成1个荧光复合体,即发生B如果这4个蛋白之间存在相iFC;互作用,当加入催化底物后,酶反应提供的能量会转移给荧光蛋白使其发出荧光,即发生FRET

酸化,受体与G蛋白-抑制蛋白与磷酸化的受体结合,β)异聚体解耦联,即发生了脱敏反应;通过网格蛋白有被3()。小窝而发生受体内化和内吞;受体重返胞膜(复敏)4

3 展望

基于荧光和发光新型技术的相互结合已被成功的应用于活细胞GPCRs高阶寡聚体以及信号

济宁医学院学报2012年2月第35卷第1期63

[]7retonB,LaacéM,BouvierM.Combininresonanceener B   gggy 

transfermethodsrevealsacomlexbetweenthealha2Aad       --pp,renericrecetorGalhai1beta1amma2,andGRK2[J].  gppg,():FASEBJ2010,241247334743. -[],,,8CarribaG NavarroFCiruelaetal.DetectionofHetero P     -merizationofMoreThanTwoProteinsbSeuentialBret       -yq [],):FretJ.NatMethods2008,5(8727733. -[]9oezimenezJF,CanalsM,PedianiJD,etal.Thealha1b L-G     -pp

:adrenocetorexistsasahiherorderoliomereffectiveoli    -  -pgg,omerizationisreuiredforrecetormaturationsurfacede      -gqp,],:liverandfunction[J.MolPharmacol2007,71(4)1015  -y1029.

[]B,,10BretonM LaaceM Bouvier.CombininResonanceEner  -gg 

TransferMethodsRevealsaComlexbetweentheAl       -gyp ,ha2adrenericRecetorGalhai1beta1amma2,andGrk2-A  pgppg[],():J.FASEBJ2010,241247334743. -[]S,11huYJSuarezCD,HuCD.Visualizationofternarcomle     -yyp 

[]xesinlivincellsbusinaBiFCbasedFRETassaJ.Nat    -  gygy   ,():Protoc2008,31116931702.-[]Y,12JShu,CDSuarezCD Hu.VisualizationofA1Nfa    --K-ypp

abTernarComlexesinLivinCellsbUsinaBifcased     -Bpypgyg    []):FretJ.ProcNatlAcadSciUSA,2008,105(1151156.      -[]RV ,,,13ReboisM RobitailleDPetrinetal.CombininProtein  g 

ComlementationAssaswithResonanceEnerTransferto     pygy ]MultiartnerProteinComlexesinLivinCells[J.Detect     ppg ,):Methods2008,45(3214218.-[,14]CaiX,ChenJBaiB.ExlorinthesecificroleofGPCRs       pgp 

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betweenGcrLiandsRevealsOliomersinNativeTissues       pgg[],():J.NatChemBiol2010,68587594.  -[]L,,17A Hu,TZhouBD Hammanetal.A HomoeneousGPro    -g

teinouledRecetorLiandBindinAssaBasedonTime-C     -ppggy  []ResolvedFluorescenceResonanceEnerTransferJ.Assa   gyy ,):DruDevTechnol2008,6(4543550. -g 

[]MA ,,,18AoubETrinuetKDPfleeretal.DifferentialAsso    -yqg

ciationModesoftheThrombinRecetorPar1withGalhai1,       pp],:Galha12,andBetarrestin1[J.FASEBJ2010,24(9) -A  p35223535.-转导网络中蛋白复合体的研究。虽然这些技术仍,不能在原生环境中直接进行检测)但这存在缺陷(

些技术在不断得到改善和拓展。例如为了证实已经开发出GPCRs寡聚体在原生环境中的存在,该方法的核心是被荧光一种新型TR-FRET方法,配体标记的受体。该方法已被成功运用到原生组织中并成功地展示出乳腺中催产素受体寡聚体的

17]

。L存在[A Hu等人在此基础上以人类C5a受

体为模型开发出一种研究GPCR-配体之间连接的新型T以TRFRET方法,RFRET为基础的方法--是一种非放射性、更快速并且具有较高的灵敏性,这种测定法能够被简单地应用于高通量的药物筛

18]

。经过改善以后的技术的结合可用于更深层选[

次的研究,如将B发现RET-TRFRET结合起来,蛋白酶激活受体1能与Gi1、arrestin1而非α- β

[9]

。因此,随着技术的拓Gi1形成预组装复合物1α

展和开发,他们将是很多研究领域中强有力的生物例如用于药物发现,这为、癌症、糖尿病、心血技术,

管疾病的治疗带来新的曙光。参考文献:

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)//)dlcholinesActivateG2aInducinG(AlhaiG(Alha  --ygppq ()()Ca2+)Flux,G(BetaammackActivationandClath-H   -g//[]rinBetarrestin1Grk6Recruitment.inPmnsJ.Biochem-A- ,():J2010,43213545.-[],H 6oshitakeK,S WakiUeda.Dimerizationbasedhomoe Y - -g

neousfluorosensorroteinsforthedetectionofsecificdsD-        pp]),(:3NA[J.NucleicAcidsSmSer(Oxf2007,51)07  -yp 308.

()收稿日期 20120105--

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